Hilfe bei der Berechnung der Wärmeableitung auf Kunststoff-Dual-in-Line-DIP-Paketen (DIP-8 opamp)

Die Frage bezieht sich auf die maximale Wärmeableitung des Chips (und nicht auf die Effizienz oder Korrektheit dieses Designs).

Die Schaltung ist recht einfach: Schalten Sie 30 Dual-Operationsverstärker in einem 8-poligen DIL-Gehäuse (dh 60 Operationsverstärker parallel in einer Einheitsverstärkungskonfiguration) parallel, um eine 4-Ohm-Last zu steuern. Für jeden Operationsverstärker gibt es einen 5-Ohm-Widerstand (Rout) an seinem Ausgang, um zu vermeiden, dass sie sich gegenseitig bekämpfen.

Vin ist eine Sinuswelle von 1 kHz (ca. 12 VACmax). Theoretisch wären 12 VAC an 4 Ohm 36 W bei 3 A. Diese Aufteilung durch 60 Operationsverstärker bedeutet ungefähr 600 mW bei 50 mA Last pro Operationsverstärker.

R = 4 Ohm

Kein Chip=30

Kein Operationsverstärker = 60

RShared = 4 Ohm * 60 Operationsverstärker = 240 Ohm

Router einzeln = 5 Ohm

RL = RShared + Router = 240 + 5 = 245 Ohm

Ich nehme also an, dass jeder Operationsverstärker stromartig mit 245 Ohm geladen wird. (Richtig?)

Dann muss ich die Gehäuseableitung für ein DIL-8-Pin-Kunststoffgehäuse berechnen:

Tjmax = 150°C

OJA = 130 °C/W (8-BLEI-PDIP-PAKET) aus dem Datenblatt

Aktuelles Maximum (aus Datenblatt) für jeden Operationsverstärker ist

ISmax = 8,7 mA

Vs+ = 15 V

Vs- = -15 V

PSupply Max für jeden Operationsverstärker = (15 + 15 ) * 8,7 = 261 mW

Im Datenblatt heißt es (Seite 10): "Die Verlustleistung im schlimmsten Fall tritt beim maximalen Versorgungsstrom auf und wenn die Ausgangsspannung 1/2 einer der beiden Versorgungsspannungen beträgt (oder der maximale Hub, wenn sie weniger als 1/2 der Versorgungsspannung beträgt)".

Für jeden Verstärker ist PDMax:

PDMax jeweils=

= PSupply Max + (Vs+/2)^2/RL

= 261 mW + 230 mW = 491 mW

Für Gesamtchip (Dual-Operationsverstärker):

PDMax-Chip = PDMax pro Stück * 2 = 982 mW

TJ-Chip: Tj= TA + (PDMax * 130 °C/W) = TA + (0,982 * 130) = TA + 128°

TA Max = Tj Max - 128° = 150° - 128°= 22° (<< 70°C !!!)

Da meine Umgebungstemperatur 25° oder sogar darüber beträgt, würde jeder Kühlkörper auf den DIP 8-Chips nicht funktionieren, und wird mein Verstärker auf jeden Fall rauchen ?

Ich muss wirklich den Operationsverstärker ändern oder die Anzahl der Operationsverstärker erhöhen oder dieses Projekt aufgeben?

Ist das richtig? Sind alle obigen Annahmen richtig? Vielen Dank.

