[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
część
7
dla początkujących
Tranzystory
Parametry termiczne
W poprzednim odcinku dowiedziałeś się,
że tranzystor zawsze musi pracować w bez−
piecznym obszarze. Znakomicie poradziłeś
sobie z ćwiczeniami i wydaje ci się, że już
dokładnie poznałeś problem mocy strat. Te−
raz już wiesz, że warunki pracy tranzystora
są ograniczone czterema czynnikami:
– dopuszczalnym napięciem kolektor−
emiter
– dopuszczalnym prądem kolektora
– zjawiskiem drugiego przebicia
– maksymalną mocą strat
Dwa pierwsze rozumiesz doskonale:
zbyt wysokie napięcie po prostu dopro−
wadzi do przebicia i nieodwracalnego
uszkodzenia złącza, a za duży prąd kolek−
tora stopi cieniutkie doprowadzenia.
Problemu drugiego przebicia nie musisz
zgłębiać – jest ono uwzględnione w kata−
logu na rysunku pokazującym bezpieczny
obszar pracy. Wystarczy, by twój tranzys−
tor nie pracował w obszarze drugiego
przebicia, czyli przy napięciach bliskich
U
CE0
i znacznych prądach.
Poznałeś też kolejny ważny parametr –
moc strat. Umiesz obliczyć maksymalną
moc strat tranzystora dla danego napięcia
zasilającego i rezystancji obciążenia. Po−
trafisz dobrać obciążenie, by przy danym
napięciu zasilającym nie przekroczyć do−
puszczalnej mocy strat.
I tu muszę cię trochę rozczarować: do−
tychczasowa wiedza od biedy wystarczy
jedynie do zrozumienia i wykorzystania
tranzystorów małej mocy. W przypadku
tranzystorów większej mocy nie wystar−
czą przeprowadzić proste obliczenia, jak
to robiliśmy w poprzednim odcinku, pole−
gające na sprawdzeniu, czy moc strat
w danym układzie nie przekroczy odczy−
tanej z katalogu dopuszczalnej mocy strat
Ptot! Kluczowe znaczenie ma tu bowiem
temperatura złącza, czyli krzemowej
struktury tranzystora.
Dziś zajmiemy się tą sprawą bliżej.
Wydzielające się w tranzystorze ciepło
trzeba odprowadzić i rozproszyć do oto−
czenia. Jak myślisz, od czego zależy szyb−
kość przepływu ciepła między złączem
tranzystora a otoczeniem?
To ważne pytanie!
...
Szybkość przepływu ciepła na pewno
zależy od różnicy temperatur, ale też od
izolacji cieplnej. Jeśli elektryczny piecyk
starannie owiniesz materiałem termoizo−
lacyjnym, na przykład kocem, ciepło bę−
dzie przepływać wolniej, natomiast tem−
peratura piecyka będzie szybko rosnąć
i koc po kilku minutach się zapali.
W elektronice jest podobnie. Gdy
w złączu tranzystora zaczyna się wydzie−
lać moc cieplna równa P=U
CE
×I
C
, to tem−
peratura tego złącza rośnie. Ze wzrostem
różnicy temperatur złącze−otoczenie
wzrasta też ilość ciepła przepływająca do
otoczenia. Czy temperatura złącza będzie
rosła w nieskończoność? Ależ skąd!
W pewnym momencie wytwarza się
równowaga: różnica temperatur wzrosła
na tyle, że cała ilość wytwarzanego ciep−
ła przepływa do otoczenia. Dzięki temu
temperatura już nie wzrasta. Zapamiętaj
to – w normalnych warunkach pracy
w tranzystorze wytwarza się stan równo−
wagi cieplnej – temperatura wzrasta na
tyle, by całe ciepło wydzielane w złączu
było na bieżąco odprowadzane do otocze−
nia. Jeśllii niie zadbasz,, by to ciiepłło sku−
teczniie odprowadziić do otoczeniia,, dopro−
wadziisz do nadmiiernego wzrostu tempe−
ratury złłącza i niieodwracallniie zniiszczysz
tranzystor..
Niestety, muszę ci to szczegółowo
wyjaśnić, ponieważ i tu funkcjonują błęd−
ne wyobrażenia. Okazuje się, że
w ogromnej większości przypadków tran−
zystor mocy nie może pracować z katalo−
gową mocą strat Ptot! Trzeba bowiem
uwzględnić dodatkowe czynniki.
Maksymalna temperatura
złącza
Zapamiętaj raz na zawsze: wysoka
temperatura jest śmiiertellnym wrogiiem
półłprzewodniików.
