В предыдущем эпизоде вы познакомились с основными тепловыми параметрами транзисторов. Обе эти характеристики, как и использующих их формулы очень просты. В общем, оказалось, однако, что это дело достаточно простое только для транзисторов малой мощности. В случае транзисторов большой мощности (уже выше 1Вт), нужно учитывать не только свойства транзистора, но самое главное - радиатора.

Начнем с основ. В предыдущем разделе мы узнали новый параметр Rthja - активное термическое сопротивление между переходом и окружающей средой (измеряется без радиатора). В случае использования мощных транзисторов, с теплоотводом, мы имеет дело с потоком тепла между переходом и окружающей средой. По-прежнему интересует нас общее тепловое сопротивление Rthja (но оно уже не из справочника для транзистора без теплоотвода). Проблема в том, что теперь сопротивление Rthja будет зависеть от используемого радиатора. Мы должны также учитывать неидеальный контакт корпуса транзистора с теплоотводом. В результате общие сопротивление Rthja между кристаллом и окружающей средой будет состоять из трех отдельных тепловых сопротивлений:
- Rthjc (переход-корпус)
- Rthcr (корпус-радиатор)
- Rthra (радиатор-окражающая среда)

Тепло из кремниевой структуры должно пройти сначала корпус, а затем радиатор и далее рассеяться в окружающей среде. По дороге оно должно найти место соприкосновения корпуса с теплоотводом. Контакт из-за микроскопических неровности обоих поверхностей не идеальный, и здесь также есть тепловое сопротивление.

В соответствии с рисунком 59a, общее тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой, мы можем представить как последовательное соединение трех указанных сопротивления. Изображено это на рисунке 59с. Во время работы транзистора тепло, выделившиеся на переходе уходит в окружающую среду. В соответствии с прежней аналогий распределение температур напоминает распределение напряжений на последовательно включенных резисторах. Это иллюстрирует рисунок 59c.

Тепловое сопротивление между переходом и поверхностью корпуса данного транзистор (Rthjc), указывается в справочнике. Для лучших транзисторов и интегральных схем, оно составляет 0,8...1K/Вт. Для обычных транзисторов в корпусах TO-220 обычно составляет 1...3 К/Вт. Больше значение имеют только транзисторы старого типа.

Сопротивление Rthcr составляет примерно 1K/Вт если просто транзистор прикрутить к радиатору, и примерно 0,1...0,2К/ВТ при применение пасты (силиконовой) хорошо проводящей тепло или силиконовой (похожих на резиновую) прокладки. Паста и тонкие прокладки уменьшают тепловое сопротивление соединения, потому что заполняют микроскопические неровности на поверхности радиатора и транзистора (изображенные на рисунке 59a при большом увеличении). Но внимание! Не надо тут путать слюдяные прокладки с силиконовыми. Самым молодым читателям следует помнить, что слюда минерал с очень хорошими свойствами с точки зрения электрической изоляции. Слюду легко разделить на тонкие слои - ломтики. Вы легко резать ножом и аккуратно сверлить в ней отверстия. Тонкий, прозрачный кусок слюды эффективно изолирует транзистор от радиатора с электрической точки зрения (гальванически), и при этом в меру хорошо проводит тепло. Но, к сожалению, в случае применения слюдяной прокладки (даже помазанной термопастой), сопротивление Rthcr значительно увеличивается, до 1...2K/В.

Силиконовые прокладки, похожие на резиновые, также могут гальванически изолировать транзистор от радиатора, и имеют очень хорошие тепловые свойства, т.е. небольшое термическое сопротивление. Сопротивление это, в зависимости от толщины, может составлять 0,1...1K/В. Силиконовые прокладки, не должны использоваться многократно, - раз использованная прокладка должна быть заменена в случае замены транзистора.

А сопротивление Rthra зависит от размера радиатора, его формы, вида поверхности и цвета, и может составлять от 50K/Вт (маленький алюминиевая бляха) до 0,5K/В (и меньше) для мощных радиаторов из специальных алюминиевых профилей. Термическое сопротивление Rthra сильно зависит от условий движения воздуха вокруг радиатора. Например, использование вентилятора может уменьшить величину активного термического сопротивления даже в несколько раз. Еще более эффективными являются радиаторы, охлаждающиеся жидкостью (водой или маслом), но мы не будем ими заниматься, потому что я их практически не используют из-за стоимости.

