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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wärmeprobleme / Kühlkörpermontage mit TIP142 Transistoren


Autor: Kersten Decker (unbenannt-editor)
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Hi!
Ich möchte 3 TIP142 Transistoren an ein großes Kühlblech schrauben. Es
darf keine elektrische Verbindung zum Blech geben. Im schlimmsten Fall
werden ca. 85W verheizt. Das Kühlblech wird bei Bedarf noch aktiv
gekühlt.

Nun habe ich ein paar Probleme bzw. Fragen:
1.) Die Transistoren erwärmen sich im Moment ungleich stark. Wie kann
man das in den Griff bekommen? Die Schaltung sieht so aus: Die drei
Transistoren arbeiten parallel, vor der Basis jedes Transistors
befindet sich ein 470 Ohm Widerstand, am Ausgang (Emitter) jedes
Transistors befinden sich jeweils drei paralelle 1 Ohm Widerstände.
Eventuell bilde ich mir auch nur ein, dass die Transistoren ungleich
warm werden, wegen (2).

2.) Wie bekomme ich einen guten Wärmeübergang und elektrische Isolation
hin? Ich habe vom Reichelt Glimmerscheiben verwendet und diese auf
beiden Seiten mit Wärmeleitpaste versehen, außerdem natürlich
Isolierhülsen. Gibt es da was besseres? Wenn man von oben auf die
Bauteile drückt, sieht man, dass sie nicht richtig aufliegen
(Wärmeleitpaste, die vorher in dem Spalt war, drückt sich raus. Das
kann es ja echt nicht sein.....). Die Bohrungen im Kühlblech sind aber
eben und das Blech ist es auch.
Ausprobiert habe ich auch so eine Art Silikon oder Gewebepad aus alten
PC-Netzteilen, aber damit ist die Wärmeübertragung noch schlechter.

3.) Mechanische Befestigung: Wie fest darf man die Kühlkörper
anschrauben bzw. wie fest sollten sie sein? Ich habe durch zu festes
Anziehen schon einige Isolierhülsen zerstört. Was macht man, wenn die
Kühlrippen des Kühlkörpers so eng liegen, dass zwar die Schrauben an
sich, aber weder der Schraubenkopf, noch Muttern durchpassen? Die
vorhandenen Bohrungen sind für M3, aber ohne Gewinde.

4.) Wie heiß dürfen denn die Dinger werden, und wie messe oder fühle
ich das am Besten? Laut Datenblatt: "Junction Temperature 120°C" oder
ähnlich. Was ist mit "junction" gemeint? Die Verbindung Bauteil -
Kühlkörper? Oder bezieht sich das auf irgendwelche Halbleiterschichten?
Wie merke ich, wann es zu heiß wird? Eventuell wenn die beschriftete
Seite heiß ist?

Eine "Heizleistung" von etwa 40W (also ca 14W pro Transistor) geht
problemlos, bei z.B. 80W werden die Transistoren recht schnell warm
bzw. heiß, aber wie gesagt unterschiedlich stark (beim einen verbrennt
man sich, auf den anderen kann man noch drauflangen).




Gruß

Kersten

Autor: Roland Praml (pram)
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Also so wie du das schreibst (rausquellende WLP beim Draufdrücken), hast
du die nicht richtig monitert.

isoliert wird i.d.R. mit Glimmerscheiben oder Silikonscheiben und
Hülsen so wie du das gemacht hast. Es gibt aber verschiedene Hülsen.
ich hatte bei Reichelt auch schon mal falsche bestellt, da war der
Plastiksteg einfach zu lang und selbst als die Schraube fest war,
flatterte das Bauteil noch rum. Evtl hast du auch die falschen Hülsen
(kann man evtl mit nem Messer kürzen). Und die schrauben darf man schon
relativ fest anziehen (natürlich nicht bombenfest)
Und wenig Wärmeleitpaste verwenden. Die WLP leitet nämlich die Wärme
nicht so gut wie oft vermutet. sie sorgt lediglich dafür, dass keine
Lufteinschlüsse zwischen KK und Bauteil sind.

