ch-ki tr bip - Scalak

ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Rezystancja termiczna tranzystorów mocy
Ćwiczenie 8
REZYSTANCJA TERMICZNA
TRANZYSTORÓW MOCY
Wstęp
Odkryta przez Wiedemanna-Franza1 relacja pomiędzy przewodnictwem cieplnym i
przewodnictwem elektrycznym metali stanowi dowód, że to samo zjawisko fizyczne związane jest
z przewodnictwem elektrycznym i przewodnictwem cieplnym. W temperaturze pokojowej
przewodność cieplna metali jest o dwa rzędy wielkości większe niż przewodność stałych
dielektryków Zatem, za przewodnictwo ciepła w metalach odpowiedzialne są głównie elektrony.
Fononowe przewodnictwo ciepła dominuje w dielektrykach, gdzie przewodnictwo elektronowe nie
występuje. Szczególnie doskonałe przewodnictwo ciepła wykazują dielektryki krystaliczne np.
diament, którego przewodność cieplna jest kilkakrotnie większa od miedzi i srebra.
W środowisku elektroników, częściej zamiast przewodności cieplnej, używa się pojęcia rezystancja
termiczna, która stanowi odwrotność przewodności. W literaturze, dla elektroników, dotyczącej
zagadnień cieplnych w urządzeniach elektronicznych często wskazuje się na analogie pomiędzy
rezystancją, natężeniem prądu i napięciem z jednej strony a rezystancja termiczną, strumieniem
mocy i różnicą temperatur (napięciem termicznym) z drugiej strony. Ta perspektywa jest łatwo
przyswajana przez elektroników, ponieważ strukturę w której istnieją źródła ciepła, przewodniki
ciepła i elementy magazynujące ciepło można przedstawić w postaci równoważnego obwodu
elektrycznego i stosunkowo łatwo przeprowadzić obliczenia. Tak więc, znajomość rezystancji
termicznej pomiędzy źródłem ciepła, a odbiornikiem ciepła (radiatorem) umożliwia łatwe
oszacowanie różnicy temperatur pomiędzy wymienionymi elementami, jeżeli tylko jest znana
wartość generowanej mocy cieplnej.
Ćwiczenie obejmuje pomiar rezystancji cieplnej pomiędzy strukturą tranzystora w obudowie
TO220 i TO270 i radiatorem, a także z zastosowaniem podkładek: mikowej i teflonowej.
Konspekt – przygotowanie przed zajęciami
Konspekt, który należy przygotować na zajęcia składa się z części teoretycznej związanej
z tematem ćwiczenia.
Przebieg ćwiczenia
1 . S T A N O W IS K O P O M IA R O W E
Metodę pomiaru wyjaśnia rysunek 1. Pomiary przeprowadza się za pośrednictwem aplikacji
komputerowej napisanej w środowisku LabView pn. P-term.
1
Prawo Wiedemanna Franza stanowi, że stosunek przewodnictwa cieplnego metalu do jego przewodnictwa
elektrycznego jest proporcjonalny do temperatury bezwzględnej i jest niezależny od rodzaju metalu. Jest to jedno
z ważniejszych odkryć w dziedzinie fizyki ciała stałego. Dowodzi ono obecności tzw. gazu elektronowego, czyli
elektronów znajdujących się w paśmie przewodnictwa, które swobodnie przemieszczają się w paśmie
przewodnictwa pokonując wiele odległości między atomowych zanim nastąpi kolizja.
Katedra Elektroniki AGH
ver. 0.9
1
ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Rezystancja termiczna tranzystorów mocy
Rys. 1. Idea pomiaru rezystancji termicznej bipolarnego tranzystora mocy
Za pośrednictwem komputera ustala się następujące parametry pomiarowe:
1. temperatura radiatora,
2. prąd emitera,
3. napięcie kolektor baza.
Ponadto należy wprowadzić wartość temperaturowego współczynnika zmian napięcia baza-emiter,
oraz wartość korekcyjną pozwalającą na dokładny odczyt temperatury w oC
Na rysunku 2 przedstawiono schemat połączeń układu pomiarowego do wyznaczania rezystancji
termicznej bipolarnych tranzystorów mocy.
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania rezystancji termicznej tranzystora mocy
Baza badanego tranzystora dołączona jest do masy. Zasilacz 1 utrzymuje zadaną wartość napięcia
kolektor-baza, natomiast zasilacz 2 utrzymuje ustaloną wartość prądu emitera tranzystora. Wartość
prądu emitera wyrażoną w [A] należy wcześniej wpisać w okienku prąd emitera.
Katedra Elektroniki AGH
ver. 0.9
2
ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Rezystancja termiczna tranzystorów mocy
Napięcie na złączu baza-emiter badanego tranzystora mierzone jest za pomocą multimetru Agilent
34401 (adres 23). Przy stałej wartości prądu emitera wartość napięcia na złączu baza-emiter jest
liniowo zależna od temperatury. Wartość współczynnika termicznego wynosi około -2mV/K.
