Thermisches IC-Management
»Cool down« mit einem Thermistor
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Schaltprinzip zur Grenztemperatur-Erfassung
Schaltprinzip zur Grenztemperatur-Erfassung
Bild 3 zeigt eine einfache Schaltung mit zwei in Serie geschalteten PTC-Sensoren zur Überwachung von Grenztemperaturen. Zur Funktion: TR1 und die beiden PTC-Sensoren bilden einen Spannungsteiler, der den nicht invertierenden Eingang des als Komparator betriebenen Operationsverstärkers versorgt. TR1 wird so eingestellt, dass sein maximaler Wert etwa dem doppelten Widerstand des Werts der PTC-Serienschaltung bei 25 °C entspricht. Zur Feinjustierung kann der Wert von TR1 entsprechend eingestellt werden. In kaltem Zustand liegt am nicht invertierenden Eingang ein Potenzial, das kleiner als das Bezugspotenzial am invertierenden Eingang ist. Auf diese Weise liegt am Ausgang des Komparators negative Spannung an. Erreichen einer oder beide PTC-Sensoren die Grenztemperatur, ändert sich das Potenzial am Spannungsteiler und der Komparator schaltet auf ein positives Ausgangssignal, sodass der Transistor durchsteuert.
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Zwei Temperaturen mit einem Sensor erfassen
Neben PTC-Thermistoren lassen sich auch NTC-Thermistoren zur Temperaturüberwachung einsetzen. Dies gilt besonders dann, wenn eine höhere Anforderung an die Linearität der Kennlinie gestellt wird.
Wie sich eine solche Temperaturüberwachung zuverlässig mit NTC-Sensoren realisieren lässt, zeigt das folgende Praxisbeispiel zur Erfassung von zwei Temperaturen in einer Hochleistungs-Audioendstufe. Um die Abmessungen des Gehäuses möglichst klein zu halten, wurden die acht Ausgangstransistoren in TO3-Gehäusen samt der Emitter-Widerstände auf einer kombinierten Kühler-Lüfter-Einheit montiert. Dabei kommen vier separate Kühlkörper zum Einsatz, die punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Pro Kühlkörper wurden zwei Leistungstransistoren verbaut (Bild 4).
Ein besonderes Augenmerk wurde auf die thermische Überwachung der Ausgangstransistoren gelegt. Weil diese sich auf vier elektrisch wie thermisch gegeneinander isolierten Kühlkörpern befinden, muss jeder Kühlkörper überwacht werden. Dies ist wiederum darin begründet, dass es trotz ausgemessener Transistoren durch die Toleranzen zu einer leicht ungleichmäßigen Lastaufteilung kommen kann. Die thermische Überwachung muss in zwei Stufen erfolgen: Sobald ein oder mehrere Kühlkörper eine Temperatur von 85 °C erreichen, muss der Lüfter eingeschaltet werden. Außerdem muss beim Erreichen einer Temperatur von rund 100 °C ein Lastabwurf erfolgen. Diese doppelte Funktion sollte mit einem einzigen Temperatursensor erfüllt werden. Sehr gut geeignet sind dafür die Epcos-NTC-Sensoren der Serien K45 oder M703 (Bild 5).
Für die Realisierung wurde für jeden der vier Kühlkörper ein Typ K45 mit einem R25 von 10 kΩ gewählt (B57045K0103K000). Laut Datenblatt liegt bei 85 °C das Widerstandverhältnis RT/R25 bei 0,089928, was einem Widerstand von rund 900 Ω entspricht. Bei 100 °C ergibt sich ein Wert von etwa 550 Ω. Für die doppelte Temperaturmessung ist eine Schaltung mit zwei Komparatoren erforderlich. Die komplette, realisierte Schaltung zeigt Bild 6.
Mit den beiden Spindeltrimmern R7 und R8 (je 2,2 kΩ) werden die Referenzwerte für die beiden Schaltschwellen eingestellt. Diese liegen bei den erwähnten 900 bzw. 550 Ω. Für die erforderlichen acht Komparatoren (U1A – U1D und U2A – U2D) wurden kostengünstige Operationsverstärker des Typs LM324 verwendet. Bei einem mehrstündigen Test unter Volllast im Brückenbetrieb schaltete der Lüfter zuverlässig bei 85 °C ein. Da das System thermisch relativ träge ist, konnte auf eine sonst übliche Hysteresebeschaltung der Komparatoren verzichtet werden. Um das Freischalten bei hoher Temperatur zu testen, wurde bei einem anschließenden Versuch die Endstufe mit abgeklemmtem Lüfter betrieben. Die ermittelte Freischalttemperatur lag bei 103 °C. Durch Feinjustierung mit R8 konnte dieser Wert auf genau 100 °C eingestellt werden.
Der Autor
| Christoph Jehle |
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studierte an der FH Augsburg Elektrotechnik mit Schwerpunkt Nachrichtetechnik. Er ist seit 2000 bei der Epcos AG als Manager für die Technologie- und Produkt-Kommunikation tätig.
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christoph.jehle@epcos.com
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