Pierwsze k
kroki
część 7
Tranzystory
dla początkujących
Parametry termiczne
W poprzednim odcinku dowiedziałeś się,
jedynie do zrozumienia i wykorzystania
otoczenia. Czy temperatura złącza będzie
że tranzystor zawsze musi pracować w bez−
tranzystorów małej mocy. W przypadku
rosła w nieskończoność? Ależ skąd!
piecznym obszarze. Znakomicie poradziłeś
tranzystorów większej mocy nie wystar−
W pewnym momencie wytwarza się
sobie z ćwiczeniami i wydaje ci się, że już czą przeprowadzić proste obliczenia, jak
równowaga: różnica temperatur wzrosła
dokładnie poznałeś problem mocy strat. Te−
to robiliśmy w poprzednim odcinku, pole−
na tyle, że cała ilość wytwarzanego ciep−
raz już wiesz, że warunki pracy tranzystora
gające na sprawdzeniu, czy moc strat
ła przepływa do otoczenia. Dzięki temu
są ograniczone czterema czynnikami:
w danym układzie nie przekroczy odczy−
temperatura już nie wzrasta. Zapamiętaj
– dopuszczalnym napięciem kolektor−
tanej z katalogu dopuszczalnej mocy strat
to – w normalnych warunkach pracy
emiter
Ptot! Kluczowe znaczenie ma tu bowiem
w tranzystorze wytwarza się stan równo−
– dopuszczalnym prądem kolektora
temperatura złącza, czyli krzemowej
wagi cieplnej – temperatura wzrasta na
– zjawiskiem drugiego przebicia
struktury tranzystora.
tyle, by całe ciepło wydzielane w złączu
– maksymalną mocą strat
Dziś zajmiemy się tą sprawą bliżej.
było na bieżąco odprowadzane do otocze−
Dwa pierwsze rozumiesz doskonale:
Wydzielające się w tranzystorze ciepło
nia. Jeśli nie zadbasz, by to ciepło sku−
zbyt wysokie napięcie po prostu dopro−
trzeba odprowadzić i rozproszyć do oto−
tecznie o
odprowadzić d
do o
otoczenia, d
dopro−
wadzi do przebicia i nieodwracalnego
czenia. Jak myślisz, od czego zależy szyb−
wadzisz d
do n
nadmiernego w
wzrostu ttempe−
uszkodzenia złącza, a za duży prąd kolek−
kość przepływu ciepła między złączem
ratury złącza i nieodwracalnie zniszczysz
tora stopi cieniutkie doprowadzenia.
tranzystora a otoczeniem?
tranzystor.
Problemu drugiego przebicia nie musisz
To ważne pytanie!
Niestety, muszę ci to szczegółowo
zgłębiać – jest ono uwzględnione w kata−
...
wyjaśnić, ponieważ i tu funkcjonują błęd−
logu na rysunku pokazującym bezpieczny
Szybkość przepływu ciepła na pewno
ne wyobrażenia. Okazuje się, że
obszar pracy. Wystarczy, by twój tranzys−
zależy od różnicy temperatur, ale też od w ogromnej większości przypadków tran−
tor nie pracował w obszarze drugiego
izolacji cieplnej. Jeśli elektryczny piecyk zystor mocy nie może pracować z katalo−
przebicia, czyli przy napięciach bliskich
starannie owiniesz materiałem termoizo−
gową mocą strat Ptot! Trzeba bowiem
UCE0 i znacznych prądach.
lacyjnym, na przykład kocem, ciepło bę−
uwzględnić dodatkowe czynniki.
Poznałeś też kolejny ważny parametr –
dzie przepływać wolniej, natomiast tem−
moc strat. Umiesz obliczyć maksymalną
peratura piecyka będzie szybko rosnąć
Maksymalna temperatura
moc strat tranzystora dla danego napięcia
i koc po kilku minutach się zapali.
złącza
zasilającego i rezystancji obciążenia. Po−
W elektronice jest podobnie. Gdy
Zapamiętaj raz na zawsze: wysoka
trafisz dobrać obciążenie, by przy danym
w złączu tranzystora zaczyna się wydzie−
temperatura jest śmiertelnym wrogiem
napięciu zasilającym nie przekroczyć do−
lać moc cieplna równa P=UCE×IC, to tem−
półprzewodników.
puszczalnej mocy strat.
