Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Relpol przekaźniki
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

tranzystor i jego rezystancja cieplna

12 Maj 2016 21:46 9525 249
  • Poziom 13  
    Witam
    W obliczeniach dotyczących rezystancji cieplnych w układzie tranzystor-radiator wykorzystuje się rezystancję termiczną złącze-obudowa Rjc.
    Tutaj pragnę zauważyć,że jeśli posługujemy się wzorem: Rja=(Tj-Tamb)/P to czasami okazuje się że ta całkowita rezystancja wychodzi mniejsza lub bliska rezystancji Rjc co oznaczałoby że potrzeba ogromnego radiatora lub wytracenie tej mocy przy tym tranzystorze jest nie możliwe. (Tj- temp złącza, Tamb- temperatura otoczenia)
    Przykład:
    tranzystor 2SC5200
    Rjc= 0,83 K/W; Tj=150oC, Tamb= 30oC, Ptot= 150W
    Rja= (150-30)/150=0,8K/W
    Doliczając do tego Rcr czyli rezystancja między obudową a radiatorem rzędu 0,1, wychodzi że rezystancja termiczna radiatora Rra musiałaby wynieść -0,13 co jest sprzeczne.
    Czy moje rozważania są prawidłowe?

    Pozdrawiam
  • Relpol przekaźniki
  • Moderator Projektowanie
    Niezupełnie.
    tomasz249 napisał:
    Rja=(Tj-Tamb)/P to czasami okazuje się że ta całkowita rezystancja wychodzi mniejsza lub bliska rezystancji Rjc co oznaczałoby że potrzeba ogromnego radiatora lub wytracenie tej mocy przy tym tranzystorze jest nie możliwe. (Tj- temp złącza, Tamb- temperatura otoczenia)

    Co kolega rozumie przez Rja ? - bo generalnie rozumieć należy że to całkowita rezystancja cieplna złącze-otoczenie.
    Tak liczona Rja równa jest Rthjc (a nie mniejsza czy bliska), gdyż Rthjc podawana jest dla chłodzenia idealnego (t.zn. gdy Rthcs=Rthsa=0 - czyli rezystancje obudowa-radiator i radiator-otoczenie są równe zero), i wtedy całkowite Rja czyli Rth=Rthjc+Rthcs+Rthsa=Rthjc.
    tomasz249 napisał:
    Rja= (150-30)/150=0,8K/W

    Wyszło 0,8, a nie 0,83 gdyż kolega sobie zmienił Ta z 25stC na 30stC. Proszę sprawdzić w datasheet https://www.fairchildsemi.com/datasheets/2S/2SC5200.pdf gdzie podano moc=150W dla Tc=25stC (Tc=Ta).
    A przede wszystkim nie należy liczyć Rthjc w taki sposób - to parametr nie zmieniający się, stały. Tylko moc zmienia się w zależności od temperatury Ta i rezystancji termicznych Rthcs i Rthsa.
    tomasz249 napisał:
    potrzeba ogromnego radiatora lub wytracenie tej mocy przy tym tranzystorze jest nie możliwe

    Nie jest możliwe w praktyce, gdyż ideały (chłodzenie idealne) występują tylko w niebie i poezji.
    Zapewne kolega zapyta po co podawać taką (idealną) wartość Rthjc ? - dlatego, że innej podać nie można, np. aby w obliczeniach nie wychodziły bzdurne ujemne wartości.
    Oznaczenia rezystancji termicznych podałem wg powszechnie używanego systemu anglojęzycznego i takich oznaczeń wypada używać, a nie spolszczanych.
  • Relpol przekaźniki
  • Poziom 13  
    Więc mam pytanie, jak w takim razie liczyć Rthcs?
    Zetknąłem się również z Rthjc przy Tc=25oC i niespecjalnie wiem o co chodzi.
  • Poziom 13  
    Oglądałem to. Właśnie na tym bazuję i tych wzorów używam.
  • Poziom 43  
    W warunkach rzeczywistych mamy "łańcuszek" oporności termicznych:
    1 - Rth j-c (złącze - obudowa tranzystora) - to zależy TYLKO od konstrukcji, i często jest to najmniejszy składnik tej sumy;
    2 - Rth c-r (obudowa - radiator) - tu mogą być "rozmaitości", w zależnosci od sposobu montażu i siły docisku, użycia pasty termoprzewodzacej, podkładek izolacyjnych itp.
    3 - Rth r-a (radiator - otoczenie) - zależy od wielkości i kształtu radiatora, materiału z jakiego go wykonano, ruchu powietrza (wentylator) itp.
    Na pierwszą z tych oporności użytkownik nie ma wpływu, na pozostałe nie ma wpływu producent tranzystorów ...
    Dla typowego tranzystora mocy w obudowie TO3 (np. 2N3055) przy zastosowaniu 100cm2 radiatora z blachy AL o grubości 2mm bez podkładek, z pastą, można szacować Rth j-a na ok. 10°C/W, co oznacza, że wydzielając w złączu moc "tylko" 15W przy temperaturze otoczenia 40°C, możemy ten tranzystor "ugotować".
  • Poziom 13  
    Wydaje się to mało. Jednak istnieją tranzystory o Ptot 300W czy nawet większe.
  • Poziom 43  
    tomasz249 napisał:
    ... istnieją tranzystory o Ptot 300W ...
    - ta wartość jest podawana dla warunków, gdy OBUDOWA tranzystora ma np. 25°C - aby ją schłodzic do takiej wartości trzeba by użyć skroplonego azotu.

