Warum ist mein Transistor kaputt gegangen?

Betrachten wir dieses Gerät, das ich gebaut habe: Es ist im Wesentlichen eine Stromversorgung für einen 24-V-Gleichstrommotor. Die Stromversorgung wird gemäß einem geeigneten Steuersignal (das ein Relais ansteuert) ein- und ausgeschaltet, was im Moment nicht wichtig ist, da es immer auf EIN gestellt wurde, während das Gerät arbeitete.

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Konzentrieren wir uns auf den letzten Teil der Schaltung mit dem Motor, der Sicherung von 10 A und dem Transistor BUV20 .

Der Motor sollte einen durchschnittlichen Strom von 8 A bei 24 V benötigen und BUV20 kann 50 A liefern. BUV20 wird durch einen Lüfter (links im Bild gezeigt) und einen Metallkühlkörper (mit Wärmeleitpaste) gekühlt. Die Nennspannung des Motors beträgt 24 V, aber ich habe ein Potentiometer eingebaut, um seinen Wert zu bestimmen (im Allgemeinen verwende ich eine Spannung zwischen 17-20 V, da ich dessen maximale Drehzahl nicht benötige.)

Das Gerät arbeitete mit diesen Spannungswerten, dann begann es plötzlich mit übertriebener Geschwindigkeit zu rotieren. Dann stoppte die 10A-Sicherung nach einigen Sekunden. (Vielleicht, weil es eine Verzögerungssicherung ist.)

Nach diesem Ereignis habe ich die Sicherung von 10A überprüft und sie ist defekt. Dann habe ich den Kollektor-Emitter-Widerstand von BUV20 gemessen und gesehen, dass er 0 ist.

Meine Meinung ist also, dass BUV20 während des Betriebs kaputt gegangen ist und seine Kollektor- und Emitteranschlüsse kurzgeschlossen sind. Dem Motor wurden also 27 Vpeak zugeführt, der mit überhöhter Drehzahl zu laufen begann.

Was könnte die Ursache für dieses Transistorproblem sein? Ich kann es mit einem anderen BUV20 ersetzen, aber ich denke, sein Unfall ist möglicherweise nicht zufällig, und es kann ein Designproblem geben. Was kann also die Ursache für einen Kollektor- und Emitterkurzschluss sein, während der Transistor arbeitet? Eine Motorspitze, ein Transistordefekt usw. Haben Sie einen Rat?

AKTUALISIEREN:

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Unter Ihren großartigen Ratschlägen habe ich die folgenden Änderungen an meiner Schaltung (in Rot) vorgenommen, mit auch anderen zusätzlichen Elementen, die ich selbst eingefügt habe:

  1. Ein 100-nF-KONDENSATOR am Vorspannungsnetzwerk des BDX53C, um schnelle Schwankungen der Vorspannung beim Bewegen des Potentiometers zu vermeiden.

  2. Die ursprüngliche träge Sicherung von 10 A wurde durch eine SOFORTIGE SICHERUNG VON 10 A ersetzt . Dies liegt daran, dass die verzögerte Sicherung erst nach einigen Sekunden durchgebrannt ist und diese Zeit ausgereicht hat, um den Transistor zu brechen.

  3. Parallel zur Basis-Emitter-Verbindung des BUV20 wurde eine REVERSE-DIODE geschaltet.

  4. Parallel zum Motor ist eine ZENER-DIODE VON 24 V, 5 W geschaltet. Dies ist kein vollständiger Schutz, folgt aber dieser Logik: Wenn BUV20 bricht und Kollektor und Emitter verkürzt werden (wie beim letzten Mal), legt die Zenerdiode nur 24 V an den Motor und nicht möglicherweise 27 V der Kollektorspannung. Dieser Zener wird in diesem Zustand nicht viel überleben, aber er gibt den anderen Schutzsystemen Zeit zum Aktivieren (beachten Sie, dass 24 V die maximale Spannung meines Motors ist, sodass der Motor in dieser Zeit sicher ist).

  5. Ein KOMPARATOR , der einen Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter des BUV20 aufgrund seiner Unterbrechung erkennt. Ich habe die Widerstände so ausgelegt, dass der Komparatorausgang niedrig wird, wenn die Emitterspannung über 23 V liegt (was unter meinen Betriebsbedingungen nicht passieren sollte). und eine digitale Logik (genau ein Arduino-System) schaltet das Relais aus, das den BDX53C versorgt.

