Этот раздел содержит подробную информацию об отводе тепла и распределения температур при работе мощных транзисторов. Интересный простой способ оценки, теплового сопротивления радиатора „методом капли” позволит практически подбирать радиаторы для конкретных схем.
Для закрепления пройденного материала в предыдущих эпизодах обязательно выполните, несколько теоретических упражнений.
На рисунке 62 я дал вам три подобные ситуации. Схема одна и та же (см. рис. 62a), один радиатор и одна рассеиваемая мощность (28W). В схеме вы можете использовать три разных транзистора, все в корпусе TO-220 и величиной Rthjc, взятых из справочника: соответственно 0,92K/Вт; 1,67K/Вт и 3,1K/Вт. Рассчитать, какая будет температура перехода при применении отдельных транзисторов. Примем Rthcr = 0,2К/Вт при температуре окружающей среды равной +40°С.
А теперь посмотрите на рисунок 63. Имея данные: тепловое сопротивление и мощность которую нужно рассеять, рассчитайте температуры в отдельных точках. На рисунке 63 я указал вам некоторые значения. Можно подумать, что, зная мощность ламп накаливания и напряжение их работы, можно рассчитать их активное сопротивление, или возможно, измерить его с помощью омметра и поставить в формулы для расчета рассеиваемой мощности в худшем случае. К сожалению, для ламп накаливания НЕЛЬЗЯ применить простой способ расчета мощности для самого худшего случая, так как мы ранее рассчитывали с помощью простых формул, где нагрузкой был резистор. Причина очень простая: сопротивление лампочки не является постоянным, оно очень сильно изменяется по нелинейному закону с увеличением тока. Например, лампа автомобильная 12В, 21Вт с номинальным напряжением имеет активное сопротивление примерно 6,8 ОМ, а при очень малых напряжениях и токах в холодом состоянии обладает сопротивлением до 0,5Ом. Лампа накаливания 12В 10Вт имеет сопротивление „горячей” и „холодной”, соответственно 14,4 Ом и 1,2 Ом. Для лампы накаливания 12В 5Вт: 29Ом и 2,7Ом, для лампы 24В 21Вт: 27Ом и 1,8 ОМ. Какое активное сопротивление подставить в формулу? Потому как сопротивление лампочки так сильно зависит от температуры, формулы, приведенные в предыдущих эпизодах не могут быть применены. Поэтому на рис. 63, указывается рассеиваемая мощность, выделяемая в устройстве при худших условиях (34Вт). Уже на первый взгляд видно, что с транзистором BDW83 (Ptot=130Вт, Tjmax=+150 градусов C, Rthjc=0,96K/Вт), вы должны рассеять указанную мощность 50ВТ, а в справочнике мощность Ptot 130 ВТ. Все правильно!
Выполнить расчеты для ситуации из рисунка 63 и трех различных радиаторов. Затем рассчитайте на рисунках 64-66 температуры в отдельных точках.
Уже посчитали?
Проанализируйте полученные результаты. Очевидно, при слишком маленьком радиаторе (случай на рисунке 64) температура перехода составит до +212°С. Это на самом деле много. Очень много! Радиатор слишком слабый, маленький.
Конечно, с огромным радиатором с Rthra = 0,72K/Вт на рисунке 65 все в порядке. Температура перехода составляет +100°C, а радиатора около +65°С.
Но если в версии на рисунке 66 мы находимся в предписанных пределах? Температура переходов допустима +150°С. А температура корпуса?
Да! Будет составлять примерно +120°C! Даже температура радиатора достигнет почти +115°С.
Точнее говоря, такая температура возникает только в точке контакта, то есть там, где с помощью силиконовой смазки или силиконовая (но не слюдяная) прокладка при креплении транзистора. Площадь радиатор будет иметь немного более низкую температуру. Насколько ниже? Это зависит от многих факторов, и не это самое главное. Вы сейчас не должны об этом думать. В любом случае, на основании рисунков 64-66 вы убедились, что если вы будете использовать силиконовую смазку, то температура металлической вставки транзисторов ТО-220 (такие, в конце концов, мы используем чаще всего) будет более или менее такой же, как и температура радиатора в месте соприкосновения с транзистором. Разница несколько градусов не имеет значения.
