В предыдущем разделе вы узнали, что транзистор должен всегда работать в безопасной зоне. Вы очень хорошо справились с упражнениями, и думаете, что вы теперь знакомы с проблемой потери мощности. Теперь вы знаете, что условия работы транзистора ограничены четырьмя факторами:
- Допустимое напряжение коллектор- эмиттер
- Допустимый ток коллектора
- Явления вторичного пробоя
- Максимальная рассеиваемая мощность.

Первые два вы прекрасно понимаете: слишком большое напряжение приведет к пробою и необратимому разрушению перехода, а большой ток коллектора может расплавить проводники. Проблему вторичного пробоя вам не нужно исследовать достаточно того, что в каталоге уже указана безопасная зона с учетом этой опасности. Просто сделайте так чтобы ваш транзистор не работал при напряжениях близких к UCE0 и с большим током.

Вы познакомились также с еще одним важным параметром – рассеиваемая мощность. Вы можете рассчитать максимальную мощность потерь транзистора для данного напряжения питания и сопротивления нагрузки. Вы можете подобрать нагрузку, так чтобы при заданном напряжении питания, не превышать допустимую мощность рассеивания.

И здесь я должен вас немного разочаровать: этого знания хватить просто для понимания и использования транзисторов малой мощности. В случае использования транзисторов с большой мощностью, не достаточно провести простой расчет, как это делали в предыдущем эпизоде, заключающееся в проверке, рассеиваемая мощность в данной схеме не превышает данную в каталоге допустимую мощность потерь Ptot! Здесь ключевое значение имеет именно температура перехода, то есть кремневой структуры транзистора.

Сегодня мы рассмотрим этот вопрос более внимательно.

Выделяемое устройством тепло нужно извлечь и рассеять в окружающей среде. Как вы думаете, от чего зависит скорость потока тепла между переходами транзистора и окружающей средой?

Это важный вопрос!

Скорость потока тепла, безусловно, зависит от разницы температур, но и от тепловой изоляции. Если электрическая плиту тщательно накрыть теплоизоляционным материалом, например, одеялом, тепло будет протекать медленнее, в то время как температура плиты будет быстро расти и одеяло через несколько минут, загорится.

В электронике это же самое. Когда в переходах транзистора начинает выделяться тепловая мощность равна P=UCE Х IC, и температура этого перехода растет. С ростом разницы температур переход-окружение, также увеличивается количество тепла уходящего в окружающую среду. Если температура перехода будет расти до бесконечности? Невозможно! В какой-то момент установиться баланс: разница температур вырастит на столько, что все вырабатываемое тепло будет уходить в окружающую среду. Благодаря этому температура перестанет расти. Запомните это - в нормальных условиях работы в устройстве производится состояние теплового равновесия - температура повышается на такую величину, чтобы все выделившееся на переходе тепло рассеивалось. Если вы не позаботитесь, чтобы это тепло эффективно рассеивалось в окружающую среду, температура увеличиться на столько что вы уничтожите транзистор.

К сожалению, я должен вам это подробно объяснить, потому что и здесь распространены неправильные представления. Оказывается, что в подавляющем большинстве случаев мощный транзистор не может работать с приведенной в каталоге мощностью Ptot! Надо на самом деле принимать во внимание дополнительные факторы.

Запомните раз навсегда: высокая температура является смертным врагом полупроводников. Новичок представляют себе, что существует строго определенная граница, после превышении которой полупроводниковый элемент приходит в негодность, на подобие олова, которое тает при определенной, точно определенной температуре - это представление совершенно неправильно. Что правда, в каталогах полупроводников указывается максимальная температура перехода, обозначается Tjmax (Tjmax), как правило, +150°C, но это вовсе не означает, что на например, при температуре +200°С элемент растает, или сразу же будет поврежден. Температура плавления кремния значительно выше. Я знаю „экспериментаторов”, которые на рабочих мощных транзисторах (типа 2N3055) топили олово - температура корпуса превышала +200°C, температура перехода была, конечно, гораздо выше, и... транзисторы не были повреждены.

Это откуда в справочниках эти +150 градусов C?


Запомните основную зависимость - с ростом температуры быстро растет и риск, то есть вероятность повреждения. При указанной в каталоге максимальной температуре перехода Tjmax риск повреждения еще относительно мал. Но с ростом температуры вероятность повреждения растет в геометрической прогрессии, то есть очень быстро. Это означает, что вы должны приложить все усилия, чтобы не превысить указанную максимальную температуру перехода.

Глядя на это, с другой стороны, у вас есть следующий практически важный вывод – если температура перехода транзистора будет значительно ниже, чем те договорные +150 градусов C, например, будет составлять +30 C +50 градусов C, вероятность выхода из строя будет очень, очень маленькой - смело можно считать, что при таких условиях работы транзистор будет вечным. Я хотел бы рассеять ненужные страхи. Проще говоря, если не превышены: максимальное напряжение коллектора, максимальные токи базы и коллектора, и если температура перехода будет ниже +150°C, вам не нужно беспокоиться о целостности транзистора. А если температура будет близка к комнатной температуре, можно смело считать, что транзистор вечен.