120°C ist die Sperrschichttemperatur. Ab der geht der Transi dann
kaputt (hast du vielleicht schon geschafft)

Gehäusetemp sollte deshalb wesentlich darunter liegen (wenns "zischt"
wenn man mit einem feuchten Finger hin langt ist es eindeutig zu heiß)

Gruß
Roland

Autor: peter dannegger (Gast)
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"... vor der Basis jedes Transistors befindet sich ein 470 Ohm
Widerstand ..."

Das ist großer Bullshit, damit hebst Du die Ausgleichswirkung der
Emitterwiderstände komplett auf, die Basen müssen direkt verbunden
sein.


Den besten Wärmekontakt hat man mit ner Andruckfeder, die auf das
Gehäuse des Transistors drückt.
Mit ner Schraube hat nur die obere Kühlfahne Kontakt, nicht aber die
Fläche, auf der das Silizium sitzt.


Von Fisher gibts Kühlkörper mit ner Nut, in die man die Feder
einschnappen läßt.


Peter

Autor: EZ81__ (Gast)
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Autor: peter dannegger (Gast)
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Autor: Dietmar (Gast)
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Grundsätzlich ist aber die Parallelschaltung von bipolaren Transistoren
auch ein Problem der Breakdown Effekte (Durchbruch 1. und 2. Art), die
zu einer starken Unsymmetrie der Stromverteilung auf die einzelnen
Transistoren führen:

Collector-Emitter-Strecke haben NTC-Charakteristik, und so bekommt
ausgerechnet der, der sich schon am stärksten erwärmt hat, immer noch
mehr Strom (Leistung) ab, während der kühlere entlastet wird. Etwas
Linderung schafft vielleicht eine Erhöhung der Gegenkopplung durch
Vergrößerung der Emitterwiderstände, oder Umstieg auf Power-MOSFET.

Google mal nach Stichworten wie: bipolar+transistor+breakdown o.ä..

Gruß

Dietmar

Autor: Kersten Decker (unbenannt-editor)
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Hi!
@pram: Wenig Wärmeleitpaste ist klar. Die Hülsen sind von der Bauform
her richtig, ich habe die Schrauben halt wirklich sehr fest angezogen
nachdem ich diesen Abstand bemerkt hatte.

@peter dannegger: Die 470 Ohm Widerstände habe ich eingebaut, damit die
Basisströme gleich verteilt werden. Ich hatte hier einen Schaltplan bei
dem das auch so gemacht wurde. Dort stand allerdings auch drin, dass
wärmere Transistoren sich selbst begrenzen. Laut Dietmar ist es aber
umgekehrt.
Den Kühlkörper will ich eigentlich nicht wechseln. Das mit dem
Andrücken kenne ich und hat mich auf die Idee gebracht, rechts und
links vom Transistor mit Schrauben eine Klammer zu befestigen, die den
Transistor andrückt.

@Dietmar: Die Emitterwiderstände fungieren gleichzeitig als Shunt, die
will ich eigentlich nur ungern vergrößern.

@EZ81__: Vielen Dank für die Links, da steht wirklich einiges drin.

Autor: peter dannegger (Gast)
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"Die 470 Ohm Widerstände habe ich eingebaut, damit die Basisströme
gleich verteilt werden."

Und genau das will man ja gerade nicht !

Denn damit wird der Transistor mit dem größten Beta überlastet.

Der Basisstrom ist völlig schnuppe, die Emitterströme sollen annähernd
gleich sein.


Peter

Autor: Thomas O. (Gast)
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poste doch mal deine komplette Schaltung, ich vermute das deine
Transitoren so heiß werden weil sie nicht voll aufmachen(wenn du
schreibst das im schlimmsten Fall 85W verheizt werden). Spricht was
gegen PWM und MOSFETs?

Autor: Dietmar (Gast)
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Die Breakdown-Effekte spielen bei Kleinleistungstransistoren so gut wie
überhaupt keine Rolle. Aber, bei hohen Leistungen und thermisch stark
beanspruchten Halbleitern schon.

Emitterwiderstände nicht verändern, eben, da liegt das Dilemma, weil
dann die Performance nachläßt.

Kannst du die Schaltung mal posten? Vielleicht kann man was retten???

Und, läßt deine Schaltungstechnik bzw. deine Anforderungen
wirtschaftlich einen Wechsel auf Power-MOSFET zu?

