Download övningsuppgifter i termiska effekter, kylning.

ÖVNINGSUPPGIFTER I TERMISKA EFFEKTER, KYLNING.
Bilagt finns datablad för TIP31-32, L7800, TLE2301
1. Följande frågor gäller TIP31.
a) Vad är den maximala kollektorströmmen genom transistorn vid likström?
b) Om transistorn används i en switchkoppling vad säger databladet om spänningen
mellan kollektor-emitter vid bottnad transistor?
c) Om transistorn är i rumstemperatur och utan kylare vilken maximal förlusteffekt tål
den?
d) Antag att termiska resistansen mellan hölje och omgivning är 0 K/W (ideal kylning)
vilken maximal förlusteffekt tål den då i rumstemperatur?
2. Följande uppgift gäller L7805AC kapsel TO-220. Antag att Uin= 10 V och Iut= 0,1A.
Kretsen är i rumstemperatur.
a) Vad blir förlusteffekten PD?
b) Vad blir temperaturen på kristallen?
c) Vad blir temperaturen på höljet?
d) Antag att utströmmen Iut ökar. Om förutsättningarna enligt ovan i övrigt är desamma
vilken är den maximala utströmmen från komponenten innan den överhettas?
e) Vad blir Put vid d)?
3. En L7805ACD2T (se datablad) är ansluten till ett nät enligt figur nedan.
Uin är likriktad och glättad och varierar mellan 12 och 15 V.
Kretsen skall arbeta i rumstemperatur.
Strömmen i Common kan
approximeras till 0 A.
a) Bestäm den maximala strömmen
Iut som kretsen kan dimensioneras
för under ovanstående
förutsättningar om kapseln ej försetts med kylare.
b) Vilken temperatur får höljet i a)
c) En kylare skall dimensioneras och anslutas till kapseln. Mellan kapseln och kylaren
antas termiska resistansen vara 1 K/W. Vilket värde bör termiska resistansen för
kylaren ha om Iutmax = 800 mA?
4. Hur stor blir förlusteffekten i 7805:an i kopplingen?
ο
ο
ο
ο
0,3 W
7805
0,5 W
1
0,8 W
0,1 W
Uin = 8 V
VIN
VOUT
2
Icom = 0
50 ohm
5. En 7812 i TO-200 kapsel med
följande data
Rth jc = 2 o C/W
Rth ca= 60 o C/W
är inkopplad enligt figur.
Uin
Enligt datablad är vidare
Tjmax = 150 o C.
Kretsen skall arbeta i rumstemperatur
och ingen kylare skall anbringas på kapseln.
7812
1
VIN
VOUT
2
Icom = 0
60 ohm
Vilken är den maximala spänningen Uin utan att 7812 överhettas?
ο
ο
ο
ο
16 V
22 V
26 V
32 V
6. Följande uppgift gäller OP-förstärkaren TLE2301. Utdrag ur datablad bifogas.
Observera att beteckningen Rth i databladet skrivs ZΘ .
a) Under rubriken 'NE thermally-enhanced dual in-line package' Har fabrikanten räknat ut
och presenterat maximala förlusteffekten för två olika fall. Visa hur beräkningarna gjorts.
b) Antag att man genom att anbringa en kylare till kapseln lyckas få ZΘ c-a = 15 o C/W. Vilken
blir då den maximala förlusteffekten om omgivningstemperaturen är 50 o C?
7. En L7805ACV (datablad bifogas) skall användas för att driva ett stort digitalt nät med
TTL-grindar. Antag att Ioutput =1,2 A. Uin är väl glättad och kan variera mellan 9 V och 12 V.
Kretsen skall arbeta i rumstemperatur.
Icommon kan sättas till 0 A.
Mellan kapseln och kylkroppen skall en isolerande glimmerskiva appliceras.
Rth c-s =1 oC/W.
Övriga data tas ur datablad.
input
Uin
7805
common
output
Uut
a) Beräkna den högsta termiska resistansen som kylaren får ha utan att 7805-an överhettas vid
belastning enligt ovan.
b) Vilken blir den maximala temperaturen på kapselhöljet då kylaren är installerad och
belastningen är enligt ovan?