Was haltet ihr von diesen Messungen? Soll ich sie ändern oder andere Schutzmaßnahmen einfügen?

Meine Hauptziele sind, in absteigender Reihenfolge:

  1. Schutz des Motors
  2. Schutz des BUV20
  3. Schutz anderer Elemente
Da Motoren eine induktive Last sind, kann es beim Ein- und Ausschalten zu schädlichen Spannungsspitzen kommen. Ich würde eine Flyback-Diode parallel zum Motor sehen wollen, um diese Spitzen in Schach zu halten. Aber warum verwenden Sie keine geschaltete / PWM-Lösung, um die Motordrehzahl zu steuern? Ihr Design sieht in dieser Hinsicht sehr "vintage" aus.
Vielen Dank für Ihre Ratschläge. Ich habe ein Potentiometer verwendet, da es eine schnelle Lösung war, aber ich werde es in Zukunft durch eine PWM-Lösung ersetzen. Über die Flyback-Diode, wie kann ich sie auswählen? Wie kann ich den Serienwiderstand wählen?
Das ist aus so vielen Gründen keine gute Strecke. Aber Sie wollen nur wissen, warum es bricht. Hinweise, gute, hast du hier schon. Aber lassen Sie mich einfach eine Frage stellen. Haben Sie versucht, dies in eine einfachere Schaltung umzuwandeln und dann zu analysieren? Ist es möglich, dass Ihnen die Beta ausgeht? Unter der Annahme, dass dies möglich ist, wie würde die Motorinduktivität darauf reagieren?
@jonk Ich verstehe, dass es keine so gute Schaltung ist. Es ist eines meiner ersten Stromversorgungsgeräte, daher bin ich kein Experte. Was raten Sie, um zu vermeiden, dass die Beta ausgeht?
Ich würde diese Schaltung nicht einmal in Betracht ziehen. Ich kann Ihnen also nicht sagen, was ich tun würde, um die Beta zu reparieren. Ich habe Sie nur gebeten, sich vorzustellen, was passieren könnte, wenn das Beta zusammenbricht (es ist nicht fest gegenüber dem Kollektorstrom). Wenn der Motorstrom ansteigt und das Beta nicht nur erschöpft ist, sondern sich als Reaktion darauf entgegengesetzt zu bewegen beginnt (was es kann tun), dann befindet sich der Induktor plötzlich in einer unmöglichen Situation. Wie denkst du wird es reagieren?
Wenn der Strom dann abnehmen muss, besteht die einzige mögliche Reaktion der Induktivität im Motor darin, die angelegte Spannung umzukehren. Nur so kann der Strom sinken, um das verfügbare Beta zu erreichen. Aber die Umkehrung bedeutet, dass der BUV20-Emitter hart negativ gezogen wird. Dies erzeugt einen sehr großen VCE bei hohem Strom, eine extrem hohe sofortige Verlustleistung und eine extrem schnelle interne Punktübergangserwärmung ohne Zeit, sich auf das Gehäuse auszudehnen.
Die negative Spannung ist das, was erforderlich ist, um genügend Basisstrom durch Ihr Teilernetzwerk zu ziehen, um die modifizierten Beta-Anforderungen zu erfüllen. Das könnte durchaus ausreichen, um die Kreuzungen zu knallen. Ich würde wahrscheinlich zuerst eine konstante Spannung anlegen wollen, aber mit einer allmählichen Strombegrenzung, die übernimmt. Eine sanfte Reaktion, die es dem Motor ermöglicht, seinen Betriebsstrom ohne plötzliche Spannungsumkehr zu erreichen. Oder verwenden Sie PWM, wie bereits erwähnt.
Beachten Sie, dass ich nicht davon ausgegangen bin, dass Sie die Dinge ausgeschaltet haben. Es ist bereits ein Problem ohne dieses zusätzliche Problem. Das Hinzufügen dieses Problems macht es nur noch komplizierter. Motoren, insbesondere 8-A-Motoren bei 24 V und damit etwa 200 W, sind kein Kinderspiel zu fahren. Ihre Schaltung ist weit außerhalb ihrer Liga.