peratura tego złącza rośnie. Ze wzrostem
Początkujący wyobrażają sobie, że ist−
I tu muszę cię trochę rozczarować: do−
różnicy temperatur złącze−otoczenie
nieje jakaś ściśle określona granica, po
tychczasowa wiedza od biedy wystarczy
wzrasta też ilość ciepła przepływająca do
przekroczeniu której element półprze−
22
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
Pierwsze k
kroki
Patrząc na to z drugiej strony, masz na−
(lub RTH), która dotyczy nie ogólnie mate−
stępny ważny wniosek praktyczny – jeśli
riału, ale konkretnego elementu.
temperatura złącza pracującego tranzys−
Początkujących może to przestraszyć,
tora będzie znacznie niższa, niż te umow−
ale naprawdę nie ma tu nic trudnego. Re−
ne +150°C, na przykład będzie wynosić
zystancja jak rezystancja – stawia opór,
+30°C czy +50°C, prawdopodobieństwo
utrudnia przepływ (ciepła). Jest to para−
uszkodzenia będzie bardzo, bardzo małe
metr charakteryzujący jakiś konkretny
– śmiało można uważać, że w takich wa−
obiekt pod względem przewodzenia ciep−
runkach pracy tranzystor będzie wiecz−
ła – nie wchodząc w szczegóły przyjmij−
ny. Tym zdaniem chciałbym rozproszyć
my, że jest to właśnie rezystancja termicz−
na Rth. Na przykład kawałek aluminium
wodnikowy ulega uszkodzeniu, na podo−
czy miedzi ma małą rezystancję termiczną
bieństwo cyny, która topi się w pewnej,
(bo te metale bardzo dobrze przewodzą
dokładnie określonej temperaturze. Jest
ciepło), natomiast kawałek drewna, wars−
to wyobrażenie całkowicie błędne. Co
tewka powietrza czy kawałek tworzywa
prawda w katalogach półprzewodników
sztucznego mają dużą rezystancję ciepl−
podawana jest maksymalna ttemperatura
ną. Rzecz jasna, w przypadku tranzysto−
złącza, oznaczana Tjmax (Tjmax), zwykle
rów zależy nam na tym, by rezystancja
+150°C, ale wcale to nie znaczy, że na
cieplna była jak najmniejsza, czyli by całe
przykład w temperaturze +200°C ele−
wydzielone ciepło bez szybko i sprawnie
ment stopi się, lub natychmiast ulegnie
odprowadzić do otoczenia.
uszkodzeniu. Temperatura topnienia krze−
Sprawa
obli−
mu jest znacznie wyższa. Znam „ekspe−
niepotrzebne obawy. Najprościej mó−
czeń podstawo−
rymentatorów”, którzy na pracujących
wiąc, jeśli nie zostaną przekroczone:
wych zależności
tranzystorach mocy (typu 2N3055) topili
maksymalne napięcie kolektora, maksy−
cieplnych jest na−
cynę – temperatura obudowy przekracza−
malne prądy bazy i kolektora, oraz jeśli
prawdę dziecinnie
ła więc +200°C, temperatura złącza była
temperatura złącza będzie niższa od
łatwa, bo wystę−
na pewno znacznie wyższa, i... tranzysto−
+150°C, nie trzeba się martwić o trwałość
puje tu łatwa do
ry nie uległy uszkodzeniu.
tranzystora. A jeśli temperatura jest zbli−
zrozumienia ana−
To skąd te katalogowe +150°C?
żona do temperatury pokojowej, można
logia z obwodem
To proste. W tej temperaturze ryzyko
śmiało uważać, iż tranzystor jest wieczny.
elektrycznym. W obwodzie elektrycznym
uszkodzenia jest jeszcze stosunkowo
To budująca wiadomość, prawda? Tak,
prąd zależy od napięcia (czym większe na−
małe. Element pracujący w tej tempera−
ale z praktyki wiem, że najczęstszą przy−
pięcie tym większy prąd) i od oporności
turze powinien (biorąc statystycznie) po−
czyną uszkodzeń tranzystorów w ukła−
(czym większy opór, tym mniejszy prąd).
winien bezawaryjnie pracować, powiedz−
dach amatorskich jest właśnie ich prze−
Matematycznie wyraża to oczywiście pr−
my przez 10000 godzin (to jest ponad rok
grzewanie wskutek nieznajomości pod−
awo Ohma. Dokładnie tak samo jest
ciągłej pracy). W grę wchodzi tu statysty−
stawowych zasad. Właśnie dlatego prob−
w obwodzie cieplnym. Możemy mówić
ka i rachunek prawdopodobieństwa,
lemowi temu poświęciłem aż trzy odcin−
o prawie Ohma dla obwodu cieplnego.
więc nie będę ci tłumaczył szczegółowo
ki cyklu o tranzystorach.