В практике, что бы обеспечить работу мощного транзистора необходимо, прежде всего, подобрать соответствующий радиатор. Теоретически дело очень простое. Имея допустимую температуры перехода +150 градусов C, температуру окружающей среды (как правило, принимается +30...+50 градусов С), и рассеиваемую мощность P, при котором транзистор будет работать, легко вычислить максимальное общее сопротивление Rthja по формуле:

Потом от рассчитанного сопротивления вычесть сопротивлением Rthjc и Rthcr:

Получим значение, теплового сопротивления радиатора Rthra. Конечно, радиатор может иметь меньшее значение теплового сопротивления чем рассчитанное значение - тогда температура соединения будет меньше допустимой (+150°С).

Выполните несколько простых упражнений.

Задача
Рассчитать термическое сопротивление радиатора необходимого для выходного транзистора усилителя мощности. Максимальная рассеиваемая мощность этого транзистора в худших условиях составит 30ВТ. Транзистор имеет следующие параметры: Ptot=125 ВТ, Rthjc = 1,1K/В, Tjmax = +150 Градусов C. Максимальная температура окружающей среды внутри корпуса пусть составляет +50 градусов C. Не применяются термопаста, активное сопротивление Rthcr следует принять равным 1K/Вт. На сколько можно уменьшить радиатор просто после применения термопасты, уменьшающей Rthcr до 0,2К/В?

Вычислим максимальное допустимое общее сопротивление Rthja:
Rthja=(150–50)/30W=3,3°C/W=3,3K/W
Rthra=3,3–(1+1,1)=1,2K/W


Без силиконовой смазки требуется радиатор с сопротивлением 1,2К/Вт.
В то время как со смазкой:
Rthra=3,3–(1+0,2)=2,1K/W

Это большая разница, - со смазкой сопротивление радиатора может быть на целых 75% больше, так что... стоит смазывать. Это железное правило: при больших мощностях не обходима термопаста или силиконовые прокладки.

Задача
Сопротивление Rthjc транзистора BD135 (BD135...140) составляет 10 К/Вт. Рассеиваемая мощность в устройстве составляет 5 ВТ. Можете ли вы не использовать силиконовую смазку в ситуации, когда транзистор будет работать с теплоотводом с сопротивлением Rthra равной 7К/В?

В этом случае можно не проводить расчеты. Просто оценим, как повлияет отсутствие силиконовой пасты на температуру перехода. Вы можете принять активное сопротивление Rthcr без силикона равным 1,5K/Вт, а с силиконом 0,3K/Вт. Иначе говоря, без силикона общее сопротивление увеличивается на 1,2K/В. При мощности 5 ВТ, это вызовет повышение температуры на дополнительные 6 градусов. 6 градусов – это мало, так что в случае малых рассеиваемых мощностей (до 5...10 Вт) влияние смазки не большое.

Но при больших мощностях это влияние, иногда даже имеет решающее значение. Если мощность была 50W, при отсутствии смазки, температура повысилась бы на 60 градусов.

Задача
Убедитесь, что транзистор BDV64 (Ptot =125 ВТ, Rthjc=1K/В Tjmax=+150°C) может рассеять в окружающую среду мощность 80ВТ с теплоотводом о Rthra=1,5K/Вт при температуре окружающей среды +50 градусов при использовании силиконовой смазки (Rthcr=0,15K/В).

Для проверки. Сначала рассчитаем
Rthja=1K/W+0,15K/W+1,5K/W=2,6K/W
При мощности 80 ВТ повышение температуры составит:
ΔT=80×2,56=212°C
Температура составит +262 градусов C - транзистор ни в коем случае не может работать в таких условиях!

Задача
Рассчитать, активное термическое сопротивление радиатора, работающего с транзистором 2N3055 (Ptot =117W, Rthjc=1,5K/В, Tjmax=+200ос ) в системе стабилизатора, где максимальная рассеиваемая мощность составит 85Вт. Максимальная температура окружающей среды внутри корпуса +50 градусов C. Благодаря теромопасте Rthcr = 0,1К/В.

Определяется необходимое общее тепловое сопротивление
Rthja=(200–50)/85=1.765K/W

От сюда
Rthra=1,765–(1,5+0,1)=0,165K/W

Радиатор с таким маленьким тепловым сопротивлением в любительских условиях сделать не возможно! Не поможет даже мощный вентилятор!