Antworten (3)

Was kann die Ursache für dieses Transistorproblem sein?

  1. Es wurde zu viel Wärme erzeugt und die Transistoreinbauten erlitten ein Schmelzen.

Sie haben nicht erwähnt, wie viel Kühlkörper Sie auf den Transistor angewendet haben, also ist dies ein definitives Vielleicht.

  1. Gegen-EMK vom Gleichstrommotor überstieg die Sperrvorspannung für den Basis-Emitter-Übergang.

Dies ist auf -7 Volt ausgelegt, also seien Sie sich dessen bewusst. Versuchen Sie, eine Sperrdiode über Basis und Emitter zu legen. Ich würde auch einen 100-nF-Kondensator über den Motor legen, denn wenn das Potentiometer leicht stottert und am Emitter eine sich stark ändernde Bedarfsspannung erzeugt, ist die von der Induktivität des Motors erzeugte Gegen-EMK hoch (möglicherweise Hunderte von Volt).

Legen Sie auch einen 100-nF-Kondensator über R2 (um den Pot-Ausgang stabil zu halten).

Überprüfen Sie auch, dass der BDX53C nicht gelitten hat - dies könnte ein weiterer Hinweis sein - vielleicht ist der BDX53 platzt (aufgrund der umgekehrten Basis-Emitter-Spannung (er ist nur auf 5 Volt ausgelegt) und hat seinerseits den BUV20-Ausgangstransistor zerstört.

Vielen Dank für Ihre Ratschläge. Ich würde sagen, dass das Problem nicht die Hitze ist, da der Transistor nach dem Unfall nicht so heiß war. Also werde ich es mit einem anderen BUV20 ändern und den Kondensator und die Sperrdiode einsetzen. Dann teste ich das Gerät nochmal. Über die Sperrdiode, wie kann ich sie und ihren Serienwiderstand wählen, wenn ich jetzt nicht die möglichen Werte der Gegen-EMK kenne?
Sie sollten in der Lage sein, mit einer 1N400x-Diode über Basis und Emitter davonzukommen.
Perfekt, danke. Warum brauche ich keinen Vorwiderstand?
Welcher Vorwiderstand?
Ein Vorwiderstand für die Sperrdiode.
Es sollte keinen brauchen - es würde über Basis und Emitter gehen und braucht keinen Widerstand. Wenn Sie eine schlaue Idee haben, sollten Sie vielleicht eine Schaltung zeichnen und mich nachsehen lassen?
@Kinka-Byo Wenn Sie festgestellt haben, dass diese Antwort Ihr Problem gelöst hat, sollten Sie sie als die richtige Antwort akzeptieren.
Perfekt, eine letzte Frage: Warum sollte ich die Diode zwischen Basis und Emitter statt parallel zum Motor platzieren (was ich im Internet sehe, ist eine übliche Konfiguration). Was ist, wenn ich eine Diode zwischen Basis und Emitter und eine weitere Diode parallel zum Motor stecke? Wird es sicherer?
@Kinka-Byo Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun, und meine Empfehlung über Basis und Emitter spricht direkt an, warum ich denke, dass der Transistor kaputt gegangen ist. Möglicherweise werden Sie feststellen, dass Sie beide Methoden benötigen. Nochmals, wenn Sie einen Plan haben, posten Sie ihn und ich werde einen Blick darauf werfen.
@Andy aka Entschuldigung, dass ich diese Klarstellung gefragt habe, aber wie soll ich die Sperrdiode anschließen? Anode an Basis und Kathode an Emitter?
Um den Basis-Emitter eines NPN-Transistors vor übermäßiger Sperrspannung zu schützen, ist die Anode mit dem Emitter verbunden. Denken Sie daran, dass Sie möglicherweise auch andere Schutzmaßnahmen ergreifen müssen, und ich habe Ihnen geraten, einen Stromkreis zu zeichnen und mich ihn sehen zu lassen.
@Andy alias Nochmals vielen Dank. Ich habe meine Änderungen mit meinem endgültigen Schaltplan in die Frage gestellt. Was halten Sie von all diesen Schutzsystemen?
@Kinka-Byo Ich würde wahrscheinlich 100 nF über den Motor legen, um Störungen zu erkennen. Ich bin mir nicht sicher, ob der Zener nur für 5 Watt und 24 Volt ausgelegt ist. Ihre Stromversorgung könnte 27 Volt betragen und bei vollem Motorantrieb kann der Zener durchbrennen.
Perfekt, vielen Dank!