Это обнадеживающее сообщение, не так ли? Так, но из практики я знаю, что наиболее частой причиной повреждения транзисторов в любительских схемах является именно их перегрев вследствие незнания основных принципов. Именно поэтому этой проблеме я посвятил целых три эпизода сериала о транзисторах.

Чтобы не потерять основной поток наших размышлений, я должен навсегда вбить вам в голову зависимость, как указанная в каталоге максимальная мощность связана с допустимой температурой перехода (+150°С). Теперь мы должны найти какие-то модели и зависимости, чтобы описать происходящие явления.

Вы могли бы вычислить, на сколько градусов увеличится температура перехода при работе транзистора?

Это, безусловно, зависит не только от мощности рассеивания (чем больше мощность, тем выше будет температура перехода), но также от тепловой изоляции между переходом и окружающей средой - чем более эффективна теплоизоляция, тем больше должна быть температура, чтобы „толкать” тепло через эту изоляцию в окружающую среду.

В физике часто используются понятие теплопроводность (материала). Мы в электронике не вдаваясь, в подробности, используем понятия тепло сопротивление (тепловое) обозначаемом Rth, которая касается не материала, а но конкретного элемента.

Новичков это может напугать, но на самом деле здесь нет ничего сложного. Сопротивление, как сопротивление - стоит сопротивление, затрудняет движение (тепла). Это параметр, характеризующий какой-то конкретный объект с точки зрения теплопроводности - не вдаваясь в подробности, скажем, что именно это термическое сопротивление Rth. Например, кусок алюминия или меди имеет небольшое термическое сопротивление (потому что эти металлы хорошо проводят тепло), а кусок дерева, воздух, или кусок пластмассы, обладают высоким тепловым сопротивлением. Конечно, в случае с транзистором, мы заинтересованы в том, чтобы тепловое сопротивление было как можно меньше, то есть, чтобы все выделенное тепло, быстро и эффективно отдавалось в окружающую среду.

Делать расчеты основных тепловых зависимостей действительно по-детски легко, потому легко понять аналогию с электрической цепью. В электрической цепи ток зависит от напряжения (чем выше напряжение, тем больше сила тока) и от сопротивления (чем больше сопротивление, тем меньше сила тока). Математически это выражает, конечно же, закон Ома. Точно так же и в цепи теплового воздействия. Мы можем говорить о законе Ома для тепловой цепи. Догадались ли вы, что здесь «тепловое напряжение», что „тепловой ток”, а что „термическое сопротивление”? Подумайте сами.
...
- Да, конечно!
„Тепловое напряжение” это разница температур ΔТ, „тепловой ток” передающаяся или отводимая тепловая мощность Р, в то время как «тепловое сопротивление» - это термическое сопротивление Rth.
Запишем формулы этого варианта закона Ома:


На практике чаще мы используем трансформированных формулы:



У вас нет сомнений, что тепловое сопротивление между переходом (анг. junction) и окружающей средой, атмосферой (анг. ambience). Обозначают, Rthja (junction – ambience).

Тепловое сопротивление выражается в градусах Цельсия (или в Кельвинах) на Ватт – °С/Вт. Смысл прост: тепловое сопротивление показывает, какая будет разница температур с обеих сторон данного элемента, при переносе тепловой мощности. Если, скажем, через активное сопротивление термической транзистор (между переходом и окружающей средой) проходит 5 ВТ тепловой мощности, а термическое сопротивление составляет 20°С/вт, то разница температур составит 100°C. То есть кристалл будет теплее окружающей среды на 100°C.

Значение Rthja транзистора рассчитывается производителем и его можно найти в справочнике.

Не пугайтесь указанных Кельвинов на Ватт, здесь нет ни чего сложного. Кельвины – это «сдвинутые вниз градусы Цельсия» начинаются от абсолютного нуля (0K=−273°C, 0°C=273K, +27°C=300K, +100°C=373K, +150°C=423K).

И никогда не забывайте, что в этих формулах мы имеем разницу температуры перехода и окружающей среды!

А зачем нам это термическое сопротивление и формулы? Именно эти формулы позволяют нам контролировать рассеиваемую мощность и температуру транзисторов очень большой мощности, а также различных интегральных схем. Вычислим, будет ли превышена допустимая температура в данной схеме. Вот, пожалуйста:

Пример 1:
Транзистор BC548 (UCE0=25В, IC=100 ма, P=500 мвт, Rthja=250K/В) работает при напряжении 12В с резистором нагрузки (рис. 55) RL=1k. Максимальная температура окружающей среды составляет +40°С.

Какая будет максимальная температура p-транзистора в худших условиях, т.е. при напряжении на коллекторе, равной половине напряжения питания?

В предыдущем разделе мы познакомились с формулой для определения мощности при наихудших условиях: подставим:



Даже при напряжении питания равном 24В, рассеиваемая мощность не будет больше, чем 150мВт, а рост температуры составит не более 36 градусов C.

