Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i część 9 Tranzystory dla poczÄ…tkujÄ…cych Radiator Niniejszy odcinek zawiera dalsze informacje na temat odprowadzania ciepÅ‚a i rozkÅ‚adu temperatur w pracujÄ…cych tranzystorach mocy. InteresujÄ…cy prosty sposób oszacowania rezystancji termicznej radiatora metodÄ… kropelki pozwoli praktycznie dobierać radiatory w konkretnych zastosowaniach. Dla utrwalenia wiadomoÅ›ci podanych zastosowaniu poszczególnych tranzysto- w poprzednich odcinkach koniecznie wy- rów. Przyjmij Rthcr = 0,2K/W. Temperatu- konaj na poczÄ…tek kilka kolejnych ćwiczeÅ„ rÄ™ otoczenia przyjmij równÄ… +40°C. r y s u n e k 6 3 teoretycznych. A teraz rysunek 63. MajÄ…c dane rezys- r y s u n k u 6 2 Na rysunku 62 podaÅ‚em ci trzy podob- tancje termiczne i wiedzÄ…c, jakÄ… moc mu- ne sytuacje. UkÅ‚ad jest ten sam (rysu- sisz rozproszyć, oblicz rozkÅ‚ad temperatur nek 62a), taki sam jest radiator i ta sama w poszczególnych punktach. Na rysun- moc tracona (28W). W ukÅ‚adzie możesz ku 63 zaznaczyÅ‚em ci niektóre wartoÅ›ci. zastosować trzy różne tranzystory mocy, WydawaÅ‚oby siÄ™, że znajÄ…c moc żarówek wszystkie w obudowie TO-220 i wartoÅ›- i ich napiÄ™cie pracy można obliczyć ich re- rys. 63. r y s . 6 3 . ciach Rthjc wziÄ™tych z katalogu: odpo- zystancjÄ™, ewentualnie zmierzyć jÄ… omo- wiednio 0,92K/W; 1,67K/W oraz 3,1K/W. mierzem i podstawić do wczeÅ›niej poda- obciążenia rezystorowego. Powód jest Oblicz, jakie bÄ™dÄ… temperatury zÅ‚Ä…cza przy nych wzorów na moc strat dla najgorszego prosty: rezystancja żarówek nie jest staÅ‚a, przypadku. tylko bardzo silnie i nieliniowo zmienia siÄ™ rys. 62. r y s . 6 2 . Niestety, dla wraz ze wzrostem prÄ…du. PrzykÅ‚adowo ża- żarówek nie rówka samochodowa 12V 21W przy na- m o ż n a piÄ™ciu nominalnym ma rezystancjÄ™ okoÅ‚o w prosty 6,8&!, natomiast przy bardzo maÅ‚ych napiÄ™- sposób obli- ciach i prÄ…dach zimne włókno ma rezystan- czyć mocy cjÄ™ okoÅ‚o 0,5&!. Dla żarówki 12V 10W re- strat dla naj- zystancja gorÄ…ca i zimna wynoszÄ… od- gor sz ego powiednio 14,4&! i 1,2&!. Dla żarówki 12V przypadku, 5W: 29&! i 2,7&!, dla żarówki 24V 21W: tak jak liczy- 27,5&! i 1,8&!. JakÄ… rezystancjÄ™ należaÅ‚oby liÅ›my wczeÅ›- podstawić do wzoru? Ponieważ rezystan- niej z pomo- cja żarówki tak silnie zależy od temperatu- cÄ… prostych ry, wzory podane w poprzednich odcin- wzorów dla kach nie mogÄ… być zastosowane. Dlatego 30 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98 Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i tranzystora (Å›ciÅ›lej styku tranzystora z ra- diatorem) nie przekroczy +120°C, to tran- zystor nie bÄ™dzie przegrzany. Tylko jak okreÅ›lić tÄ™ temperaturÄ™? Wykorzystaj praktycznie podane infor- macje. Umieść kropelkÄ™ wody na metalo- wej wkÅ‚adce tranzystora TO-220, wÅ‚Ä…cz ukÅ‚ad i czekaj. JeÅ›li po ponad minucie pracy ukÅ‚adu w pewnym momencie w kropelce wody pojawiÄ… siÄ™ bÄ…belki pa- ry, kropelka zacznie wrzeć i wyparuje, temperatura obudowy przekroczyÅ‚a +100°C. Nie wpadaj w panikÄ™! JeÅ›li teraz rys. 64. rys. 65. rys. 66. r y s . 