Break. the Limits! Pienjännitekojeet

Transkriptio

1 Break the Limits! Pienjännitekojeet

2 SIRIUS Puolijohdelähdöt Jäähdytyselementin mitoitus ja valinta Teoria

3 Oikean jäähdytyselementin valinta Automation and Drives Teoria Teoreettinen lähestyminenl Kuorman virta Suurin ympäristön lämpötila Jäähdytyselementin asennusolosuhteet Valitaan puolijohderele kuormavirran mukaan. 1 Alkuarvot 2 Puolijohdereleen valinta Määritellään tehohäviö Ploss ja suurin sallittu terminen resistanssi RthHS. Arvot löytyvät käyrästöltä, joka on puolijohdereleen datalehdellä. Määritellään kokonaistehohäviö Ploss total ja suurin sallittu terminen resistanssi RthHS total kun on kyse useiden puolijohdereleiden asennuksesta samalle. 3 Tehohäviö ja sallittu RthHS Page 3

4 Teoreettinen lähestyminenl Teoria Jäähdytyselementin valinta valmistajan datalehtien avulla perustuen kokonaistehohäviöön ja sallittuun termiseen kokonaisresistanssiin RthHS total. Lämpövastuksen RthHS määrittely jäähdytyselementin valmistajan datalehtien perusteella käyttäen apuna annettua tehohäviötä. Jäähdytyselementin valinta 5 Termisen resistanssin määrittely RthHS Vertaillaan onko jäähdytyselementin todellinen RthHS pienempi kuin sallittu terminen resistanssi. Jos arvo ei ole pienempi jatketaan hakua vertailemalla erilaisten jäähdytyselementtien arvoja. Jos sopivaa jäähdytyselementtiä ei löydy niin lasketaan arvot 2 suuremmalla puolijohdereleellä. 6 Todellinen RthHS pienempi kuin sallittu RthHS EI Jäähdytyselementti on oikein valittu tähän sovellukseen. Valmis KYLLÄ Page

5 Teoreettinen lähestyminenl Theoretical Approach Jäähdytyselementin kapasiteetti RthHS arvo kertoo jäähdytyselementin jäähdytyskapasiteetista eli lämpötilan noususta Kelvin asteissa tehohäviö wattia kohden. Esimerkki: Jäähdytyselementti arvolla K/W nostaa lämpötilaa 80 K kun häviöteho on 20W. Jäähdytyselementti arvolla 1 K/W nostaa lämpötilaa 20 K kun häviöteho on 20 W. Korkea RthHS arvo = huono jäähdytyselementti Pieni RthHS arvo = loistava jäähdytyselementti Usean puolijohdereleen asennus samalle jäähdytyselementille Jos asennetaan kuusi relettä yhdelle jäähdytyselementille, pitää valita elementti, joka kykenee johtamaan riittävästi lämpöä pois puolijohteesta. Esim.: relettä kohden: Ploss = 1 W, RthHS = 5 K/W Δϑ = 1 W x 5 K/W = 70 K. kuusi relettä: Δϑ = 70 K, Ploss total = 8 W RthHS = 70 K / 8 W = 0.83 K/W. yksinkertaisesti: RthHS jaettuna releiden määrällä = 5 K/W / 6 = 0.83 K/W. 6 x 5 K/W 1 x 0,83 K/W Page 5

6 SIRIUS Puolijohdelähdöt Jäähdytyselementin mitoitus ja valinta Teoria 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä

7 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä 6 kpl lämmityselementtejä 230 V / 8 A kpl 2 V DC ohjausjännite Suurin ympäristön lämpötila 5 C Tila jäähdytyselementille: Korkeus: max. 120 mm = pitkä elementti Syvyys: max. 80 mm = korkea elementti leveys: mikä tahansa 1 Lähtöarvot Annettujen arvojen perusteella valitaan 6 kpl 3RF2120-1AA02 2 Puolijohteen valinta 3 Page 7