Выводы? Если в вашей схеме транзисторы малой мощности, имеющие термическое сопротивление не более 500 К/Вт, работают с мощностью не более 100 мВт (0,1Вт), вы можете не бояться их перегрева. Например, если питающее напряжение составляет 12 В, то в худшем случае мощность 100 мВт выделиться на транзисторе с нагрузочным резистором:

На практике, как правило, резисторы нагрузки (в цепи коллектора) имеют электрическое сопротивление выше 1кОм и тогда при напряжениях питания до 24В не нужно беспокоиться об рассеиваемой мощности и температуре перехода.

Пример 2
В нашей схеме транзистор BC107 (Ptot=300мВт) и рассчитано, что в худшем случае в устройстве он будет выделять 200мВт (0,2ВТ) рассеиваемой мощности. В первом случае транзистор работает в хорошо проветриваемом корпусе, где температура составляет +30 C, во втором случае, температура внутри маленького, закрытой корпуса может достигать +60 градусов C. Значение Rthja транзистора BC107 составляет 500 К/Вт.

Определим:

В первом случае температура соединения составит:


В другом Tj=+160°C.

Ну и что? Опять же, ты удивлен?

Это ловушка, в которую попадают начинающие - если не превышена каталожная мощность потерь Ptot, не рассчитывают температуры переходов, думая, что, конечно, все в порядке. Оказалось, однако, что в устройстве небольшой мощности при слишком большой температуре окружающей среды не должно работать с указанной в каталоге мощность рассеивания транзистора. Но не паникуйте. Как я говорил вам, когда температура перехода выше на 10 или 20 градусов C от указаной +150 градусов C, хотя и увеличивает риск повреждения, но не может сразу повредить транзистор. Это не значит, что я призываю вас к превышения допустимой температуры перехода - наоборот - я призываю вас, так проектировать свои схемы, чтобы температуры были значительно ниже, чем указанные в каталоге +150 градусов С.

Идем далее.

Пример 3

Найдем температуру структуры полевого транзистора типа MOSFET BUZ74A, с параметрами по справочнику Ptot =40 ВТ и Rthja=75K/В (=75 С/ВТ). Температура окружающей среды составляет, скажем, +20 градусов. Мы не хотим перегружать транзистора, так что подберем активное сопротивление нагрузки в цепи стока) транзистора, чтобы максимальная рассеиваемая мощность транзистора составляла только 5 ВТ. Мы будем работать с мощностью 8 раз меньше, чем допустимая мощность Ptot.

Ничего, не подозревая рассчитываем температуру по формуле ΔT=P×Rth

Учитывая температуру окружающей среды, равна +20°C, температура перехода составит +395 градусов C.

Что очень много, не так ли? Где кроется ошибка? В конце концов, мы взяли транзистор большой мощности! А может расчеты касаются только „обычных транзисторов, а не каких-то там MOSFET-ов? Нет! Указанные правила касаются не только всех транзисторов, но и интегральных схем, для которых также приводиться активное термическое сопротивление Rth.

В приведенных выше расчетах, ошибки нет! Это мы сделали категорическую ошибку, не применив радиатор и подставляя бездумно в формулу сопротивление Rthja из католога (которая относится к ситуации без теплоотвода).

Обратите внимание, что для транзисторов малой мощности (мощностью меньше 1ВТ) в каталоге указаны в основном только общее термическое сопротивление между переходом и окружающей средой, Rthja.

Однако, для мощных транзисторов, в каталоге указывается как сопротивление Rthja, касающейся ситуации без радиатора, как и второе, с гораздо меньшим значенем - Rthjc. Второе -это термическое сопротивление между переходом (junction) и корпусом (case), отсюда буквы jc. Для транзистора BUZ74A оно составляет только 3,1K/Вт.

Признаюсь вам, что до многих лет назад, как новичок радиолюбитель я не имел ни малейшего представления о вышеуказанных расчетах и „погубил” таким образом, два новеньких и очень на то время дорогих транзистора серии BUYP. Может и у вас что-то подобное на совести?

С этого момента не делайте больше таких ошибок, хотя сегодня транзисторы несравненно дешевле, чем двадцать пять лет назад.

Смотреть сейчас! Термическое сопротивление Rthja (без радиатора) всех транзисторов и других элементов в популярном корпусе TO-220 составляет примерно 60...80K/В. Отдельные транзисторы в этом корпусе имеют разные значения сопротивления Rthjc (в диапазоне 0,9...4K/В), но подается значения Rthja Почему? Сопротивление Rthja для данного корпуса связано с его размерами, а не со свойствами кремниевой структуры транзистора, поэтому и близки.

Рассчитайте какая, мощность может выделится на транзистора в корпусе TO-220 без радиатора (P=ΔT/Rth).
Примем активное сопротивление Rthja равным 70K/Вт, а также температуру окружающей среды +45 градусов C (например, внутри корпуса прибора).

Хорошо запомните это значение! Никогда не забывайте, что лучший силовой транзистор в корпусе TO-220 без теплоотвода не может работать при мощности потерь больше чем 1,5ВТ.

Теперь мы убеждены, что максимальная рассеиваемая мощность транзистора будет зависеть от радиатора. И здесь мы подходим к крутой лестнице. Прогулка по крутой лестнице будет в следующем месяце.

Piotr Górecki

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98 25