Но если температура корпуса транзистора превысит +120°C, это не слишком много?
Вода кипит при температуре +100°C, а при температуре +120°C капля воды быстро испаряется с легким шипением. Можно ли допускать такие условия и кипятить воду в устройстве и радиаторе? Вы, наверное, обратили внимание, что если вы можете прикоснуться пальцем к радиатору работы транзистора и не обжигаетесь, то это радиатор является правильным. Если вы не можете его держать, тогда вентилятор и радиатор слишком маленький.
Это не является хорошим способом оценки радиатора. Не бойтесь высоких температур. Вы знаете, что температура полупроводникового кристалла может составлять до +150°C. Поэтому температура корпуса транзистора равна +120°C что в целом нам не мешает. Не бойтесь таких +115°C. Да. Конечно, раскаленный радиатор вы не сможете поставить снаружи корпуса, потому что кто-нибудь может обжечься. Но если радиатор с такой температурой расположен внутри корпуса, это не проблема.
А теперь пометки на полях. Может быть, помните мощные, черные радиаторы некоторых усилителях мощности. Например, некоторые старые польские усилители с выходной мощностью порядка 2 x 15 Вт...2 x 50Вт были оснащены такими мощными радиаторами, торчащими из задней стенки корпуса. Глядя на размеры этих радиаторов можно предположить, что для достижения десятков Ватт мощности необходимы такие большие радиаторы. Вовсе нет! Размер этих радиаторов вытекает из того, что были выставлены наружу и действующие нормы требовали, чтобы температура их поверхности не превысил обозначенной границы. Поэтому не доверяйте размерам радиаторов таких усилителей.
Теперь мы вернемся к основному вопросу.
Что видно из рисунков 63 66?...
При современных транзисторах в корпусах TO-220 и мощностью рассеивания до 20...30 Вт вы можете предположить, что если температура металлической вставки транзистора (точнее контакта транзистора с теплоотводом) не превышает +120°C, это транзистор не будет слишком горячим. Только как определить эту температуру?
Используйте практически предоставленную информацию. Поместите каплю воды на металлической вставке транзисторов ТО-220, включите схему и ждите. Если через несколько минут работы системы в какой-то момент в капле воды появятся пузырьки пара, капля начинает шипеть и не испарится, температура корпуса превысила +100 градусов C. Не паникуйте! Если сейчас вы поместите следующую каплю, воды на корпус транзистора, и она испаряться через несколько секунд, - то температура составляет +100...+110°C. Это действительно допустимая ситуация. Но помните, что вы не повар, а только электронщик.
Если при таком эксперименте первая капля воды не охотно испаряется пара и исчезает медленно, в течение нескольких минут или больше, температура корпуса ниже, чем +100°C и радиатор подобран с каким-то запасом. Конечно, радиатор может быть при этом на столько горячим, что вы не сможете его коснуться.
Однако, если первая капля будет испаряться менее чем за минуту, и следующая капля будет испаряться с шипением сразу же после попадания ее на корпус, то нужно быстро выключить – температура корпуса превысила +120°C, а температура перехода могла превысить +150°С. Применить радиатор больше, потому что это слишком маленький для данной мощности.
Я не рекомендую вам другие способы измерения температуры, потому что в домашних условиях ни чего лучше не придумаешь для измерения температуры корпуса транзистора. Не пытайтесь использовать зонд, входящий в комплект цифровых мультиметров. Ошибка такого измерения будет слишком большой. Для испытаний из транзисторов в корпусах TO-220 я рекомендую простой способ с капелькой воды.
Почему я рекомендую использовать транзисторы только в корпусе ТО-220 или аналогичном но большем, например ЭТО-218 (SOT-93)? Потому что тогда у вас есть прямой доступ к металлической вставки для радиатора. В случае если транзистор в пластиковом корпусе К-126 температура пластиковой поверхности не позволяет сделать вывод о температуре перехода. Аналогично и со старыми транзисторами в металлическом корпусе ТО-3. У вас нет доступа к плоскости, через которую передается тепло к радиатору, а температура металлической шапки зависит от конструкции корпуса и не позволяет сделать вывод о температуре перехода.
