книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Однако точная компенсация возможна лишь в ограниченном диапазоне температур н обычно метод компенсации оказывается эффективным лишь в совокупности с другими методами стабили­ зации. Необходимо, чтобы термокомпенсирующие элементы рас­ полагались в непосредственной близости от тех приборов, изме­ нения параметров которых компенсируются.

6. Термостатирование аппаратуры с полупроводниковыми при­ борами целесообразно применять только совместно с другими методами, поскольку даже при стабильной температуре окру­ жающей среды температура р—«-переходов полупроводниковых приборов может изменяться за счет рассеиваемой на них мощности.

§ 16.4. ОТВОД ТЕПЛА ОТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

При конструировании радиоэлектронной аппаратуры на полу­ проводниковых приборах для повышения ее надежности необхо­ димо принимать все возможные меры к обеспечению тепловых режимов работы как всей аппаратуры в целом, так и отдельных ее элементов. Особое внимание необходимо обращать на созда­ ние конструкций, обеспечивающих наивыгоднейшие тепловые режимы работы полупроводниковых приборов.

Использование специально сконструированных теплоотводов как для мощных, так и для маломощных полупроводниковых приборов, позволяет резко снизить рабочую температуру перехо-. дов при той же рассеиваемой в приборе мощности.

При значительных мощностях, рассеиваемых в полупровод­ никовых приборах, существенно снижать их рабочую темпера­ туру возможно лишь путем использования принудительного теплообмена, например, воздушного или жидкостного охлаж­ дения.

Принудительный обмен приходится использовать при повы­ шенной температуре окружающей среды.

В этих случаях теплоотвод за счет естественной конвекции практически нужного эффекта не дает. Теплоотвод необходимо применять для того, чтобы увеличить мощность рассеяния на полупроводниковом приборе и для снижения рабочей темпера­ туры переходов при заданной мощности. Когда теплоотводы не применяются и мощность рассеяния близка к предельной, целесо­ образно использовать транзисторы с малыми (около 20) коэффи­ циентами усиления. Это позволяет обеспечить тепловую устой­ чивость режима их работы. Тепловой пробой более вероятен, когда выше коэффициент усиления транзистора.

Транзисторы с высокими коэффициентами усиления исполь­ зуют лишь в условиях хорошего теплоотвода. В этих случаях оказывается возможно уменьшить число каскадов за счет при­ менения транзисторов с большим усилением. Использование

222

таких транзисторов без хорошего теплоотвода приводит к рез­ кому снижению стабильности и надежности работы схемы.

В настоящее время теплоотводящие радиаторы являются такими же основными деталями схемы, как конденсаторы и ре­ зисторы. Теплоотводы рекомендуется проектировать с самого начала разработки схемы, а не на последнем ее эт.апе, когда трудно обеспечить оптимальный режим их использования.

Методы измерения температуры полупроводниковых приборов и теплоотводов

Для эксперимёнтальной проверки приемлемости теплового режима с рассчитанным и изготовленным теплоотводом необхо­ димо измерить температуру теплоотвода, корпуса и перехода полупроводникового прибора.

Тепловые сопротивления Дт.п.к и Дт.к.т, необходимые для рас­ чета теплоотводов, можно определить с помощью измеренных температур по формулам

'Ъжк= Т-*=Г* ГС/Вт].

Ят,,т= ^ т ГС/Вт].

Ниже описаны методы экспериментального определения ука­ занных температур.

1. Измерение температуры корпуса 7Ѵ-, теплоотвода Т? и окру­ жающей среды Тс.

Температура корпуса, теплоотвода и окружающей среды из­ меряется с помощью дифференциальных медно-константановых термопар, помещенных в ту точку объекта, в которой необходимо измерить температуру. Термопары следует располагать так, чтобы они минимально искажали температурное поле объекта. Для этого термопары приклеивают к поверхности проверяемых деталей так, чтобы их провода соприкасались с поверхностью деталей.

Температуру измеряют после установления стационарного состояния. При измерении температуры с помощью термопар индикаторами могут служить различные потенциометры.

Наиболее прост в обращении прибор ПП (переносный потен­ циометр). Погрешность измерения температуры при помощи

При измерении температуры области коллекторного перехода транзистора используется схема, изображенная на рис. 16.14. Эта схема позволяет быстро переключать транзистор из режима,

223

вкотором на коллекторе рассеивается нагревающая его мощ­ ность

Р= ІъЕк,

врежим прямого смещения коллекторного перехода с током по­ рядка 1—10 мА. Последний режим является измерительным. Мощность, рассеиваемая на переходе при этом, мала и практи­ чески не повышает его температуры относительно температуры окружающей среды. Транзистор помещается в термостат с конт­ ролируемой температурой, устанавливается режим прямого сме-

Рис. 16. 14. Схема установки для измерения температуры перехода тран­ зистора (а) и диода (б)

щенпя коллекторного перехода и снимается график зависимости напряжения коллектор — база от температуры в термостате

С/к.б=/(Гп).