Czy domyślasz się, co jest „napięciem
kwestii awaryjności i przewidywanych
cieplnym”, co „prądem cieplnym”, a co
okresów pracy bezawaryjnej. Na pewno
Moc strat a temperatura
„oporem cieplnym”?
kiedyś spotkasz się ze skrótami MTTF,
Żeby nie zgubić głównego wątku na−
Pomyśl samodzielnie.
MTBF – właśnie one dotyczą kwesti−
szych rozważań muszę ci na zawsze
...
i pracy bezawaryjnej i ryzyka uszkodzeń
wbić do głowy zależność, jak podana
Tak jest!
urządzeń i podzespołów.
w katalogu maksymalna moc strat wiąże
„Napięciem cieplnym” jest różnica
A więc te +150°C to nie jakaś ściśle
się z dopuszczalną temperaturą złącza
temperatur ∆T, „prądem cieplnym” jest
określona nieprzekraczalna granica. Po
(+150°C). Musimy teraz znaleźć jakieś
przenoszona czy przepływająca moc
podgrzaniu złącza do +200°C tranzystor
wzory i zależności, żeby opisać zacho−
cieplna P, natomiast „opór cieplny” to
nadal będzie pracował. Zresztą w katalo−
dzące zjawiska.
wprowadzona przed chwilą rezystancja
gach spotkasz elementy (diody i niektóre
Czy potrafiłbyś obliczyć, do ilu stopni
termiczna Rth.
tranzystory), dla których określono do−
wzrośnie temperatura złącza podczas
Jeśli to jest odmiana prawa Ohma, to
puszczalną temperaturę złącza równa
pracy tranzystora?
zapiszmy analogiczne wzory:
+175°C lub nawet +200°C.
To na pewno zależy nie tylko od mocy
T
U
Zapamiętaj podstawową zależność –
traconej (czym większa moc strat, tym
P = ∆
I =
Rth
R
ze wzrostem temperatury szybko roś−
wyższa będzie temperatura złącza), ale
nie ryzyko czyli prawdopodobieństwo
także od izolacji cieplnej między złączem
rys. 5
55. P
Prawo O
Ohma
uszkodzenia. W podawanej w katalogu
a otoczeniem – czym skuteczniejsza izo−
maksymalnej temperaturze złącza Tjmax
lacja termiczna, tym większa musi być
ryzyko uszkodzenia jest jeszcze stosun−
temperatura, by „przepchnąć” przez tę
kowo małe. Ale ze wzrostem tempera−
izolację do otoczenia całą ilość ciepła wy−
tury prawdopodobieństwo uszkodzenia
tworzoną w złączu tranzystora.
rośnie wykładniczo, czyli bardzo gwał−
W fizyce często używa się pojęcia
townie. To oznacza, że powinieneś do−
przewodności cieplnej (danego materia−
łożyć wszelkich starań, by nie przekro−
łu). My w elektronice nie wdajemy się
czyć katalogowej maksymalnej tempe−
w szczegóły i używamy pojęcia rezystan−
ratury złącza.
cji cieplnej (termicznej) oznaczanej Rth
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
23
kroki
W praktyce częściej używamy prze−
W poprzednim odcinku poznałeś wzór
wyższa o 10 czy 20°C od katalogowych
kształconych wzorów:
na moc wydzieloną w najgorszych wa−
+150°C, rośnie wprawdzie ryzyko uszko−
runkach:
dzenia, ale nie grozi to od razu uszkodze−
T
U
Rth = ∆
R =
Podstawiamy:
niem tranzystora. To nie znaczy, że zachę−
P
I
cam cię do przekraczania dopuszczalnej
(12V)2
144
P
=
=
= .
0 036W = 36m W
temperatury złącza – wprost przeciwnie –
max
∆T = P × Rth U = I × R
4 × 1000Ω
4000
namawiam cię, byś tak projektował swoje
K
Nie masz chyba wątpliwości, że ta re−
∆T = .
0 036W × 250
= K
9
= 9 C
o
układy, by temperatury złącz były znacznie
W
zystancja cieplna to rezystancja między
niższe niż katalogowe +150°C.
