Koelelementen IPM-eindtransistoren

Original sent date : Wed May 02 00:21:17 CEST 2007

Hoi Dinamoi,

Vraagje over koel-elementen voor IPM-eindtransistors. Volgens Leon
luistert het op dit punt niet zo nauw, maar ja – wat is nauw? Heb
rondgeneusd op circuits-online en een sommetje gemaakt. Daar kwam type
PR130 uit. Staat ook in het lijstje heat-sinks op DinamoUsers, dus zal
wel kunnen, maar toch de vraag of iemand hier gaten in kan schieten?

Sommetje bekijken... <http://members.chello.nl/lcavande/koelelementen
IPM.pdf>

Plaats ik 3 eindtransistors, zal ik dus ook 3 PR130's nodig hebben.
Overdreven?

De transistors gaan er ongeïsoleerd op, dus zal ik de 3
koel-elementen met korte kabellusjes moeten dooverbinden. Is 2,5
kwadraat dik genoeg?

Tot slot: hoe bevestig ik de koel-elementen eenvoudig maar veilig
elektrisch geïsoleerd aan de metalen behuizing, zonder de behuizing
in een pseudo-koelelement te veranderen? Fischer heeft er kunsstof
profieltjes voor, maar bij Reichelt kan ik die niet vinden. Werken bv.
kunststof afstandsbusjes goed genoeg (bv. Reichelt: DKR 15MM,
poly-amide, vormvast tot 110 gr. Celsius)?

Alvast bedankt, en groeten
Lon.

Original sent date : Wed May 02 16:20:46 CEST 2007
Dag Lon,

Ik ben niet een electronicus maar toch even de volgende opmerkingen.

In het documentje met de berekeningen maak je volgens mij toch een
foutje.

Bij je berekening van Tj,30 bereken je niet de maximale junction
temperatuur maar de de maximale CASE temperatuur bij 30W. De maximale
junctiontemperatuur is gewoon 200 graden. Dus in je uiteindelijke
berekening moet je uitgaan van 200 graden of de thermische weerstand
van juction naar case (1,5 C/W) weglaten. Je komt dan uit op een
thermische weerstand voor de koelplaat van 3,9 C/W. Scheelt weer een
stuk in de grootte.

Volgens dezelfde berekening zou je op een maximale
koelplaattemperatuur van 152 graden uitkomen dat is meer dan de 110
graden van het materiaal. Maar de bevestiging op zich klinkt goed. De
kast als koelplaat gebruiken is op zich niets op tegen maar je moet
dan wel voor een electrische isolatie zorgen. Zelf heb ik de
koelplaat bevestigt met twee kunststof bussen met M4 draad van binnen.

Draad van 2,5 mm2 gebruik ik zelf ook. In electrische installaties
mag dat soort draad gebruikt worden tot 16 A.

Ik hoop dat je hier iets aan hebt.

Groeten,
Jan

--- In dinamousers@yahoogroups.com, "Lon van den Akker" <agerius@...>
wrote:
>
>
> Hoi Dinamoi,
>
> Vraagje over koel-elementen voor IPM-eindtransistors. Volgens Leon
> luistert het op dit punt niet zo nauw, maar ja – wat is nauw? Heb
> rondgeneusd op circuits-online en een sommetje gemaakt. Daar kwam
type
> PR130 uit. Staat ook in het lijstje heat-sinks op DinamoUsers, dus
zal
> wel kunnen, maar toch de vraag of iemand hier gaten in kan schieten?
>
> Sommetje bekijken...
<http://members.chello.nl/lcavande/koelelementen
> IPM.pdf>
>
> Plaats ik 3 eindtransistors, zal ik dus ook 3 PR130's nodig hebben.
> Overdreven?
>
> De transistors gaan er ongeïsoleerd op, dus zal ik de 3
> koel-elementen met korte kabellusjes moeten dooverbinden. Is 2,5
> kwadraat dik genoeg?
>
> Tot slot: hoe bevestig ik de koel-elementen eenvoudig maar veilig
> elektrisch geïsoleerd aan de metalen behuizing, zonder de behuizing
> in een pseudo-koelelement te veranderen? Fischer heeft er kunsstof
> profieltjes voor, maar bij Reichelt kan ik die niet vinden. Werken
bv.
> kunststof afstandsbusjes goed genoeg (bv. Reichelt: DKR 15MM,
> poly-amide, vormvast tot 110 gr. Celsius)?
>
> Alvast bedankt, en groeten
> Lon.
>