8 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä Käyrästöstä nähdään, että 8A:n virralla puolijohdereleen tehohäviö on 8W. Ympäristön lämpötilassa 5 C, 8W:n tehohäviöllä on suurin terminen resistanssi RthHS of 8.5 K/W relettä kohden. Ploss kokonais: RthHS kokonais: 6 x 8 = 8 W 8,5 / 6 = 1,1 K/W Jäähdytyselementin kiinnityspinnan paksuuden pitää olla mm. 3RF Min. thickness of the heat sink s mounting surface mm 0 3 Tehohäviö ja sallittu RthHS 35 Module power loss PM i ,3 K/ W 1,6 K/ W 2 K/W 2,5 K/W 3,2 K/W K/W 5 K/W 6 K/W approx..8,5 8 K/W K/W 12 K/ W Device current Ie in A Ambient temperature Ta in C Page 8

9 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä Valitaan jonkin valmistajan elementti tässä esim. PR131/100/SE (100x100x50) voi olla sopiva Ploss = 0 W RthHS = 1,9 K/W Jäähdytyselementin datalehdeltä saadaan arvo: Plos = 8 W vastaa lämpötilaeroa Δϑ = 70 K RthHS = 70 K / 8 W = 1,6 K/W Jäähdytyselementin valinta 5 Todellisen RthHS arvon määrittely Δϑ (K) Δϑ = f (Pv) A Q = 1 x 580 mm 2 (TO 3) , Pv (w) 6 Selvennys! Yleensä puolijohderajapinnan maksimilämpötila on 115 C ja jos ympäristölämpötila on 5 C saadaan laskemalla = 70 eli Δϑ 70K Page 9

10 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä Todellinen RthHS = 1.6 K/W eli se on suurempi kuin sallittu RthHS = 1.1 K/W. Jäähdytyselementti ei ole sopiva!! 6 Tod. RthHS pienem. sall. RthHS EI Pitää valita uusi jäähdytyselementti! Valitaan uusi PR211/100/SE (100x111,5x67,5 sw eanodized) Ploss = 0 W Jäähdytyselementin valinta RthHS = 1,07 K/W (saattaa olla sopiva) 5 Page 10

11 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä Katsotaan valmistajan käyrästöltä että Ploss = 8 W arvolla on lämpötilaero Δϑ of 50 K ja laskemalla RthHS = 50 K / 8 W = 1,0 K/W Δϑ (K) Δϑ = f (Pv) A Q = 1 x 580 mm 2 (TO 3) Pv (w) Todellinen RthHS = 1.0 K/W on pienempi kuin sallittu RthHS = 1.1 K/W. Jäähdytyselementti on sopiva!! Todellinen RthHS on merkittävästi pienempi, niin kannattaa valmistajalta kysyä onko heillä myös 80 mm levyinen erikoismalli, koska sekin olisi riittävä. 5 Määritetään todellinen RthHS 6 Tod. RthHS pienempi kuin sall. RthHS VALMIS KYLLÄ Page 11

12 SIRIUS Puolijohdelähdöt Jäähdytyselementin mitoitus ja valinta Teoria 1. Esimerkki: 6 puolijohderelettä 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä

13 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives 30 lämmitysvastusta 230 V /.5 A kpl kolme lämmitysvastusta ohjataan yhdellä puolijohdereleellä Ohjausjännite 2 V DC Suurin ympäristön lämpötila 0 C Tila jäähdytyselementille: Korkeus max. 120 mm = pitkä Syvyys max. 100 mm = korkeus Pituus min. 230 mm 1 Alkuarvot Arvojen perusteella valitaan puolijohde, 10 kpl 3RF2120-1AA02. 2 Puolijohteen valinta 3 Page 13

