Pierwsze k

kroki

część 7

Tranzystory

dla początkujących

Parametry termiczne

W poprzednim odcinku dowiedziałeś się,

jedynie do zrozumienia i wykorzystania

otoczenia. Czy temperatura złącza będzie

że tranzystor zawsze musi pracować w bez−

tranzystorów małej mocy. W przypadku

rosła w nieskończoność? Ależ skąd!

piecznym obszarze. Znakomicie poradziłeś

tranzystorów większej mocy nie wystar−

W pewnym momencie wytwarza się

sobie z ćwiczeniami i wydaje ci się, że już czą przeprowadzić proste obliczenia, jak

równowaga: różnica temperatur wzrosła

dokładnie poznałeś problem mocy strat. Te−

to robiliśmy w poprzednim odcinku, pole−

na tyle, że cała ilość wytwarzanego ciep−

raz już wiesz, że warunki pracy tranzystora

gające na sprawdzeniu, czy moc strat

ła przepływa do otoczenia. Dzięki temu

są ograniczone czterema czynnikami:

w danym układzie nie przekroczy odczy−

temperatura już nie wzrasta. Zapamiętaj

– dopuszczalnym napięciem kolektor−

tanej z katalogu dopuszczalnej mocy strat

to – w normalnych warunkach pracy

emiter

Ptot! Kluczowe znaczenie ma tu bowiem

w tranzystorze wytwarza się stan równo−

– dopuszczalnym prądem kolektora

temperatura złącza, czyli krzemowej

wagi cieplnej – temperatura wzrasta na

– zjawiskiem drugiego przebicia

struktury tranzystora.

tyle, by całe ciepło wydzielane w złączu

– maksymalną mocą strat

Dziś zajmiemy się tą sprawą bliżej.

było na bieżąco odprowadzane do otocze−

Dwa pierwsze rozumiesz doskonale:

Wydzielające się w tranzystorze ciepło

nia. Jeśli nie zadbasz, by to ciepło sku−

zbyt wysokie napięcie po prostu dopro−

trzeba odprowadzić i rozproszyć do oto−

tecznie o

odprowadzić d

do o

otoczenia, d

dopro−

wadzi do przebicia i nieodwracalnego

czenia. Jak myślisz, od czego zależy szyb−

wadzisz d

do n

nadmiernego w

wzrostu ttempe−

uszkodzenia złącza, a za duży prąd kolek−

kość przepływu ciepła między złączem

ratury złącza i nieodwracalnie zniszczysz

tora stopi cieniutkie doprowadzenia.

tranzystora a otoczeniem?

tranzystor.

Problemu drugiego przebicia nie musisz

To ważne pytanie!

Niestety, muszę ci to szczegółowo

zgłębiać – jest ono uwzględnione w kata−

...

wyjaśnić, ponieważ i tu funkcjonują błęd−

logu na rysunku pokazującym bezpieczny

Szybkość przepływu ciepła na pewno

ne wyobrażenia. Okazuje się, że

obszar pracy. Wystarczy, by twój tranzys−

zależy od różnicy temperatur, ale też od w ogromnej większości przypadków tran−

tor nie pracował w obszarze drugiego

izolacji cieplnej. Jeśli elektryczny piecyk zystor mocy nie może pracować z katalo−

przebicia, czyli przy napięciach bliskich

starannie owiniesz materiałem termoizo−

gową mocą strat Ptot! Trzeba bowiem

UCE0 i znacznych prądach.

lacyjnym, na przykład kocem, ciepło bę−

uwzględnić dodatkowe czynniki.

Poznałeś też kolejny ważny parametr –

dzie przepływać wolniej, natomiast tem−

moc strat. Umiesz obliczyć maksymalną

peratura piecyka będzie szybko rosnąć

Maksymalna temperatura

moc strat tranzystora dla danego napięcia

i koc po kilku minutach się zapali.

złącza

zasilającego i rezystancji obciążenia. Po−

W elektronice jest podobnie. Gdy

Zapamiętaj raz na zawsze: wysoka

trafisz dobrać obciążenie, by przy danym

w złączu tranzystora zaczyna się wydzie−

temperatura jest śmiertelnym wrogiem

napięciu zasilającym nie przekroczyć do−

lać moc cieplna równa P=UCE×IC, to tem−

półprzewodników.

puszczalnej mocy strat.

