Тема: дослідження ефективності охолодження елементів PEA за допомогою радіаторів.

Мета роботи: набути практичних навичок розрахунку та оптимального використання радіаторів.

Короткі теоретичні відомості.

Суттєвий недолік напівпровідникових приладів - обмеження температурного режиму їх використання. Наприклад, германієві прилади можуть працювати при температурі р-п переходу не вище +85°С, а кремнієві -100...150°С. При високих температурах можливе погіршення якості внутрішніх спаїв і можуть виникнути процеси вплавління. В області низьких температур на спаї та на перехід приладу діють термічні напруги.

Для отримання великих потужностей необхідно застосовувати відповідні системи охолодження. Зокрема, тільки гарне тепловідведення дозволяє створювати майже безшумні підсилювачі, оскільки на шуми транзистора визначальний вплив чинить температура р-п переходу. Застосування тепловідведень дає можливість знизити температури переходів у напівпровідникових приладах і підвищити їх надійність.

Параметри, в межах яких робота гарантується технічними умовами на даний прилад, називаються гранично допустимими електричними параметрами.

Під максимальними електричними параметрами розуміють такі їх значення, при яких наступає раптовий відмова напівпровідникового приладу чи виникають незворотні зміни властивостей приладу.

Тепловий режим роботи напівпровідникового приладу визначається сукупністю дії температури оточуючого середовища та потужності, що розсіюється на переході.

Максимальна напруга, яку витримує р-п перехід, обмежується появою явища пробою, тобто різким зростанням струму при майже незмінній напрузі. Пробивна напруга діодів і транзисторів визначається питомим опором матеріалу напівпровідника.

Максимальна напруга U_тах, яку витримує транзистор, відповідає напрузі пробою колекторного переходу U_k.6.о. при обриві в колі емітера. Остання величина (U_k.6.о.) приводиться у технічних умовах.

Гранично допустима напруга U_k.е.о. в схемі зі спільним емітером при розірваному колі бази визначається за формулою

(1)

де β - коефіцієнт підсилення струму у схемі із спільним емітером;

п=3 для германієвих та кремнієвих р-п-р транзисторів; п=5 для германієвих п-р-п транзисторів.

Якщо база транзистора короткозамкнена з емітером й опір у колі емітера дорівнює нулю, тоді

(2)

де α,α₁ - коефіцієнт підсилення струму у схемі зі спільною базою

відповідно для прямого та інверсного включення.

Напруга між колектором та емітером U_k.e.r. при введенні опору R_б у коло бази зменшується й при R_б→∞ U_k.e.r.→U_k.e.о.

При певних значеннях струмів у приладі виникають незворотні зміни, які можуть привести до відмови. Подібні зміни виникають також й при дограничних значеннях потужності внаслідок локальних перегрівів самої транзисторної структури або в місцях приварювання до неї електричних виводів. Граничне допустиме значення струму колектора розраховують за формулою

(3)

де під U_K розуміють максимальне значення постійної чи середнє значення змінної напруги колектор-емітер.

На межі насичення максимальна температура колекторного переходу

(4)

де R₀ - загальний тепловий опір, °С/Вт; t_k- температура корпусу приладу.

Збільшити робочий струм транзистора можна тільки покращуючи його

охолодження, тобто зменшуючи t_k і R₀

Тепловий контактний опір між корпусом напівпровідникового приладу та радіатором залежить від прижимного зусилля, теплових властивостей прокладок і мастил, методу охолодження радіатора. Локальна температура деяких точок працюючого напівпровідникового приладу досягає декількох сотень градусів за Цельсієм. З цим пов'язані обмеження за густиною струму і напругою. При цьому потужність, що розсіюється приладом

(5)

де позначення тіж, що й у формулі (4).

Загальний тепловий опір обчислюється як сума теплових опорів на шляху тепла від колекторного переходу до оточуючого середовища. Тепловий опір р-п переходу К_опс являє собою відношення зміни перегріву переходу до потужності, що розсіюється приладом. Іншими словами, воно показує, на скільки градусів зміниться температура р-п переходу при зміні потужності на 1 Вт:

⁽⁶⁾

де R_oпк і R_окс - теплові опори ділянок відповідно перехід - корпус і корпус -середовище.

R_опк визначається конструкцією напівпровідникового приладу та матеріалом, з якого він виготовлений. Величина R_окс залежить від температури оточуючого середовища та методу охолодження.

Граничне допустимі температури оточуючого середовища для германієвих напівпровідникових приладів містяться у межах - 60...+70, а для кремнієвих -60...+120°С.

В статичному тепловому режимі температура р-п переходу

(7)

де Р- потужність, що розсіюється р-п переходом.

В технічній документації як граничне допустима температура для транзисторів приводиться максимальна температура, при якій транзистор зберігає роботоздатність. Для напівпровідникових діодів вказується максимально допустима температура корпусу t_kmax. В табл. 5.1 приведені значення теплових опорів для деяких потужних напівпровідникових приладів.

Таблиця 1