HIER IST DER LINK ZUM DATENBLATT

Paralleler Operationsverstärker

150 °C ist eine schrecklich hohe Sperrschichttemperatur für einen zuverlässigen Betrieb, insbesondere in einem Kunststoffgehäuse. Eher eine Lagertemperatur. Bitte verlinken Sie das vorgeschlagene Operationsverstärker-Datenblatt. Was ist Ihre vorgeschlagene maximale Umgebungstemperatur um die Leiterplatte herum?
Das Datenblatt war am Ende der Nachricht bereits in blau verlinkt. Chips sind auf Sockel montiert und die Luft im Gehäuse wird ungefähr 40 (max. 50) Grad betragen, kann ich mir vorstellen. Es wird kein Lüfter mitgeliefert. Danke
Ich habe Ihr Eröffnungsstatement gelesen, aber könnten Sie trotzdem die Begründung für ein solches Design liefern? Warum haben Sie sich für diesen Operationsverstärker entschieden und welches Problem versuchen Sie zu lösen? Dadurch wird die Frage verbessert und für andere Personen, die die Website durchsuchen, nützlicher. Es wird auch den Weg für allgemeinere Antworten ebnen.
(7.5)^2/245 <> 57mW
Sie sollten auch mit den RMS-Werten rechnen.
Ich bearbeite neu, aber wie berechne ich die RMS-Werte?
Wenn Ihre 12 V pk-pk 12 / sqrt (2) als durchschnittliche Spannung von ~ 8,5 V verwenden. Es wird aber keinen großen Unterschied machen. 6,5 ^ 2/245 = 172 mW Durchschnitt plus diese schrecklichen 261 mW = 433 mW
Das hilft und bedeutet einen TAmax von 37°. Vielleicht überlebt der Verstärker mit dem Kühlkörper bei 30°C im Gehäuse?
@GianlucaG Ich hoffe, Sie haben einen guten Lüfter in diesem Gehäuse oder es wird nur ein Ofen sein.
Ich habe eine Simulation auf LT Spice durchgeführt und es gibt mir 298 mW Disspation pro Ampere, dh 596 mW pro Chip ... viel weniger als 866 mW ... Ich hoffe, das Ergebnis ist korrekter als die obige Mathematik ...
Laut LTspice beträgt die maximale Verlustleistung 328 mW pro Operationsverstärker bei ~ 10 V Spitze = 7,07 Veff Sinuswelleneingang. Beachten Sie, dass der Operationsverstärker bei ~13,5 V Spitzeneingang zu clippen beginnt, sodass der maximal mögliche Sinuswellenausgang ~9,2 Vrms beträgt (mit 287 mW Verlustleistung pro Operationsverstärker).
LTspice ist etwas konservativer, da es einen typischen Ruhestrom von 6,3 mA (pg3 des Datenblatts) berücksichtigt, also eine Verlustleistung von nur 189 mW pro Operationsverstärker (statt maximal 261 mW) ohne Wechselstromsignal. Die Simulation ist also korrekt, wenn sie nach durchschnittlichen/typischen Werten erfolgt. Durch die Verwendung dieser plus einer RMS-Verlustleistung von durchschnittlich 172 mW würden wir 361 mW (722 mW insgesamt) erhalten, was einen TAmax von 56 ° bedeutet, der mit einem Kühlkörper erreichbar zu sein scheint. Das Projekt sieht noch lebendig aus, oder?

Antworten (2)

Das Problem mit dieser Mathematik ist, dass sie theoretisch funktioniert, aber in der Praxis weit davon entfernt sein kann.

Die Mathematik funktioniert nur, wenn alle 60 Operationsverstärker genau im Einklang arbeiten. Das ist eine große Bitte. Jede Ausbreitungsverzögerung im Eingangssignal vom ersten zum letzten Operationsverstärker erzeugt eine stehende Welle mit höherem Strom durch die Geräte. Darüber hinaus verursachen Abweichungen in Verstärkung und Anstiegsrate von Gerät zu Gerät Hotspots in Ihrem Array. Diese Effekte fügen Ihrem resultierenden Ausgangssignal auch eine Verzerrung hinzu.

Dies sind die Gründe, warum wir Geräte normalerweise nicht (oder mehr) verdoppeln, um den Stromantrieb zu erhöhen.

Okay, Ihre Versorgungsstromzahl ist etwas niedrig (9 mA ist das Maximum aus dem Datenblatt, 8,7 mA ist für +/- 5 V). Das sind also 18 mW mehr, also ein paar Grad mehr Erwärmung.

Wenn Sie bis zur absoluten maximalen Sperrschichttemperatur von 150 °C arbeiten, gelten die Zahlen für eine maximale Umgebungstemperatur von etwa 65 °C. Wenn Ihr Gerät niemals bei einer höheren Temperatur (um den Chip herum) arbeiten muss und der Wärmewiderstand in einer Steckdose 130 ° C / W beträgt, ist alles in Ordnung. TI schlägt eine Leistungsminderung von 5-10 % für gesockelte Teile vor, was dem Schnitt näher kommt. Es wird auch aufgrund eines Gehäuses einen gewissen Anstieg geben.

Wenn dies jedoch nur für Wechselstromsignale verwendet wird, ist Ihre durchschnittliche Verlustleistung erheblich geringer. Die obige Zahl gilt für den etwas pathologischen Fall eines DC-Signals, das genau auf der Ausgangsspannung des schlimmsten Falls gehalten wird.

Ein Kühlkörper kann nicht schaden (es sei denn, er löst sich und schließt etwas) und er könnte die Sperrschichttemperaturen etwas niedrig und weiter von dieser absoluten Höchstgrenze von 150 ° C entfernt halten, was die Zuverlässigkeit verbessert.

