Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

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Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon Zet0r am Freitag 24. April 2009, 12:23

Ich suche Formeln um die Eigenerwärmung einer Spule und eines Transistors zu berechnen. Wenn eine Spule vom Storm durchflossen wird, erwärmt sie sich ja, dadurch steigt der Innenwiderstand und der Strom sinkt, was durch die Spannungsquelle durch einen erhöten Strom ausgeglichen werden muss, was zu einer höheren Temperatur führt usw..... Irgendwann sollte sich ein Endwert einstellen. Dafür suche ich eine Formel/Ansatz. Das selbe für einen Transistor. Bisher habe ich dazu nichts passendes gefunden.

Gruß Zet0r
Zet0r
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon anders am Freitag 24. April 2009, 13:37

erwärmt sie sich ja, dadurch steigt der Innenwiderstand und der Strom sinkt, was durch die Spannungsquelle durch einen erhöten Strom ausgeglichen werden muss,
Warum muss ?
Die meisten elektromagnetischen Bauteile wie Relais oder Transformatoren leben ganz gut damit, dass bei Erwärmung der Strom etwas zurückgeht.

Wenn man grossen Wert auf ein konstantes Magnetfeld legt, speist man besser mit konstantem Strom anstatt mit konstanter Spannung.

Wie heiss die Wicklung bei einer gegebenen Stromstärke wird, hängt sehr von der Kühlung ab.
Bei kleinen Teile ist das Verhältnis von Oberfläche/Volumen grösser als bei grossen. Deshalb können sie die Wärme besser abführen und man kann den Draht höher belasten.
Ein praktikabler Daumenwert für Trafos der 50..100 VA-Klasse ist 3 A/mm2

Bei Transistoren kann man die zugeführte Leistung ja leicht messen.
Im Datenblatt gibt der Hersteller einen thermischen Widerstand in °C/W an, der aussagt wie stark sich der Chip gegenüber der Luft (R_theta_ja) oder der Montagefläche (R_theta_jc) erwärmt.
Damit und dem eventuellen Wärmewiderstand eines Kühlkörpers, sowie der höchstzulässigen Sperrschichttemperatur kann man dann die erlaubte Verlustleistung berechnen.
anders
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon Zet0r am Freitag 24. April 2009, 15:30

Danke für deine Antwort.

anders hat geschrieben:
erwärmt sie sich ja, dadurch steigt der Innenwiderstand und der Strom sinkt, was durch die Spannungsquelle durch einen erhöten Strom ausgeglichen werden muss,
Warum muss ?
Die meisten elektromagnetischen Bauteile wie Relais oder Transformatoren leben ganz gut damit, dass bei Erwärmung der Strom etwas zurückgeht.

Wenn man grossen Wert auf ein konstantes Magnetfeld legt, speist man besser mit konstantem Strom anstatt mit konstanter Spannung.

war auch so gemeint. Der Strom soll auch bei sich durch die Temperatur erhöhtem Widerstand konstant bleiben, also muss die Spannung erhöht werden.

anders hat geschrieben:Wie heiss die Wicklung bei einer gegebenen Stromstärke wird, hängt sehr von der Kühlung ab.
Bei kleinen Teile ist das Verhältnis von Oberfläche/Volumen grösser als bei grossen. Deshalb können sie die Wärme besser abführen und man kann den Draht höher belasten.
Ein praktikabler Daumenwert für Trafos der 50..100 VA-Klasse ist 3 A/mm2

Ich will ja keinen Spulendraht auslegen, sondern eine Formel für die Erwärmung. Wobei ich da inzwischen fündig geworden bin:
deltaT=PVerlust/EK
EK - Eigenerwärmungskoeff in [W/K]

Vielleicht hast du je für EK einen Daumenwert, das würde mir weiterhelfen. Die Spule soll nur durch stehende Luft gekühlt werden. Das die Oberfläche und vieles anderes mit reinspielt ist mir klar...

anders hat geschrieben:Bei Transistoren kann man die zugeführte Leistung ja leicht messen.
Im Datenblatt gibt der Hersteller einen thermischen Widerstand in °C/W an, der aussagt wie stark sich der Chip gegenüber der Luft (R_theta_ja) oder der Montagefläche (R_theta_jc) erwärmt.
Damit und dem eventuellen Wärmewiderstand eines Kühlkörpers, sowie der höchstzulässigen Sperrschichttemperatur kann man dann die erlaubte Verlustleistung berechnen.


