Clasificación de disipación de potencia del transistor

Question

Estoy tratando de construir el siguiente circuito

Excepto que el mio es un motor de 24V ~20A (500W), así que necesito intercambiar los componentes. Actualmente estoy mirando transistores y me detuve en el transistor 2N6284 (NPN), que está clasificado a 100V 20A. Esto básicamente significa que es bueno hasta 2000W (¿verdad?), pero dice que la máxima disipación de potencia es de 160W. Ahora esto no tiene sentido así que supongo que es cuánto de los 2000W que pasan a través de él se perderán como calor. He buscado por todas partes en la hoja de datos y hay muchas cosas que no entiendo, sobre todo este diagrama que sugiere que la temperatura aumenta a medida que la disipación de potencia disminuye. ¿No se supone que la relación debería ser al revés, mientras más potencia se pierde como calor más alta es la temperatura?

Si alguna de mis suposiciones es correcta, ¿cómo puedo calcular cuánta potencia se perderá al hacer funcionar mi motor de 500W a 24 voltios?

Answer 1

Primero, la potencia consumida en un componente es igual a la caída de voltaje de ese componente multiplicado por la corriente que lo atraviesa. El transistor tiene un \$V_{CE}\$ de 3V cuando la corriente del colector es de 20A, por lo que resulta en 60W.

Segundo, la curva de reducción de potencia funciona al indicarte la disipación que puedes permitir para una temperatura de caso dada. Lees horizontalmente hasta encontrar la temperatura de caso de diseño, luego verticalmente para encontrar la disipación permitida (o, por lo general, de la otra manera: en tu caso comenzarías con 60W, luego lees horizontalmente para encontrar que deberías diseñar para una temperatura de caso de alrededor de 135 grados C).

Tercero, necesitarás un disipador de calor para mantener la temperatura del caso baja, ya que ese componente no va a disipar 60W solo.

Cuarto (y más allá de lo que estabas preguntando), necesitas una corriente base de 200mA para mantener ese \$V_{CE}\$ de 3V, y eso implica empujar hacia una base a un voltaje de 4V. Definitivamente no vas a lograr eso con un pin GPIO de un microprocesador.

Answer 2

Usa un MOSFET en lugar de un NPN, estarás disipando mucha menos potencia de esa manera. Usar "Rdson" también facilita el cálculo de pérdida de potencia. También puedes considerar agregar un controlador de compuerta para ese tamaño de dispositivo.

Nunca compres un MOSFET clasificado para X amperios cuando pienses que necesitarás X amperios. Tu parte está clasificada para 20A si puedes mantener la parte suficientemente fría. A menudo no hay forma de proporcionar realmente tanta refrigeración. Utiliza la clasificación de corriente para cosas como la corriente de arranque (no la corriente de arranque del motor).

Calcula primero la disipación de potencia, trata de mantenerla baja para limitar tus requisitos de enfriamiento, y luego utiliza esa información como una especificación para encontrar la parte que necesitas.

Answer 3

Lo primero que hay que entender es que la disipación de potencia y la capacidad de manejo de potencia están relacionadas, pero no son lo mismo.

La capacidad de manejo de potencia es una calificación básica de cuánta corriente y voltaje puede soportar un dispositivo. Es una medida básica de la capacidad de un interruptor.

La disipación de potencia es la medida de la pérdida de potencia en el interruptor - en este caso, un transistor. Esto se debe a la caída I-R del colector al emisor. Esto es proporcional a la corriente del colector y al voltaje colector-emisor, Vce, en esa corriente. Por ejemplo, si Vce es 3V a 20A, la pérdida será de 60W.

Nota: Voy a sugerir que utilice un voltaje más alto que 5V para el motor - perder 3/5 partes de la potencia en el interruptor no parece un buen intercambio. La última vez que trabajé en algo con un 2N6284 fue para un servomotor que funcionaba con 30V.

Lo que el gráfico de derating te está diciendo es el límite seguro de disipación a una temperatura de la carcasa dada. A medida que la temperatura aumenta, el límite de operación seguro disminuye. Con una corriente de 20A y una disipación de 60W del ejemplo, el gráfico te dice que debes mantener la temperatura de la carcasa por debajo de 125 °C. En la práctica, eso significa un disipador de calor muy grande y posiblemente también un ventilador.

La ventaja de usar un FET es que no tienen la caída de Vce. En cambio, tienen resistencia en encendido, Rds (on), que puede ser muy, muy baja para un FET grande. También tendrán disipación por la caída I-R pero es considerablemente menor que para el transistor. Sin embargo, también tienen límites de operación seguros y requieren derating para temperatura elevada.

Un consejo: puedes combinar dispositivos en paralelo para aumentar la capacidad de manejo de potencia.

Answer 4

La hoja de datos significa que el transistor puede soportar 100V y pasar 20A de corriente, pero no ambos al mismo tiempo.

Por ejemplo, en tu circuito de conmutación (asumiendo que cambias los valores de resistencia y diodo a valores apropiados), cuando el motor está "apagado" el voltaje a través del transistor sería de 100V pero la corriente sería casi cero (unos pocos milivatios de fuga como máximo) y la potencia disipada en el transistor por la corriente de fuga sería del orden de 1W o menos.

Cuando el motor está "encendido", la mayor parte de los 100V caerán a través del motor, y la unión emisor-colector del transistor solo tendrá 1 o 2V a través de ella mientras el transistor está pasando 20A.

Entonces, la disipación de potencia por el transistor sería de alrededor de 20 o 40W, no de 2000W, aunque estuviera controlando una carga de 2000W.

Como han dicho otras respuestas, un dispositivo MOSFET sería un diseño mejor que un transistor de alta potencia para esta aplicación, pero la misma idea básica sobre el cálculo de la disipación de potencia todavía se aplica.

Answer 5

Como señala @Andrew_Morton, el 1n4148 no sería adecuado. Algunos diodos posibles para usar incluirían el FFPF15S60STU de Digikey o el 15SQ045 de Amazon. Algunos MOSFETs posibles en Amazon son RFP30N06LE, los cuales pueden ser controlados por un nivel lógico de salida de un Arduino. Sin embargo, como sugiere @hacktastical, 10A probablemente sea más corriente de la que un solo dispositivo puede manejar de manera segura sin un disipador de calor. Esto está determinado por la resistencia en conexión, la cual para esos MOSFETs en particular es de 0.05 ohm o más - si solo usas uno, necesitará disipar I^2*R_on = 5W. Esto requeriría unas cuantas pulgadas cuadradas de metal para un disipador de calor, o puedes atornillarlo a tu chasis (si tienes uno). Pero si quieres atornillarlo, necesitas usar un aislante ya que la pestaña metálica está conectada a uno de los terminales. Un MOSFET (de por ejemplo digikey) que ya está aislado es el BBL4001-1E; este se puede atornillar directamente al chasis. También puede ser controlado por niveles lógicos, y tiene una resistencia en conexión muy baja de 0.008 ohm o menos. (es decir, la potencia disipada a 10A es de 0.8W). Dependiendo de si estás encendiendo y apagando frecuentemente el MOSFET, el diodo puede tener la misma consideración sobre la disipación de potencia, pero peor porque puede tener hasta 2V a través de él y la potencia podría ser de 2V*10A=20W. Estará bien para operación ocasional pero necesitará un disipador de calor si por ejemplo estás modulando por ancho de pulso (PWM) para control de velocidad. El FFPF15S60STU mencionado al principio está aislado como el transistor y puede ser montado fácilmente. ¡Buena suerte con tu circuito!