Λόγος ισχύς προς θερμοκρασία ημιαγωγών.

[spiroscfu]

Μπορεί να μου εξηγήσει κάποιος των λόγο ισχύς προς την θερμοκρασία ενός ημιαγωγού.
π.χ. τη σημαίνουν τα μεγέθη και πως τα υπολογίζουμε.
RθJA (Junction to free air thermal resistance)
RθJC (Junction to case thermal resistance)
Ptot (Continuous device dissipation at 25°C case temperature)
Ptot (Continuous device dissipation at 25°C free air temperature)

[GeorgeVita]

Οταν χρησιμοποιείς το εξάρτημα χωρίς ψήκτρα λαμβάνεις υπόψη τις παραμέτρους "at 25°C free air temperature" ενώ αν βάλεις ψήκτρα υπολογίζεις τις παραμέτρους "at 25°C case temperature" συν τις παραμέτρους της ψήκτρας.

Από το datasheet βρίσκεις την μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία στο chip (όχι το κέλυφος).
Μετά υπολογίζεις πόση θερμοκρασία "θα ανεβάσει" η ισχύς που καταναλώνεις στον ημιαγωγό λ.χ. για θJA=50°C/W και ισχύ 2W θα έχεις +100°C περισσότερο από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (σίγουρα όχι 25°C) και συμβουλεύεσαι πάλι τις καμπύλες.

Από το σχόλιο #18 του "καίνε τα LM317 ...?" (http://www.hlektronika.gr/forum/showthread.php?t=57707&p=447817&viewfull=1#post447817)


Στο datasheet τα αναφέρει όλα!
Οι βασικές παράμετροι που δείχνουν την μέγιστη επιτρεπόμενη κατανάλωση ισχύος επάνω στο LM317T είναι:

1. θJA=50°C/W (θερμοκρασιακή αντίσταση από το chip στο περιβάλλον χωρίς ψήκτρα)
δείχνει κατά πόσους °C θα αυξηθεί η θερμοκρασία του chip πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος για κάθε W που καταναλώνεται επάνω στο LM317T.

2. TJ(max)=125°C (μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία στο chip για το LM317)

3. PD=(Vin-Vout)xIL+6...10mW για την ισχύ στις αντιστάσεις ρύθμισης της τάσης εξόδου
δηλαδή η διαφορά τάσης επάνω στο regulator επί το ρεύμα στο φορτίο συν την κατανάλωση για τη ρύθμιση της τάσης.

Πρακτικός υπολογισμός: Αν το κύκλωμα λειτουργήσει χωρίς ψήκτρα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος έως 50°C, θα φτάσουμε τη μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία στο chip με επιπλέον 125°C-50°C=75°C που θα έρθουν από ισχύ επάνω στο LM317T: PD=75°C/50°C/W=1.5W
Αυτό το 1.5W σημαίνει περίπου Vin-Vout=5V και Iout=300mA ...

Οι ψήκτρες χαρακτηρίζονται και αυτές από την θερμοκρασιακή τους αντίσταση δηλαδή κατά πόσους °C θα αυξηθεί η θερμοκρασία της ψήκτρας σε σχέση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος για κάθε W θέρμανσης (η θέρμανση έρχεται από την ισχύ που καταναλώνεται στο εξάρτημα που "δροσίζουμε"). Μια ψήκτρα με "Thermal Resistance" 5°C/W είναι χειρότερη από μια άλλη που έχει 3°C/W. Προσαρμόζοντας τον ημιαγωγό επάνω στην ψήκτρα έχουμε επιπλέον "θερμοκρασιακές αντιστάσεις". Πρακτικά χρησιμοποιώντας καλά θερμοαγώγιμα υλικά (mica, kapton, πάστα) μπορούμε να υπολογίσουμε άλλο 1-2°C/W για τα υλικά αυτά.

Για να κάνουμε τελικό υπολογισμό "πόσα W είναι το LM317T με την ψήκτρα μου;" ακολουθούμε περίπου το παρακάτω σκεπτικό:
(πλήρης ανάλυση υπάρχει στο datasheet του LM317 στην παράγραφο "HEATSINK REQUIREMENTS")

Η ψήκτρα που χρησιμοποιεί o kobi πρέπει να έχει θερμοκρασιακή αντίσταση 12-15°C/W
Υποθέτουμε ότι χρησιμοποίησες μίκα και θερμοαγώγιμη πάστα: +2°C/W
Θερμοκρασιακή αντίσταση του LM317T από το chip στο περίβλημά του (όχι στο περιβάλλον): 4°C/W
Μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος: 50°C (εγώ συνήθως υπολογίζω 70°C)
Μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία στο chip του LM317: 125°C

