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Text File  |  1987-04-21  |  4.8 KB  |  146 lines
  1.  
  2.  
  3.             Thermal.doc
  4.  
  5. The    self   generated   heat    of 
  6. transistors  used for small  signals 
  7. such  as  low power  amplifiers  and 
  8. oscillators  rarely  cause  problems 
  9. due  to overheating but as  soon  as 
  10. appreciable  power is involved  then 
  11. all  sorts  of problems  may  arise. 
  12. This  is very true of  power  supply 
  13. units  that  may  need  to   provide 
  14. output currents of several  amperes. 
  15. To  avoid  destruction of  a  series 
  16. pass transistor used in such a power 
  17. unit  the  generated  heat  in   the 
  18. transistor  must  be  dissipated  to 
  19. prevent the transistor case and thus 
  20. the   junction   rising  above   the 
  21. manufacturers  maximum  rating.  For 
  22. long  life it is desirable that  the 
  23. transistor   'runs'   as   cool   as 
  24. possible. 
  25.  
  26. The  programme will ask for  various 
  27. parameters  to be entered  and  some 
  28. of  these can be obtained  from  the 
  29. transistor manufacturers data sheet. 
  30. The  others  are determined  by  the 
  31. characteristics of the power  supply 
  32. circuit and components.  For example 
  33. consider  a power unit  designed  to 
  34. output  12 volts at  1  ampere.  The 
  35. input   voltage  under   full   load 
  36. conditions will need to be 12  volts 
  37. plus the  volts  dropped  across the 
  38. series pass transistor,  typically 2 
  39. volts.  In  addition some  allowance 
  40. must  be made for variations in  the 
  41. mains  power  supply.  These  rarely 
  42. exceed  5%.  Therefore the 12  volts 
  43. must be increased by at least 5%  to 
  44. 12.6 volts. The final design voltage 
  45. is  now 12.6 + 2 = 14.2  volts.  But 
  46. this  assumes  that  the   rectifier 
  47. filter  capacitor is  sufficient  to 
  48. 'hold  up'  the voltage  during  the 
  49. trough  of  the  voltage  from   the 
  50. rectifiers.   Again  the  rectifiers 
  51. will  create a volts drop  of  about 
  52. 0.6  volts  each and  this  must  be 
  53. allowed    for.     Under    typical 
  54. conditions    the   rectified    and 
  55. filtered  input to the  series  pass 
  56. transistor, under full load, will be 
  57. in the region of 15 volts at best.
  58.  
  59. As  an  example consider  a  popular 
  60. transistor  type  2N3055 used  as  a 
  61. series     pass     device.      The 
  62. manufacturers absolute maximum  case 
  63. temperature is 160 degrees  Celsius. 
  64. At  that  temperature  there  is  no 
  65. leeway  for temporary overloads  and 
  66. it  is  preferable  that  a  maximum 
  67. working  temperature of 100  degrees 
  68. be used.
  69.  
  70. So  far things are straight  forward 
  71. but now the tricky part is assessing 
  72. the  specification of the heat  sink 
  73. that  will be required to  dissipate 
  74. the  transistor  heat  so  that  the 
  75. maximum  temperature of 100  degrees 
  76. is  not exceeded.  Fortunately  heat 
  77. sink manufacturers normally  specify 
  78. their heat sinks with a degrees  per 
  79. watt figure. For example a heat sink 
  80. specified  as 4 degrees C  per  watt 
  81. means  that  it's  temperature  will 
  82. rise  4  degrees above  ambient  for 
  83. each watt dissipated:  e.g.  4 watts 
  84. results  in  16 degrees  rise  above 
  85. ambient.
  86.  
  87. If  the thermal contact between  the 
  88. transistor and heat sink is  perfect 
  89. then  the  transistor  will  operate 
  90. near  the  same temperature  as  the 
  91. heat  sink BUT this is an  imperfect 
  92. world and some temperature  gradient 
  93. will  exist between  the  transistor 
  94. and heat sink. The magnitude of this 
  95. gradient  is,  to  a  large  extent, 
  96. under  your control.  The heat  sink 
  97. surface   should  be  as   flat   as 
  98. possible  and the transistor  should 
  99. be  firmly  bolted to it  so  as  to 
  100. provide the maximum surface  contact 
  101. and lowest thermal  resistance.  The 
  102. addition  of a  proprietory  thermal 
  103. grease  between the mating  surfaces 
  104. will make a substantial improvement. 
  105. In  most  instances  the  electronic 
  106. circuit  arrangement   neccessitates 
  107. the  body  of the  transistor  being 
  108. electrically insulated from the heat 
  109. sink  and recourse must be  made  to 
  110. fit a suitable insulator between the 
  111. transistor and sink.  The choice  is 
  112. limited  to  a  thin mica shim, hard 
  113. anodised    aluminium (this being an
  114. insulator  so long  as  the anodised
  115. surface  is  not  damaged) and  heat 
  116. conductive    plastic/fibre    glass 
  117. compounds. Thermal grease must still
  118. be   used   to maintain good thermal
  119. contact. The Thermal.Prg  allows for
  120. various transistor/heat sink types.
  121.  
  122. It is assumed that the heat sink  is 
  123. mounted with it's fins vertical  and 
  124. with free air circulation.
  125.  
  126. Example of programme use:-
  127.  
  128. Transistor:     2N3055
  129. Case Size :     TO3 
  130. Input Volts:     18
  131. Output Volts:    12
  132. Output Amps:      3
  133. Case Temp:      100 degrees C
  134. Sink Insulator: Mica with grease
  135. Ambient Temp:   30 degrees C
  136.  
  137. Putting  the above  parameters  into 
  138. the  programme will specify  a  heat 
  139. sink  rated at 3.39 degrees  Celsius 
  140. per watt.  Use the nearest  standard 
  141. sink  available  that  has  a  lower 
  142. figure eg 3 degrees per watt.
  143.  
  144.          - - - - - - - - -     
  145.  
  146.