14 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives Käyrästöstä luetaan että 13.5 A:n virralla on tehohäviö 16.5 W. 16,5W:n häviöteholla 0 C lämpötilassa on suurin sallittu terminen resistanssi relettä RthHS of.0 K/W. Ploss kokonais: RthHS kokonais: 10 x 16,5 = 165 W,0 / 10 = 0,0 K/W Jäähdytyselementin kiinnityspinnan paksuus pitää olla p mm 3 Tehohäviö ja sallittu RthHS 3RF Min. thickness of the heat sink s mounting surface mm 0 35 Module power loss PM i ,3 K/W 1,6 K/W 2 K/W 2,5 K/W 3,2 K/W approx.,0 K/W K/W 5 K/W 6 K/W 8 K/W 12 K/W Device current Ie in A Ambient temperature Ta in C Page 1

15 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives Valitaan jonkin valmistajan datalehdeltä PR237/100/SE (100x250x83) Ploss 160 W RthHS 0,6 K/W voi olla sopiva Tehohäviöllä Ploss = 165 W on lämpötilaero Δϑ of 78 K. Todellinen terminen resistanssi: RthHS = 78 K / 165 W = 0,7 K/W Δϑ (K) Δϑ = f (Pv) A Q = 1 x 580 mm 2 (TO 3) Jäähdytyselementin valinta 5 Todellisen RthHS määrittäminen Pv (w) Page 15

16 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives Todellinen terminen resistanssi RthHS = 0.7 K/W on suurempi kuin sallittu RthHS = 0.0 K/W. Jäähdytyselementti ei ole sopiva!! Jäähdytyselementin valinta? Kapasiteetiltaan suurempaa jäähdytyselementtiä ei voi harkita koska tila on rajoittava tekijä vaan kannattaa valita puolijohderele, jonka virtakapasiteetti on suurempi eli se kestää huonompaa jäähdytystä (huonompi RthHS). 6 Tod. RthHS on suurempi kuin sall. RthHS EI Kannattaa valita, 10 kpl 3RF2130-1AA02. 2 Puolijohdereleen valinta 3 Page 16

17 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives Käyrästöstä nähdään, että 13,5 A:n virralla on tehohäviö on 1 W. Tehohäviöllä 1 W ja ympäristölämpötilalla 0 C on terminen resistanssi relettä kohden RthHS = 5.0 K/W. Ploss kokonais : RthHS kokonais : 10 x 1 = 10 W 5,0 / 10 = 0,50 K/W Jäähdytyselementin kiinnityspinnan paksuus pitää olla p mm. 3 Tehohäviö ja sallittu RthHS 3RF M indestdicke der M ontagefläche des Kühlkörpers m m 5 m m 60 Modulverlustleistung PM in W ,65 K/W 0,85 K/W 1,1 K / W 1,5 K / W 2,1 K/W 3 K/W K/W ca.5,0 5 K/W K/W 7 K/W 10 K / W Gerätestro m Ie in A Umgebungstemperatur Ta in C Page 17

18 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives Sopiva jäähdytyselementti voisi olla PR237/100/SE (100x250x83) Ploss 160 W RthHS = 0,6 K/W Tehohäviöllä Ploss = 10 W on lämpötilaero Δϑ = 68 K Lasketaan terminen resistanssi : RthHS = 68 K / 10 W = 0,85 K/W Δϑ (K) Δϑ = f (Pv) A Q = 1 x 580 mm 2 (TO 3) Jäähdytyselementin valinta 5 Todellisen RthHS määrittely Pv (w) Page 18

19 2. Esimerkki: 10 puolijohderelettä Automation and Drives Todellinen terminen resistanssi RthHS = 0.85 K/W on pienempi kuin sallittu terminen resistanssi RthHS = 0.50 K/W. Jäähdytyselementti on sopiva!! VAROITUS: Ohjauskaapin pitää olla niin tilava, että tehohäviö voidaan siirtää ympäröivään ilmaan jäähdytyselementin avulla. Muuten kaapin sisälämpötila kasvaa niin suureksi, että puolijohdereleet tuhoutuvat. 6 Tod. RthHS on pienempi kuin sallittu RthHS VALMIS KYLLÄ Page 19