Original sent date : Thu May 03 00:03:28 CEST 2007

Dag Jan,

Dank voor je reactie. Ik heb inderdaad getwijfeld waar ik nu van uit
moest gaan: junction of case. Op circuits-online staat voor elk van die
twee een voorbeeld. Omdat het datasheet van het 2N3055-exemplaar dat ik
bij Reichelt wil gaan bestellen geen "power derating curve"-grafiekje
bevat waarin ik het verband tussen verbruikt vermogen en temperatur van
de behuizing kan aflezen, maar wel de thermische weerstand van junction
naar case noemt, ben ik uitgegaan van voorbeeld 2. Als je mee wilt
lezen:

Voorbeeld circuits-online lezen...
<http://www.circuitsonline.net/artikelen/view/10/print>

Daar wordt uitgegaan van een BDX53C. Er staat dat de
junction-temperatuur (niet de case-temperatuur) niet hoger dan 110 C mag
worden als er 20W vermogen verbruikt wordt. De BDX53C-specs zeggen
Rth,j-case = 2,08 C/W, en Tj,max_absoluut = 150C. Inderdaad is 150 -
20*2,08 ongeveer 110. Naar analogie nu voor de '3055: de
junction-temperatuur mag bij 30W niet hoger worden dan 200 - 30*1,5 =
155C.
Het voorbeeld verder (analoog) volgend: Tj-Ta =155 - 35 = 120C. Dus
Rth,j-a = 120/30 = 4 C/W. Tot slot is dan Rth,h-a = Rth,j-a - (Rth,j-c +
Rth,c-h) = 4 - (1,5 + 0,1) = 2,4 C/W.

Zie ik iets over het hoofd? Alvast bedankt voor je moeite,

groeten,
Lon.

Original sent date : Sat May 05 19:16:12 CEST 2007
Hallo Lon (e.a.),

Zoals sommigen van jullie wisten was ik een weekje op vakantie. Vandaar
een wat latere reactie van mij.

Jan heeft grotendeels al correct geantwoord. Voor de goede orde:

Junction = het stukje silicium dat de eigenlijke transistor is. Dat mag
bij een 2N3055 maximaal 200 graden Celsius worden. Dit is onafhankelijk
van het gedissipeerde vermogen

Ambient = omgeving. Rth,j-a is de thermische weerstand van het silicium
naar de omgeving als de behuizing 'vrij' zweeft. Een getal waar je dus
eigenlijk niks aan hebt, in ons geval.

Case = de metalen grondplaat (behuizing) van de transistor. Rth,j-c is
dus de thermische weerstand tussen het silicium en de behuizing. De
maximaal toelaatbare dissipatie op enig moment is afhankelijk van de
temperatuur van de behuizing Pmax = (200-Tcase)/Rth,j-c. Bij de 2N3055
is Rth,j-c ca 1,5K/W. Bij Tcase = 25graden (m.a.w, als je het ding op
een oneindig groot koeloppervlak monteert en dat op kamertemperatuur
houdt) is Pmax de gespecificeerde 115W. Bedenk dat het stukje silicium
vrij klein is en daarmee een kleine warmtecapaciteit heeft, m.a.w.
bovenstaande (Pmax) formule berekent min of meer het piekvermogen dat je
mag verstoken bij een bepaalde Tcase. Het opwarmen van dat stukje zand
zal niet veel meer tijd vergen dan enkele tientallen milliseconden.