Затем транзистор при заданной температуре окружающей среды устанавливают в режим с заданной мощностью Р. После уста­ новления стационарного состояния транзистор переключают в измерительный режим и с помощью осциллографа с усилите­ лем постоянного тока измеряют напряжение С/к.р в момент пере­ ключения. По графику зависимости UK,5 =f(Tn) находят темпе­ ратуру области коллекторного перехода.

Измерение температуры перехода выпрямительных диодов

производится с помощью схемы (рис. 16.14), позволяющей пере­ ключать диод из режима разогрева мощностью Р = Ппр/др в из­ мерительный режим.

Визмерительном режиме через диод от отдельного источ­ ника пропускают небольшой прямой ток величиной 3±5% от за­ данной в ТУ величины выпрямленного тока и контролируют па­ дение напряжения на диоде ІІпр'.

Вэтом режиме величина перегрева перехода диода мала, температуру его можно считать равной температуре окружающей

..среды.

Визмерительном режиме с помощью термостата снимают

.зависимость Unp'=f(T„). Затем диод устанавливают в режим разогрева заданной мощностью Р при заданной температуре ■окружающей среды.

224

После установления стационарного состояния диод переклю­ чают в измерительный режим и с помощью осциллографа с уси­ лителем постоянного тока измеряют напряжение Unv'. По гра­

Если увеличить поверхность охлаждения этих транзисторов, то при заданной температуре перехода

ат; с

можно существенно повысить мощ­ ность рассеяния.

На рис. 16. 15 приведены зависи­ мости перехода температур между

переходом транзистора и окружающей средой (воздух при нор­ мальном давлении) от площади дополнительного теплоотвода.

Теплоотвод представляет собой алюминиевый, медный или латунный «флажок». Измерения проводили при температуре окружающей среды 25° С.

Ряд возможных конструкций теплоотводов для маломощных транзисторов и снижение температуры корпуса транзисторов при их использовании показаны на рис. 16. 16.

Транзисторы крепят к теплоотводам пружинящим, механи­ ческим контактом, для чего на теплоотводе имеется поперечный

пример, тепловое сопротивление транзистора с цилиндрическим

Рис. 16.16. Снижение температуры перехода сплавного транзистора при разных теплоотводах Р=300 мВт; Г0кр.ст==25°; Sm=6,5 см2

В табл. 16.3 представлены средние значения коэффициента

т

теплоотвода ѣ = ~ ~ и тепловые сопротивления для двух типов

транзисторов.

§ 16.5. М Е Т О Д Ы З А Щ И Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В ОТ Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Х ПЕРЕГРУЗОК

При проектировании схем необходимо предусматривать за­ щиту полупроводниковых приборов от перегрузок:

1. При работе транзисторов в режиме переключения на индук­ тивную нагрузку максимальное мгновенное напряжение на кол­ лекторе может в несколько раз превышать постоянное напряже-

226

ние питания Ек. При включении транзистора энергия, накоплен­ ная в индуктивности, может привести к повреждению транзи­

стора.

Форма напряжения на индуктивности после выключения тока

приведена на рис. 16. 17.

Существуют различные схемы защиты транзисторов от пере­

зитная емкость нагрузки. Для этой схемы емкость конденсатора и сопротивление выбирают из следующих соотношений:

2LEJ .

R = Ѵ 2БК ’

где — разность между напряжением источника питания и предельно допустимым пиковым напряжением коллекторэмиттер.

При расчетах необходимо принимать L и Ек наибольшей,

аRn наименьшей из возможных.

2.Схема защиты от всплесков напряжений, использующая

шунтирующий диод, приведена на рис. 16'.19, форма напряжения на коллекторе — на рис. 16.20.

При закрывании транзистора напряжение на его коллекторе повышается. При сравнении потенциала коллектора с напряже­ нием Ек последующее увеличение напряжения на коллекторе не­ возможно, так как диод открывается. Перепад напряжения на индуктивности в этом случае равен прямому падению напряже-

ноя на диоде, т. е. практически отсутствует. Рассеяние на тран­ зисторе в момент включения будет малым, если время включе­ ния мало по сравнению с постоянной времени нагрузки L/RH. При включении транзистора коллекторный ток должен значи­ тельно уменьшиться раньше, чем коллекторное напряжение по­ высится до значительной величины. Это выполняется при исполь­ зовании скоростного транзистора и больших величии R„. Однако в большинстве случаев напряжение на коллекторе достигает па-

пряжения источника питания £ к при большой величине тока кол­ лектора. В этом случае мощность, выделяемая в транзисторе, максимальна и равна

р= 3 L

рас 2R „

Физический смысл защиты транзистора с помощью диода со­ стоит в том, что энергия, запасенная индуктивностью, передается с помощью диода источнику питания и выделяется в активном сопротивлении нагрузки. Источник питания должен обладать

можно включить добавочный резистор Ro (рис. 16.2П. При этом

постоянная времени уменьшается <в R— R-" раз; однако во столько Ло

же раз увеличивается максимальное значение напряжения на транзисторе в момент коммутации. Оптимальное значение рези­ стора Ro можно определить из выражения Uя.к.макс > и,.к =

= ZTJl -j- — ) • Включение резистора R, кроме того, снижает V Ru )

228

высокочастотную генерацию контура, образованного паразитной емкостью диода и индуктивной нагрузкой. Величина тока дол­ жна быть меньше максимально допустимого импульсного тока диода.