6 4 . r y s . 6 5 . r y s . 6 6 . umieÅ›cisz nastÄ™pnÄ… kropelkÄ™ wody na na rysunku 63 podana jest moc strat wydzie- Czy można dopuÅ›cić takie warunki i goto- wkÅ‚adce, a ta wyparuje po kilku sekun- lajÄ…ca siÄ™ w tranzystorze w najgorszych wa- wać wodÄ™ na tranzystorze i radiatorze? Do dach, to temperatura wkÅ‚adki wynosi runkach (34W). Już na pierwszy rzut oka wi- tej pory być może uważaÅ‚eÅ›, że jeÅ›li mo- +100...+110°C. To naprawdÄ™ jest dopusz- dać, że z tranzystorem BDW83 (Ptot=130W, żesz dotknąć palcem do radiatora pracujÄ…- czalna sytuacja. PamiÄ™taj, że nie jesteÅ› Tjmax=+150°C, Rthjc=0,96K/W) powinie- cego tranzystora i siÄ™ nie oparzysz, to ra- kucharzem, tylko elektronikiem. neÅ› rozproszyć podanÄ… moc 50W, bo kata- diator jest wÅ‚aÅ›ciwy. JeÅ›li nie możesz go JeÅ›li przy takim eksperymencie pierw- logowa moc strat Ptot wynosi aż 130W. utrzymać, bo parzy radiator jest za maÅ‚y. sza kropelka wody nie chce wyparować SÅ‚usznie! To nie jest dobry sposób oceny radia- w towarzystwie bÄ…belków pary i niknie Przeprowadz obliczenia dla sytuacji tora. Nie bój siÄ™ wyższych temperatur. powoli w ciÄ…gu kilku minut lub wiÄ™cej to z rysunku 63 i trzech różnych radiatorów. Wiesz przecież, że temperatura półprze- temperatura obudowy jest niższa niż 6 4 . . . 6 6 Potem zaznacz na rysunkach 64...66 tem- wodnikowego zÅ‚Ä…cza może wynosić na- +100°C i radiator jest dobrany z pewnym peratury w poszczególnych punktach. wet +150°C. Dlatego temperatura obudo- zapasem. OczywiÅ›cie radiator może być Już obliczyÅ‚eÅ›? wy tranzystora równa +120°C generalnie przy tym tak gorÄ…cy, że w nie bÄ™dziesz Przeanalizuj uzyskane wyniki. Przy ewi- nam nie przeszkadza. Nie bój siÄ™ wiÄ™c mógÅ‚ go dotknąć. dentnie zbyt maÅ‚ym radiatorze (wersja tych +115°C. OczywiÅ›cie tak rozgrzanego JeÅ›li jednak pierwsza kropelka wypa- z rysunku 64) temperatura zÅ‚Ä…cza wynios- radiatora nie możesz wystawić na ze- ruje w czasie krótszym niż minuta, a na- Å‚aby aż +212°C. To rzeczywiÅ›cie dużo. Za wnÄ…trz obudowy, bo rzeczywiÅ›cie ktoÅ› stÄ™pna kropelka wyparuje z sykiem na- dużo! Radiator jest za sÅ‚aby, z maÅ‚y. mógÅ‚by siÄ™ poparzyć. Ale jeÅ›li radiator tychmiast po jej umieszczeniu na wkÅ‚ad- Na pewno przy ogromnym radiatorze o tej temperaturze jest umieszczony we- ce, to szybko wyÅ‚Ä…cz ukÅ‚ad temperatura z Rthra = 0,72K/W z rysunku 65 wszyst- wnÄ…trz obudowy, to nie ma problemu. obudowy przekroczyÅ‚a +120°C, a tempe- ko jest w porzÄ…dku. Temperatura zÅ‚Ä…cza A teraz słówko na marginesie. Być mo- ratura zÅ‚Ä…cza mogÅ‚a przekroczyć +150°C. wynosi +100°C, a radiatora okoÅ‚o +65°C. że podziwiaÅ‚eÅ› potężne, czernione radiato- Zastosuj wiÄ™kszy radiator, bo ten jest za Ale czy w wersji z rysunku 66 mieÅ›ci- ry w niektórych wzmacniaczach mocy. maÅ‚y dla danej mocy traconej. my siÄ™ w przepisanych granicach? Tem- PrzykÅ‚adowo niektóre starsze krajowe Nie polecam ci innych sposobów po- peratura zÅ‚Ä…cza to dopuszczalne +150°C. wzmacniacze o mocach wyjÅ›ciowych rzÄ™- miaru temperatury, bo w domowych