Αρα την άνοδο θερμοκρασίας στο chip των 125°C-50°C=75°C
με θερμοκρασιακή αντίσταση (15+2+4)°C/W=21°C/W
την πετυχαίνεις με 75°C/21°C/W=3.57W

Με τάση εισόδου 19V (έχεις αναφέρει και 22V) και τάση εξόδου 6V μπορείς να δώσεις χονδρικά έως:
Ιmax=Pmax/(Vin-Vout)=3.57W/13V=274mA

Σημείωσε ότι το LM317 έχει θερμική προστασία άρα ΔΕΝ θα καεί. Απλά θα "κόβει" την έξοδο.
Παρόμοιος υπολογισμός γίνεται σε κάθε ημιαγωγό όπως τρανζίστορ ή mosfet ισχύος. Το μόνο που πρέπει να προσέξουμε είναι τα ακριβή τεχνικά χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων. Ενα 2N3055 δεν είναι "το ίδιο" σε όλους τους κατασκευαστές.

Βρήκα μια καμπύλη μέγιστης απαγωγής ισχύος σε σχέση με την θερμοκρασία για παρόμοιο σταθεροποιητή (LM140T):

http://acomelectronics.com/GeorgeVita/various2/LM140_PD.jpg

Το LM140T έχει και αυτό θJC=4°C/W (θJC για C=case δηλ. κέλυφος ολοκληρωμένου) αλλά η θερμική ασφάλεια λειτουργεί στους 150°C. Στο γράφημα φαίνεται ότι στους 50°C με ψήκτρα θερμοκρασιακής αντίστασης 10°C/W συν 4°C/W ο σταθεροποιητής συν 1°C/W η πάστα έχουμε:
PDmax=(150°C-50°C)/(10+4+1)°C/W=100°C/15°C/W=6.67W

Το LM140T χωρίς ψήκτρα έχει θJA=50°C/W (θJA για Α=ambient δηλ. περιβάλλον) άρα:
PDmax=(150°C-50°C)/50°C/W=100°C/50°C/W=2W



G

[spiroscfu]

Δηλ. αν πάρουμε για παράδειγμα το BD245 (datasheet (http://www.micropik.com/PDF/BD245.pdf)) που γράφει

P(tot) Continuous device dissipation at (or below) 25°C case temperature=80W εννοεί πως μπορεί να αντέξει μέχρι 80W με θερμοκρασία περιβλήματος μέχρι και 25°C

P(tot) Continuous device dissipation at (or below) 25°C free air temperature=3W εννοεί πως το τρανζίστορ μπορεί να διαχειριστή έως και 3W συνεχόμενης ισχύς χωρίς ψύκτρα και θερμοκρασία περιβάλλοντος όχι πάνω από 25°C.

RqJA Junction to free air thermal resistance =42°C/W εννοεί πως το τρανζίστορ θα ανεβάζει 42°C πάνω από την θερμοκρασία περιβάλλοντος για κάθε W που θα καταναλώνεται πάνω του

RqJC Junction to case thermal resistance=1,56°C/W εννοεί πως οι απώλειες μεταξύ ημιαγωγικού στοιχείου και κέλυφους θα είναι επιπλέον 1,56°C ανά W κατανάλωσης

Και τέλος είναι σωστός ο παρακάτω υπολογισμός,
ας πούμε πως έχουμε μια συνεχής κατανάλωση (στο τρανζίστορ) 20W, τότε με θερμοκρασία περιβάλλοντος 40°C θα αποκτήσει 40+(42*20)=880°C και επειδή θα χρειαστεί να το χαμηλώσουμε κάτω από τους 150°C που είναι το max operating junction temperature range (Tj) θα πρέπει να του βάλουμε μια ψύκτρα
και πάλι ας υποθέσουμε πως αυτή θα έχει θερμοκρασιακή αντίσταση 1,5°C/W τότε προσθέτουμε σε αυτήν και της απώλειες επαφής juction to case RqJC=1,56°C/W + της απώλειες από την επαφή κέλυφους-ψύκτρας ~2°C/W,
τότε έχουμε 1,5+1,56+2=5,06°C/W και έτσι θα πάρουμε θερμοκρασία λειτουργίας 40+(5,06*20)= 141°C αφού όμως η αντοχή του στην θερμοκρασία είναι Tj=150°C είμαστε ok.

Υ.γ.
Είναι σωστά τα παραπάνω, ευχαριστώ.