= 40o + 9o =
o
złączem (ang. junction czytaj dżankszn) Tj
C
C
49 C
Ale idźmy dalej.
a otoczeniem, atmosferą (ang. ambient, Nawet przy napięciu zasilania równym
ambience). Oznacza się ją Rthja (junction 24V, maksymalna moc strat nie będzie
Przykład 3
3
– ambience).
większa niż 150mW, a przyrost tempera−
Obliczamy temperaturę złącza tran−
Rezystancja cieplna wyrażana jest
tury wyniesie co najwyżej 36°C.
zystora
polowego
MOSFET
typu
w stopniach Celsjusza (lub kelwinach)
Wnioski? Jeśli w twoim układzie tran−
BUZ74A, który według katalogu ma
na wat – °C/W lub K/W. Sens jest pros−
zystory małej mocy mające rezystancję
Ptot=40W W i Rthja=75K/W (=75°C/W).
ty: rezystancja cieplna pokazuje, jaka
termiczną nie większą niż 500K/W, pracu−
Temperatura otoczenia wynosi powiedz−
będzie różnica temperatur z obu stron
ją z mocami nie większymi niż 100mW
my +20°C. Nie chcemy przeciążyć tran−
danego elementu, przy przepływie
(0,1W), nie musisz się obawiać ich prze−
zystora, więc tak dobierzemy rezystan−
przezeń 1W mocy cieplnej. Jeśli po−
grzania. Przykładowo, jeśli napięcie zasi−
cję obciążenia (w obwodzie drenu) tran−
wiedzmy przez rezystancję termiczną
lające wynosi 12V, to w najgorszym przy−
zystora, by maksymalna moc strat tran−
tranzystora (między złączem a otocze−
padku moc 100mW wydzieli się w tran−
zystora wynosiła tylko 5W. Będziemy
niem) przepływa 5W mocy cieplnej,
zystorze obciążonym rezystorem
pracować przy mocy 8−krotnie mniejszej,
a
rezystancja
termiczna
wynosi
niż dopuszczalna moc Ptot.
Uzas
20°C/W, to różnica temperatur wyniesie
R = (
)2
L
:
Niczego nie podejrzewając obliczamy
4P
100°C. Czyli złącze będzie cieplejsze od
tot
temperaturę złącza ze wzoru ∆T=P×RTH
otoczenia o 100°C.
122
144
o C
Wartość Rthja tranzystora jest obliczo−
R =
× 0, W
1
=
=
Ω
L
360
∆T = 5W × 75
= 375o
4
0,4
na przez producenta i można ją znaleźć
W
w katalogu.
W praktyce zwykle rezystory obciąże−
Uwzględniając temperaturę otoczenia
I nie bój się tych kelwinów na wat, to
nia (w obwodzie kolektora) mają rezys−
równą +20°C, temperatura złącza wynios−
nic trudnego: 1°C/W = 1K/W. Przecież
tancję powyżej 1kΩ i wtedy przy napię−
łaby +395°C.
skala Kelvina to „przesunięta w dół skala
ciach zasilania do 24V wcale nie trzeba
Ciut za dużo, prawda?
Celsjusza” – zaczynająca się od zera absolut−
sobie zawracać głowy mocą strat i tem−
Gdzie tkwi błąd? Przecież zastosowa−
nego (0K=−273°C, 0°C=273K, +27°C=300K,
peraturą złącza.
liśmy tranzystor dużej mocy! A może ob−
+100°C=373K, +150°C=423K).
liczenia dotyczą tylko „zwykłych tranzys−
I nigdy nie zapomnij, iż w podanych
Przykład 2
2
torów, a nie jakichś tam MOSFETów?
wzorach mamy różnicę temperatur złącza
Mamy układ z tranzystorem BC107
Nie! Podane zasady dotyczą nie tylko
i otoczenia!
(Ptot=300mW) i obliczyliśmy, że w naj−
wszelkich tranzystorów, ale również ukła−
A po co nam ta rezystancja termiczna
gorszym przypadku w tranzystorze bę−
dów scalonych, dla których też podaje się
i wzory? Właśnie te wzory pozwolą ci za−
dzie się wydzielać 200mW (0,2W) mocy
rezystancję termiczną Rth.
panować nad problemem mocy strat
strat. W pierwszym przypadku tranzystor
rys. 5
57.
i temperatury złącza także w tranzysto−
pracuje w dobrze wentylowanej obudo−
rach dużej mocy oraz w różnorodnych
wie, gdzie temperatura wynosi +30°C,
układach scalonych. Obliczymy na przy−
w drugim przypadku temperatura we−
kład, czy w danym układzie pracy tranzys−
wnątrz małej, zamkniętej obudowy może
tora nie zostanie przekroczona dopusz−
sięgnąć +60°C. Wartość Rthja tranzysto−
czalna temperatura złącza.