wa- A temperatura obudowy? du 2 x 15...2 x 50W byÅ‚y wyposażane w ta- runkach nie zbudujesz sensownego ter- Tak! BÄ™dzie wynosić okoÅ‚o +120°C! kie potężne radiatory, wystajÄ…ce z tylnej mometru do pomiaru temperatury obu- Nawet temperatura radiatora siÄ™gnie nie- Å›cianki obudowy. Wielkość tych radiato- dowy tranzystora. Nie próbuj wykorzysty- mal +115°C. rów może sugerować, że do rozproszenia wać sondy zawartej w wyposażeniu lep- ÅšciÅ›lej biorÄ…c, taka temperatura wy- kilkudziesiÄ™ciu watów mocy strat potrzeb- szych multimetrów cyfrowych. BÅ‚Ä…d ta- stÄ…pi tylko w punkcie styku czyli tam, ne sÄ… koszmarnie wielkie radiatory. Wcale kiego pomiaru byÅ‚by zbyt duży. Do prób gdzie z pomocÄ… smaru silikonowego lub tak nie jest! Wielkość wspomnianych ra- z tranzystorami w obudowach TO-220 silikonowej (ale nie mikowej) podkÅ‚adki diatorów wynikaÅ‚a z tego, że byÅ‚y wysta- polecam prosty sposób z kropelkÄ… wody. przykrÄ™cony jest tranzystor. Powierzchnia wione na zewnÄ…trz i obowiÄ…zujÄ…ce przepisy Dlaczego zalecam próby tylko z obu- radiatora bÄ™dzie mieć trochÄ™ niższÄ… tem- żądaÅ‚y, by temperatura ich powierzchni nie dowÄ… TO-220 lub podobnÄ… wiÄ™kszÄ…, np. peraturÄ™. O ile niższÄ…? To zależy od wielu przekroczyÅ‚a wyznaczonej granicy. Nie daj TO-218 (SOT-93)? Bo masz wtedy bez- czynników i nie jest najważniejsze. Nie siÄ™ wiÄ™c zasugero- musisz siÄ™ w to wgÅ‚Ä™biać. W każdym ra- wać wielkoÅ›ciÄ… ra- zie na podstawie rysunków 64...66 mo- diatorów w takich żesz siÄ™ przekonać, że o ile zastosujesz wzmacniaczach. smar silikonowy, to temperatura metalo- Teraz wracamy wej wkÅ‚adki tranzystora TO-220 (takie do głównego wÄ…tku. przecież stosujemy najczęściej) bÄ™dzie Co wynika z ry- mniej wiÄ™cej taka, jak temperatura radia- sunków 63...66? tora w miejscu styku z tranzystorem. Przy nowoczes- Różnica kilku stopni nie ma znaczenia. nych tranzystorach Czy jednak temperatura obudowy w obudowach TO- tranzystora wynoszÄ…ca +120°C to aby nie 220 i mocach traco- za dużo? nych do 20...30W Woda wrze w temperaturze +100°C, możesz przyjąć, że a w temperaturze +120°C kropelka wody jeÅ›li temperatura szybciutko wyparowuje z lekkim sykiem. metalowej wkÅ‚adki ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98 31 Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i poÅ›redni dostÄ™p do metalowej wkÅ‚adki radiatorowej. W przypadku tranzysto- rów w plastikowej obudowie TO-126 nie masz bezpoÅ›redniego dostÄ™pu do wkÅ‚adki radiatorowej, a temperatura plastikowej powierzchni nie pozwala wnioskować o temperaturze zÅ‚Ä…cza. Po- dobnie jest ze starszymi tranzystorami w metalowej obudowie TO-3. Też nie masz dostÄ™pu do pÅ‚aszczyzny, przez którÄ… jest przekazywane ciepÅ‚o do radia- tora, a temperatura metalowego kaptur- ka zależy od konstrukcji obudowy i nie rys. 67. rys. 68. rys. 69. r y s . 6 7 . r y s . 6 8 . r y s . 