Początkujący wyobrażają sobie, że ist−
nieje jakaś ściśle określona granica, po
przekroczeniu której element półprze−
22
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
Pierwsze kroki
Patrząc na to z drugiej strony, masz na−
stępny ważny wniosek praktyczny – jeśli
temperatura złącza pracującego tranzys−
tora będzie znacznie niższa, niż te umow−
ne +150°C, na przykład będzie wynosić
+30°C czy +50°C, prawdopodobieństwo
uszkodzenia będzie bardzo, bardzo małe
– śmiało można uważać, że w takich wa−
runkach pracy
tranzystor będzie wiecz−
ny
. Tym zdaniem chciałbym rozproszyć
(lub R
TH
), która dotyczy nie ogólnie mate−
riału, ale konkretnego elementu.
Początkujących może to przestraszyć,
ale naprawdę nie ma tu nic trudnego. Re−
zystancja jak rezystancja – stawia opór,
utrudnia przepływ (ciepła). Jest to para−
metr charakteryzujący jakiś konkretny
obiekt pod względem przewodzenia ciep−
ła – nie wchodząc w szczegóły przyjmij−
my, że jest to właśnie rezystancja termicz−
na Rth. Na przykład kawałek aluminium
czy miedzi ma małą rezystancję termiczną
(bo te metale bardzo dobrze przewodzą
ciepło), natomiast kawałek drewna, wars−
tewka powietrza czy kawałek tworzywa
sztucznego mają dużą rezystancję ciepl−
ną. Rzecz jasna, w przypadku tranzysto−
rów zależy nam na tym, by rezystancja
cieplna była jak najmniejsza, czyli by całe
wydzielone ciepło bez szybko i sprawnie
odprowadzić do otoczenia.
Sprawa obli−
czeń podstawo−
wych zależności
cieplnych jest na−
prawdę dziecinnie
łatwa, bo wystę−
puje tu łatwa do
zrozumienia ana−
logia z obwodem
elektrycznym. W obwodzie elektrycznym
prąd zależy od napięcia (czym większe na−
pięcie tym większy prąd) i od oporności
(czym większy opór, tym mniejszy prąd).
Matematycznie wyraża to oczywiście pr−
awo Ohma. Dokładnie tak samo jest
w obwodzie cieplnym. Możemy mówić
o prawie Ohma dla obwodu cieplnego.
Czy domyślasz się, co jest „napięciem
cieplnym”, co „prądem cieplnym”, a co
„oporem cieplnym”?
Pomyśl samodzielnie.
...
Tak jest!
„Napięciem cieplnym” jest różnica
temperatur
wodnikowy ulega uszkodzeniu, na podo−
bieństwo cyny, która topi się w pewnej,
dokładnie określonej temperaturze. Jest
to wyobrażenie całkowicie błędne. Co
prawda w katalogach półprzewodników
podawana jest maksymallna temperatura
złłącza, oznaczana Tjjmax (T
jmax
), zwykle
+150°C, ale wcale to nie znaczy, że na
przykład w temperaturze +200°C ele−
ment stopi się, lub natychmiast ulegnie
uszkodzeniu. Temperatura topnienia krze−
mu jest znacznie wyższa. Znam „ekspe−
rymentatorów”, którzy na pracujących
tranzystorach mocy (typu 2N3055) topili
cynę – temperatura obudowy przekracza−
ła więc +200°C, temperatura złącza była
na pewno znacznie wyższa, i... tranzysto−
ry nie uległy uszkodzeniu.
To skąd te katalogowe +150°C?
To proste. W tej temperaturze
ryzyko
uszkodzenia
jest jeszcze stosunkowo
małe. Element pracujący w tej tempera−
turze powinien (biorąc statystycznie) po−
winien bezawaryjnie pracować, powiedz−
my przez 10000 godzin (to jest ponad rok
ciągłej pracy). W grę wchodzi tu statysty−
ka i rachunek prawdopodobieństwa,
więc nie będę ci tłumaczył szczegółowo
kwestii awaryjności i przewidywanych
okresów pracy bezawaryjnej. Na pewno
kiedyś spotkasz się ze skrótami MTTF,
MTBF – właśnie one dotyczą kwesti−
i pracy bezawaryjnej i ryzyka uszkodzeń
urządzeń i podzespołów.