ra BC107 wynosi 500K/W. Obliczamy:
Proszę bardzo:
∆
K
T = 0 2
. W × 500
= 100 C
o
Przykład 1
1
W
Tranzystor BC548 (UCE0=25V, IC=100mA,
W pierwszym przypadku temperatura
Ptot=500mW, Rthja=250K/W) pracuje
złącza wyniesie:
przy napięciu 12V z rezystorem obciążenia
Tj=+30°C+100°C=+130°C
(rysunek 55) RL=1kΩ. Maksymalna tem−
W drugim Tj=+160°C
peratura otoczenia wynosi +40°C.
No i co? Znów jesteś zaskoczony?
W powyższych obliczeniach błędu nie
Jaka będzie
To jest pułapka w która wpadają począt−
ma! To my zrobiliśmy karygodny błąd, nie
rys. 5
56
m a k s y m a l n a
kujący – jeśli nie jest przekroczona katalo−
stosując radiatora i podstawiając bezmyśl−
temperatura złą−
gowa moc strat Ptot, nie obliczają tempe−
nie do wzoru katalogową rezystancję
cza tranzystora
ratury złącza sądząc, że na pewno wszyst−
Rthja (która dotyczy sytuacji bez radiatora).
w
najgorszych
ko jest w porządku. Okazało się jednak, że
Zauważ, że w przypadku tranzystorów
warunkach, czyli
w tranzystorze małej mocy przy zbyt dużej
małej mocy (moc strat do 1W) w katalo−
przy napięciu na
temperaturze otoczenia nie powinno się
gu podana jest najczęściej jedynie całko−
kolektorze rów−
pracować przy katalogowej mocy strat
wita rezystancja termiczna między złą−
nym połowie na−
tranzystora. Ale nie wpadaj w panikę. Jak
czem a otoczeniem, oznaczona Rthja.
pięcia zasilania?
ci mówiłem, gdy temperatura złącza jest
c.d. na str. 27
24
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
kroki
Dlaczego? Rezystancja Rthja dla danej
obudowy wynika z jej wymiarów, a nie
Natomiast w przypadku tranzystorów
z właściwości krzemowej struktury tran−
mocy, w katalogu podana jest zarówno
zystora.
rezystancja Rthja, dotycząca sytuacji bez
Oblicz więc, jaka moc może wydzielić
radiatora, jak i druga, o znacznie mniej−
się w tranzystorach w obudowie TO−220
szej wartości – Rthjc. Ta druga to rezys−
bez radiatora (P=∆T/Rth).
tancja termiczna między złączem ( junc−
Przyjmij rezystancję Rthja równą
tion) i obudową ( case), stąd literki jc. Dla 70K/W, oraz temperaturę otoczenia +45°C
wspomnianego tranzystora BUZ74A wy−
(np. we wnętrzu obudowy przyrządu).
nosi ona tylko 3,1K/W.
o
o
Przyznam ci się, że przed wielu laty ja−
150 C
45 C
105
P = +
−
=
= 1 5
, W
ko początkujący elektronik−amator nie
o C
70W
70
miałem zielonego pojęcia o powyższych
W
zależnościach i „załatwiłem” w taki spo−
Dobrze zapamiętaj tę wartość! Nigdy
sób dwa nowiusieńkie i bardzo na owe
nie zapomnij, że najlepszy tranzystor mo−
czasy drogie tranzystory mocy z serii
cy w obudowie TO−220 bez radiatora nie
BUYP. Może i ty masz coś takiego na su−
może pracować przy mocy strat większej
mieniu?
niż 1,5W.
rys. 5
58.
Od tej chwili nie popełniaj już takich
Teraz już jesteś przekonany, że o mak−
błędów, choć dziś tranzystory są niepo−
torów i innych elementów w popularnej
symalnej mocy strat tranzystora dużej
równanie tańsze, niż dwadzieścia pięć lat
obudowie TO−220 wynosi mniej więcej
mocy będzie decydował radiator. I tu do−
temu.
60...80K/W. Poszczególne tranzystory
piero zaczynają się strome schody. Tymi
w takiej obudowie mają różne wartości
stromymi schodami przespacerujemy się
Uważaj teraz! Rezystancja termiczna
rezystancji Rthjc (w zakresie 0,9...4K/W),
wspólnie za miesiąc.
Rthja (bez radiatora) wszystkich tranzys−
ale podawane wartości Rthja są zbliżone.
Piotr G
Górecki
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
25