peratura tego złącza rośnie. Ze wzrostem

Początkujący wyobrażają sobie, że ist−

I tu muszę cię trochę rozczarować: do−

różnicy temperatur złącze−otoczenie

nieje jakaś ściśle określona granica, po

tychczasowa wiedza od biedy wystarczy

wzrasta też ilość ciepła przepływająca do

przekroczeniu której element półprze−

22

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Pierwsze k

kroki

Patrząc na to z drugiej strony, masz na−

(lub RTH), która dotyczy nie ogólnie mate−

stępny ważny wniosek praktyczny – jeśli

riału, ale konkretnego elementu.

temperatura złącza pracującego tranzys−

Początkujących może to przestraszyć,

tora będzie znacznie niższa, niż te umow−

ale naprawdę nie ma tu nic trudnego. Re−

ne +150°C, na przykład będzie wynosić

zystancja jak rezystancja – stawia opór,

+30°C czy +50°C, prawdopodobieństwo

utrudnia przepływ (ciepła). Jest to para−

uszkodzenia będzie bardzo, bardzo małe

metr charakteryzujący jakiś konkretny

– śmiało można uważać, że w takich wa−

obiekt pod względem przewodzenia ciep−

runkach pracy tranzystor będzie wiecz−

ła – nie wchodząc w szczegóły przyjmij−

ny. Tym zdaniem chciałbym rozproszyć

my, że jest to właśnie rezystancja termicz−

na Rth. Na przykład kawałek aluminium

wodnikowy ulega uszkodzeniu, na podo−

czy miedzi ma małą rezystancję termiczną

bieństwo cyny, która topi się w pewnej,

(bo te metale bardzo dobrze przewodzą

dokładnie określonej temperaturze. Jest

ciepło), natomiast kawałek drewna, wars−

to wyobrażenie całkowicie błędne. Co

tewka powietrza czy kawałek tworzywa

prawda w katalogach półprzewodników

sztucznego mają dużą rezystancję ciepl−

podawana jest maksymalna ttemperatura

ną. Rzecz jasna, w przypadku tranzysto−

złącza, oznaczana Tjmax (Tjmax), zwykle

rów zależy nam na tym, by rezystancja

+150°C, ale wcale to nie znaczy, że na

cieplna była jak najmniejsza, czyli by całe

przykład w temperaturze +200°C ele−

wydzielone ciepło bez szybko i sprawnie

ment stopi się, lub natychmiast ulegnie

odprowadzić do otoczenia.

uszkodzeniu. Temperatura topnienia krze−

Sprawa

obli−

mu jest znacznie wyższa. Znam „ekspe−

niepotrzebne obawy. Najprościej mó−

czeń podstawo−

rymentatorów”, którzy na pracujących

wiąc, jeśli nie zostaną przekroczone:

wych zależności

tranzystorach mocy (typu 2N3055) topili

maksymalne napięcie kolektora, maksy−

cieplnych jest na−

cynę – temperatura obudowy przekracza−

malne prądy bazy i kolektora, oraz jeśli

prawdę dziecinnie

ła więc +200°C, temperatura złącza była

temperatura złącza będzie niższa od

łatwa, bo wystę−

na pewno znacznie wyższa, i... tranzysto−

+150°C, nie trzeba się martwić o trwałość

puje tu łatwa do

ry nie uległy uszkodzeniu.

tranzystora. A jeśli temperatura jest zbli−

zrozumienia ana−

To skąd te katalogowe +150°C?

żona do temperatury pokojowej, można

logia z obwodem

To proste. W tej temperaturze ryzyko

śmiało uważać, iż tranzystor jest wieczny.

elektrycznym. W obwodzie elektrycznym

uszkodzenia jest jeszcze stosunkowo

To budująca wiadomość, prawda? Tak,

prąd zależy od napięcia (czym większe na−

małe. Element pracujący w tej tempera−

ale z praktyki wiem, że najczęstszą przy−

pięcie tym większy prąd) i od oporności

turze powinien (biorąc statystycznie) po−

czyną uszkodzeń tranzystorów w ukła−

(czym większy opór, tym mniejszy prąd).

winien bezawaryjnie pracować, powiedz−

dach amatorskich jest właśnie ich prze−

Matematycznie wyraża to oczywiście pr−

my przez 10000 godzin (to jest ponad rok

grzewanie wskutek nieznajomości pod−

awo Ohma. Dokładnie tak samo jest

ciągłej pracy). W grę wchodzi tu statysty−

stawowych zasad. Właśnie dlatego prob−

w obwodzie cieplnym. Możemy mówić

ka i rachunek prawdopodobieństwa,

lemowi temu poświęciłem aż trzy odcin−

o prawie Ohma dla obwodu cieplnego.

więc nie będę ci tłumaczył szczegółowo

ki cyklu o tranzystorach.

Czy domyślasz się, co jest „napięciem

kwestii awaryjności i przewidywanych

cieplnym”, co „prądem cieplnym”, a co

okresów pracy bezawaryjnej. Na pewno

Moc strat a temperatura

„oporem cieplnym”?

kiedyś spotkasz się ze skrótami MTTF,

Żeby nie zgubić głównego wątku na−

Pomyśl samodzielnie.

MTBF – właśnie one dotyczą kwesti−

szych rozważań muszę ci na zawsze

...

i pracy bezawaryjnej i ryzyka uszkodzeń

wbić do głowy zależność, jak podana

Tak jest!

urządzeń i podzespołów.

w katalogu maksymalna moc strat wiąże

„Napięciem cieplnym” jest różnica

A więc te +150°C to nie jakaś ściśle

się z dopuszczalną temperaturą złącza

temperatur ∆T, „prądem cieplnym” jest

określona nieprzekraczalna granica. Po

(+150°C). Musimy teraz znaleźć jakieś

przenoszona czy przepływająca moc

podgrzaniu złącza do +200°C tranzystor

wzory i zależności, żeby opisać zacho−

cieplna P, natomiast „opór cieplny” to

nadal będzie pracował. Zresztą w katalo−

dzące zjawiska.

wprowadzona przed chwilą rezystancja

gach spotkasz elementy (diody i niektóre

Czy potrafiłbyś obliczyć, do ilu stopni

termiczna Rth.

tranzystory), dla których określono do−

wzrośnie temperatura złącza podczas

Jeśli to jest odmiana prawa Ohma, to

puszczalną temperaturę złącza równa

pracy tranzystora?

zapiszmy analogiczne wzory:

+175°C lub nawet +200°C.

To na pewno zależy nie tylko od mocy

T

U

Zapamiętaj podstawową zależność –

traconej (czym większa moc strat, tym

P = ∆

I =

Rth

R

ze wzrostem temperatury szybko roś−

wyższa będzie temperatura złącza), ale

nie ryzyko czyli prawdopodobieństwo

także od izolacji cieplnej między złączem

rys. 5

55. P

Prawo O

Ohma

uszkodzenia. W podawanej w katalogu

a otoczeniem – czym skuteczniejsza izo−

maksymalnej temperaturze złącza Tjmax

lacja termiczna, tym większa musi być

ryzyko uszkodzenia jest jeszcze stosun−

temperatura, by „przepchnąć” przez tę

kowo małe. Ale ze wzrostem tempera−

izolację do otoczenia całą ilość ciepła wy−

tury prawdopodobieństwo uszkodzenia

tworzoną w złączu tranzystora.

rośnie wykładniczo, czyli bardzo gwał−

W fizyce często używa się pojęcia

townie. To oznacza, że powinieneś do−

przewodności cieplnej (danego materia−

łożyć wszelkich starań, by nie przekro−

łu). My w elektronice nie wdajemy się

czyć katalogowej maksymalnej tempe−

w szczegóły i używamy pojęcia rezystan−

ratury złącza.

cji cieplnej (termicznej) oznaczanej Rth

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

23

Pierwsze k

kroki

W praktyce częściej używamy prze−

W poprzednim odcinku poznałeś wzór

wyższa o 10 czy 20°C od katalogowych

kształconych wzorów:

na moc wydzieloną w najgorszych wa−

+150°C, rośnie wprawdzie ryzyko uszko−

runkach:

dzenia, ale nie grozi to od razu uszkodze−

T

U

Rth = ∆

R =

Podstawiamy:

niem tranzystora. To nie znaczy, że zachę−

P

I

cam cię do przekraczania dopuszczalnej

(12V)2

144

P

=

=

= .

0 036W = 36m W

temperatury złącza – wprost przeciwnie –

max

∆T = P × Rth U = I × R

4 × 1000Ω

4000

namawiam cię, byś tak projektował swoje

K

Nie masz chyba wątpliwości, że ta re−

∆T = .

0 036W × 250

= K

9

= 9 C

o

układy, by temperatury złącz były znacznie

W

zystancja cieplna to rezystancja między

niższe niż katalogowe +150°C.

= 40o + 9o =

o

złączem (ang. junction czytaj dżankszn) Tj

C

C

49 C

Ale idźmy dalej.

a otoczeniem, atmosferą (ang. ambient, Nawet przy napięciu zasilania równym

ambience). Oznacza się ją Rthja (junction 24V, maksymalna moc strat nie będzie

Przykład 3

3

– ambience).

większa niż 150mW, a przyrost tempera−

Obliczamy temperaturę złącza tran−

Rezystancja cieplna wyrażana jest

tury wyniesie co najwyżej 36°C.

zystora

polowego

MOSFET

typu

w stopniach Celsjusza (lub kelwinach)

Wnioski? Jeśli w twoim układzie tran−

BUZ74A, który według katalogu ma

na wat – °C/W lub K/W. Sens jest pros−

zystory małej mocy mające rezystancję

Ptot=40W W i Rthja=75K/W (=75°C/W).

ty: rezystancja cieplna pokazuje, jaka

termiczną nie większą niż 500K/W, pracu−

Temperatura otoczenia wynosi powiedz−

będzie różnica temperatur z obu stron

ją z mocami nie większymi niż 100mW

my +20°C. Nie chcemy przeciążyć tran−

danego elementu, przy przepływie

(0,1W), nie musisz się obawiać ich prze−

zystora, więc tak dobierzemy rezystan−

przezeń 1W mocy cieplnej. Jeśli po−

grzania. Przykładowo, jeśli napięcie zasi−

cję obciążenia (w obwodzie drenu) tran−

wiedzmy przez rezystancję termiczną

lające wynosi 12V, to w najgorszym przy−

zystora, by maksymalna moc strat tran−

tranzystora (między złączem a otocze−

padku moc 100mW wydzieli się w tran−

zystora wynosiła tylko 5W. Będziemy

niem) przepływa 5W mocy cieplnej,

zystorze obciążonym rezystorem

pracować przy mocy 8−krotnie mniejszej,

a

rezystancja

termiczna

wynosi

niż dopuszczalna moc Ptot.

Uzas

20°C/W, to różnica temperatur wyniesie

R = (

)2

L

:

Niczego nie podejrzewając obliczamy

4P

100°C. Czyli złącze będzie cieplejsze od

tot

temperaturę złącza ze wzoru ∆T=P×RTH

otoczenia o 100°C.

122

144

o C

Wartość Rthja tranzystora jest obliczo−

R =

× 0, W

1

=

=

Ω

L

360

∆T = 5W × 75

= 375o

4

0,4

na przez producenta i można ją znaleźć

W

w katalogu.

W praktyce zwykle rezystory obciąże−

Uwzględniając temperaturę otoczenia

I nie bój się tych kelwinów na wat, to

nia (w obwodzie kolektora) mają rezys−

równą +20°C, temperatura złącza wynios−

nic trudnego: 1°C/W = 1K/W. Przecież

tancję powyżej 1kΩ i wtedy przy napię−

łaby +395°C.

skala Kelvina to „przesunięta w dół skala

ciach zasilania do 24V wcale nie trzeba

Ciut za dużo, prawda?

Celsjusza” – zaczynająca się od zera absolut−

sobie zawracać głowy mocą strat i tem−

Gdzie tkwi błąd? Przecież zastosowa−

nego (0K=−273°C, 0°C=273K, +27°C=300K,

peraturą złącza.

liśmy tranzystor dużej mocy! A może ob−

+100°C=373K, +150°C=423K).

liczenia dotyczą tylko „zwykłych tranzys−

I nigdy nie zapomnij, iż w podanych

Przykład 2

2

torów, a nie jakichś tam MOSFETów?

wzorach mamy różnicę temperatur złącza

Mamy układ z tranzystorem BC107

Nie! Podane zasady dotyczą nie tylko

i otoczenia!

(Ptot=300mW) i obliczyliśmy, że w naj−

wszelkich tranzystorów, ale również ukła−

A po co nam ta rezystancja termiczna

gorszym przypadku w tranzystorze bę−

dów scalonych, dla których też podaje się

i wzory? Właśnie te wzory pozwolą ci za−

dzie się wydzielać 200mW (0,2W) mocy

rezystancję termiczną Rth.

panować nad problemem mocy strat

strat. W pierwszym przypadku tranzystor

rys. 5

57.

i temperatury złącza także w tranzysto−

pracuje w dobrze wentylowanej obudo−

rach dużej mocy oraz w różnorodnych

wie, gdzie temperatura wynosi +30°C,

układach scalonych. Obliczymy na przy−

w drugim przypadku temperatura we−

kład, czy w danym układzie pracy tranzys−

wnątrz małej, zamkniętej obudowy może

tora nie zostanie przekroczona dopusz−

sięgnąć +60°C. Wartość Rthja tranzysto−

czalna temperatura złącza.

ra BC107 wynosi 500K/W. Obliczamy:

Proszę bardzo:

∆

K

T = 0 2

. W × 500

= 100 C

o

Przykład 1

1

W

Tranzystor BC548 (UCE0=25V, IC=100mA,

W pierwszym przypadku temperatura

Ptot=500mW, Rthja=250K/W) pracuje

złącza wyniesie:

przy napięciu 12V z rezystorem obciążenia

Tj=+30°C+100°C=+130°C

(rysunek 55) RL=1kΩ. Maksymalna tem−

W drugim Tj=+160°C

peratura otoczenia wynosi +40°C.

No i co? Znów jesteś zaskoczony?

W powyższych obliczeniach błędu nie

Jaka będzie

To jest pułapka w która wpadają począt−

ma! To my zrobiliśmy karygodny błąd, nie

rys. 5

56

m a k s y m a l n a

kujący – jeśli nie jest przekroczona katalo−

stosując radiatora i podstawiając bezmyśl−

temperatura złą−

gowa moc strat Ptot, nie obliczają tempe−

nie do wzoru katalogową rezystancję

cza tranzystora

ratury złącza sądząc, że na pewno wszyst−

Rthja (która dotyczy sytuacji bez radiatora).

w

najgorszych

ko jest w porządku. Okazało się jednak, że

Zauważ, że w przypadku tranzystorów

warunkach, czyli

w tranzystorze małej mocy przy zbyt dużej

małej mocy (moc strat do 1W) w katalo−

przy napięciu na

temperaturze otoczenia nie powinno się

gu podana jest najczęściej jedynie całko−

kolektorze rów−

pracować przy katalogowej mocy strat

wita rezystancja termiczna między złą−

nym połowie na−

tranzystora. Ale nie wpadaj w panikę. Jak

czem a otoczeniem, oznaczona Rthja.

pięcia zasilania?

ci mówiłem, gdy temperatura złącza jest

c.d. na str. 27

24

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Pierwsze k

kroki

Dlaczego? Rezystancja Rthja dla danej

obudowy wynika z jej wymiarów, a nie

Natomiast w przypadku tranzystorów

z właściwości krzemowej struktury tran−

mocy, w katalogu podana jest zarówno

zystora.

rezystancja Rthja, dotycząca sytuacji bez

Oblicz więc, jaka moc może wydzielić

radiatora, jak i druga, o znacznie mniej−

się w tranzystorach w obudowie TO−220

szej wartości – Rthjc. Ta druga to rezys−

bez radiatora (P=∆T/Rth).

tancja termiczna między złączem ( junc−

Przyjmij rezystancję Rthja równą

tion) i obudową ( case), stąd literki jc. Dla 70K/W, oraz temperaturę otoczenia +45°C

wspomnianego tranzystora BUZ74A wy−

(np. we wnętrzu obudowy przyrządu).

nosi ona tylko 3,1K/W.

o

o

Przyznam ci się, że przed wielu laty ja−

150 C

45 C

105

P = +

−

=

= 1 5

, W

ko początkujący elektronik−amator nie

o C

70W

70

miałem zielonego pojęcia o powyższych

W

zależnościach i „załatwiłem” w taki spo−

Dobrze zapamiętaj tę wartość! Nigdy

sób dwa nowiusieńkie i bardzo na owe

nie zapomnij, że najlepszy tranzystor mo−

czasy drogie tranzystory mocy z serii

cy w obudowie TO−220 bez radiatora nie

BUYP. Może i ty masz coś takiego na su−

może pracować przy mocy strat większej

mieniu?

niż 1,5W.

rys. 5

58.

Od tej chwili nie popełniaj już takich

Teraz już jesteś przekonany, że o mak−

błędów, choć dziś tranzystory są niepo−

torów i innych elementów w popularnej

symalnej mocy strat tranzystora dużej

równanie tańsze, niż dwadzieścia pięć lat

obudowie TO−220 wynosi mniej więcej

mocy będzie decydował radiator. I tu do−

temu.

60...80K/W. Poszczególne tranzystory

piero zaczynają się strome schody. Tymi

w takiej obudowie mają różne wartości

stromymi schodami przespacerujemy się

Uważaj teraz! Rezystancja termiczna

rezystancji Rthjc (w zakresie 0,9...4K/W),

wspólnie za miesiąc.

Rthja (bez radiatora) wszystkich tranzys−

ale podawane wartości Rthja są zbliżone.

Piotr G

Górecki

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

25