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

Jak czytać karty katalogowe? Część 9 tranzystory bipolarne dużej mocy

ghost666 27 Cze 2018 18:39 1101 0
  • W poprzedniej, ósmej części cyklu omawialiśmy działanie i podstawowe parametry tranzystorów bipolarnych (BJT) małej mocy. W kolejnej części omówimy karty katalogowe elementów większej mocy, które posłużyć mogą nam do sterowania większymi prądami. Elementy te produkowane są zazwyczaj w większych obudowach, które m.in. pozwalają na odprowadzanie większej ilości ciepła niż poprzednio omawiane elementy.

    Wyobraźmy sobie prostą sytuację, w której sięgniemy po tranzystor BJT większej mocy. Może chcemy z pomocą mikrokontrolera sterować silnikiem lub aktywować cewkę elektromagnesu np. w zamku elektronicznym. Tranzystor 2N3904, jaki omawialiśmy w poprzedniej części, pracuje z maksymalnym prądem kolektora równym 200 mA. Nie trzeba dużego silnika czy silnego elektromagnesu, by przekroczyć ten próg.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 9 tranzystory bipolarne dużej mocy
    Odpowiedź na powyższy problem jest prosta - musimy wybrać większy tranzystor. Jak łatwo sobie wyobrazić element w obudowie TO-92 nie jest w stanie rozproszyć zbyt dużej mocy, więc między innymi dlatego musimy sięgnąć po fizycznie większy element. Takowy będzie w stanie lepiej rozpraszać ciepło (niższa będzie jego rezystancja cieplna).

    Jako przykładową kartę katalogową wykorzystamy tranzystor STD1802 produkcji ST Microelectronics. Jak za każdym razem, dobrze jest otworzyć ją w tle, lub wydrukować. Łatwiej w ten sposób będzie nam śledzić to o czym piszemy w artykule.

    Omawiany element produkowany jest w obudowie DPAK. Jest to obudowa do montażu powierzchniowego (SMD) wyposażona w duży, metalowy element u podstawy i dwa dodatkowe wyprowadzenia. Metalowa podstawa elementu pełni rolę trzeciego wyprowadzenia. Duże, metalowe wyprowadzenie pełni dodatkowo rolę radiatora. Element ten, zamiast umożliwiać montaż na radiatorze, należy przylutować na leżąco do płytki drukowanej (PCB). Duże pola miedzi na PCB pełnić będą rolę radiatora.

    Na stronie drugiej karty katalogowej STD1802 widzimy podstawowe parametry elementu. Widzimy, że maksymalne napięcie kolektor-emiter tego elementu wynosi 60 V, a maksymalny prąd kolektora wynosi 3 A (6 A w impulsie). Parametry te pozwolą na wykorzystanie go do wielu różnorodnych aplikacji. Oczywiście, pamiętać trzeba, że ogranicza nas także tutaj maksymalna moc tracona na elemencie. Dla tego tranzystora wynosi ona 15 W. Musimy teraz uważnie popatrzeć na tą wartość - karta katalogowa podaje ją dla Tc = 25°C (temperatura obudowy). Zazwyczaj temperatura obudowy elementu mocy będzie wyższa niż temperatura otoczenia, szczególnie jeżeli układ ma mieć większą moc, której część będzie tracona na tranzystorze.





    Przyjrzyjmy się teraz rezystancji termicznej elementu. Sprawdźmy, czy podana moc tranzystora i podane rezystancje cieplne mają sens. Karta katalogowa tego elementu podaje jedynie rezystancję złącze-obudowa $$R_{\theta JC}$$. To dokładnie to, czego nam trzeba do tych obliczeń, ale jak zobaczymy później nie jest zbyt przydatne do realnych analiz w systemie.

    Dla przypomnienia, wzór na obliczenie temperatury struktury krzemowej w układzie wygląda tak:

    $$T_J = T_C + P_d \times R_{\theta JC}$$ (1)

    Jeśli teraz pod poszczególne wartości podstawimy realne dane z karty katalogowej otrzymamy:

    $$T_J = 25 + 15 \times 8,33 = 149,95$$

    czyli temperatura wyniesie minimalnie poniżej 150°C - podanej w karcie katalogowej maksymalnej temperatury złącza.

    Oczywiście nadal nie mówi to nam ile realnie jesteśmy w stanie rozproszyć mocy na tym elemencie, gdy znajduje się on w otoczeniu o temperaturze pokojowej, ponieważ podana moc oparta jest o temperaturę obudowy. Na stronie 2 i 4 karty katalogowej zawarto wykresy, które mówią jaką część maksymalnej mocy układ oddać może dla innych temperatur obudowy, ale nadal specyfikuje to jedynie względem temperatury obudowy. Aby obliczyć ile realnie mocy możemy oddać w postaci ciepła na tym elemencie sięgnąć musimy np. po stosowną notę aplikacyjną lub inne dane, które pozwolą nam oszacować jaka jest rezystancja cieplna pomiędzy obudową elementu a otoczeniem.

    Jak pamiętamy, obudowa tego elementu (DPAK) wyposażona jest w duże, metalowe wyprowadzenie, które pozwala na przylutowanie tranzystora do PCB i pełni rolę radiatora. Szacowanie rezystancji cieplnej obudowa-otoczenie w takim wypadku jest złożoną sprawą, ale na szczęście istnieje szereg dokumentów temu poświęconych. Autorce artykułu udało się odnaleźć tenm artykuł Infineona, notę aplikacyjną firmy International Rectifier oraz notę aplikacyjną ST Microelectronics. Jako że omawiany element pochodzi od STMicro, to skupmy się i na nocie aplikacyjnej tego producenta.