A więc te +150°C to nie jakaś ściśle
określona nieprzekraczalna granica. Po
podgrzaniu złącza do +200°C tranzystor
nadal będzie pracował. Zresztą w katalo−
gach spotkasz elementy (diody i niektóre
tranzystory), dla których określono do−
puszczalną temperaturę złącza równa
+175°C lub nawet +200°C.
Zapamiętaj podstawową zależność –
ze wzrostem temperatury szybko roś−
nie
ryzyko
czyli
prawdopodobieństwo
uszkodzenia. W podawanej w katalogu
maksymalnej temperaturze złącza T
jmax
ryzyko uszkodzenia jest jeszcze stosun−
kowo małe. Ale ze wzrostem tempera−
tury prawdopodobieństwo uszkodzenia
rośnie wykładniczo, czyli bardzo gwał−
townie. To oznacza, że powinieneś do−
łożyć wszelkich starań, by nie przekro−
czyć katalogowej maksymalnej tempe−
ratury złącza.
niepotrzebne obawy. Najprościej mó−
wiąc, jeśli nie zostaną przekroczone:
maksymalne napięcie kolektora, maksy−
malne prądy bazy i kolektora, oraz jeśli
temperatura złącza będzie niższa od
+150°C, nie trzeba się martwić o trwałość
tranzystora. A jeśli temperatura jest zbli−
żona do temperatury pokojowej, można
śmiało uważać, iż tranzystor jest wieczny.
To budująca wiadomość, prawda? Tak,
ale z praktyki wiem, że najczęstszą przy−
czyną uszkodzeń tranzystorów w ukła−
dach amatorskich jest właśnie ich prze−
grzewanie wskutek nieznajomości pod−
stawowych zasad. Właśnie dlatego prob−
lemowi temu poświęciłem aż trzy odcin−
ki cyklu o tranzystorach.
Moc strat a temperatura
Żeby nie zgubić głównego wątku na−
szych rozważań muszę ci na zawsze
wbić do głowy zależność, jak podana
w katalogu maksymalna moc strat wiąże
się z dopuszczalną temperaturą złącza
(+150°C). Musimy teraz znaleźć jakieś
wzory i zależności, żeby opisać zacho−
dzące zjawiska.
Czy potrafiłbyś obliczyć, do ilu stopni
wzrośnie temperatura złącza podczas
pracy tranzystora?
To na pewno zależy nie tylko od mocy
traconej (czym większa moc strat, tym
wyższa będzie temperatura złącza), ale
także od izolacji cieplnej między złączem
a otoczeniem – czym skuteczniejsza izo−
lacja termiczna, tym większa musi być
temperatura, by „przepchnąć” przez tę
izolację do otoczenia całą ilość ciepła wy−
tworzoną w złączu tranzystora.
W fizyce często używa się pojęcia
przewodności cieplnej (danego materia−
łu). My w elektronice nie wdajemy się
w szczegóły i używamy pojęcia rezystan−
cjjii ciiepllnejj (termiicznejj)) oznaczanej Rth
T, „prądem cieplnym” jest
przenoszona czy przepływająca moc
cieplna P, natomiast „opór cieplny” to
wprowadzona przed chwilą rezystancja
termiczna Rth.
Jeśli to jest odmiana prawa Ohma, to
zapiszmy analogiczne wzory:
P
T
Rth
I
U
R
rys.. 55.. Prawo Ohma
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
23
Pierwsze kroki
W praktyce częściej używamy prze−
kształconych wzorów:
W poprzednim odcinku poznałeś wzór
na moc wydzieloną w najgorszych wa−
runkach:
Podstawiamy:
wyższa o 10 czy 20°C od katalogowych
+150°C, rośnie wprawdzie ryzyko uszko−
dzenia, ale nie grozi to od razu uszkodze−
niem tranzystora. To nie znaczy, że zachę−
cam cię do przekraczania dopuszczalnej
temperatury złącza – wprost przeciwnie –
namawiam cię, byś tak projektował swoje
układy, by temperatury złącz były znacznie
niższe niż katalogowe +150°C.
Ale idźmy dalej.
Rth
T
P
R
U
I
12
4 1000
( )
V
2
144
4000
P
0036 36
WmW
max
TPRh
UIR
T W
K
W
Nie masz chyba wątpliwości, że ta re−
zystancja cieplna to rezystancja między
złączem (ang.
junction
czytaj dżankszn)
a otoczeniem, atmosferą (ang.
ambient
,
ambience
). Oznacza się ją Rthja (junction
– ambience).