8. För en kapsel TO-220 anges följande data Rthjc= 2 oC/W och Rthja=70 oC/W. För en
transistor 2N3044 monterad i denna kapsel anges PDmax= 12 W och Tjmax=200 oC.
a) Beräkna den högsta tillåtna likström IC vid en omgivningstemperatur på 25 oC då UCE= 20
V? (Från basströmmen kan bortses).
b) Transistorn skall monteras på en kylare. Bestäm kylarens högsta termiska resistans om
transistorns effektförlust är 10 W och omgivningstemperaturen 25 oC. Antag att termiska
resistansen mellan transistorhöljet och kylaren är 1 oC/W.
c) Antag att man på transistorn har anbringat en kylare så att Rthca= 1,5 oC/W och transistorns
effektförlust är 12 W. Vilken högsta omgivningstemperatur kan transistorn då arbeta i
utan överhettning?
9. Kopplingen nedan visar en del av en krets som skall generera en konstant spänning Uut
över Rlast. Principen är att Ureg tas ur en konstantspänningskälla och håller alltid spänningen
Ureg = 5,7 V. Transistorn Q1:s emitter kommer då att ställa in sig på en nivå som är 0,7 V
under Ureg alltså blir Uut = 5 V. Uin är en väl glättad likspänning som kan variera mellan 8
och 12 V. Kretsen skall arbeta i rumstemperatur.
För transistorn gäller att
R th j-c = 5 K/W
Rth j-a = 45 K/W (Utan kylare)
Tj max = 200 oC
Transistorn har mycket hög
strömförstärkning varför IB får
försummas.
a) Beräkna den maximala utströmmen som kan tas ut genom Rlast utan att transistorn
överhettas under de givna förhållandena.
b) Beräkna den maximala uteffekten i Rlast om en kylkropp med Rth s-a = 5 K/W anslutes
till transistorn. Antag att Rth c-s = 1 K/W.
10. VIN till regulatorn är 20 V.
Vilken effekt utvecklas i regulatorn?
U1
8
LM7812
VIN
VOUT
(Ungefärliga värden)
a)
b)
c)
d)
1W
5W
10 W
20 W
1
10 ohm
0
11. Antag att regulatorn enligt figur ovan har en sådan inmatningsspänning att att
förlusteffekten PD i regulatorn blir 3 W.
Den arbetar i rumstemperatur joch kristallens maxtemperatur är 150 grader.
Vilket maximalt värde på totala termiska resistansen från kristall till omgivning får kapseln ha
utan att bli överhettad?
a) 10 K/W
b) 20 K/W
c) 40 K/W
d) 50 K/W
12. Studera diagrammen för TLE2301 på sidan 4.
a) På det ena diagrammet förekommer ett tryckfel, vilket?
b) Beräkna maximala förlusteffekten utan kylare vid en omgivningstemperatur på 60
grader.
c) Antag att förlusteffekten är 1 W och kretsen är i rumstemperatur. Vad blir då
temperaturen på kristallen respektive höljet?
Svar(förslag)
1. a) 3A, b) <1,2V, c) 2 W, d) 40 W
2. a) 0,5 W, b) 50 grader, c) 48,5 grader, d) PD=2,5 W men max är 2 W, e) 2 W
ger Iut = 0,4 A
3. a) 0,2 A, b) 150-6=144 grader, c) Rths-a = 11,6 K/W
4. 0,3 W
5. 22V
6. a) 1,9=(150-85)/34, 1,5=(135-85)/34, b) 3,45 W
7. a) 10,9 K/W, b) 124,8 grader
8. a) 0,12 A, b) 14,5 K/W, c) 158 grader
9. a) 0,56 A, b) 11,4 W
10. 10 W
11. c:a 40 K/W
12. a) Vänster diagram ZθJC Æ ZθJA, b) 1,5 W, c) Tj = 85,4 grader och Tc=71,4
grader
TIP31A/31C
TIP32A/32B/32C

COMPLEMENTARY SILICON POWER
TRANSISTORS
APPLICATION
■ LINEAR AND SWITCHING INDUSTRIAL
EQUIPMENT
DESCRIPTION
The TIP31A and TIP31C are silicon
Epitaxial-Base NPN transistors mounted in
Jedec TO-220 plastic package. They are intented
for use in medium power linear and switching
applications.
