Wie misst man möglichst genau die reale Sperrschichtemperatur?

Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Messung der Sperrschicht- oder „Die”-Temperatur eines Bauteils. Manche eignen sich besser, manche weniger gut. Bei der ersten Möglichkeit wird die klassische Gleichung für die Sperrschichttemperatur verwendet:

TJ = TA + PD RthJA

Die Sperrschichttemperatur TJ ergibt sich aus der Summe der Umgebungstemperatur TA und dem Produkt aus aufgenommener Leistung PD und Temperaturwiderstand RthJA (thermischer Widerstand „Junction-Ambient“) des Bauteils. Nach meiner Erfahrung ist diese Berechnung eher konservativ und liefert Sperrschichttemperaturen, die je nach Hersteller des Bauteils etwa 30 bis 50% höher sind als die tatsächlich vorhandene Sperrschichttemperatur.

Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz eines Thermoelements. Diese Methode liefert bei größeren Gehäusen gute Ergebnisse. Bei kleineren Gehäusen gibt es jedoch Probleme. Zum Beispiel bieten kleine Gehäuse wie SC70 oder SOT nicht genügend Platz um ein Thermoelement zu befestigen. Selbst wenn man ein Thermoelement am Gehäuse montieren könnte, würde sich seine thermische Masse als Kühlkörper verhalten und somit zu fehlerhaften Messergebnissen führen.

Eine dritte Methode ist der Einsatz einer Infrarotkamera (IR). Bei dieser Möglichkeit wird die Außentemperatur des Gehäuses exakt gemessen. Man erhält bei kleineren Gehäusen einen guten Wert für die „Die“-Temperatur. In den meisten Fällen beträgt die Differenz zwischen Gehäuse und Sperrschichttemperatur nur wenige Grad Celsius. Ein Nachteil dieser Methode ist der hohe Preis von IR-Kameras.

Die letzte Möglichkeit ist die preiswerteste und genaueste Methode zur Messung der „Die”-Temperatur. Bei dieser Option dient eine auf dem Chip befindliche Diode als Temperatursensor. Aus der Halbleiterphysik wissen wir, dass sich bei einem konstanten Strom durch einen pn-Übergang die Sperrschichtspannung über die Temperatur um etwa –1 bis –2 mV/°C ändert. Durch Charakterisierung der Diodenspannung über die Temperatur kann der Anwender die Diodenspannung messen und die „Die“-Temperatur bestimmen. Der Trick besteht darin, eine Diode zu finden, die als Sensor am Operationsverstärker genutzt werden kann.

Die meisten Operationsverstärker haben für solche Zwecke keine bestimmte Diode. Allerdings kann man diese Aufgabe mit vorhandenen Dioden meistern. Die meisten, wenn nicht alle, der heutigen Verstärker besitzen interne ESD-Schutzdioden sowie Eingangsschutzdioden. ESD-Dioden befinden sich zwischen den Ein- und Ausgängen von Operationsverstärkern und der Versorgungsspannung. Daher ist der Zugang zu diesen Dioden möglich. So können sie – wie beschrieben – zur Messung der „Die”-Temperatur von Operationsverstärkern verwendet werden.

Eine genaue Beschreibung der Verwendung von ESD-Dioden als Temperatursensoren befindet sich im Artikel „ESD Diode Doubles as Temperature Sensor“.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices. Bildquelle: IRF

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