Универсальный эквивалент нагрузки (часть 2)

Вид на монтаж устройства в разобранном состоянии приведён на рис. 6, внешний вид без кожуха - на рис. 7.

Рис. 6.

Рис. 7.

При выборе силового транзистора для этого устройства следует иметь в виду следующее. Максимальный ток и максимальная рассеиваемая мощность для транзистора зависят от температуры.

Для определения допустимой мощности РТ, рассеиваемой эквивалентом нагрузки при конкретном транзисторе и имеющемся теплоотводе, зададимся исходными параметрами (первые два параметра из Datasheet):

-допустимая при температуре корпуса 25 ^оС рассеиваемая мощность транзистора - Р25;

-коэффициент уменьшения рассеиваемой мощности транзистора при увеличении температуры корпуса - W/^оC;

-тепловое сопротивление теплоотвода (контакта транзистор-теплоотвод + теплоотвод) - R_TC.

Под температурой корпуса обычно подразумевают температуру его металлического основания, у транзисторов в корпусе TO-220 - это температура выступающего фланца. Температура пластмассовой части корпуса обычно заметно выше, поскольку отвод тепла от неё гораздо хуже.

Рис. 8.

Построим два графика (рис. 8) - зависимости допустимой мощности РТ, подводимой к транзистору, оттемпера-туры корпуса (красная прямая), определяемой по формуле

Р_т = Р₂₅ - (Т - 25) · W/^оC,

и мощности Р_РАСС, рассеиваемой теплоотводом при температуре основания транзистора (синяя прямая) и определяемой по формуле

Р_РАСС = (Т - 25)/ R_TC.

Точка пересечения этих графиков будет соответствовать максимальной допустимой мощности, подводимой к транзистору и рассеиваемой теплоотводом, и температуре основания транзистора. На рис. 8 численные значения условны и равны Р₂₅ = 110 Вт, W/^оC = 0,83 Вт/^оС, R_TC = 1 ^оС/Вт. Точка пересечения соответствует Р_Т = 60 Вт и Т= 85 ^оС.

Для аналитического определения допустимой мощности приравняем правые части двух предыдущих формул (Р_Т = Р_РАСС), описывающих графики

Р₂₅ - (Т - 25) · W/^оC = (Т - 25)/R_TC.

Проведя простейшие преобразования, получим

Р_т=Р₂₅/(1 + R_TC · W/^оC),

Т = 25 + R_TC · Р_т.

В своё устройство автор сначала установил транзистор IRFZ24N, у которого при температуре корпуса 25 ^оС максимальный ток равен 17 А, мощность - Р₂₅ = 45 Вт, коэффициент уменьшения рассеиваемой мощности транзистора при увеличении температуры корпуса W/^оC = 0,3 Вт/^оС.

Автором была определена эффективность отвода тепла используемым теплоотводом при работающем вентиляторе. Для измерения температуры корпуса транзистора отрезок медной трубки с внутренним диаметром 4 мм был уплощён на одном конце, в плоской части просверлено отверстие диаметром 3,5 мм, и трубка привинчена вместе с транзистором через его фланец к теплоотводу, в трубку заложены теплопроводящая паста и термопара.

При рассеивании транзистором мощности 30 Вт при температуре воздуха в помещении 24 ^оС температура фланца транзистора оказалась равной 51 ^оС. Таким образом, тепловое сопротивление теплоотвода равно

R_TC = (51 - 24)/30 = 0,9 ^оС/Вт.

Подставим в выведенные выше формулы численные значения тепловых параметров транзистора IRFZ24N и измеренное тепловое сопротивление теплоотвода

Р_т = Р₂₅/( 1 + R_TC · W/^оC) = 45/( 1+0,9 · 0,3) = 35 Вт.

Этой мощности соответствует температура корпуса

Т_макс = 25 + R_TC · Р_т = 25 + 0,9 · 35 = 25 + 32 = 57 ^оС.

Такая мощность недостаточна для проверки предполагавшихся источников питания, поэтому было решено установить более мощный транзистор IRFP3710 с параметрами U_C = 100 B, I_{МАКС(100)} = 40 А, Р₂₅ = 200 Вт и W/^оC = 1,3 Вт/^оС. Для него рассчитанные по двум предыдущим формулам значения (для R_TC = 0,9 ^оС/Вт) равны Р_Т = 92 Вт и Т_макс= 108 ^оС.

Однако площадь контакта транзистора IRFP3710 (корпус TO-247) с теплоотводом существенно больше, чем у транзистора IRFZ24N (TO-220), поэтому тепловое сопротивление теплоотвода должно быть меньше. Для измерения температуры основания у транзисторов в корпусе ТО-247, у которого нет фланца, рядом с крепёжным отверстием сделаны два выреза, в которых основание доступно. Один из вырезов был частично заполнен теплопроводящей пастой, в него заложена термопара.

В случае рассеивания транзистором мощности 50 Вт при температуре воздуха в помещении 24 ^оС температура корпуса равна 66 ^оС. Таким образом, тепловое сопротивление теплоотвода

R_TC = (66 - 24)/50 = 0,84 ^оС/Вт.

Подставим в выведенные выше формулы численные значения тепловых параметров транзистора IRFP3710 и измеренное тепловое сопротивление теплоотвода

Р_т = Р₂₅/(1 + R_TC · W/^оC) = 200/(1 + 0,84 х 1,3) = 95 Вт.

Этой мощности соответствует температура корпуса

Т_макс = 25 + R_TC· Р_т = 25 + 0,84 · 95 = 25 + 80= 105 ^оС, это уже приемлемые для предполагаемого применения параметры.

При проверке работы устройства температура основания транзистора при рассеиваемой мощности 90 Вт равна 103 ^оС, что близко к расчётной, теплоотвод нагрелся также довольно сильно. Поэтому, если потребуется эквивалент нагрузки с большей рассеиваемой мощностью, необходимо использовать теплоотвод больших размеров, целесообразно также применение транзисторов в корпусе Super-247, например IRFPS3810. Буква S в названии означает оформление транзистора в этом корпусе. Такие транзисторы имеют те же размеры, что и в корпусе ТО-247, но у них нет отверстия, поэтому площадь контакта с теплоотводом больше, а также прижим с помощью хомутика обеспечит более равномерное прилегание и, соответственно, меньшее тепловое сопротивление. Транзисторы в корпусе Super-247 также позволяют измерять температуру основания, поскольку в двух углах корпуса у них выполнены вырезы.

Однако транзисторы в таких корпусах весьма дороги. Есть более дешёвый вариант, можно вместо одного мощного транзистора установить параллельно несколько менее мощных, но более дешёвых.

Очень важный и критичный фактор, влияющий на тепловое сопротивление, - качество теплового контакта между транзистором и теплоотводом. Установка нескольких транзисторов уменьшит эту составляющую пропорционально числу транзисторов.

При использовании эквивалента нагрузки следует помнить, что, пока на эквивалент не подано напряжение питания 12 В, его нельзя подключать к проверяемому источнику (возможен выход из строя резисторов R5 и R6 при подключении эквивалента к источнику с высоким напряжением и сопротивлении резистора R5, близком к минимальному). Конечно, не следует превышать допустимые для используемого транзистора параметры, в том числе и рассчитанную выше мощность.

Рис. 9.

Автор: С. Бирюков, г. Москва