Ich will ja nicht die erlaubte Verlustleistung ausrechnen. Sondern die Verlustleistung des Transistors X wenn er von einen konstanten Strom Y durchflossen wird, was eine Erhöhung seines Innenwid. zu Folge hat, was zu höheren Verlusten führt, wofür die Spannung erhöht werden muss damit der Strom konst. bleibt, usw....
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon derguteweka am Freitag 24. April 2009, 16:58

Moin,

Zet0r hat geschrieben:Ich will ja nicht die erlaubte Verlustleistung ausrechnen. Sondern die Verlustleistung des Transistors X wenn er von einen konstanten Strom Y durchflossen wird, was eine Erhöhung seines Innenwid. zu Folge hat, was zu höheren Verlusten führt, wofür die Spannung erhöht werden muss damit der Strom konst. bleibt, usw....


Sowas wird sehr unangenehm zum ausrechnen. Die "Widerstandsaenderung" des Transistors ueber die Temperatur ist ja sicher stark nichtlinear, wahrscheinlich irgendwie exponentiell mit zusaetzlich noch ein paar Dreckeffekten.
Angenommen du wuerdest sowas nur in einem kleinen Temperaturbereich betrachten wollen, dann koenntest du z.B. fuer den temperaturabhaengigen "Widerstand" der Transistorstrecke sowas annehmen:

R(T)=Ro*(1+a*(T-To)); mit Ro=Widerstand bei Temperatur T, a= Temperaturkoeffizient

Leistung ist dann:

P(T)=I²*R(T); mit z.b. I=const.

und Erwaermung des Transistors:

T=Tamb+P/Rth; Tamb= Umgebungstemperatur, Rth=Waermewiderstand in W/K)

Diese 3 Formeln kannst du jetzt ineinander einsetzen und z.b. nach P oder auch T aufloesen. Wird aber schon eher unangenehm. Noch unangenehmer, wenn die Widerstandsaenderung nicht mehr als linear angenommen werden kann. Dann wird die erste Formel noch etwas laenglicher, z.b. so:
R(T)=Ro+(1+a(T-To)+b(T-To)²+c(T-To)³+...
Die Koeffizienten a,b,c modellieren dann ein Polynom, mit dem du den exponentiellen oder wie auch immer angenommen Verlauf der Temperaturabhaengigkeit beruecksichtigst.
Aber selbst wenn du die ganzen Koeffizienten a,b,c... kennen wuerdest; damit laesst sich nicht wirklich schoen rechnen...

Gruss
WK
derguteweka
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon anders am Freitag 24. April 2009, 17:54

Sowas wird sehr unangenehm zum ausrechnen.
Ausserdem schreibt er ja nicht was für ein Transistor das sein soll. In den 60 Jahren seit der Erfindung sind ja nun doch schon mehrere Typen entwickelt worden.

Ich vermute aber, dass da sowieso an der falschen Schraube gedreht wird.
Wenn man eine Spule mit einem konstanten Strom versorgen will, dann baut man sich eine Konstantstromquelle und twiddelt nicht mit den paar Prozent Widerstandsänderung des Kupferdrahts herum.

Das gleiche gilt für den Transistor.
Anhand der abzusehenden Leistungsaufnahme berechnet man aus den veröffentlichten Daten, ob die zulässige Sperrschichttemperatur überschritten werden wird oder nicht.
Das wars dann auch schon.
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon Zet0r am Dienstag 5. Mai 2009, 12:34

Danke nachmals für eure Anworten.

anders hat geschrieben:
Sowas wird sehr unangenehm zum ausrechnen.
Ausserdem schreibt er ja nicht was für ein Transistor das sein soll. In den 60 Jahren seit der Erfindung sind ja nun doch schon mehrere Typen entwickelt worden.


Sagen wir mal, wir betrachten die Sache für einen N-Kanal MOS-FET wie dem BUZ11.

Für den sollte im Schaltbetrieb in einem PWM die Verlustleistung P=r(DSON)*I(D)^2 sein. Aus dem Datenblatt kann man ableiten (Figure 8 - Fairchild), dass sich R(DSON) bei delta T=100K verdoppelt, damit hätten wir den Temperaturkoeffizienten.