Stel dat je een piekvermogen wilt verstoken van 60W, dan mag de
behuizing dus maximaal 110 graden Celsius worden. Dit piekvermogen geldt
per transistor.

Stel dat je 3 transistoren monteert op een koellichaam van 2K/W, dan
kunnen deze 3 transistoren samen een piekvermogen verwerken van 3 x 60 =
180W, mits de temperatuur van het koellichaam niet hoger wordt dan 110
graden celsius. Uitgaande van een omgevingstemperatuur van maximaal 35
graden is dat een gemiddeld vermogen van (110-35)/2 = 37,5W. Plaats je
op datzelfde koellichaam 2 transistoren dan blijft bij dezelfde maximale
110 graden het gemiddeld vermogen nog steeds 37,5, maar zakt het
piekvermogen naar 120W. Plaats je de 3 transistoren op een koellichaam
van 1,3K/W dan blijft bij de 110 graden het piekvermogen 180W, maar
stijgt het gemiddeld vermogen naar (110-35)/1,3 = 58W. In plaats van een
groter koellichaam kun je ook een ventilator toepassen die je bv
inschakelt met een thermische schakelaar als deze boven de 80 graden
komt. Voordat je dat allemaal onderneemt zou ik gewoon eerst eens voelen
hoe warm het geheel wordt tijdens normaal bedrijf. Zolang het niet sist
als je je vingers erop houdt gaat het volgens deze berekening dus wel
goed ;-)

Bedenk dat als je meer stroom gaat trekken de ruwe spanning (op de elko)
zal inzakken van bv 25V naar 22V. Dat is dus gunstig voor het te
dissiperen vermogen.

Mvg,
Leon

Original sent date : Sun May 06 01:42:33 CEST 2007
Leon, dank voor je reactie. Hopelijk begrijp ik je goed, dat het
voorbeeld van circuits-online om 2 redenen niet bruikbaar is: de
maximale junction-temperatuur wordt er ten onrechte afhankelijk gemaakt
van het gedisspeerd vermogen, en de formule met Rth,j-a mag in de
IPM-context niet gebruikt worden omdat de eindtransistoren niet
vrijstaan (maar vastzitten op een koelelement). Het is me duidelijk dat
dit onderwerp zich niet in 1 of 2 mailtjes aan een beginner laat
uitleggen ;-)

Ook heb ik het onderscheid tussen piek- en gemiddeld vermogen gemist. De
42W die je in de IPM-handleiding noemt (voor 7 gelijktijdig rijdende
treinen) blijkt een gemiddeld vermogen, terwijl ik het opvatte als
richtlijn voor het piekvermogen. Mijn 90W gemiddeld is dus teveel van
het goede. Ik houd het voorlopig op 3 x PR130, maar dan een maatje
korter (37,5mm ipv 75mm; 3,2 K/W) en ga straks bijkoelen als dat nodig
blijkt.

hartelijke groet,
Lon.