Ich habe auf Seite 4 8,7mA +/-15V genommen, wie es der Lieferant auf Seite 10 im Beispiel getan hat. Danke
Außer @GianlucaG hat diese Mathematik durcheinander gebracht = 0,261 + (7,5) ^ 2/245 = ~ 490 mW pro Hälfte.
Ohh Scheiße !!! Du hast Recht. Und tatsächlich klang etwas seltsam, aber ich wusste nicht wo. Ich habe es komplett neu bearbeitet, aber jetzt habe ich ein dramatisches Problem, da ich keine Lösung sehe. Jetzt brauche ich wirklich eine zusätzliche Hilfe, um es zu lösen, da ich denke, dass der Kühlkörper nicht helfen wird. Richtig?
Ah, Mist, warte, er hat 980 mW. Ist das nicht richtig? Aavid hat einen aufsteckbaren Kühlkörper, der 30 Grad C/W für Dip-8 beansprucht. Eine dieser teuren anisotropen Platten für einen einzelnen Kühlkörper könnte funktionieren, würde jedoch Tests mit Thermoelementen erfordern. Eine lineare Anordnung, nicht XY, wird senkrecht zur natürlichen Konvektion bevorzugt.
@SpehroPefhany Ich vermute immer noch, dass dies ein XY-Problem sein könnte, es sei denn, es handelt sich um einen Proof of Concept, dass Operationsverstärker parallel geschaltet werden können. Ich habe das OP aufgefordert, weitere Hinweise zu geben, warum er dies tut, habe aber keine Antwort erhalten. Die 4-Ohm-Last riecht nach Lautsprecher und die Arbeitsfrequenz liegt im Audioband. Könnte dies ein Versuch sein, eine Sirene zu bauen, die das richtige Endstufendesign umgeht?
@LorenzoDonati Nun, es ist (mehr oder weniger) seine Sache, aber ich vermute, es ist ein extrem audiophiler Audioverstärker. Dreißig 5-Dollar-Chips pro Kanal würden dort passen, und es ist eigentlich nicht verrückt - mein Agilent-Funktionsgenerator verwendet ein paar Verstärker parallel für 50R-Ausgang Z. Natürlich kann eine reaktive Last andere Fragen aufwerfen, die außerhalb des Rahmens dieser liegen.
Ja, das wird mein persönlicher selbstgebauter 10-W-Audioverstärker. Steuert normalerweise einen 8-Ohm-Lautsprecher, aber eine 4-Ohm-Simulation ist der schlimmste Fall. Ich werde eine Mischung aus zwei verschiedenen Video-Operationsverstärkern verwenden, die ich bereits kenne und deren Musikalität gefällt.
Können Sie bitte vorschlagen, ob es besser ist, dreißig Aavid 580100B00000G 30C/W (einen pro Chip) oder zwei Kühlkörper FISCHER 81/50/SA 3C/W mit Wärmeleitpad (einen pro 15 Chips) zu verwenden??
Ich habe keine Kristallkugel, was am Ende besser wäre. °C/W bevorzugt den angegebenen Aavid (unter bestimmten Bedingungen ...), aber es gibt viele Variablen, z. B. ob die Kühlkörper freiliegen oder nicht, ihre Ausrichtung und so weiter. Wenn Sie keine Tests durchführen können oder wollen und die Kühlkörper freigelegt haben können, ist Aavid wahrscheinlich eine sicherere Vermutung. Der Chip ist nicht allzu gut thermisch an die Epoxidoberfläche gekoppelt – am Leadframe kommt normalerweise die Wärme heraus.
Tut mir leid, Sie wieder zu langweilen, aber um den Kühlkörpereffekt zu berechnen, muss ich wissen, was der Rjc-Übergang zum Gehäusewert in C / W für den obigen Kunststoff-DIP8 ist. Kann ich von 40-50 C/W ausgehen?
Schauen Sie sich ähnliche Pakete an, z. CS2842A sagt 52 K/W.
Nun, ich glaube, ich komme endlich zum Ende. Nehmen wir an, Rjc = 52C/W. Ich werde zwei Kühlkörper (100 mm * 90 mm * 17 mm) mit 1,7 C / W verwenden, die alle 15 Geräte (oder 30 Operationsverstärker) mit Wärmeleitpad (0,34 C / W) abdecken. Der schlimmste Fall gemäß der Lieferantenformel ist die Verlustleistung von 980 mW pro Chip. Also: T.amb= 55°C in geschlossenem Gehäuse, ruhige Luft T.heatsink= 55°C +0.98*15*1.7 C/W= 80°C T.case= 80°C +0.98*15*0.34 C/W = 85°C T.junc= 85°C +0.98*52 C/W = 135°C = 90% T.junc max !!
Klingt gut (Wortspiel beabsichtigt).
Hilfe bei der Berechnung der Wärmeableitung auf Kunststoff-Dual-in-Line-DIP-Paketen (DIP-8 opamp)
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