Leistungstransistoren und Anwendungen

Auszug

Leistungstransistoren sind ausgelegt für relativ große Ströme und Verlustleistungen (> 10 W). Ihr „thermischer Innenwiderstand“ ist kleiner als 15 K/W. Die dem Transistor zugeführte und in Wärme umgesetzte (Verlust-) Leistung P muss notfalls über einen Kühlkörper nach außen so abgeleitet werden, dass eine übermäßige Erwärmung des Kristalls vermieden wird. Bei Ge-Transistoren darf die Sperrschichttemperatur Tj höchstens auf 75 … 90 °C ansteigen, bei Si-Transistoren auf 150 … 200 °C. Im stationären Zustand gilt für die „totale“ Verlustleistung eines Bipolartransistors:

$$ P_{tot} = U_{CE} \cdot I_C + U_{BE} \cdot I_B \approx U_{CE} \cdot I_C $$

(1)

$$ {Damit erh\ddot alt man:T_j = P_{tot} \cdot R_{thJU} + T_U } $$

(2)

für die Temperatur der besonders beanspruchten Kollektor-Basis-Sperrschicht. R_thJU ist der gesamte Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht und der Umgebung, T_U ist die Umgebungstemperatur. Nach Bild 1 setzt sich der Wärmewiderstand R_thJU entsprechend dem Wärmefluss über verschiedene Schichten aus der Reihenschaltung mehrerer Einzelwiderstände zusammen. Der Teilwiderstand R_thJG zwischen Sperrschicht und Gehäuse ist vom System her als „thermischer Innenwiderstand“ fest vorgegeben. Bei angeflanschtem Kühlkörper folgt darauf der Wärmeübergangswiderstand R_thGK zwischen Gehäuse und Kühlfläche und anschließend noch der Wärmewiderstand R_thK des Kühlkörpers. Ohne diesen ist der wesentlich größere Wärmewiderstand R_thGU wirksam. Bild 1b stellt die Zusammenhänge im Ersatzbild dar, und Bild 2 gibt dazu Richtwerte an. Anhand der Werte für R_thgu erkennt man, dass ein Transistor im TO 3-Gehäuse nur 3 … 4 W ohne Kühlkörper in normaler Umgebung verträgt. Für das Gehäuse TO 220 sind höchstens 2 W zulässig und für TO 5 etwa 1 W.