Кремниевый стабилитрон Д с (рис. 16.22) с напряжением ста­ билизации Ес включается встречно , шунтирующему диоду Д.

В этом случае максимальное значение напряжения на транзи­ сторе будет ограничено величиной

Uз.к .м а к с ^ 6^3.к—Е^^гЕс,

а время, в течение которого ток нагрузки спадает до 0,05 от на-

£

чального значения / н = — , будет

RH

Величина энергии, выделяющейся в стабилитроне в процессе отключения нагрузки, определяется выражением

где Pn= / Ä — мощность нагрузки.

3.В качестве элемента, поглощающего энергию, можно при­

менять конденсатор. Схема такой защиты приведена на рис. 16.23. Параллельно конденсатору включается сопротивле­ ние, необходимое для ограничения пика тока, когда транзистор включается.

При включении ток течет через L и RH. Схема гашения в этот момент не работает. При выключении транзистора коллекторный потенциал быстро спадает до величины, немного меньшей Ек. Конденсатор заряжается через диод, отнимая энергию у индук­ тивности. Когда диод кончает проводить, емкость разряжается на сопротивление R.

Таким образом, индуктивность не накапливает энергию, по­ скольку перепада напряжения на ней нет. Естественно, что энер­ гия накапливается в паразитной емкости нагрузки н емкости коллекторного перехода. Но эта энергия мала, чтобы вызвать

разрушение транзистора, и она быстро рассеивается. Для этой схемы конденсатор и сопротивление рассчитывают по следующим формулам:

Конденсатор до момента следующего выключения должен полностью разрядиться. При высокой скорости переключения величину сопротивления R необходимо выбирать малой, а ем- ~ кость вообще исключить. В этом случае ток индуктивностибу­ дет снижаться пропорционально с постоянной времени L/(R + Rn). Схема, изображенная на рис. 16.24, применяется при повышен­ ном напряжении источника питания, когда есть опасность попа­ дания рабочей точки на участок лавинного умножения или когда ток коллектора в момент начала заряда емкости значителен. Средняя мощность рассеяния на транзисторе в момент включе­ ния в этом случае мала и ею можно пренебречь.

В момент включения конденсатор, заряженный до. величины £„, разряжается через резистор R и транзистор. В момент вы-

230

ключения емкость заряжается через диод. Рассеяние на транзи­ сторе при большой величине R минимально и определяется пря­ мым падением, напряжения на диоде. Емкость должна успевать разряжаться за время, пока транзистор открыт.

4. Для защиты усилителей от случайных перенапряжений и от импульсных перегрузок в схемах с реактивной нагрузкой применяют опорные диоды (рис. 16.25).

Потенциал коллектора Ul{.n в нормальном режиме каскада усилителя равен Eti—IKRn и выбирается меньше предельно допу­ стимого значения 0 КЛ. При неисправности в базовой цепи /к уменьшится и напряжение между коллектором и эмиттером мо­ жет повышаться до Ек, вызывая перегрузку транзистора. В дан­ ном случае это не произойдет, так как напряжение на транзи­ сторе ограничивается величиной

Еэ.\{= Ес ,

где Ес' — напряжение стабилизации Dc' (предполагается, что величина Ес' меньше напряжения питания £„). Данная схема включения стабилитрона эквивалентна схеме, показанной на рис. 16.22. Однако величина энергии W, выделяющейся в стаби­ литроне в процессе отключения нагрузки, превышает величину W для схемы рис. 16.24. В-усилителях низкой частоты можно шунтировать коллектор и эмиттер диодом. В широкополосных усилителях такой метод скажется на частотных свойствах, так как диод имеет емкость до 400 пФ.

Схема защиты, используемая в широкополосных и других высокочастотных усилителях, приведена на рис. 16.26 (Д — опорный диод типа Д808-813). Смещение выбирается таким обра­ зом, чтобы UK,о было меньше напряжения стабилизации опорного диода. При нормальной работе опорный диод не проводит и не влияет на частотную характеристику усилителя. При повышении напряжения сверх установленной величины диод шунтирует транзистор, предохраняя его от повреждения.

5. Рассмотрим метод защиты двухкаскадных усилителей

снепосредственной связью.

Всхеме (рис. -16.27, а) любое возрастание тока базы первого транзистора /о приводит к возрастанию тока базы второго, рав­ ное ВІв, так как ток через Rx остается постоянным. Это может приводить к перегрузке второго транзистора и выходу его из строя. Схемы, изображенные на рис. 16.27,6 и в, лишены этого недостатка.

Всхеме (см. рис. 16.27,6) возросший коллекторный ток тран­