The complementary PNP types are TIP32A and
TIP32C respectively.
Also TIP32B is a PNP type.
3
1
2
TO-220
INTERNAL SCHEMATIC DIAGRAM
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
Symbol
Parameter
Value
NPN
TIP31A
PNP
TIP32A
Un it
TIP31C
T IP32B
TIP32C
V CBO
Collector-Base Voltage (IE = 0)
60
80
100
V
V CEO
Collector-Emitter Voltage (IB = 0)
60
80
100
V
VEBO
Emitter-Base Voltage (IC = 0)
5
V
IC
Collector Current
3
A
ICM
Collector Peak Current
5
A
Base Current
1
A
40
2
W
W
IB
P tot
Ts tg
Tj
T otal Dissipation at Tc ase ≤ 25 o C
T amb ≤ 25 o C
Storage Temperature
Max. Operating Junction Temperature
-65 to 150
o
C
150
o
C
For PNP types voltage and current values are negative
October 1999
1/5
TIP31A/TIP31C/TIP32A/TIP32B/TIP32C
THERMAL DATA
R thj -case
R thj -amb
Thermal Resistance Junction-case
Thermal Resistance Junction-ambient
Max
Max
o
3.12
62.5
o
C/W
C/W
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Tcase = 25 oC unless otherwise specified)
Symbo l
Max.
Unit
I CEO
Collector Cut-off
Current (IB = 0)
Parameter
for T IP31A/32A
for T IP31C/32B/32C
V CE = 30 V
V CE = 60 V
0.3
0.3
mA
mA
I CES
Collector Cut-off
Current (VBE = 0)
for T IP31A/32A
for T IP/ 32B
for T IP31C/32C
V CE = 60 V
VCE = 80 V
V CE = 100 V
0.2
0.2
0.2
mA
mA
mA
IEBO
Emitter Cut-off Current
(I C = 0)
V EB = 5 V
1
mA
V CEO(s us) ∗ Collector-Emitt er
Sustaining Voltage
(I B = 0)
Test Con ditions
I C = 30 mA
for TIP31A/32A
for TIP32B
for TIP31C/32C
Collector-Emitt er
Saturation Voltage
IC = 3 A
V BE(on) ∗
Base-Emitter Voltage
IC = 3 A
V CE = 4 V
DC Current G ain
IC = 1 A
IC = 3 A
V CE = 4 V
V CE = 4 V
Small Signall Current
Gain
I C = 0.5 A
I C = 0.5 A
h fe
I B = 375 mA
V CE = 10 V f = 1 KHz
V CE = 10 V f = 1 MHz
∗ Pulsed : pulse duration = 300 µs, duty cycle ≤ 2%
For PNP types voltage and current values are negative.
Safe Operating Area
2/5
Typ.
60
80
100
V CE(sat) ∗
h FE∗
Min.