Üblicherweise befindet sich die Last beim Schalten auf der Kollektorseite. Jetzt gibt es mehr Verluste, da die Last mit einer Emitterfolgerkonfiguration betrieben wird.

Eine andere Sache ist, dass der Darlingon die Basis des Leistungstransistors ohne Strombegrenzung direkt mit der Versorgungsspannung verbindet. Es ist möglich, dass das Einschalten des Leistungstransistors Vbe und Ib des Leistungstransistors überschritten hat und dieser kaputt gegangen ist.

Auch der Zerstörung des Leistungstransistors durch induktiven Rückschlag beim Abschalten der Last steht nichts entgegen.

Zwei offensichtliche mögliche Fehlerursachen (unter der Annahme eines angemessenen Kühlkörpers am Transistor. Da konstruktionsbedingt Vbe * 3 oder mindestens 2 V am Transistor anliegt, verschwenden Sie hier viel Strom, mindestens 16 W bei 8 A. Tatsächlich sogar unter Nennbedingungen , 25 V Eingang, 17 V Motor, 8 A Strom, Sie verbrauchen im Transistor 64 W. Mit Theta (jc) = 0,7 C / W ist der Übergang 45 C wärmer als das Transistorgehäuse, das wärmer ist als der (unbekannte) Kühlkörper. .verstehen Sie das Bild?Und das ist bei 8A ... aber siehe unten)

  1. Sperrspannungen während induktiver Spitzen. Dies könnte ein umgekehrter Basis-Emitter-Durchbruch sein ... nur wenige V, wie Andy betont. Eine Sperrdiode über BE gibt das Problem nur an den Treibertransistor zurück. Schließen Sie auch eine an die Versorgung an, und beachten Sie, dass es sich um schnelle Dioden handeln muss, nicht um 1N4007s.

  2. Überhöhter Strom (kombiniert mit Vce>2V und der SOA-Kurve im Transistordatenblatt). Sie gehen davon aus, dass der Motor nur 8 A verbraucht, aber wenn der Transistor kurzgeschlossen wird, brennt die 10-A-Sicherung durch. Der Motorstrom übersteigt also eindeutig 10A. Beim Starten kann ein 8-A-Motor sogar 50 A überschreiten: Überprüfen Sie die Nennstromfestigkeit im Datenblatt. Es wird dies vorübergehend aufnehmen, und wenn es übermäßig belastet wird, wird es während des Betriebs mehr als seinen Nennstrom aufnehmen.

Es kann also vorübergehend mehr als 50 A (Pop!) Nehmen, oder es kann während des Betriebs genug nehmen, dass in Kombination mit dem ziemlich hohen Vce (entweder vom Treiber oder der Tatsache, dass dies ein Linearregler ist) der SOA überschritten wird.

Und es gibt in diesem Datenblatt weder eine Kurve für den sicheren Betriebsbereich (SOA) noch sekundäre Ausfallspezifikationen, also ... wie kann man eine SOA-Verletzung feststellen?

Messen Sie den Start- und tatsächlichen Betriebsstrom, um festzustellen, ob dies das Problem sein könnte.

Es kann besser sein, also einfach zu einem PWM-Motorcontroller zu wechseln, der viel Strom spart, anstatt diesen zu reparieren.

Vielen Dank für Ihre Antwort. Können Sie mir sagen, warum eine PWM-Motorsteuerung diese Probleme lösen sollte? Wenn ich die Basisspannung des BUV20 mit einem PWM-Signal steuere, warum sollte dies diese Probleme lösen?
Weil es unter Ihren Nennbedingungen etwa 60 W weniger Strom verbraucht, den Transistor so viel kühler laufen lässt und für den Antrieb von Motoren ausgelegt ist. Wenn Sie die Basis des BUV20 PWM machen, machen Sie es zu einem Low-Side-Schalter. Sie erhalten die Stromeinsparung, müssen sich aber trotzdem selbst um den Schutz kümmern.
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