6 9 . pozwala wyciÄ…gnąć wniosków na temat temperatury zÅ‚Ä…cza. Moc tÄ™ możesz regulować potencjo- 3,5K/W. Temperatura zÅ‚Ä…cza bÄ™dzie wiÄ™k- W każdym razie eksperymenty z tran- metrem P1. Przy pierwszym wÅ‚Ä…czeniu sza od temperatury obudowy o zystorami w typowej obudowie TO-220 zamiast bezpiecznika należy wÅ‚Ä…czyć ża- "T=P×Rthjc pozwolÄ… ci wstÄ™pnie okreÅ›lić parametry ra- rówkÄ™ 12V 10...60W i ustawić potencjo- Jak widzisz jest to bardzo prosty spo- diatorów, które potem bÄ™dÄ… współpraco- metr P1 na minimum prÄ…du. Dopiero po sób oszacowania rezystancji termicznej wać z tranzystorami w innych obudowach. takim sprawdzeniu można zamienić ża- radiatora. PamiÄ™taj jednak, że jest to spo- rówkÄ™ na bezpiecznik. sób, powiedzmy oszczÄ™dny . Może siÄ™ Podczas pózniejszych pomiarów serdecznie zdziwisz, jak maÅ‚e bÄ™dÄ… radia- w najprostszym przypadku możesz tory potrzebne do rozproszenia mocy mierzyć tylko napiÄ™cie na szerego- 5...10W przy temperaturze obudowy wym rezystorze 0,1&!. ZakÅ‚adajÄ…c, że tranzystora (TO-220) wynoszÄ…cej napiÄ™cie akumulatora nie zmienia +100...+120°C. W praktyce nie stosuj siÄ™ i jest równe 12V (zmierz), moc jednak aż tak maÅ‚ych radiatorów. PamiÄ™- strat wydzielana w tranzystorze (po- taj, że próby przeprowadzasz na wolnym mijajÄ…c straty w rezystorze R1) bÄ™- powietrzu, a potem radiator zamkniesz dzie wynosić w obudowie, gdzie bÄ™dÄ… znacznie gorsze P[W]=120×U1 [V] warunki chÅ‚odzenia. Poza tym obniżenie Wez kilka radiatorów poczÄ…wszy od temperatury zÅ‚Ä…cza poniżej +150°C jesz- PodaÅ‚em ci tu z grubsza ogólnÄ… zasadÄ™ kawaÅ‚eczka blachy aluminiowej (np. cze bardziej zwiÄ™kszy niezawodność sprawdzenia, czy przy mocach do 4 x 4cm) do sporego radiatora z aluminio- urzÄ…dzenia. W miarÄ™ możliwoÅ›ci stosuj 20...30W radiator nie jest za maÅ‚y. Czy dla wego fabrycznego profilu i kolejno znacznie wiÄ™kszy radiator. Ale ze sposo- wiÄ™kszych mocy jest podobnie? Jak roz- sprawdz metodÄ… kropli , jakÄ… moc mo- bu z kropelkÄ… wody nie rezygnuj. Przepro- kÅ‚adajÄ… siÄ™ temperatury? JeÅ›li chcesz to żesz stracić z poszcze- sprawdzić, przeprowadz obliczenia i uzu- gólnymi radiatorami. Nie r y s u n k i 6 7 . . . 6 9 peÅ‚nij rysunki 67...69. Sytuacje z rysun- przekrocz tylko dopusz- ków 67...69 sÄ… trochÄ™ sztuczne, bo za każ- czalnego prÄ…du tranzys- dym razem rezystancja radiatora jest tak tora mocy. A przy mocy dobrana, by przy danej mocy strat tempe- traconej wiÄ™kszej niż ratura zÅ‚Ä…cza nie przekroczyÅ‚a +150°C. 30W nie zapomnij o re- A radiator o rezystancji 0,6K/W to potężny zystancji Rthjc, która na kawaÅ‚ aluminiowej ksztaÅ‚tki. W każdym ra- przykÅ‚ad dla tranzystorów zie sam widzisz, że przy zastosowaniu mocy BD249/250, smaru silikonowego temperatura obudo- BDV64/65 wynosi 1K/W, wy i radiatora różni siÄ™ niewiele, bo tylko dla BDW93/94 1,56K/W, o kilka stopni. ZapamiÄ™taj, że temperatura dla BD905...BD912 wkÅ‚adki radiatorowej jest niższa od tem- 1,4K/W, BD243/244 peratury zÅ‚Ä…cza o mniej wiÄ™cej 1,9K/W, a dla starych kra- "Tjc=P×Rthjc jowych BD280...286 aż Teraz masz już sporo wie- rys. 70. r y s . 