Топлината тече като ток
Топлината излиза от кристала (junction, J) през корпуса (C) и радиатора (R) към въздуха (A). Всяка стъпка ѝ пречи с топлинно съпротивление R_th в K/W: колко градуса разлика трябват за 1 W. Пътят се смята точно като ток през резистори – електротоплинна аналогия:
- мощността P е ток;
- температурата е напрежение;
- R_th е резистор;
- топлинният капацитет (J/K) е кондензатор: колко енергия трябва, за да загрее масата с един градус.
Затова T_J = T_A + P·ΣR_th е просто законът на Ом.
| Стъпка | Какво е | Типично (TO-3) |
|---|---|---|
| R_th(J-C) | от кристала до корпуса – от каталога | 1,5 K/W за 2N3055 |
| R_th(C-R) | контактът корпус–радиатор | директно 0,05–0,2; с паста 0,005–0,1; с Al₂O₃ 0,2–0,6; със слюда 0,05–0,2 K/W |
| R_th(R-A) | радиаторът към въздуха | от каталога на радиатора |
| R_th(C-A) | без радиатор: 1/(h·S) | h = 14 W/(m²K), S = 3358 mm² → 21,3 K/W |
Тук мрежата е сглобена от източник на ток, резистори и кондензатори и е сметната в симулатора на схеми от АЦУ. Транзисторът разсейва 2 W. Кристалът е на 70,5 °C, а корпусът – на 67,5 °C. Най-много при T_J = 200 °C: 7,69 W.
Температурата на кристала срещу мощността
без радиатор радиатор 2 K/W, слюда радиатор 2 K/W, паста T_J макс = 200 °C сега
Без радиатор (червено) правата е стръмна и стига 200 °C още при 7,7 W, далеч от каталожните 115 W. Те важат само ако корпусът се държи на 25 °C, т.е. с безкраен радиатор. С радиатор 2 K/W и паста правата е много по-полегата: около 48 W. Смени пастата със слюда: изолира електрически, но контактът е по-лош и P_макс пада.
Загряването
Топлинните капацитети правят загряването бавно, като кондензатор през резистор (АЦУ, тема 20). Кристалът е малък и загрява за секунди. Корпусът – за минути. Радиаторът е голям и тежък и загрява за десетки минути.
Температурите след включване
кристал корпус
Кристалът (червено) скача бързо с няколко градуса над корпуса: колкото P·R_th(J-C). После всичко пълзи нагоре заедно с най-бавния елемент. Затова кратки импулси на мощност могат да са много по-големи от постоянната: топлинният капацитет ги поема (в каталога има графика за импулсен режим). При голяма мощност без радиатор кристалът минава 200 °C за минута-две.
В упражнението мощността се задава с P = U_CE·(U₀ − U_CE)/R₁ (R₁ = 5 Ω), а температурата на корпуса се мери с термистор в обратната връзка на ОУ (×10 = °C).
Самопроверка
1. 2N3055 без радиатор (R J-C = 1,5, R C-A = 21,3 K/W) разсейва 2 W при 25 °C. Колко е T_J?
T_J = 25 + 2·(1,5 + 21,3) = 70,6 °C.
2. Корпусът е 100 °C. Каква мощност отдава и колко е T_J?
P = (100 − 25)/21,3 ≈ 3,5 W; T_J = 100 + 3,5·1,5 ≈ 105 °C.
3. Защо каталожните 115 W не важат на масата?
Те са при корпус 25 °C (безкраен радиатор). Без радиатор ΣR_th = 22,8 K/W → P_макс = 175/22,8 ≈ 7,7 W.
4. Какво е аналогът на топлинния капацитет в електрическата схема?
Кондензатор – той забавя загряването (времеконстанта R_th·C_th).