Kannst du einen wesentlich leistungsfähigeren Einzeltransistor finden,
der alleine die 3 TIP 142 ersetzen kann? Damit umgehst du das
Breakdown-Problem mit der unsymmetrischen Leistungsverteilung.

Und, das alles, wenn es wirklich kein Problem der Kühlmechanik ist.

Gruß

Dietmar

Autor: Dietmar (Gast)
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@Kersten:

Daß sich Wärmeleitpaste an den Seiten rausdrückt, ist ein gutes
Zeichen. Die Isolierschicht soll so dünn wie möglich sein, um
bestmöglichst Wärme abzuleiten. Der Wärmewiderstand steigt mit der
Dicke der Isolierschicht. Und die Wärmeleitpaste muß auf beide Seiten
der Glimmerscheibe.


@Thomas O:

Wenn es ein Analogverstärker ist, wird halt ordentlich Leistung
verbraten. Wir kennen ja die Anwendung noch nicht.

Gruß

Dietmar

Autor: Thomas O. (Gast)
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drum wäre es ganz nützlich zu erfahren was und wie es gemacht wird.

Autor: Unbekannter (Gast)
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"peter dannegger" hat doch schon beschrieben, warum drei einzelne
Basis-Widerstände Murks sind. Da gehört ein gemeinsamer Basiswiderstand
hin, die drei Basen zusammengeschaltet und dann klappt's auch mit den
Emitter-Gegenkoppelwiderständen.

Ist das denn so schwer zu verstehen?

Autor: Dietmar (Gast)
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@peter dannegger:

Die Parameterstreuung von Bauteilen ist in analogen Schaltungen
wirklich ein Problem. Bei einer Handvoll gleicher 2N3055 habe ich vor
einiger Zeit eine Beta-Streuung etwa um den Faktor 4 nachgemessen. In
den Datenblättern spiegelt sich dies aber auch wieder, wenn man genau
hinschaut. Im Grunde muß man als Schaltungsentwickler dafür sorgen,
eben durch schaltungstechnische Maßnahmen, daß Parameterstreuungen in
der Anwendung keine Rolle mehr spielen. Da genügen Basisvorwiderstand
und Emitterwiderstand alleine vielleicht nicht? Vielleicht hat Kersten
ja noch die Möglichkeit, aus einer Handvoll TIP 142 noch 3 annähernd
gleiche heraus zu messen?

Man neigt automatisch gerne dazu, eine gefundene Schaltung oder Bausatz
manchmal für gut zu halten. Aber, die muß aus oben genannten Gründen
noch lange nicht "gut" sein ???

@Kersten:

Apropos Glimmerscheibe: Da habe ich Profis gesehen, die Glimmerscheiben
mit einer Rasierklinge nochmals zerteilen. Ist aber schon sehr
abgefahren.

Holzauge, sei wachsam!

Gruß

Dietmar

Autor: Dietmar (Gast)
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@Unbekannter:

Klappt aber auch nur bei richtiger Bemessung der Emitterwiderstände.
Ich hatte sie schon etwas höher vorgeschlagen, aber das widerspricht
der Schaltungs-Performance.

Gruß

Dietmar

Autor: Kersten Decker (unbenannt-editor)
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Hi!
Die Transistoren regeln eine Eingangsspannung zwischen 0 und ca. 40V.
Die Belastung liegt bei maximal 2A. Das Ganze ist im Wesentlichen ein
Netzteil, aber mit ein paar Extras, wobei das nicht relevant ist.
Die Collector-Spannung kann ich leider nicht vor den Transistoren
regeln, somit muss die Leistung zwangsläufig an den Transistoren
verbraten werden. Die Transistoren werden über Operationsverstärker
angesprochen (Spannungs- und Strombegrenzung). Ich habe leider keinen
Schaltplan dazu.

Aufgrund der Probleme mit der richtigen Befestigung der Transistoren
denke ich auch über andere Gehäusetypen nach. Ich habe hier z.B. 2
MJ3000 TO-3 ausgegraben. Das lässt sich denke ich besser befestigen,
das Bauteil verkraftet bis 200°C. Wären die geeignet?

Autor: Kersten Decker (unbenannt-editor)
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Ups, sorry....die bekomme ich ja schlecht auf den Kühlkörper.