Derating Curves
25
10
20
3
V
V
V
1.2
V
1.8
V
50
L7800AB/AC
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
Symbol
Parameter
Value
Unit
35
40
V
V
Vi
DC Input Voltage (for VO = 5 to 18V)
(for V O = 20, 24V)
Io
Output Current
Internally limited
P tot
Power Dissipation
Internally limited
T op
Operating Junction Temperature Range (for L7800AC)
(for L7800AB)
0 to 150
-40 to 125
o
T st g
Storage Temperature Range
- 65 to 150
o
o
C
C
C
THERMAL DATA
Symbol
2
Parameter
R thj- ca se Thermal Resistance Junction-case
R thj- amb Thermal Resistance Junction-ambient
D PAK
Max
Max
3
62.5
TO-220
3
50
Unit
o
o
CONNECTION DIAGRAM AND ORDERING NUMBERS (top view)
D2PAK
TO-220
Type
L7805AB
L7805AC
L7806AB
L7806AC
L7808AB
L7808AC
L7809AB
L7809AC
L7812AB
L7812AC
L7815AB
L7815AC
L7818AB
L7818AC
L7820AB
L7820AC
L7824AB
L7824AC
TO-220
L7805ABV
L7805ACV
L7806ABV
L7806ACV
L7808ABV
L7808ACV
L7809ABV
L7809ACV
L7812ABV
L7812ACV
L7815ABV
L7815ACV
L7818ABV
L7818ACV
L7820ABV
L7820ACV
L7824ABV
L7824ACV
(*) AVAILABLE IN TAPE AND REEL WITH ”-TR” SUFFIX
2/17
D 2PAK (*)
L7805ABD2T
L7805ACD2T
L7806ABD2T
L7806ACD2T
L7808ABD2T
L7808ACD2T
L7809ABD2T
L7809ACD2T
L7812ABD2T
L7812ACD2T
L7815ABD2T
L7815ACD2T
Output Voltage
5V
5V
6V
6V
8V
8V
9V
9V
12V
12V
15V
15V
18V
18V
24V
24V
C/W
C/W
TLE2301
EXCALIBUR 3-STATE-OUTPUT WIDE-BANDWIDTH
POWER OPERATIONAL AMPLIFIER
SLOS131 – DECEMBER 1993
D
D
D
D
D
D
D
D
NE PACKAGE
(TOP VIEW)
High Output Drive Capability . . . 1 A Min
3-State Outputs
High Gain-Bandwidth Product
8 MHz Typ
Low Total Harmonic Distortion
< 0.08% Typ
High Slew Rate . . . 12 V/µs Typ
Class AB Output Stage
Thermal Shutdown
Mains-Line Driver Circuit Application
Included
COMP2
VCC +
OUT1
VCC –
VCC –
OUT2
VCC +
TRS2
1
16
2
15
3
14
4
13
5
12
6
11
7
10
8
9
COMP1
VCC –
1N +
VCC –
VCC –
IN –
VCC –
TRS1
Terminals 4, 5, 12 and 13 are
connected to the lead frame.
description
MAXIMUM PEAK-TO-PEAK OUTPUT VOLTAGE
vs
FREQUENCY
VO(PP) – Maximum Peak-to-Peak Output Voltage – V
The TLE2301 is a power operational amplifier that
can deliver an output current of 1 A at high
frequencies with very low total harmonic
distortion. The device has an integral 3-state
mode to drive the output stage into a
high-impedance state and also to reduce the
supply current to less than 3.5 mA.
The combination of high output current and
3-state outputs makes the TLE2301 ideal for
implementing the signalling transformer driver in
mains-based telemetering modems. This
combination of features also makes the device
well suited for other high-current applications
(e.g., motor drivers and audio circuits).
Using the Texas Instruments established
Excalibur process, the TLE2301 is able to achieve
slew rates in excess of 12 V/µs and a gainbandwidth product of 8 MHz. The TLE2301 uses
a 16-pin NE power package to provide better
power handling capabilities than standard dual-inline packages.
8
VCC ± = ± 5 V
TA = 25°C
7
6
RL = 4.3 Ω
RL = 8.1 Ω
RL = 20 Ω
5
4
3
2
1
0
100
1k
10 k
100 k
f – Frequency – Hz
1M
10 M
Figure 1
The TLE2301 is characterized for operation over
the industrial temperature range of – 40°C to
85°C.
AVAILABLE OPTION
PACKAGE
TA
VIOmax AT 25°C
THERMALLY-ENHANCED
PLASTIC DIP
(NE)
– 40°C to 85°C
10 mV
TLE2301INE
Copyright  1993, Texas Instruments Incorporated
PRODUCTION DATA information is current as of publication date.
Products conform to specifications per the terms of Texas Instruments
standard warranty. Production processing does not necessarily include
testing of all parameters.