    Jakkolwiek omawiana nota aplikacyjna dotyczy tranzystorów MOSFET (o tych elementach pomówimy później) to zawiera w sobie opis obudowy DPAK, z której korzysta ten BJT. Wystarczy tylko zamienić w głowie "wyprowadzenie drenu" na "wyprowadzenie kolektora" (ang. odpowiednio "drain pad" i "collector pad") i już jesteśmy blisko zrozumienia jak działa taki mechanizm odprowadzania ciepła.

    Sekcja poświęcona obudowie DPAK zaczyna się na stronie piątej noty aplikacyjnej. W pierwszej kolejności widzimy rekomendowany kształt pola lutowniczego dla obudowy DPAK, a za nim wykres pokazujący zależność rezystancji cieplnej złącze-PCB w funkcji powierzchni pola lutowniczego dla drenu (u nas kolektora). Przy minimalnej rekomendowanej jego powierzchni - około 50 mm² - rezystancja ta wynosi około 62ºC/W. Na tej samej stronie widzimy szacunek mocy rozpraszanej na elemencie - około 2,4 W i to przy maksymalnej temperaturze złącza równej 175°C. W naszym przypadku temperatura ta nie może przekroczyć 150°C, a co za tym idzie maksymalna rozpraszana moc wynosi: $$P_D = \frac {125} {62} = 2,02 W$$.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 9 tranzystory bipolarne dużej mocy
    To o wiele mniej niż obiecywane w karcie katalogowej 15 W. Temperatura laminatu PCB powinna być, w przybliżeniu równa temperaturze otoczenia, więc jest to poprawny szacunek tego, ile realnie układ może rozproszyć. A co, jeżeli musimy rozproszyć większą moc? Zgodnie z notą aplikacyjną możemy zwiększyć poziom rozpraszanej mocy zwiększając rozmiar pola lutowniczego drenu (kolektora). O ile? Na szczęście na rysunku 4 w nocie aplikacyjnej widzimy wykres obrazujący zależność mocy dla różnych rezystancji cieplnych złącze-otoczenie i rozmiarów pola lutowniczego drenu (kolektora). Wykres ten widzimy po prawej stronie.

    Jedną z rzeczy, którą widać na załączonych wykresach, jest to, że zwiększanie pola powierzchni wylewki miedzy na płytce szybko dochodzi do pewnej granicy, powyżej której dalsze zwiększanie go nie daje żadnych rezultatów. Na oko widać, że poziom ten wynosi około 5 W ciepła - w przypadku naszego elementu będzie to około 3,8 W (z uwagi na niższą maksymalną dopuszczalną temperaturę złącza tranzystora). Nadal daleko nam do specyfikowanych w karcie katalogowej 15 W rozpraszanego ciepła.

    Morał z tego jest jeden - taki sposób podawania maksymalnej rozpraszanej na elemencie mocy jest co najmniej bardzo zwodniczy. Dobrze jest licząc jakiś układ dokonać swoistego sprawdzianu na ile to, co przyjmujemy za pewnik (dane katalogowe z karty elementu) ma zdroworozsądkowy kontakt z ziemią ;). Taki 'sprawdzian poczytalności' przydaje się z resztą na każdym kroku projektowania systemu elektronicznego.

    No ale czy rzeczywiście potrzebujemy w pokazanym powyżej systemie odprowadzić 15 W ciepła, aby załączyć uzwojenie elektromagnesu? Załóżmy, że przełączany prąd cewki to 2 A i że tranzystor będzie w pełni wyłączony lub w stanie saturacji. Z karty katalogowej odczytać możemy, że dla stanu nasycenia maksymalne napięcie kolektor-emiter przy prądzie 2 A wyniesie 300 mV. Więc obliczamy po prostu traconą moc: 2 A x 300 mV = 600 mW. No i super, nie?

    Nie do końca - widzimy w kolejnych polach karty katalogowej, że prąd bazy (IB) wynosi 100 mA, a w kolejnej linii, że napięcie baza-emiter (VBE) wynosi 1,2 V. Oznacza to, że musimy do wyznaczonych powyżej 600 mW dodać i tą moc - 100 mA x 1,2 V = 120 mW. Łącznie zatem 720 mW, to nadal komfortowa wartość istotnie poniżej 15 W maksymalnej mocy, jak i 2 W wyliczonych z pomocą noty aplikacyjnej o elementach DPAK.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 9 tranzystory bipolarne dużej mocy
    Teraz, gdy wybraliśmy już odpowiedni tranzystor do wykorzystania w naszym układzie, możemy przeprowadzić symulację działania układu w programie SPICE. Jej wynik pokazany jest na ilustracji po lewej stronie.

    Jeśli spojrzymy na wyniki symulacji, to widzimy, iż napotykamy na inne problemy, które trzeba rozwiązać. Po pierwsze widzimy, że w momencie gdy tranzystor wyłącza się, napięcie wyjściowe przekracza 70 V (to wynik uwolnienia energii zgromadzonej w cewce elektromagnesu); przekracza to maksymalne napięcie kolektor-emiter, dopuszczalne dla tego tranzystora (60 V). Łatwo jednak to poprawić, dodając do układu tzw. snubber. Innym problemem jest prąd bazy - 100 mA. Nie wydaje mi się, aby jakikolwiek mikrokontroler mógł przeżyć taki pobór prądu na jego wyprowadzeniu GPIO.

    Zatem jak, jeśli nie takim układem włączyć obciążenie z poziomu mikrokontrolera? na to odpowiedź jest bardziej złożona, ale istnieje wiele innych możliwości, o których poczytać można na Elektrodzie - to zagadnienie przekracza tematykę tego artykułu. Tymczasem zapraszam do komentowania i zadawania pytań do powyższej treści.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-higher-power-bjts


    Fajne! Ranking DIY
  Szukaj w 5mln produktów