Rezystancja cieplna wyrażana jest
w stopniach Celsjusza (lub kelwinach)
na wat – °C/W lub K/W. Sens jest pros−
ty: rezystancja cieplna pokazuje, jaka
będzie różnica temperatur z obu stron
danego elementu, przy przepływie
przezeń 1W mocy cieplnej. Jeśli po−
wiedzmy przez rezystancję termiczną
tranzystora (między złączem a otocze−
niem) przepływa 5W mocy cieplnej,
a rezystancja termiczna wynosi
20°C/W, to różnica temperatur wyniesie
100°C. Czyli złącze będzie cieplejsze od
otoczenia o 100°C.
Wartość Rthja tranzystora jest obliczo−
na przez producenta i można ją znaleźć
w katalogu.
I nie bój się tych kelwinów na wat, to
nic trudnego: 1°C/W = 1K/W. Przecież
skala Kelvina to „przesunięta w dół skala
Celsjusza” – zaczynająca się od zera absolut−
nego (0K=−273°C, 0°C=273K, +27°C=300K,
+100°C=373K, +150°C=423K).
I nigdy nie zapomnij, iż w podanych
wzorach mamy
różniicę temperatur złącza
i
otoczenia
!
A po co nam ta rezystancja termiczna
i wzory? Właśnie te wzory pozwolą ci za−
panować nad problemem mocy strat
i temperatury złącza także w tranzysto−
rach dużej mocy oraz w różnorodnych
układach scalonych. Obliczymy na przy−
kład, czy w danym układzie pracy tranzys−
tora nie zostanie przekroczona dopusz−
czalna temperatura złącza.
Proszę bardzo:
0036 250 9 9
.
KC
o
Tj C C C
40 9 49
o o o
Nawet przy napięciu zasilania równym
24V, maksymalna moc strat nie będzie
większa niż 150mW, a przyrost tempera−
tury wyniesie co najwyżej 36°C.
Wnioski? Jeśli w twoim układzie tran−
zystory małej mocy mające rezystancję
termiczną nie większą niż 500K/W, pracu−
ją z mocami nie większymi niż 100mW
(0,1W), nie musisz się obawiać ich prze−
grzania. Przykładowo, jeśli napięcie zasi−
lające wynosi 12V, to w najgorszym przy−
padku moc 100mW wydzieli się w tran−
zystorze obciążonym rezystorem
Przykłład 3
Obliczamy temperaturę złącza tran−
zystora polowego MOSFET typu
BUZ74A, który według katalogu ma
Ptot=40W W i Rthja=75K/W (=75°C/W).
Temperatura otoczenia wynosi powiedz−
my +20°C. Nie chcemy przeciążyć tran−
zystora, więc tak dobierzemy rezystan−
cję obciążenia (w obwodzie drenu) tran−
zystora, by maksymalna moc strat tran−
zystora wynosiła tylko 5W. Będziemy
pracować przy mocy 8−krotnie mniejszej,
niż dopuszczalna moc Ptot.
Niczego nie podejrzewając obliczamy
temperaturę złącza ze wzoru
R
L
( )
2
4
Uzas
P
:
tot
T=P×R
TH
12
4
2
144
04
C
W
R
L
=
01
,
W
,
Ω
360
5 75 375
o
o
i wtedy przy napię−
ciach zasilania do 24V wcale nie trzeba
sobie zawracać głowy mocą strat i tem−
peraturą złącza.
Uwzględniając temperaturę otoczenia
równą +20°C, temperatura złącza wynios−
łaby +395°C.
Ciut za dużo, prawda?
Gdzie tkwi błąd? Przecież zastosowa−
liśmy tranzystor dużej mocy! A może ob−
liczenia dotyczą tylko „zwykłych tranzys−
torów, a nie jakichś tam MOSFETów?
Nie! Podane zasady dotyczą nie tylko
wszelkich tranzystorów, ale również ukła−
dów scalonych, dla których też podaje się
rezystancję termiczną Rth.
Przykłład 2
Mamy układ z tranzystorem BC107
(Ptot=300mW) i obliczyliśmy, że w naj−
gorszym przypadku w tranzystorze bę−
dzie się wydzielać 200mW (0,2W) mocy
strat. W pierwszym przypadku tranzystor
pracuje w dobrze wentylowanej obudo−
wie, gdzie temperatura wynosi +30°C,
w drugim przypadku temperatura we−
wnątrz małej, zamkniętej obudowy może
sięgnąć +60°C. Wartość Rthja tranzysto−
ra BC107 wynosi 500K/W. Obliczamy:
rys.. 57..