    Podkreślam jeszcze raz: w warunkach rzeczywistych, w "łańcuszku" oporności termicznych między złączem a otoczeniem, najczęściej Rth j-c jest najmniejszym składnikiem.
  • Poziom 37  
    Witam,
    chyba domyślam się o co chodzi.

    Twoje rozważania są generalnie prawidłowe.
    Otóż okazuje się, że (niestety) nie każdy przypadek chłodzenia jest wykonalny w praktyce. Jeżeli pożądana rezystancja cieplna złącze - otoczenie jest mniejsza niż katalogowa rezystancja cieplna złącze - obudowa wówczas taki przypadek jest niewykonalny, bo inne rezystancje cieplne, które sumują się jak w połączeniu szeregowym musiały by być ujemne, co fizycznie nie jest możliwe.
    Trzeba wówczas albo zmniejszyć cieplną moc transportowaną przez tę rezystancję cieplną, albo zwiększyć gradient temperatury: albo zwiększyć temperaturę złącza (raczej się nie da), albo obniżyć temperaturę otoczenia (raczej się da używając jakiejś formy aktywnego chłodzenia: lodówka, ogniwo Peltiera, itp.).

    Twój sposób obliczania rezystancji cieplnych jest ze wszech miar poprawny. Najpierw liczymy pożądaną rezystancję złącze - otoczenie (biorąc pod uwagę cieplną moc transportowaną oraz dopuszczalny gradient temperatury), następnie odejmujemy katalogową rezystancję złącze - obudowa, następnie odejmujemy rezystancję obudowa - radiator (zależy czego tam używamy, producenci podkładek zwyczajowo podają ten parametr), to co zostanie jest maksymalną rezystancją cieplną radiator - otoczenie.

    Zwyczajowo powinniśmy zastosować jakiś zapas.
    Z jednej strony parametry rezystancji cieplnych w układzie mogą się lekko różnić od katalogowych.
    Z drugiej strony cieplny model transportu energii stosujący analogię do elektrycznego prawa Ohma jest cokolwiek uproszczony, w rzeczywistości procesy cieplne są bardziej skomplikowane.
    Jednak ta analogia do prawa Ohma jest całkiem dobrym przybliżeniem, chociaż wskazane jest stosowanie pewnych zapasów bezpieczeństwa, oraz jak zwykle, sprawdzenie teoretycznych obliczeń w praktyce.

    Pozdrawiam
  • Poziom 43  
    Lekceważenie warunków termicznych wielokrotnie bylo przyczyną katastrof nie tylko konstrukcji amatorskich, ale nawet "popełnionych" przez profesjonalistów.
    Koledzy - entuzjaści, "czytający tylko parametry maksymalne", bardzo często ignorują jeszcze jedną BARDZO wartosciową informację, zawartą w wykresach SOAR, i nie potrafią sobie wyobrazić, że tranzystor nie może mieć wszystkich parametrów maksymalnych spełnionych jednocześnie ...
  • Poziom 13  
    Oczywiście jeśli ktoś myśli że tranzystor może pracować jednocześnie przy max Uce i max Ic to błąd. Jeśli chodzi o wykres SOA to jest on dla DC dla niewielkiej ilości tranzystorów a to właśnie przy DC warunki są najgorsze
  • Moderator Projektowanie
    tomasz249 napisał:
    Więc mam pytanie, jak w takim razie liczyć Rthcs?

    Tego się nie liczy, to się przyjmuje z tabel.
    tomasz249 napisał:
    Zetknąłem się również z Rthjc przy Tc=25oC i niespecjalnie wiem o co chodzi.

    A ja nie wiem o co kolega pyta. Może jakiś przykład?
    Rthjc to wartość stała (dla danego tranzystora) i przyjmuje się, że nie zależy od temperatury.
    tomasz249 napisał:
    wykres SOA to jest on dla DC dla niewielkiej ilości tranzystorów

    Producent praktycznie każdego tranzystora bipolarnego mocy produkowanego współcześnie (powiedzmy po roku 1990) publikuje jego datasheet z zamieszczonym wykresem SOAR.
  • Poziom 13  
    Tak. Pomyliłem, chodziło mi jak liczyć Rthsa.
    Co do SOA może kolega ma jakieś dobre źródło gdzie dla większości jest ten wykres? Jak szukałem not np na alldatasheet to jedyny jaki miał SOA dla prądu DC to IRFP360.
  • Moderator Projektowanie
    tomasz249 napisał:
    jedyny jaki miał SOA dla prądu DC to IRFP360.