W oparciu o zmiany napięcia na złączu baza-emiter dokonuje się pomiaru temperatury struktury
krzemowej badanego tranzystora. W tym celu należy podzielić zmierzoną wartość napięcia
pomiędzy bazą i emiterem przez temp. wsp. nap.  0.002 i odjąć wartość kompensującą, której
wartość dobiera się w procesie kalibracji.
Kolektor badanego tranzystora dołączony jest do aluminiowego radiatora, którego temperatura jest
kontrolowana za pośrednictwem stosu termoelektrycznego Peltiera. Elementem pomiarowym
temperatury jest termopara żelazo-konstantan z której napięcie wyjściowe jest mierzone za
pośrednictwem multimetru Agilent 34401 (adres 22). Zmierzona wartość napięcia po
przekształceniu algebraicznym umożliwia określenie temperatury radiatora. Jej wartość przedstawia
okienko „temp. radiatora”.
Rezystancję termiczną obliczamy według wzoru:
RT 
gdzie:
RT
TCHIP
TRAD
P
TCHIP  TRAD
P
– rezystancja termiczna,
– temperatura struktury krzemowej,
– temperatura radiatora.
– wartość strumienia mocy cieplnej.
2 . P O M IA R Y R E Z Y S T A N C J I T E R M IC Z N E J T R A N Z Y S T O R Ó W
Uruchomienie termometru na bazie złącza emiter-baza badanego tranzystora:
 Ustawić wartość prądu emitera prąd emitera 0,5,
 Ustawić wartość napięcia baza kolektor VPOVER = 0,
 Ustawić przełącznik POWER OF (zielony)
 Uruchomić program.
Kalibracja termometru na bazie złącza emiter-baza badanego tranzystora:
 Ustawić temperaturę radiatora Temp Set = 20°C,
 Ustawić wsp. temp. złącza (-)0,002
 Dobrać wartość korekcja (-)383 tak aby odczyty obu termometrów się pokrywały,
 Ustawić temperaturę radiatora Temp Set = 50°C,
 Wprowadzić poprawki dla parametrów: korekcja i wsp. temp. złącza,
 Ustawić temperaturę radiatora Temp Set = 20°C,
 Sprawdzić, zgodność obu termometrów.
Pomiar rezystancji termicznej
 Ustawić temperaturę radiatora Temp Set = 20°C,
 Ustawić przełącznik POWER OFF (zielony)
 Ustawić wartość napięcia baza kolektor VPOVER = 10V lub 20V lub inne
 Sprawdzić, zgodność obu termometrów,
 Ustawić przełącznik POWER ON (czerwony)
 Odczytać temperatury: (a) struktury krzemowej, (b) radiatora,
 Obliczyć wartość dodatkowej mocy cieplnej w kolektorze wskutek przełączenia
przełącznika POWER
 Powtórzyć pomiary rezystancji dla innej (wyższej) temperatury radiatora, oraz dla
napięć polaryzujących złącze baza-kolektor zadanych przez prowadzącego.
UWAGA: Podczas pomiarów NIE PRZEKRACZAĆ temperatury złącza 115oC.
Katedra Elektroniki AGH
ver. 0.9
3
ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Rezystancja termiczna tranzystorów mocy
Opracowanie wyników
 Na podstawie otrzymanych wyników sporządzić wykres zależności różnicy temperatury
 pomiędzy złączem tranzystora (strukturą półprzewodnikową) a wydzielaną
w tranzystorze mocą. Należy uwzględnić dodatkowo moc wydzielająca się
w spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu baza-emiter (IE * 0.7) [A*V].
 Wyznaczyć wartość rezystancji termicznej złącze-radiator dla mierzonych tranzystorów.
 Otrzymane wyniki należy porównać z danymi literaturowymi.
 Skomentować otrzymane wyniki, w szczególności dla przypadków tranzystorów
z podkładkami.
3 . P O M IA R
Z A LE Ż N O Ś C I
W S P Ó Ł C Z Y N N IK A
PRĄDOWEGO TRANZYSTORA OD TEMPERATURY
W Z M O C N IE N IA
Pomiar zależności współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora od temperatury
 Ustawić przełącznik POWER OFF (zielony)
 Dla kilku wartości temperatury radiatora np. 15°C, 25°C, 45°C, 65°C odczytać wartości
współczynnika wzmocnienia prądowego .
Opracowanie wyników
 W sprawozdaniu na podstawie zebranych wyników obliczyć odpowiadające im wartości
współczynnika  i sporządzić wykres zależności wzmocnienia prądowego od
temperatury.
 Skomentować otrzymane wyniki.
Katedra Elektroniki AGH
ver. 0.9
4