Задача
Транзистор BD136 (корпус к-126, Ptot =12 ВТ, Rthjc=10°С/вт, Tjmax=+150° C) работает с теплоотводом о Rthra = 4K/В. Без силикона Rthcr = 1°C/Вт. Может ли транзистор работать в этих условиях с рассеиваемой мощностью, равной 10 ВТ при температуре окружающей среды, равной +40°C?

Нет! Потому что с мощностью 10ВТ и допустимого перепада температур, равного 110°C, общее сопротивление должно быть не больше, чем 11К/Вт. Между тем, уже сам транзистор и прокладка уже имеют такое термическое сопротивление. В данном случае не поможет ни один радиатор. Указанный транзистор не может работать в таких условиях.

Что делать?

Применение смазки мало поможет, потому что даже при уменьшении Rthcr к 0,3°С/Вт, следовало бы применить большой радиатор с очень малым сопротивлением Rthra равной 0,7К/В. Теоретически такой радиатор можно сделать, но это иррационально.

Достаточно применить более мощный транзистор, например BD244 с сопротивлением Rthjc равной 1,92K/В.

Конечно, общее сопротивление Rthja все равно не может быть больше, чем 11К/В, но теперь достаточно было бы использовать радиатор с сопротивлением Rthra=11–(1,92+0,2)=8,88K/W

Указанный радиатор (Rthra = 4K/В) обеспечит запас. В самом деле, повышение температуры соединения, не превышает ΔT=10W×(1,92+0,2+4)=61,2°C то есть, температура будет не много превышать +100°С.

Подумайте, какие выводы, можно сделать из этих упражнений. Оказалось, что во многих случаях вы не можете работать с заявленной в каталоге мощностью Ptot.

Что происходит? Где кроется ошибка?

Ошибки нет. С расчетами (хотя и упрощенными) все в порядке. Сейчас разберемся, о чем идет речь. Рассчитайте, какой радиатор необходим при работе в „справочных” условиях мощного транзистора. Пусть это будет транзистор BDW83B (Ptot =130, Tjmax=+150 градусов C, Rthjc=0,96K/В). Пусть температура окружающей среды составляет +40°С.
Rthja=(150–40)/130=0.846K/W
это меньше, чем значение в каталоге Rthjc! Транзистор не может работать в таких условиях!

Нет ли у вас впечатления, что производители транзисторов пускают вас в заблуждение, делая на них спрос при рассеиваемой мощности 130 ВТ в справочнике, которую, как выясняется, ни в коем случае нельзя „выжать” из транзистора без риска перегрева?

На самом деле, на практике ни один мощный транзистор не может работать с мощность Ptot указанной в справочнике. Тогда откуда там эта мощность?

Запомните раз навсегда, что это мощность, которую теоретически можно рассеять в устройстве при использовании идеального радиатора. А точнее – указывается в каждом каталоге максимальная рассеиваемая мощность Ptot в лабораторных условиях тестирования при идеальном охлаждении, (будьте осторожны!) при температуре корпуса в (как правило) только +25°C. Обратите внимание, что эти +25°C температура корпуса во время работы, когда выделяется «рассеиваемая мощность из справочника» Такую температуру корпуса можно получить только при вынужденном охлаждении, и не воздухом, а жидкостью.

Убедитесь, что эти данные верны для транзистора BDW83. Если вы сможете удержать температуру корпуса на уровне +25 градусов C, то есть разница температур достичь (150-25=)125°C, максимальная мощность составит:

И это и есть та мощность, которую взяли из каталога. Согласны?

Теперь будьте внимательны! Имея указанную в каталоге мощность потерь Ptot и максимальную температуру перехода (обычно +150°С) ты вычисляешь сопротивление Rthjc. Предполагая, что температура корпуса должно составлять +25°C, то есть при разнице температур 100°С считаем:

Просто? Да! Хотя в редких случаях вы можете найти сюрприз. А именно, в случае некоторых транзисторов производители дают максимальную мощность Ptot, при температуре корпуса не +25°C, а +60°C. Но тогда это то ничем не грозит, потому что фактическое сопротивление Rthjc окажется еще меньше, чем вычисленная с помощью простого способа выше.

Теперь мы вернемся к сделанным ранее упражнениям.