POST OFFICE BOX 655303
• DALLAS, TEXAS 75265
1
TLE2301
EXCALIBUR 3-STATE-OUTPUT WIDE-BANDWIDTH
POWER OPERATIONAL AMPLIFIER
SLOS131 – DECEMBER 1993
absolute maximum ratings over operating free-air temperature range (unless otherwise noted)†
Supply voltage, VCC + (see Note 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 V
Supply voltage, VCC – (see Note 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – 22 V
Differential input voltage, VID (see Note 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ± 44 V
Duration of short-circuit current at (or below) 25°C (see Note 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . unlimited
Continuous total dissipation at (or below) 25°C free-air temperature (see Notes 4 and 5) . . . . . . . 2075 mW
Continuous total dissipation at 85°C case temperature (see Note 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4640 mW
Operating free-air temperature range, TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – 40°C to 85°C
Operating case or virtual junction temperature range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – 40°C to 150°C
Storage temperature range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – 65°C to 150°C
† Stresses beyond those listed under “absolute maximum ratings” may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only, and
functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated under “recommended operating conditions” is not
implied. Exposure to absolute-maximum-rated conditions for extended periods may affect device reliability.
NOTES: 1. All voltage values, except differential voltages, are with respect to the midpoint between VCC + and VCC – .
2. Differential voltages are at IN+ with respect to IN –.
3. The outputs when connected together may be shorted to either supply. Temperature and/or supply voltages must be limited to ensure
that the maximum dissipation rating is not exceeded.
4. For operation above 25°C free-air temperature, derate linearly at the rate of 16.56 mW/°C.
5. For operation above 25°C case temperature, derate linearly at the rate of 71.4 mW/°C. To avoid exceeding the design maximum
virtual junction temperature, these ratings should not be exceeded. Due to variations in individual device electrical characteristics
and thermal resistance, the built-in thermal overload protection may be activated at power levels slightly above or below the rated
dissipation.
FREE-AIR TEMPERATURE
DISSIPATION DERATING CURVE
CASE TEMPERATURE
DISSIPATION DERATING CURVE
10
Derating Factor = 16.56 mW/°C
ZθJC = 60.4°C/ W
PD – Total Continuous Power Dissipation – W
PD – Total Continuous Power Dissipation – W
2.5
2
1.5
1
0.5
0
6
4
2
Derating Factor = 71.4 mW/°C
ZθJC = 14°C/ W
0
25
4
8
40
55
70
TA – Free-Air Temperature – °C
85
POST OFFICE BOX 655303
0
• DALLAS, TEXAS 75265
25
50
75
TC – Case Temperature – °C
100
TLE2301
EXCALIBUR 3-STATE-OUTPUT WIDE-BANDWIDTH
POWER OPERATIONAL AMPLIFIER
SLOS131 – DECEMBER 1993
APPLICATION INFORMATION
frequency compensation
The TLE2301 amplifier requires one compensation capacitor. However, when driving heavy loads, stability can
be increased by connecting VCC – terminals 10 and 15 to VCC – terminals 12 and 13 and using another capacitor
between COMP2 and the outputs. The circuit included in this application has been designed with two
compensation capacitors. The component values chosen are:
+ 15 pF
C
+ 33 pF
F2
C
F1
These component values could be adjusted if the amplifier is used for higher-frequency applications.
power dissipation
The impedance of the mains network fluctuates greatly for many reasons, but its impedance at the supplydistribution transformer is typically very low, less than 1 Ω, whereas the mains impedance in a house commonly
has a higher value, from 4 Ω to 40 Ω. For utility-metering applications, a master transmitter may be sited at the
supply-distribution transformer and would need to deliver more power into the mains network than the
household transmitter when generating comparable signal amplitudes.
NE thermally-enhanced dual in-line package
14 mm
d
5 mm
d
TLE2301
Z θJA – Junction-to-Ambient Thermal Impedance – °C/W
The TLE2301 utilizes the four center terminals of the dual-in-line package (NE) to transfer heat to a copper area
on the PCB. A copper area of 1290 mm2 provides a junction-to-ambient thermal impedance, ZθJA, of 34°C / W,
allowing the device to dissipate up to 1.9 W at 85°C for a junction temperature of 150°C or up to 1.5 W at 85°C
for a junction temperature of 135°C.
JUNCTION-TO-AMBIENT THERMAL
IMPEDANCE
vs
DIMENSIONS
50
45
40
35
30
25
20
0
10
20
30
d – Dimensions – mm
NOTE: When d = 25 mm, ZθJA = 34°C/ W
Figure 27. PCB Heatsink
20
POST OFFICE BOX 655303
• DALLAS, TEXAS 75265
40
50