    Czyli chodzi koledze o MOSFET-y a nie o bjt?
    Z MOSFET-ami w skrócie jest tak; - pierwsze konstrukcje typu "lateral" (czyli klasyczne tranzystory MOSFET) były przeznaczone głównie do pracy liniowej i były pozbawione zjawiska wtórnego przebicia. Nowoczesne tranzystory maja zupełnie inną konstrukcję i parametry, i są przeznaczone przede wszystkim do pracy impulsowej (co nie znaczy że nie da się ich wykorzystywać do pracy liniowej) i niestety - jak pokazuje praktyka występuje w nich wtórne przebicie. Z tego wniosek, że wykres SOAR dla DC jest dla nich mało użyteczny. Poza tym niestety jest tak, że dla wielu MOSFET-ów publikowane wykresy SOAR nie odpowiadają prawdzie, a raczej pobożnym życzeniom producenta i pełnią rolę marketingową.
    Tu
    https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FD/FDB3632.pdf
    jest przykład tranzystora z podanym SOA dla DC, wygląda że rzetelnym, bo dla 100V moc wynosi 30W (0,3A), podczas gdy nominalnie ma 310W.
    A tu http://www.vishay.com/docs/68821/sie848df.pdf jest wątpliwy wykres.
    tomasz249 napisał:
    dobre źródło gdzie dla większości jest ten wykres?

    Dla jakiej większości? - każdy tranzystor ma swoiste parametry opisane w swoim datasheet (z podanym SOAR albo i nie - to zależy od producenta) i na pewno nie istnieje dokument w którym zawarto by wykresy dla wielu (czy większości?) produkowanych tranzystorów.
  • Poziom 13  
    Chodzi mi o bipolarne ale jedynie z tamtym mosfetem co sie spotkałem był SOAR dla DC.
    Dlaczego tam w przykładzie który podałeś jest tylko 30w?
  • Moderator Projektowanie
    tomasz249 napisał:
    Chodzi mi o bipolarne

    To po co kolega pisze o MOSFET-ach?
    tomasz249 napisał:
    ale jedynie z tamtym mosfetem co sie spotkałem był SOAR dla DC.

    Tego znowu nie rozumiem.
    tomasz249 napisał:
    Dlaczego tam w przykładzie który podałeś jest tylko 30w?

    Chyba się nie dogadamy. Przecież wyraźnie to opisałem.
  • Poziom 13  
    Przyjmij że interesują mnie bipolarne.
    Taką moc ogranicza SOAR tylko nie wiem dlaczego.
    Czy dla mocy rzędu 500w są jakieś tranzystory, które są w stanie tyle wytracić , czy raczej stosuje sie kilka mniejszych?
  • Poziom 43  
    Tu: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/160715/BOURNS/BD249.html
    jest przykładowy wykres SOAR (str. 5).
    Linia łamana dla DC ogranicza zakres stosowania tego tranzystora w taki sposób, że np. dla napięcia kolektora 45V nie wolno przekroczyć prądu 1A.
    Moc graniczna jest "tylko" 45W, a więc znacznie niżej od mocy maksymalnej (125W).
    Czy to wyjaśnia "działanie" SOAR?

    Stosowanie kilku tranzystorów pracujących równolegle (z wyrównaniem rozpływu prądów) jest łatwym do stosowania "standardem" dla BJT, ze wzgledu na mały rozrzut Ube: wystarczy spadek napięcia na oporniku emiterowym ok. 100 ... 200mV.
    Moc 500W - oceniam "na wyczucie" - wymagała by zastosowania ok. 30 tranzystorów pracujacych równolegle (+ odpowiedni radiator). W warunkach rzeczywistych wytracenie wiecej, niż 25W w 1 tranzystorze wykonawczym (dostępnym handlowo, za rozsądną cenę) jest sporym ryzykiem, a i tak przy 25W radiator jest droższy od tranzystora.
    Pamiętaj przy okazji, że własności tranzystorów obciążonych bardzo dużymi prądami dość radykalnie się pogarszają: np. 2N3055 praktycznie przestaje być użyteczny powyżej 3A, a KD502 - powyżej 5A, mimo, że katalog dla tego pierwszego "dopuszcza" 15A, a dla drugiego - nawet 20A.
  • Poziom 13  
    Dzięki za bogatą odpowiedź.
    Te 25W rozumiem są założone przez SOAR czy może cenę, zależy jeszcze ile dla kogo to rozsądna cena.
    Pisząc o pogarszaniu parametrów masz na myśli wzmocnienie?
  • Specjalista elektronik
    Do chłodzenia tranzystora, w którym wydziela się 150W, nie potrzeba ciekłego azotu, wystarczy ciekła woda o temperaturze 10°C przy przepływie kilkunastu litrów na godzinę. Ale żeby tranzystor wytrzymał 150W nawet przy dobrym chłodzeniu, powinien pracować przy dość niskim napięciu, inaczej grozi mu wtórne przebicie.

