Tranzystory, cz7.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−

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:

Rth

rys.. 55.. Prawo Ohma

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

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

4 1000

( )

144

4000

0036 36

WmW

max

TPRh

UIR

T W K

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

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

( ) 2

Uzas

tot

T=P×R TH

144

L =

, Ω

360

5 75 375

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

02 500 100

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

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

= ×

W praktyce zwykle rezystory obciąże−

nia (w obwodzie kolektora) mają rezys−

tancję powyżej 1k

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

105

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

T/Rth).

Przyjmij rezystancję Rthja równą

70K/W, oraz temperaturę otoczenia +45°C

(np. we wnętrzu obudowy przyrządu).

o o

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: