Fórum
Prihláste sa k svojmu účtu, pokiaľ ho máte. Alebo kliknite tu pokiaľ ho ešte nemáte a prajete si ho vytvoriť - je to jednoduché a získate mnoho výhod.

3. Príklady výpočtu chladenia

3. Príklady výpočtu chladenia

V tejto časti si popíšeme praktické výpočty chladenia pre existujúce komponenty, teda sa budeme pohybovať už v praktickej rovine použitia chladenia.

Príklad 1: Kontrola zaťaženia tranzistora z malým stratovým výkonom

Skontrolujte tepelné zaťaženie tranzistora BC527 pre teplotu okolia 45 ° C a navrhnite chladič.

Medzné hodnoty tranzistoru BC527 (púzdro TO 92/SOT 30)

Napätie UCB0 80V  
Prúd kolektora ICmax 1A  
Stratový výkon Ptot 0.625 W Bez chladiča, pre 25°C
Teplota prechodu ϑj max 150°C  
Tepelný odpor Rϑja 200 K/W Bez chladiča
Tepelný vnútorný odpor Rϑjc 83 K/W  

 

Kontrolný výpočet celkového tepelného odporu (bez chladiča)

- súhlasí s katalógom.

Otázka 1 : Aký je maximálny prípustný výkon bez chladiča pri teplote okolia 45 °C?

Pri teplote okolia 25°C a pri stratovom výkone 0,625 W je teplota prechodu 150°C.
Pri teplote okolia 45°C výkonu sa musí výkon znížiť o ΔP = (45 - 25)/200 = 0,1 W

Odpoveď 1 : Pri teplote okolia 45°C môže byť tranzistor zaťažený stratovým výkonom 0,525 W.

Otázka 2 : Aká bude teplota prechodu a teplota púzdra pri zaťažení 0,5 W a okolí 45°C?

ϑj = ϑa + Rϑja . P = 45 + 200 . 0,5 = 145°C
ϑc = ϑj - Rϑjc . P = 145 - 83 . 0,5 = 103,5°C

Odpoveď 2 : Teplota prechodu bude 145°C a teplota povrchu púzdra 103,5°C. (pozn.: teplotu povrchu plastového púzdra je možné merať len obtiažne, nakoľko meracia sond meraný povrch ochladzuje.)

Otázka 3 : Ako sa za rovnakých podmienek zníží teplota prechodu a povrchu, pokiaľ použijeme hviezdičkový chladič (∅13 x 5) s katalogovou hodnotou tepelného odporu 65 K/W?

Plocha styku je malá a nie je dokonalá. Odpor styku odhadneme na 2 K/W.
Rϑ = Rϑjc + Rϑcs + Rϑsa = 83 + 2 + 65 = 150 K/W - (celkový tepelný odpor)
ϑj = ϑa + Rϑ . P = 45 + 150 . 0,5 = 120°C
ϑc = ϑa + Rϑca . P = 45 + 65 . 0,5 = 77,5°C

Odpoveď 3 : Teplota prechodu bude 120°C a teplota chladiča 77,5°C. Pri normálnej teplote okolia (25°C) teplota chladiča neprekročí 60°C.

Otázka 4 : Aký môže byť maximální strátový výkon s chladičom?

P = (ϑj max - ϑa) / Rϑ = (150 - 45) / 150 = 0,7 W

Odpoveď 4 : S chladičom a pri teplote okolia 45°C dosiahne teplota prechodu maximálnu povolenú hodnotu 150°C pri stratovom výkone 0,7 W.

Záver

Aj u tranzistorov pre malé výkony je nutné kontrolovať tepelný režim, keď sa ich stratový výkon blíži limitnej hodnote. Pri použití chladiča možno získať bezpečnejšie odstup od medzných hodnôt. Tiež je možné zvýšiť zaťaženie
tranzistora, je ale nutné mať na pamäti, že nasadený chladič môže byť pri opravách zabudnutý. Preto je treba zvážiť možnosť súčasného výskytu tejto chyby s maximálnym zaťažením. Použitie väčšieho chladiča (48 K / W)
nepredstavuje podstatné zlepšenie. Vypočítané hodnoty sú medzné, pri znížení zaťaženia sa zvýši spoľahlivosť a životnosť.

Príklad 2: Seriový stabilizátor s tranzistorom stredného výkonu

Navrhnite chladič pre tranzistor BD135, ktorý pracuje ako výkonový prvok sériového stabilizátora so vstupným napätím U1 = 12 V a výstupným napätím U2 = 5 V, odoberaný prúd 0 až 0,5 A. Obmedzenie prúdu 0,7 A pri
skratu. Teplota okolia 45 °C.

Medzné hodnoty tranzistoru BD135 (TO 126/SOT-32)

Napätie UCB0 45V  
Prúd kolektora ICmax 1.5 A  
Stratový výkon Ptot 8 W teplota púzdra 70°C
Teplota prechodu ϑj max 150°C  
Tepelný odpor Rϑja 110 K/W bez chladiča
Tepelný vnútorný odpor Rϑjc 10 K/W  

 

Otázka 1 : Navrhnite chladič, upevnený zo sľudovou podložkou, styk potretý silikónovou vazelínou (Rϑcs = 6 K/W).

Strátový výkon v normálnom pracovnom režime:
Pz = (U1 - U2) . I2 = (12 - 5) . 0,5 = 3,5W.
Celkový tepelný odpor:
Rϑ = (ϑj - ϑa) / Pz = (150 -45) / 3,5 = 30 K/W
Tepelný odpor chladiča:
Rϑsa = Rϑ - Rϑjc - Rϑcs = 30 - 10 - 6 = 14 K/W
V katalógu sa tejto hodnote približujú chladiče s pôdorysom 42 x 33 mm s 12 „prsty“, ktoré mají udávaný tepelný odpor 14, 12, 10,5 a 9 K/W pri výške cca 13, 19, 26 a 32 mm (prevedenie A).

Odpoveď 1 : Pre bezpečnosť vyberieme chladič s tepelným odporom 10,5 K/W. Výsledný tepelný odpor bude 26,5 K/W.

Otázka 2 : Skontrolujte teplotu prechodu a chladiča v normálnom pracovnom režime.

ϑj = ϑa + Rϑja . P = 45 + 26,5 . 3,5 = 137,8°C
ϑc = ϑa + Rϑsa . P = 45 + 10,5 . 3,5 = 81,8°C

Odpoveď 2 : Teplota prechodu bude 137,8°a teplota povrchu chladiča 81,8°C. Bezpečnostný rozdíl je 12°C, doporučuje sa však alespoň 20°C. Teplota chladiča je značne vysoká.

Otázka 3 : O koľko stupňov poklesnú tieto teploty, pokiaľ budeme voliť ďalší chladič z radu (prevedenie A)?
Ďalší chladič má udávaný tepelný odpor 9 K/W.
Rozdiel je teda 1,5 K/W.
Δϑ = ΔRϑ . Pz = -1,5 . 3,5 = -5,25°C

Odpoveď 3 : Bezpečnostný rozdiel teploty prechodu sa zvýši na 17 ° C, chladič bude mať 77 °C. Je preto vhodné použiť ešte väčšie chladič. Ďalší typ chladiča (prevedenie B) má rozmery 45 × 45 mm a je v prevedeniach s výškou 13 alebo 26 mm. Tepelný odpor je uvádzaný 8 a 6 K / W. Zvolíme typ 6 K / W. Teploty budú nižšie o ďalších 10,5 °C, bezpečnostný rozdiel teploty prechodu bude 28 °C.

Otázka 4 : Stanovte, za aký čas dosiahne teplota ustáleného stavu. Podľa katalógu je chladič vyrobený z Al plechu o hrúbke 2,5 mm, plocha je cca 35 cm2.
objem chladiča je V = s . t = 35 . 0,25 = 8,75 cm3.
hmotnosť chladiča m = ρ .V = 2,7 . 8,75 ≈ 24 g
tepelná kapacita Cϑ = c . m = 895 . 24 . 10-3 = 21,4 J/K
časová konštanta τϑ = Cϑ . Rϑ = 21,4 . 6 = 128,4 s ≈ 2 min

Odpoveď 4 : Ustálený stav nastane po 3 - 5 τϑ, teplotu môžeme brať ako ustálenú za 6 - 10 min.

Otázka 5 : Skontrolujte teplotu prechodu pri skrate na výstupe a teplote okolia 25°C.
Stratový výkon pri skrate:
Pk = U1 . I2 = 12 . 0,7 = 8,4 W.
ϑj = ϑa + Rϑja . P = 25 + 22 . 8,4 = 209,8°C

Odpoveď 5 : Teplota prechodu pri trvalom skrate prekročí povolenú teplotu prechodu a tranzistor se zničí. Teplotu povrchu chladiča nie je potrebné počítat. Pri teplote 25°C bude pri normálnom zaťaení teplota prechodu 102°C. Vnútorná časová konštanta púzdra je podstatne nižšia, preto pri zvýšení stratového výkonu o 4,9 W stúpne teplota prechodu veľmi rýchlo o 49°C a prekročípovolenú teplotu. Ku zničeniu dôjde v krátkom čase.

Otázka 6 : Aké sú cesty k zvýšeniu odolnosti pri skrate?

  1. použiť tranzistor s vyššou povolenou teplotou prechodu
  2. zmenšiť výsledný tepelný odpor
  3. je potrebné zmenšit vnútorný tepelný odpor, tepelný odpor styku alebo tepelný odpor chladiča.

Potrebný tepelný odpor: Rϑ = (ϑj - ϑa) / Pk = (150 -45) / 8,4 = 12,5 K/W

Tepelný odpor Rϑjc Rϑcs Rϑsa
Pôvodné prevedenie BD135 10 K/W sľuda 6 K/W 6 K/W 22 K/W
Zmena BD202 2,08 k/W silikon. pryž 3 K/W 6 K/W 11,08 k/W

 

Odpoveď 6 : V pôvodnom prevedení predstavoval nejväčšiu časť výsledného tepelného odporu vnútorný odpor tranzistoru. Izolačná podložka zo sľudy má tak isto značný tepelný odpor. Po zmenšení týchto hodnôt nie je nutné meniť použitý chladič.

Medzné hodnoty tranzistoru BD201 (TO 220AB/SOT-78)

Napätie UCB0 60 V  
Prúd kolektora ICmax 8 A  
Stratový výkon Ptot 60 W teplota púzdra 25°C
Teplota prechodu ϑj max 150°C  
Tepelný odpor Rϑja 70 K/W Bez chladiča
Tepelný vnútorný odpor Rϑjc 2,08 K/W  

 

Existuje tak isto aj izolované provedenie, ktoré je možné montovať aj bez podložky, BD201F. Tepelný odpor styku je potom niekoľko desatín K/W, pre výpočet použijeme hodnotu 0,2 K/W.

Medzné hodnoty tranzistoru BD201F (SOT-186)

Stratový výkon Ptot >20 W teplota púzdra 25°C
Teplota prechodu ϑj max 150°C  
Vnútorný tepelný odpor Rϑjc 6,3 K/W  


Celkový tepelný odpor Rϑ = Rϑjc + Rϑcs + Rϑsa = 6,3 + 0,2 + 6 = 12,5 K/W

Odpoveď 6 : Výsledný tepelný odpor je možné tak isto zmeniť voľbou iného typu tranzistora. Rovnako je možné použít aj  izolovaný tranzistor. Výsledné prevedenie je potom voľbou ceny a dostupnosti súčiastok.

Otázka 7 : Aké budú tepelné pomery pri použití tranzistora BD201F?
Normálny režim: ϑj = ϑa + Rϑja . P = 45 + 12,5 . 3,5 = 88,8°C
ϑc = ϑa + Rϑsa . P = 45 + 6 . 3,5 = 66°C
Skratový režim: ϑj = ϑa + Rϑja . Pk = 45 + 12,5 . 8,4 = 150°C
ϑc = ϑa + Rϑsa . Pk = 45 + 6 . 8,4 = 95,4°C

Odpoveď 7 : Teplota prechodu ϑj nepresiahne dovolenú hodnotu ani pri skrate. Teplota povrchu chladiča 66°C pri medznej teplote vo vnútri peístroja. Nebezpečnú teplotu dosiahne iba v poruchovom stave. Výsledky návrhu je preto možné považovať za uspokojivé.

Otázka 8 : Je možné na mieste tranzistora použiť integrovaný stabilizátor 7805?
V katalogu néjdeme iba hodnotu dovoleného skratového výkonu Ptot = 15 W a maximálnu teplotu prechodu 150°C. Vnútorné obmedzenie prúdu 1 A (strátový výkon pri skrate 12 W). Pretože nie je uvedená teplota púzdra pri maximálnom stratovom výkone, berieme najnižšiu a bežnú hodnotu 25°C. Tepelný odpor potom bude :

celkový tepelný odpor Rϑ = Rϑjc + Rϑcs + Rϑsa = 8,34 + 0,2 + 6 = 14,54 K/W
Normálny režim: ϑj = ϑa + Rϑja . P = 45 + 14,54 . 3,5 = 95,9°C
teplota chladiča bude rovnaká ako v predchádzajúcom prípade.

Skratový režim: ϑj = ϑa + Rϑja . Pk = 45 + 14,54 . 12 = 219°C
Predpokladáme, že vnútorná tepelná ochrana zníži pri skrate prúd tak, aby nedošlo ku zničeniu stabilizátora.

Odpoveď 8 : Integrovaný stabilizátor s navrhnutým chladičem je v tomto prípade možné použiť.

POZOR ! Postup s odhadovaním hodnôt je možné použiť iba pri návrhu prototypov. Pre priemyselnú výrobu a použitie je nutné vždy vychádzať z výrobcpm zaručovaných medzných hodnôt!

Otázka 9 : Je možné približne overiť, aký je skutočný vnútorný tepelný odpor stabilizátora?
Pre odhad použijeme vypočítaný tepelný odpor 14,6 K/W. Pri teplote okolia 20°C a predpokladanom obmedzení vnútornej teploty na 150°C bude stratový výkon:
Pk’ = (ϑj - ϑa) / Rϑja . = (150 - 20) / 14,6 = 8,9 W
Pri skratovanom výstupe a vstupnom napätí 12 V tomu zodpovedá znížený skratový prúd:
Ik’ = Pk’ / U1 = 8,9 / 12 = 0,742 A
Teplota chladiča by pritom bola:
ϑc = ϑa + Rϑsa . Pk’ = 20 + 6 . 8,9 = 73,4°C

Odpoveď 9 : Výstupný prúd stabilizátora je obmedzený na 1 A pri teplote prechodu menšom než ϑj max . Pri skrate na výstupe bude skratový prúd spočiatku 1 A, potom bude klesať zhruba na vypočítanú hodnotu. Pokiaľ bude vypočítaná hodnota vyššia, je výsledný tepelný odpor nižší, a tak isto opačne. Pre spoľahlivejšie vyhodnotenie je potrebné merať aj teplotu púzdra. Preto je možné predpokladať, že stabilizátor skrat vydrží.

POZOR ! Pri skúškach zariadení za medzných podmienok nie jemožné vylúčit negativny výsledok. Konštruktér by mal zvážiť nutnosť takejto skúšky a s tým spojenými nákladmi.


Záver k príkladu 2:

Pri návrhu chladiča je potrebné brať do úvahy aj poruchové stavy. Pri riešení je vhodné sa zamerať na zložky, ktoré najviac ovplyvňujú výsledný tepelný odpor. Pri použití integrovaného stabilizátora s vnútornou tepelnou ochranou je situácia jednoduchšia. Pri stave poruchy (zvýšenie teploty prechodu) zníži vnútorná ochrana skratový prúd tak, aby povolená teplota prechodu nebola prekročená. Chladič je nutné voliť tak, aby teplota prechodu nebola prekročená v normálnom prevádzkovom stave. Príklad ukazuje, že je možné postaviť spoľahlivo fungujúci obvod s použitím tranzistorov s vyšším dovoleným stratovým výkonom bez náročnej zmeny veľkosti chladiča.

Príklad 3: Chladič pre nízkofrekvenčný výkonový zosilňovač

Navrhnite chladič pre dvojitý nízkofrekvenčný výkonový zosilňovač (stereo), osadený dvoma integrovanými obvodmi TDA 2030, napájaný symetricky napätím ±12 V. Záťaž 2 x 4Ω. Chladič bude umiestnený na vonkajšej stene prístroja, teplota okolia neprekočí 35°C.
Vybrané medzné a typické hodnoty TDA 2030:

Hodnoty     Podmienky, poznámky
Medzné Napájacie napätie ±18 V  
  Špičkový výstupný prúd 3,5 A Vnútorne obmedzený
  Výkonová strata púzdra 20 W teplota púzdra 90°C
  Max. teplota prechodu 150°C  
  Tepelný odpor púzdra 3 °C/W  
Typické Výstupný výkon (4 Ω) 12 W kd = 0,5%, 40 Hz -15 kHz
  Výstupný výkon (4 Ω) 18 W kd = 10%, 1 kHz

 

Výpočet najvyššieho stratového výkonu

Pre výpočet budeme uvažovať s budením sinusovým signálom. Na integrovanom obvode, ktorý budí konštantnú záťaž (4 Ω), bude maximálny strátový výkon pri takomto vybudení, keď stratový výkon (Pz) sa rovná výkonu na záťaži (Pv). Príkon (Pp) potom bude dvojnásobkom výkonu.
Výkon na záťaži budeme počítať zo špičkovej hodnoty sinusového signálu (Um) :

Pri tomto výkone odebírá zosilňovač z jednoho zdroja (po dobu poloviny periody) prúd In:

Príkon u oboch zdrojov je potom:

Maximálny stratový výkon bude pri splnení podmienky Pz = Pv, teda Pz = Pp / 2 :

Po úprave:

Pri tejto hodnote výstupného napätia je výkon:

Pre náš prípad je maximálny stratový výkon:

Oba integrované obvody budú na společnom chladiči, preto musíme počítať s celkovým stratovým výkonom 14,6 W. Z dokumentácie nie je jasné, či je chladič izolovaný, alebo je niekterý vývod (napájánie) spojený s chladicou plochou. Preto pre výpočet budeme uvažovať s izolačnou podložkou s tepelným odporom 2 K/W. Pre prestup tepla z jednoho integrovaného obvodu do chladiča budeme počítať s tepelným odporom 5 K/W. Pretože je celkový výkon rozdelený na dva obvody, bude výsledný tepelný odpor predstavovať jich paralelné spojenie, teda 2,5 K/W.

Z maximálnej teploty prechodu 150°C a najvyššej teploty okolia 35°C vypočítame poteebný celkový tepelný odpor:
Rϑ = (ϑj - ϑa) / Pz = (150 -35) / 14,6 = 7,88 K/W ≈ 7,9 K/W
Tepelný odpor chladiča:
Rϑsa = Rϑ - (Rϑjc + Rϑcs) / 2 = 7,9 - 2,5 = 5,4 K/W
V katalógu nájdeme, že chladič s profilom SK182 (89 x 10 mm), dĺžky 50 mm má tepelný odpor 4 K/W. Celkový tepelný odpor potom bude 6,9 K/W.
Vykonáme kontrolu teplôt prechodu a chladiča:
ϑj = ϑa + Rϑja . Pz max = 35 + 6,9 . 14,6 = 135,7°C
ϑs = ϑa + Rϑsa . Pz max = 35 + 4,0 . 14,6 = 94,4°C
Teplota peechodu tesne vyhovuje, teplota chladiča je však príliš veľká a pre maximálnu teplotu chladiča 60°C vyjde odpor chladiča:
Rϑsa = (ϑs - ϑa) / Pz = (60 -35) / 14,6 =1,712 K/W ≈ 1,7 K/W
V katalógu zistíme, že tejto hodnote vyhovuje chladič s profilom SK58 (150 x 27 mm), dĺžky 50 mm. Celkový tepelný odpor je 4,2 k/W. Kontrola teplôt prechodu a chladiča:
ϑj = ϑa + Rϑja . Pz max = 35 + 4,2 . 14,6 = 96,3°C
ϑs = ϑa + Rϑsa . P z max = 35 + 1,7 . 14,6 = 59,8°C

Otázka 1 : Kontrola maximálneho výstupného výkonu pri sinusovom signále (z typ. hodnot). Pre skreslenie 10% a napájacie napätie ±14 V je udávaný výkon 18 W na záťaži 4 Ω.
Pri tomto výkone je špičková hodnota výstupného napätia :

Zvyškové napätie na výstupných tranzistoroch je rozdiel napájacieho špičkové hodnoty výstupného napätia. Predpokladáme, že pri napájacom napätí 12 V bude zvyškové napätie rovnaké. Potom dostaneme špičkové napätie 10 V a teda výstupný výkon 12,5 W pri skreslenia 10%. Rovnakým postupom vypočítame pre skreslenie 0,5% výkon 7,6 W.

Odpoveď 1 : Špičková hodnota výstupného prúdu je 2,5 A, tomu zodpovedá stredná hodnota prúdu, odoberaného z každého zdroja 0,8 A. Príkon zo zdrojov je teda 16 W, stratový výkon teda pri plnom vybudení poklesol na 3,5 W.

Otázka 2 : Skrat na výstupe pri teplote okolia 25°C:
Integrovaný obvod obmedzí špičkovú hodnotu výstupného prúdu na 3,5 A, pri teplote prechodu 150°C prúd znižuje, aby se obvod nezničil. Predpokladejme skrat na výstupe jedného zosilňovača.
Tepelný odpor musíme teraz vypočítat pre jedno púzdro:
Rϑ = Rϑsa + Rϑjc + Rϑcs = 1,7 + 3 + 2 = 6,7 K/W
Strátový výkon potom bude:
Pz = (ϑj - ϑa) / Rϑ = (150 - 25) / 6,7 = 18,7 W

Odpoveď 2 : Protože je výstupné napätie nulové, je celý tento výkon dodávaný zo zdrojov. Každý zdroj bude protozaťažený prúdom 0,78A.

Upozornenie: Tepelné zaťaženie pri hudobnom signálu je nižšia (asi 75% sínusového), ale možno ich ťažko definovať. Preto bol tento výpočet vykonaný pre sínusový signál.


Záver pre príklad 3:

V tomto návrhu bol uvedený postup výpočtu stratového výkonu integrovaného koncového nízkofrekvenčného zosilňovača. Tento výpočet platí aj pre zosilňovače z diskrétnych súčiastok. Návrh chladiča s dvoma oddelenými puzdrami (zdrojmi výkonu) je zjednodušený tým, že integrovaný obvod má vstavanú ochranu pred výkonovým preťažením, ktorá chráni priamo systém zosilňovača. Pri zlom chladení potom nie je dosahovaný plný výkon. U výkonových zosilňovačov z diskrétnych súčiastok je nutné tepelné podmienky pri skrate riešiť podrobnejšie.

Príklad 4: Dosiahnuteľný výkon nízkofrekvenčného zosilňovača pri danej veľkosti chladiča

Na zadnej stene skrine výkonového nf. zosilňovače možno umiestniť chladič so šírkou do 300 mm a výškou 100 mm. Aký trvalý sínusový výkon môžeme získať pri prirodzenom chladení a najvyššej teplote okolia 35 °C?
Rebrá chladiča majú byť pre dobrú účinnosť chladiča zvislá. V katalógu nájdeme pre túto šírku dva typy: s výškou rebier 40 mm s tepelným odporom 0,4 K / W a s výškou rebier 83 mm s tepelným odporom 0,33 K / W. Podľa predpokladanej ceny zvolíme prvý typ.

Otázka 1 : Aký stratový výkon môže tento chladič rozptýliť pri prirodzenom chladení?

Pokiaľ chceme dodržať maximálnu teplotu chladiča 60°C. Preto môže byť stratový výkon:
Pz = (ϑj - ϑa) / Rϑsa = (60 - 35) / 0,4 = 62,5 W

Odpoveď 1 : Teplota chladiča nepresiahne 60°C pri teplote okolia 35°C a stratovom výkone 62,5 W.

Otázka 2 : Aký má byť vnútrní tepelný odpor a tepelný odpor prechodu, ak je dovolená teplota prechodu 150°C a stratový výkon vzniká v dvoch koncových tranzistoroch?
Stratový výkon je na oboch tranzistoroch rovnaký, tj. 31,25 W. Maximálny prípustný rozdiel medzi chladičom a prechodom je teda 90°C. Tepelný odpor môže byť najviac:
Rϑjs = (ϑj - ϑs) / Pz = (150 -60) / 31,25 = 2,88 K/W ≈ 2,9 K/W
Podľa katalógových údajov má sľudová izolačná podložka o hrúbke 0,05 mm pre púzdro T03 tepelný odpor 0,4 K/W (až 0,6 K/W). Na vnútorný odpor tranzistora zostane 2,3 - 2,5 K/W. Celkový katalógový stratový výkon pri teplote púzdra 25°C musí byť potom väčší než:
Ptot = (ϑj - ϑa) / Rϑsa = (150 - 25) / (2,5...2,3) = 50...55 W

Odpoveď 2 : Pre daný účel vyhovujú dva tranzistory v kovovom púzdre TO-3 s povoleným katalógovým výkonom nad 55 W. Vyhovie napr. BD141 (Ptot = 117 W při 25°C, Rϑjc = 1,5 K/W). Je ale nutná dokonalá montáž
izolačnej podložky s tepelne vodivou pastou.

Upozornenie: Niektoré tranzistory, napr. KD605 (Ptot = 70 W), boli vyrábané v oceľovom púzdre s medenou vložkou ∅ 10 mm. V tom prípade prechádza teplo do chladiča cez menšiu plochu a podložka sa uplatní s patrične vyšším tepelným odporom.

Otázka 3 : Je možné nájsť riešenie s dostupnejšími tranzistormi? V kovových púzdrach TO3 sa väčšinou vyrábajú tranzistory pre Ptot = 100 .. 200, ktoré sú obvykle drahé.

Odpoveď 1 : Obvyklé prevedenie výkonových tranzistorov má púzdro TO-220. Plocha styku tohoto púzdra je približne 1,5 cm2, u púzdra TO-3 je väčšia než 5 cm2. Mali by sme teda počítať aj s odporom sľudovej podložky asi štvornásobným, tj. 1,6...2 K/W. Potrebovali by sme teda tranzistor s vnútorným tepelným odporom 1,3...0,9 K/W (Ptot = 100...150 W). Je tak isto vhodné zvážiť použitie kvalitnejšej podložky zp silikonovej gumy alebo z keramiky.

Odpoveď 2 : Výkon tak isto môžeme rozdeliť na paralelne spojené tranzistory. Výsledný tepelný odpor dosiahneme spojením dvoch tranzistorov s dvojnásobným tepelným odporom, tj 5,8 K/W. Ak od tejto hodnoty odpočítame tepelný odpor podložky, vychádza vnútorný tepelný odpor tranzistora 3,8 K/W. Tomu zodpovedá max. stratový výkon Ptot > 33 W.

Dôležité upozornenie: Bipolárne tranzistory sa nemôžu priamo paralelne spájať. Parametre tranzistorov nie su dokonale rovnaké. Potom sa prechod jednoho tranzistore zahreje viac, jeho napätie medzi bázov a emitorom poklesne, bude ním pretekať väčší bázový prúd a teda i väčší kolektorový prúd. Tranzistor sa stále viac zahrieva, až dôjde k jeho zničeniu.  Rozdelenie proúdov sa zaišťuje zapojením odporu do každého emitora, na ktorém je pri maximálnom pracovnom prúde úbytok 0,1 až 0,15 V. Pri unipolárnych tranzistoroch , vybraných zo zhodným prahovým napätím, sa kolektorový prúd s teplotou zmenšuje a prúdy sa tak vyrovnajú.

Otázka 3 : Aký je možné dosiahnuť maximálny sinusový výkon na výstupe pre záťaž 4Ω?

V predchádzajúcom príklade bola odvodená podmienka, že maximálny stratový výkon je:

Z toho je daná hodnota napájacieho napätia pre symetrické napájenie:

Pokiaľ budeme uvažovať, že zbytkové napätie na tranzistoroch 3,1 V, potom dostaneme špičkové výstupné napätie 32 V a z toho výstupný výkon 128 W.

Odpoveď 3 : Teoreticky môžeme dosiahnúť výstupný výkon 128 W na záťaži 4Ω pri symetrickom napájaní ±35 V. Pritom stratový výkon neprekročí predpokladanú hodnotu 62,5 W. V tejto úvahe nie je zahrnutý poruchový stav, napr. skrat na výstupe.

Otázka 4 : Ako lze zaistťt odolnosť zosilňovača pred skratom na výstupe?

Odpoveď 4 : Obmedzenie výstupného prúdu:
Pri špičkovom výstupnom napätí 32 V tečie záťažou špičkový prúd 8 A. Výstupný prúd obmedzíme na 10 A pri skrate. Pri skratovanom výstupe potečie tento prúd v každej polperióde striedavo z každého zdroja. Stratový výkon teda bude 2 . 35 . 10 / 2 = 350 W. Tento výkon nie je možné uchladiť. Pri opačnom postupe by bylo nutné radikálne znížiť výstupný výkon a použitie tak velkoryso navrhnutého chladiča iba pro odolnosť pri prípadnom skrate by byl rozmar.

Odpoveď 5 : Obmedzenie výstupného prúdu zo spätne zahnutou charakteristikou (foldback):
Pri zmenšení odporu záťaže a prekročení hodnoty obmezenia prúdu klesá napätie na záťaži. Ochranný obvod znižuje medzný prúd podľa napätia na záťaži a tým sa obmedzuje stratový výkon. Výstupná charakteristika má charakter zdroja napätia v normálnej pracovnej oblasti, v kterej pri zvyšovaní prúdu zostáva napätie konštantné. Po prekročení medzného prúdu sa charakteristika ohýba smerom k počiatku (fold-back). Pre daný stratový výkon by pri skrate mal celkový výstupný prúd klesnúť na hodnotu 62,5 / 35 = 1,78 A. Toto obmedzenie je značné, praktická strmosť charakteristiky spätnej vetvy býva menšia. Obvykle sa volí kompromis, kde sa zmenší požadovaný výkon, tým sa tak isto zníži maximálny výstupny prúd, skratový prúd zostáva rovnaký a výsledná strmosť spätnej vetvy je priaznivejšia. Vo výpočte je možné tak isto pripustiť vyššiu teplotu chladiča v poruchovom stave, nesmie se ale prekročiť maximálna teplota tranzistora. Postup je možné použiť aj pre lineárne stabilizátory. Základné vzťahy sú v následujícej časti, presnejšie výpočet je možné nájsť v príslušnej literatúre.

Odpoveď 6 : Odpojenie výstupu:
Na výstupu zosilňovača je zapojené relé, ktoré pri prekročení medzného prúdu záťaž odpojí.
 

POZOR: Podľa náhradnej schémy s tepelnými kapacitami je zrejmé, že pri náhlom zvýšení stratového výkonu, napr. pri skrate, stúpa najprv teplota prechodu, až neskôr teplota chladiča. Obvod musí byť navrhnutý so značnou bezpečnosťou a tento postup má u obvodov z diskrétnych súčasťou len obmedzenú účinnosť. Iná situácia je u integrovaných obvodov, kde ochranný obvod meria priamo teplotu na čipe, na ktorom sú aj zdroje výkonu.

Záver pre príklad 4:

S prirodzeným chladením možno počítať u stratových výkonov poriadku desiatok Wattov. Je potrebné zabezpečiť dobrý tepelný styk a zamedziť zvýšenie výkonu pri poruchovom stave, pokiaľ nejde o integrovaný obvod s vstavanou tepelnou ochranou. Pre stratové výkony nad 100 W je potrebné uvažovať o nútenom chladení.

 

Ďalší diel : Obmedzenia stratového výkonu pri skrate



     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.
Webwiki Button Seo servis Diallix.net VN-Experimenty