Autor: Volker (Gast)
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Schnipp
@peter dannegger: Die 470 Ohm Widerstände habe ich eingebaut, damit die
Basisströme gleich verteilt werden.
Schnapp

wie verhält es sich denn nun mit nur einem Basiswiderstand, wie von
Peter vorgeschlagen, müsste jedenfalls deutlich besser sein.

Versuchs halt mal in der Praxis und berichte.

Übrigens: Je höher der Unterschied zwischen Kühlkörper und Umgebung,
desto besser der Wirkungsgrad.

Außerdem solltest du mal die Temperaturen mit einem geeigneten
Temp-Sensor messen. Die Fingerfühlmethode taugt nichts.


MfG

Volker

Autor: Dietmar (Gast)
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@Kersten:

keine hohen Temperaturen, denn die beschleunigen die Bausteinalterung
extrem.

Witziger Vergleich:

In den 60-er Jahren gab es gerade mal 100 Watt Endstufen für Bands wie
die Beatles, aber Megawatt-Stufen für die Radiosender.

Heute ist das nicht anders: Wo bekommst du denn Thyristoren für 3000
Ampere und über 20 kV (Eisenbahn)? Natürlich nicht.

Kleine Abhilfe: Habe eine alte Vergleichstabelle, mit BUT13, BUT14,
BUT33, BUT34, BUT35, haben ab 400 Volt und 40 Ampere, aber nur ein Beta
>= 20, trotz Darlington. Da wäre noch eine Vorstufe fällig.

Und, jetzt kann man die nicht (mehr) kaufen, oder???

Gruß

Dietmar

Autor: Kersten Decker (unbenannt-editor)
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Hi!
Die Widerstände habe ich jetzt raus, die Wärmeverteilung scheint in der
Tat etwas besser zu sein. 2 Transistoren bleiben anfassbar, aber einer
wird immer noch sehr heiß (wobei der am schlechtesten Montiert ist).
Bei 55 Grad auf der Schriftseite habe ich dann abgeschaltet da die
Junction Temperature ja noch höher sein drüfte. Man merkt allein schon
"per Finger" dass die Kühlkörpertemperatur direkt deber dem Bauteil
deutlich kühler ist als das Metall des Transistors direkt neber der
Schraube.

Mir ist auch aufgefallen, dass die Transistoren unten (an den Beinchen)
am wärmsten werden und zur Schraube hin immer kälter werden. Vielleicht
gibt es da alternative Befestigungsmöglichkeiten, mit denen man das
ganze Bauteil an den Kühlkörper pressen kann und nich nur das obere
Ende. Ich denke da an eine Art Bügel, der rechts und links vom Bauteil
mit dem Kühlblech verschraubt ist und das Bauteil so an den Kühlkörper
zieht. Solche Kühlkörper gibt es ja fertig, ich müsste das für meinen
Kühlkörper irgendwie selbst machen.

Gruß

Kersten

Autor: Unbekannter (Gast)
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Kannst Du nicht ein Foto von Deiner Mechanik machen? Und wie wär's mal
mit einem Schaltplan? Dann müsste man nicht immer so im Nebel rum
stochern...

Autor: EZ81__ (Gast)
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http://sound.westhost.com/hs_fig5.gif mit einem Stück Alu-Profil aus dem
Baumarkt?

Autor: Kersten Decker (unbenannt-editor)
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Hi!
Ich habe mal einen Schaltplan angehängt, so in etwa sieht meine
Schaltung aus, natürlich auf 3 Transistoren erweitert.

Ein Bild kann ich im Moment nicht machen. Zu sehen wäre die Rückseite
eines Kühlkörpers mit Bohrungen und drei angeschraubten Transistoren
mit Isolierhülsen, Glimmerscheiben und Wärmeleitpaste.

Autor: Volker (Gast)
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Kersten wrote:
@Dietmar: Die Emitterwiderstände fungieren gleichzeitig als Shunt, die
will ich eigentlich nur ungern vergrößern.

Also ich sehe da kein Problem die Emitterwiderstände zu erhöhen.
Und zwar so:
Einfach einen zusätzlichen Widerstand zwischen Emitter und den alten
Emitterwiderständen (die gleichzeitig als Shunt wirken) einbauen.
Damit bleibt der Shunt und die, daran abfallende Spannung,
unverändert.



Volker

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