[GeorgeVita]

... θα πάρουμε θερμοκρασία λειτουργίας 40+(5,06*20)= 141°C ...
Σωστά και χρήσιμα! (με μιά μικρή διόρθωση στον υπολογισμό θερμοκρασίας)
G

[spiroscfu]

Πολύ σωστά Γιώργο μου ξέφυγε (το διόρθωσα μετά την υπόδειξη σου).

Μια άλλη απορία μου είναι αν υπάρχει κάποιος εμπειρικός ή μη τρόπος να υπολογίσουμε την τιμή της θερμοκρασιακής αντίστασης της ψύκτρας.

[Αποστόλης1]

Oι καλές ψύκτρες το αναφέρουν, αλλά επειδή υπεισέρχονται πολλοί παράγοντες (υλικό, πάχος, σχεδίαση, επιφάνεια, ακόμα και ο τρόπος τοποθέτησης, είναι δύσκολο.
Μπορείς όμως χρησιμοποιώντας το LM140T πχ που ξέρεις ότι κόβει στους 150°C και ανεβάζοντας ισχύ να δεις που κόβει. Μετά λύνεις την εξίσωση ως προς θερμ/κή αντ/ση ψύκτρας.

[spiroscfu]

Αποστόλη εγώ σκεφτόμουν έναν μάλλον λίγο περισσότερο ακριβή δηλ. το δουλεύουμε με κάποια watt για κάποια λεπτά μετράμε την θερμοκρασία μετά ανεβάζουμε τα watt το αφήνουμε πάλι κάποια λεπτά να λειτουργήσει και ξαναμετράμε την θερμοκρασία της ψύκτρας και μετά αφού έχουμε γνωστές της θερμοκρασίες και της ισχύς στης δυο καταστάσεις υπολογίζουμε την θερμοκρασιακή αντίσταση της.

Αλλά έλεγα μήπως υπήρχε και κάποιος εμπειρικός τρόπος στο περόπου σύμφωνα μόνο με το μέγεθος της.

[spiroscfu]

Βρήκα κάποια πράγματα και τα γράφω να υπάρχουν.

Καταρχάς μπορούμε "να δούμε με το μάτι" στο περίπου.
24654


Και κάποιοι υπολογισμοί.
24655

Και ένας online calculator
http://www.novelconceptsinc.com/calculators-forced-convection-heat-sink-thermal-resistance.cgi
http://www.novelconceptsinc.com/calculators-slab-thermal-resistance-constriction.cgi

[Αποστόλης1]

Καλαά!!
Όποιος ψάχνει Σπύρο βρίσκει.
Όσον αφορά τον προηγούμενο συλλογισμό σου, δεν μπορώ να καταλάβω το πως το σκέπτεσαι, μπορεί να βγει και με μια μέτρηση αλλά αφου έχει σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία.

[spiroscfu]

Αποστόλη εννοούσα που από την στιγμή που γνωρίζουμε το ΘJA του ημιαγωγού τότε παίρνοντας μετρήσεις θερμοκρασίας σε δυο διαφορετικές ισχύς θα μπορέσουμε στο περίπου να υπολογίσουμε την θερμοκρασιακή αντίστασή της.

Υ.γ.
Αφού φυσικά έχει σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία.

[Αποστόλης1]

Οκ Σπύρο με μπέρδεψε το "κάποια λεπτά".

[Γιώργος Φυσικός]

Αποστόλη εννοούσα που από την στιγμή που γνωρίζουμε το ΘJA του ημιαγωγού τότε παίρνοντας μετρήσεις θερμοκρασίας σε δυο διαφορετικές ισχύς θα μπορέσουμε στο περίπου να υπολογίσουμε την θερμοκρασιακή αντίστασή της.

Υ.γ.
Αφού φυσικά έχει σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία.

μετράς την πορεία της θερμοκρασίας της βάζοντάς της γνωστή ισχύ, σταματάς να τη ζεσταίνεις, και μετράς πάλι την πορεία της θερμοκρασίας της, από τη διαφορά τους μπορείς να εξάγεις το ρυθμό με τον οποίο απάγει θερμότητα στο περιβάλλον... άμα θέτε λεπτομέρειες μπορώ να βάλω κάτω μερικούς τύπους και να βγάλω κανα συμπέρασμα...

[spiroscfu]

Σε ευχαριστώ αλλά έχω πιάσει τη γενική ιδέα (αυτό χρειαζόμουν), τα άλλα με λίγο ψάξιμο τα βρίσκεις.