    Często producenci wyjaśniają, co ogranicza zakres SOA(R) (safe operating area): przy najniższych napięciach druty, które zbyt duży prąd mógłby jeśli nie stopić, to wtopić w krzem; przy nieco większych moc dopuszczalna; a przy większych wtórne przebicie; na wykresie logarytmów prądu i napięcia każde z tych ograniczeń zwykle odpowiada linii prostej (wtórne przebicie nie zawsze). Zwykle podaje się też ograniczenie dla impulsów o kilku wybranych czasach (impulsowo tranzystor wytrzymuje więcej).
  • Poziom 13  
    Na czym polega wtórne przebicie?
  • Poziom 13  
    Dzięki wielkie za linki. Pamiętam że już raz szukałem inf na ten temat ale padała odpowiedź " że tak jest i tyle".

    Wracając do mocy traconej 25w, Rthja wychodzi 4,8 wiec Rthcs Ok. 4. I teraz kwestia jeśli połączyć by x tranzystorów równolegle to jak dobrać radiator? Dając x razy większy?

    Do kolegi z układem: przekaźnik byłby lepszy gdy to ma być tylko załączone lub wyłączone. Co ma być z tego zasilone? Bo 20A z 3,7V to dziwny pomysł.
  • Poziom 43  
    tomasz249 napisał:
    ... jeśli połączyć by x tranzystorów równolegle to jak dobrać radiator?
    Załóżmy, że chcesz wytracić 25W. Masz tranzystory o Rthj-c 1°C/W i radiator 10°C/W. Przy temperaturze otoczenia 45°C i maksymalnej temperaturze złącza 175°C w tranzystorze z tym radiatorem możesz wydzielić (175-45)/(1+10) = 11,8W. Zatem całe 25W wymaga użycia 25/12,3 = 2,12 takich "zestawów" - zaokrąglamy w górę i mamy wynik:
    3 tranzystory, każdy z radiatorem 10°C/W. Radiator 10°C/W to kawałek nieczernionej blachy AL o grubości 2mm i powierzchni 100cm2. Dla porównania: kawałek radiatora: http://www.soselectronic.pl/?str=371&artnum=1...=gama-aluminium-zh-9025-80al-t-29-80al#tabs-6 o długości 80mm ma oporność termiczną 8°C/W (Rth dla długości 100mm podają 6,3°C/W).
    Chcesz tą moc wytracić na 1 tranzystorze? To musisz dać znacznie lepszy radiator, np. "kaloryfer" o grubości >3mm i powierzchni żeber ok. 250cm2
  • Poziom 13  
    A jakby te 3 tranzystory dać na 1 radiatorze to trzeba by dać go 3x większego? ( 300cm2 ). Czy lepszym wariantem jest 3 tranzystory czy jeden na radiatorze? Czy wymiary radiatora różniłyby sie w przypadku 1 i 3 tranzystorów?
  • Poziom 43  
    Oporność termiczna radiatora NIE ZALEŻY od ilości umieszczonych na nim tranzystorów, zależy od WYMIARÓW radiatora, stanu jego powierzchni, pozycji (pozioma - pionowa), ruchu powietrza (wentylator).
    A teraz kombinuj ...

    Przy okazji: wytrzymałość najsilniejszego łańcucha jest tylko taka, jak jego NAJSŁABSZEGO ogniwa.
  • Poziom 13  
    Rozumiem.
    Przedstawiam teraz układ od avt z opisem: (miernik radiatorów)
    "+Uzas równego 40V pozwoli natomiast badać potężne radiatory przy mocach traconych do 75W"
    Tranzystor główny to BD249B a darlington BDW83C
    Tracenie takiej mocy mieści się w SOAR obydwu tranzystorów. Tylko że Rthsa musiałby byc <0,8 , a w BD249 <0,6...
    Jak to skomentujesz? :)

    tranzystor i jego rezystancja cieplna
  • Specjalista elektronik
    Do 25W to chyba taki: ZH-0752/100AL - przy 25W nagrzeje się o 70°C. Albo tańszy KE82/40AL - ale nagrzeje się o 94°C i trudniej będzie zamocować tranzystor. Mniejsze nagrzeją się ze 200°C...