7 0 . dzy o zależnoÅ›ciach ciepl- nych. Na razie jest to wiedza czysto teoretyczna. A ty chcesz być praktykiem. Zbu- r y s u n k u 7 0 duj wiÄ™c ukÅ‚ad z rysunku 70 lub podobny z tranzystorem T1 w obudowie TO-220 lub TO-218 (SOT-93), o jak naj- wiÄ™kszej katalogowej mocy Ptot. Przy przepÅ‚ywie prÄ…du przez tranzystor bÄ™dzie siÄ™ w nim wydzielać moc P=UT×IC 32 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98 Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i wadz próby, bo pozwoli ci to nabyć do- wrócimy jeszcze do tematu radiatorów Å›wiadczenia, byÅ› potem potrafiÅ‚ dobrać na Å‚amach EdW. Napisz do mnie w tej odpowiedni radiator bez żadnych prób sprawie. P i o t r G ó r e c k i i eksperymentów. Piotr Górecki Na koniec zafundowaÅ‚em ci maÅ‚Ä… po- wtórkÄ™ i konkurs. A jeÅ›li zechcesz, po- Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i Najpierw wydawaÅ‚o ci siÄ™, że znajÄ…c maksymalne napiÄ™cie UCE0 i maksymalny prÄ…d kolektora ICmax obliczysz moc tranzystora jako UCE0 x Icmax. OkazaÅ‚o siÄ™ to nieprawdÄ…. Dla każdego tranzystora podaje siÄ™ w katalogu maksymal- nÄ… moc strat Ptot, która jest znacznie mniejsza niż iloczyn UCE0×ICmax. Potem już byÅ‚eÅ› przekonany, że podawana w katalogu moc Ptot to moc, jakÄ… możesz obciążyć tranzystor w każdych warunkach. Dla maleÅ„kich tranzystorów maÅ‚ej mocy jest to nawet zbliżone do prawdy (o ile oto- czenie ma temperaturÄ™ nie przekraczajÄ…cÄ… +30...+40°C), ale dla tranzystorów o mocy strat wiÄ™kszej niż 1W koniecznie trzeba uwzglÄ™dnić dodatkowe czynniki. Przy bliż- szym zbadaniu sprawy okazaÅ‚o siÄ™, że w grÄ™ wchodzi zjawisko tak zwanego drugiego przebicia, które ogranicza zakres pracy przy dużych napiÄ™ciach kolektora i znacznych prÄ…dach. Przy jeszcze bliższym przyjrzeniu siÄ™ problemowi najpoważniejszÄ… barierÄ… okazaÅ‚a siÄ™ maksymalna temperatura zÅ‚Ä…cza i skuteczność odprowadzania ciepÅ‚a strat ze zÅ‚Ä…cza do otoczenia. Wiążą siÄ™ one nierozerwalnie z parametrem zwanym rezystancjÄ… ter- micznÄ…. W przypadku tranzystorów mocy sprawa dodatkowo siÄ™ skomplikowaÅ‚a, bo caÅ‚kowi- ta rezystancja termiczna zależy od kilku czynników, a głównie od parametrów zasto- sowanego radiatora. Ponieważ katalogowa moc strat Ptot tranzystorów mocy jest mierzona w warunkach laboratoryjnych przy niemal idealnym chÅ‚odzeniu, staÅ‚o siÄ™ jasne, że w praktycznym ukÅ‚adzie w żaden sposób nie uda ci siÄ™ wydusić z tranzystora mocy katalogowej mocy strat, bo potrzebny byÅ‚by idealny radiator. Ostatecznie wyszÅ‚o na to, że w realnych warunkach pracy tranzystor mocy może być obciążony mocÄ… wynoszÄ…cÄ… okoÅ‚o poÅ‚owy podanej w katalogu wartoÅ›ci Ptot, a i to wymaga zastosowania odpowiedniego radiatora. Teraz już znasz caÅ‚Ä… niezbÄ™dnÄ… teoriÄ™ i potrafisz obliczać także parametry termiczne. Do peÅ‚ni szczęścia brakuje ci tylko informacji na temat rezystancji termicznej używa- nych w praktyce radiatorów. WartoÅ›ci rezystancji termicznej radiatorów znajdziesz w katalogach dobrych firm wysyÅ‚kowych. Możesz także z grubsza oszacować rezys- tancjÄ™ termicznÄ… mniejszych radiatorów prostÄ… metodÄ… z kropelkÄ… wody. 36 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98