В любом случае, эксперименты с транзисторами, в классическом корпусе TO-220 позволит вам предварительно узнать параметры радиаторов, которые затем будут работать с транзисторами в других корпусах.
Я дал тебе здесь, общее правило как проверить, что при мощностях до 20...30 ВТ радиатор не слишком маленький. А что делать с большей мощностью? Как распределяются температуры? Если вы хотите это проверить, проведите расчеты и для рисунков 67...69. Ситуации из рисунков 67...69 немного искусственная, потому что каждый раз, сопротивление радиатора, подобрано так, чтобы при заданной мощности температура соединения, не превысил +150°С. А радиатор с сопротивлением 0,6 К/Вт - это мощный кусок алюминия. В каждом случае вы видите, что при применение силиконовые смазки температуры корпуса и радиатора отличается мало, только на несколько градусов. Помните, что температура радиатора ниже температуры перехода приблизительно:
ΔTjc=P×Rthjc
Теперь у вас уже есть много знаний о выделении тепла. На данный момент это знание чисто теоретическое. А вы хотите быть практиком. Тогда сделайте схему, показанную на рисунке 70 или аналогичную с транзистором T1 в корпусе ТО-220 или ЭТО-218 (SOT-93), с как можно большой мощностью. При протекании тока через транзистор на нем будет выделяются мощность
P=UT Х IC
Мощность эту, вы можете отрегулировать с помощью потенциометра P1. При первом включении вместо предохранителя необходимо включить лампу накаливания 12В 10...60 ВТ и установить потенциометр P1 на минимум тока. Только после такой проверки можно заменить лампочку на предохранитель.
При последующих измерениях в простейшем случае вы можете измерять только напряжение на резисторе 0,1Ом. Предполагая, что напряжение аккумулятора не меняется и равно 12 В (измерьте), рассеиваемая мощность в устройстве (без учета потерь в резисторе R1) будет составлять
P[Вт]=120×U1 [В]
Возьмите несколько радиаторов, начиная от маленькой пластины листового алюминия (например, 4x4 см) и до большого радиатора из профиля алюминия и проверьте „методом капельки”, какую мощность вы можете рассеять этими радиаторами. Не более всего допустимого тока транзистора власти. А при мощности больше, чем 30W не забывайте о сопротивлении Rthjc, которая например, для мощных транзисторов BD249/250, BDV64/65 составляет 1К/Вт, для BDW93/94 - 1,56 К/Вт, для BD905...BD912 - 1,4К/Вт, BD243/244 - 1,9K/Вт, а для старых польских BD280...286 до 3,5 К/Вт. Температура перехода будет выше температуры корпуса
ΔT=P×Rthjc
Как вы видите, это очень простой способ оценки, теплового сопротивления радиатора. Помните, однако, что это так скажем „экономный”. Может вас искренне удивить, какие маленькие радиаторы, необходимые для рассеивания мощности 5...10 ВТ, при температуре корпуса транзистор (TO-220), составляющей +100...+120 градусов C. На практике не используйте, однако, столь маленькие радиаторы. Помните, что замеры выполняете на открытом воздухе, а потом этот радиатор будет помещен в корпус, где условия охлаждения будут гораздо хуже. Кроме того, снижение температуры перехода до +150°C, еще более повысит надежность устройства. По мере возможности используйте гораздо большие радиаторы. Но из-за этого от капельки воды не отказывайся. Проведите испытания, потому что это позволит вам приобрести опыт, чтобы ты потом мог подобрать соответствующий радиатор без каких-либо замеров и экспериментов.
В конце предлагают вам немного проверить прочитанное и поучаствовать в конкурсе. А если захотите, мы вернемся еще к этой теме об радиаторах на страницах EdW. Напишите мне по этому вопросу.
Главная 