Jetzt gibt es im Datenblatt den "Linear Derating Factor". Dafür habe ich keine gute Übersetzung gefunden, aber der hat die Einheit W/°C. Ist das vielleicht sowas wie ein Eigenerwärmungskoeffizient oder wofür steht diese Bezeichnung?
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon anders am Dienstag 5. Mai 2009, 18:17

Dafür habe ich keine gute Übersetzung
Das ist die Reduzierung (De-) von Kennwerten (Ratings); hier bei steigender Temperatur.
Das Derating muss sich nicht auf die Verlustleistung beschränken. Häufig sind z.B. auch zulässige Spannungen davon betroffen.
anders
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon Zet0r am Mittwoch 6. Mai 2009, 07:05

anders hat geschrieben:
Dafür habe ich keine gute Übersetzung
Das ist die Reduzierung (De-) von Kennwerten (Ratings); hier bei steigender Temperatur.
Das Derating muss sich nicht auf die Verlustleistung beschränken. Häufig sind z.B. auch zulässige Spannungen davon betroffen.


Also sinkt die Verlustleistung mit zunehmender Temperatur?
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon Zet0r am Donnerstag 7. Mai 2009, 15:31

Zet0r hat geschrieben:
anders hat geschrieben:
Dafür habe ich keine gute Übersetzung
Das ist die Reduzierung (De-) von Kennwerten (Ratings); hier bei steigender Temperatur.
Das Derating muss sich nicht auf die Verlustleistung beschränken. Häufig sind z.B. auch zulässige Spannungen davon betroffen.


Also sinkt die Verlustleistung mit zunehmender Temperatur?


Die Frage hat sich inzwischen erledigt.
Zet0r
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon Zet0r am Freitag 8. Mai 2009, 09:21

Neue Frage: Ich versuche gerade die Aus-und Einschaltverluste des MOS-FETs zu berechnen. Dazu habe ich folgende Formel:
P=f*(E(ON)+E(OFF))

Jetzt stellt sich die Frage wie man auf diese Energien kommt. Ich vermute das diese durch Kapazitäten des FETs zustande kommen. Dafür müsste die Formel: E=0.5*C*U^2 gelten. Im Datenblatt gibt es folgende Kapazitäten:

Ciss Input Capacitance
Coss Output Capacitance
Crss Reverse Transfer Capacitance

Wie muss ich die Verrechnen? Wo /Wann liegen diese Kapazitäten an?

In einer anderen Quelle werden bei dem Thema Verluste die Kapazitäten C(Gate Drain ), C(Gate Drain) und C(Drain Source) erwähnt. Stehen die in einer Analogie zu den oben genannten?

Gruß Zet0r
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Re: Eigenerwärmung Spule/Transistor berechnen

Neuer Beitragvon anders am Freitag 8. Mai 2009, 10:07

Ich vermute das diese durch Kapazitäten des FETs zustande kommen. Dafür müsste die Formel: E=0.5*C*U^2 gelten.
Das stimmt nur zum Teil und die Sache ist wesentlich komplizierter.

Die Eingangs- und die Rückwirkungskapazität bestimmen im wesentlichen wieviel Steuerstrom und Steuerleistung man benötigt. Die zugehörigen Verluste entstehen aber hauptsächlich in der externen Schaltung, weil es sich bei den Kapazitäten um Blindwiderstände handelt und der ESR gering ist.
Weil die Rückwirkungskapazität Cgd auch recht gross ist, hat sie insbesondere dann einen grossen Einfluss, wenn der Ausgangsspannungshub hoch ist.
Auch die Art der Last, ob induktiv oder Widerstand, hat auf die Steuerleistung einen erheblichen Einfluss.

Die Ausgangskapazität und die Rückwirkungskapazität bestimmen hauptsächlich, welche Spannungsänderungsgeschwindigkeit sich beim Abschalten einer bestimmten Last am Ausgang erzielen lässt.
Im Ausgangskreis entstehen i.d.R auch die grössten Schaltverluste. Einerseits wird da beim schnellen Einschalten die in Cds und Cgd gespeicherte Energie in Wärme verwandelt, andererseits durchläuft die Ausgangskennlinie beim Abschalten einer Induktivität, bei Widerstandslast auch beim Einschalten, einen Bereich, in welchem gleichzeitig hoher Strom und hohe Spannung auftreten.
Dieser Bereich ist für das Gros der Schaltverluste verantwortlich und je schneller er durchfahren wird, umso geringer sind die Schaltverluste.
Zum schnellen Schalten braucht man aber viel Steuerleistung.

Weil, wie beschrieben, alle Transistoreigenschaften mit denen des Steuer- und Lastkreises wechselwirken, und die erwähnten Kapazitäten darüberhinaus stark nichtlinear sind,
ermittelt man das Verhalten einer konkreten Schaltung heute am besten mit einem Schaltungssimulator wie PSpice.
Die benötigten Transistormodelle, in denen praktisch das gesamte Verhalten des Transistors formuliert ist, stellen die Hersteller i.d.R. kostenlos zu Verfügung.
anders
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