Original sent date : Sun May 06 14:02:57 CEST 2007
Hallo Lon,
>
> Leon, dank voor je reactie. Hopelijk begrijp ik je goed, dat het
> voorbeeld van circuits-online om 2 redenen niet bruikbaar is: de
> maximale junction-temperatuur wordt er ten onrechte afhankelijk
> gemaakt van het gedisspeerd vermogen, en de formule met Rth,j-a mag in
> de IPM-context niet gebruikt worden omdat de eindtransistoren niet
> vrijstaan (maar vastzitten op een koelelement) . Het is me duidelijk
> dat dit onderwerp zich niet in 1 of 2 mailtjes aan een beginner laat
> uitleggen.
>
Wellicht is het zo dat bij bepaalde halfgeleiders er een afhankelijkheid
is tussen junctietemperatuur en maximaal vermogen. Als ik de datasheet
van de 3055 bekijk is de power derating curve P/Tcase lineair en volgt
daaruit, terugrekenend, dat bij elk vermogen de junctietemperatuur op
200 graden uitkomt.
>
> Ook heb ik het onderscheid tussen piek- en gemiddeld vermogen gemist.
> De 42W die je in de IPM-handleiding noemt (voor 7 gelijktijdig
> rijdende treinen) blijkt een gemiddeld vermogen, terwijl ik het
> opvatte als richtlijn voor het piekvermogen. Mijn 90W gemiddeld is dus
> teveel van het goede. Ik houd het voorlopig op 3 x PR130, maar dan een
> maatje korter (37,5mm ipv 75mm; 3,2 K/W) en ga straks bijkoelen als
> dat nodig blijkt.
>
Zo'n uitgebreide verhandeling als in de vorige mail ga ik niet in de
handleiding zetten om 2 redenen.
a) het is voor 80% van de gebruikers niet te volgen en
b) het is in 98% van de gevallen overbodige info. Zoals ook in de
handleiding staat overschatten veel gebruikers het vermogen dat je nodig
hebt. 10 gelijktijdig rijdende treinen is mooi, maar welk percentage van
de tijd rijden die echt simultaan? Houdt in de praktijk de temperatuur
van het koellichaam onder de 90 graden. Dat is ook veiliger tegen
brandwonden. Bij dat uitgangspunt is de speling tussen Tc en Tj zo groot
dat je vrijwel elk piekvermogen aan kunt. Bovendien heb je dan nog 20
graden speling voor extreme situaties.
Vuistregel: 2 transistoren bij een systeem tot 4 a 5 TM's, 3
transistoren bij een systeem tot 8 TM's. Bij meer dan 8 TM's zou ik een
tweede IPM toepassen.

Om je een indruk te geven: Mijn spoorbaan, bestuurd met 4 TM's heeft 1
koellichaam van ca 3K/W en slechts 1 transistor. Daarmee kunnen er een
stuk of 7 treinen rijden waarvan 3 met rijtuig-verlichting (met normale
gloeilampjes). Het koellichaam heeft een temperatuursensor die de
rijspanning afschakelt als de temperatuur boven de 75 a 80 graden komt
(mijn voeding is geen IPM, maar een verre voorloper daarvan). Dat
gebeurt wel eens, in de zomer als het op zolder 35+ graden is en ik de
boel een uur laat rijden, bv om een nieuwe Koploper-versie te testen
;-). Handiger zou het zijn om die temp.sensor een ventilator te laten
inschakelen, maar eerlijk gezegd heb ik nog geen tijd gevonden om me
daar in te verdiepen. Je weet hoe het gaat bij de loodgieter.

Mvg,
Leon

Original sent date : Sun May 06 16:09:18 CEST 2007
Dag Leon,

Je uitgebreide toelichting is helder, dank je. Overigens doelde ik met
"missen" (in mijn opmerking over het het onderscheid tussen piek- en
gemiddeld vermogen) op het feit dat ik me dat onderscheid niet
gerealiseerd had. Het was dus geen aanmerking op de volledigheid van de
handleiding (waarvoor juist alle lof).

Een aanvullende vraag, voordat ik tot bestellen overga: bij Reichelt
vond ik een (net-)schakelaar die ik voor de IPM wil gebruiken. Het is
bestelnr. WIPPE 1855.1102. Aan de primaire kant van de trafo zit een
zekering van 4A, dus neem ik aan dat deze schakelaar kan, maar wat
betekent de 1 die tussen haakjes achter de 4 staat? Of is WIPPE
1832.3312 een betere keuze?

Tot slot begrijp ik dat je graag een paar laarzen voor je verjaardag
wilt. Ik zal er op het forum eens een balletje over opgooien...

mvg,
Lon.