Оказалось также, что рассеиваемая мощность Ptot что указывается в каталогах транзисторов, имеет очень мало общего с реальностью, потому что ее можно получить только при идеальном охлаждении. Если да, то рассчитайте теперь, с какой мощность действительно может работать транзистор BDW83 с „сенсационной мощностью” Ptot=130Вт. Для его охлаждения используется большой ребристый радиатор с, тепловым сопротивлением, равным 1,5K/Вт и сопротивление Rthcr можно принять равным 0,1К/Вт (термопаста или тонкая силиконовая подкладка). Максимальную температуру окружающей среды примем реальную, равную +40°С.

Общее тепловое сопротивление:


И что? Снова неожиданность? Только 43W? А должно было быть 130Вт?! К сожалению, да! И поверьте мне - радиатор с сопротивлением 1,5K/Вт – это очень большой кусок ребристого алюминиевого профиля.

К сожалению, при проектировании схем из мощных транзисторов (и не только), вы должны всегда принимать во внимание результаты наших соображений. Потому что у вас нет возможности использовать идеальный радиатор, поэтому раз и на всегда отбрасывать нереальные мечты - никогда не выжать из мощного транзистора мощности Ptot указанную в справочнике. Во первых, приблизительные расчеты дают, что да же с приличным радиатором силовой транзистор будет у вас работать не более чем с половиной мощностью указанной в каталоге.

Кроме того, если до сих пор вам казалось, что достаточно большой радиатор всегда решит проблему, то это мечта. Предыдущие примеры показывают, что даже если вы применил идеальный радиатор, вы никогда не уменьшите общее тепловое сопротивление ниже Rthjc. При этом всегда имеется некоторое значение Rthcr – даже, применение термопасты, не уменьшит ее до нуля, а только до 0,1...0,2К/Вт.

Здесь я полностью объяснить проблемы "узких мест", о которой я упоминал при обсуждении усилителя 100 Вт. Обратитесь к этой статье EDW 8/97 на стр. 18. Теперь последние упражнения показали, что вышеупомянутый «узким местом» является сопротивление Rthjc. Это следует из конструкции транзистора, и мы не можем ни как на это повлиять. И если вы не примените силиконовые смазки, то сопротивление Rthcr еще ухудшится до 1 .. 2 K/Вт.

Теперь вы понимаете проблему, охлаждения и подбора радиатора?

Вам кажется, что понимаете? В таком случае рассчитайте активное термическое сопротивление радиатора, необходимое для схем на рисунках 60 и 61. Для усилителя на рисунке 61 рассчитаем три раза:
а) для радиатора, соединенного гальванически с минусом питания планируется использовать силиконовую смазку примем Rthcr = 0,1К/В,
b) для радиатора, гальванически изолированного планируется использовать изоляционную прокладку, примем Rthcr = 0,5K/В,
c) для радиатора гальванически изолированного планируется использование изоляционной прокладки, из слюды смазанной с двух сторон термопастой примем Rthcr = 1,5K/В.

Какие принимать температуры окружающей среды? В случае, если блок питания для автомобиля на рисунке 60, должно работать с температурой порядка +60...+80 градусов C, не так ли? В случае усилителя проще +40...+50 градусов C. Не пугайтесь, что на рисунке 61 у вас микросхема, а не транзистор. Порядок расчета тепловых величин такой же, как при транзисторах. Указанная рассеиваемая мощность интегральной схемы LM3886 в худшем из возможных случаях – указана EdW 2/98 стр. 10 рис. 3 для напряжения питания ±30В. Имея такие данные, рассчитайте необходимый радиатор. В самом деле, при нормальной работе усилителя средняя выделяемая мощность будет меньше, и такой радиатор, безусловно, будет подобран с некоторым запасом. А теперь считайте.

Посчитали? Здорово!

Ну, может быть, не совсем здорово... Потому что, как и, что теперь делать с этим значением? Что с того, что рассчитали необходимое термическое сопротивление радиатора? А откуда вы знаете, какое термоспротивление сопротивление имеют имеющиеся у вас радиаторы?

И это пол беды, если вы заказываете радиатор в хорошей компании и тепловое сопротивление, указанно в справочнике. Но как я знаю, в большинстве случаев ни кто не пользуются услугами этих компаний, только вы пробовали применить какой-нибудь радиатор или кусок жести. Как рассчитать или измерять термическое сопротивление такого радиатора?

Это уже история из другой сказки – я с удовольствием расскажу вам, если вы напишите мне на адрес Редакции. Тогда будет отдельная статья о подборе радиаторов. Я также могу вам предложить схему простого прибора для измерения теплового сопротивления радиаторов. Жду письма по этому вопросу.

Piotr Górecki
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98 33