TW
K
W
02 500 100
.
C
Przykłład 1
Tranzystor BC548 (U
CE0
=25V, I
C
=100mA,
Ptot=500mW, Rthja=250K/W) pracuje
przy napięciu 12V z rezystorem obciążenia
(rysunek 55) R
L
=1k
. Maksymalna tem−
peratura otoczenia wynosi +40°C.
Jaka będzie
maksymalna
temperatura złą−
cza tranzystora
w najgorszych
warunkach, czyli
przy napięciu na
kolektorze rów−
nym połowie na−
pięcia zasilania?
W pierwszym przypadku temperatura
złącza wyniesie:
Tj=+30°C+100°C=+130°C
W drugim Tj=+160°C
No i co? Znów jesteś zaskoczony?
To jest pułapka w która wpadają począt−
kujący – jeśli nie jest przekroczona katalo−
gowa moc strat Ptot, nie obliczają tempe−
ratury złącza sądząc, że na pewno wszyst−
ko jest w porządku. Okazało się jednak, że
w tranzystorze małej mocy przy zbyt dużej
temperaturze otoczenia nie powinno się
pracować przy katalogowej mocy strat
tranzystora. Ale nie wpadaj w panikę. Jak
ci mówiłem, gdy temperatura złącza jest
W powyższych obliczeniach błędu nie
ma! To my zrobiliśmy karygodny błąd, nie
stosując radiatora i podstawiając bezmyśl−
nie do wzoru katalogową rezystancję
Rthja (która dotyczy sytuacji bez radiatora).
Zauważ, że w przypadku tranzystorów
małej mocy (moc strat do 1W) w katalo−
gu podana jest najczęściej jedynie całko−
wita rezystancja termiczna między złą−
czem a otoczeniem, oznaczona Rthja.
c.d. na str. 27
rys.. 56
24
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
.
= ×
TW
W praktyce zwykle rezystory obciąże−
nia (w obwodzie kolektora) mają rezys−
tancję powyżej 1k
o
Pierwsze kroki
Natomiast w przypadku tranzystorów
mocy, w katalogu podana jest zarówno
rezystancja Rthja, dotycząca sytuacji bez
radiatora, jak i druga, o znacznie mniej−
szej wartości – Rthjc. Ta druga to rezys−
tancja termiczna między złączem (
junc−
tion
) i obudową (
case
), stąd literki jc. Dla
wspomnianego tranzystora BUZ74A wy−
nosi ona tylko 3,1K/W.
Przyznam ci się, że przed wielu laty ja−
ko początkujący elektronik−amator nie
miałem zielonego pojęcia o powyższych
zależnościach i „załatwiłem” w taki spo−
sób dwa nowiusieńkie i bardzo na owe
czasy drogie tranzystory mocy z serii
BUYP. Może i ty masz coś takiego na su−
mieniu?
Od tej chwili nie popełniaj już takich
błędów, choć dziś tranzystory są niepo−
równanie tańsze, niż dwadzieścia pięć lat
temu.
Dlaczego? Rezystancja Rthja dla danej
obudowy wynika z jej wymiarów, a nie
z właściwości krzemowej struktury tran−
zystora.
Oblicz więc, jaka moc może wydzielić
się w tranzystorach w obudowie TO−220
bez radiatora (P=
150 45
CC
C
W
105
70
P
15
,
W
W
70
o
rys.. 58..
Dobrze zapamiętaj tę wartość! Nigdy
nie zapomnij, że najlepszy tranzystor mo−
cy w obudowie TO−220 bez radiatora nie
może pracować przy mocy strat większej
niż 1,5W.
Teraz już jesteś przekonany, że o mak−
symalnej mocy strat tranzystora dużej
mocy będzie decydował radiator. I tu do−
piero zaczynają się strome schody. Tymi
stromymi schodami przespacerujemy się
wspólnie za miesiąc.
torów i innych elementów w popularnej
obudowie TO−220 wynosi mniej więcej
60...80K/W. Poszczególne tranzystory
w takiej obudowie mają różne wartości
rezystancji Rthjc (w zakresie 0,9...4K/W),
ale podawane wartości Rthja są zbliżone.
Uważaj teraz! Rezystancja termiczna
Rthja (bez radiatora) wszystkich tranzys−
Piiotr Góreckii
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
25
T/Rth).
Przyjmij rezystancję Rthja równą
70K/W, oraz temperaturę otoczenia +45°C
(np. we wnętrzu obudowy przyrządu).
o o
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

xiaodongxi.keep.pl