Основы радиосхемотехники / Учебник по САЭУ(2005) / САЭУ кн.2 / Прилож

118

Приложение 3

Роль радиатора в процессе передачи тепла (мощности рассеяния) в окружающую среду

Работа транзисторов в оконечных каскадах усилителей мощности сопровождается протеканием через полупроводник значительных токов коллектора. Плотность этого тока может достигать 2000 А/мм², при этом материал полупроводника разогревается и вследствие положительной тепловой обратной связи температура коллектора транзистора может превысить критическую t_КР, при которой возникает пробой усилительного элемента. Для кремниевых приборов эта температура составляет +125⁰С, а для германиевых +60-70⁰С. В справочниках обычно указывается допустимая температура разогрева полупроводника t_K ниже критической t_КР. Связь между мощностью рассеяния Р_РАС, допустимой температурой t_К и тепловым сопротивлением перехода коллектор-корпус R_T,П-К записывается в виде:

. (П.3.1)

Однако для расчета мощности рассеяния на коллекторе транзистора необходимо учитывать, что тепло с корпуса переходит в окружающую среду, температура которой обычно принимается равной +25⁰С.

Тепловое сопротивление R_T связано с удельной теплопроводностью материала α и площадью соприкосновения его с другой средой S_CP соотношением:

. (П.3.2)

Удельная теплопроводность полупроводников и металлов существенно выше удельной теплопроводности воздуха (окружающей среды). Так для меди она составляет α _М=395 Вт/м^{2 0}С. Для полупроводников она несколько меньше, а для воздуха она невелика и в зависимости от его влажности и других факторов равна: α_ВОЗД=10-50 Вт/м^{2 0}С. Поэтому, принимая во внимание внимание передачу с корпуса транзистора в окружающую среду, необходимо дополнительно учитывать это тепловое сопротивление R_Т,К-С. Диаметры торца D_T даже мощных транзисторов обычно не превышают нескольких сантиметров, следовательно, их площадь: оказывается сравнительно небольшой, что вызывает значительную величину R_Т,К-С по сравнению с R_T,П-К Например, для мощного кремниевого транзистора типа КТ903А, у которого диаметр D_T=20мм, величина теплового сопротивления составляет R_T,П-К=3,33 ⁰С/Вт, а для теплового сопротивления R_Т,К-C, если принять удельную теплопроводность воздуха равной α_ВОЗД=30 Вт/м^{2 0}С и D_Т=20мм:

(П.3.3)

Такая большая величина теплового сопротивления системы: коллектор транзистора -окружающая среда R_{Т,П -C}:

обеспечит мощность рассеяния транзистора всего:

Р_РАС(без радиатора)=t_K/R_T,П-С= 100⁰С/109,33⁰C=0,91 Вт.

При идеальном отводе тепла с корпуса в окружающую среду, когда R_Т,К-C=0 и температуре коллектора t_K=100⁰C , мощность рассеяния составила бы Вт. Для увеличения мощности рассеяния транзистора следует уменьшать тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой R_Т,К-С. Это можно сделать, поместив между корпусом транзистора и окружающей средой дополнительное устройство-радиатор. Радиатор обычно выполняют из материала с высокой удельной теплопроводностью: (медь, алюминий, серебро), обладающего наибольшей теплопроводностью. Торец радиатора жестко присоединяется к корпусу транзистора для обеспечения надежного теплового контакта. Дополнительно это достигается также предварительной шлифовкой поверхностей корпуса транзистора и радиатора, смазкой места соединения специальной мастикой или трансформаторным (невысыхающим) маслом. Площадь соприкосновения радиатора с воздухом S_ВЫХ выбирается существенно больше площади корпуса транзистора S. Тепловое сопротивление радиатора, ввиду его высокой удельной теплопроводности весьма мало и его обычно не учитывают. Тепловое сопротивление системы: корпус окружающая среда будет:R_T,K-C=1/α_ВОЗД S_ВЫХ. . Если, например, площадь S_ВЫХ будет больше площади корпуса транзистора S в сто раз, тогда согласно (П.3.3) тепловое сопротивление R_Т,К-C уменьшится во столько же раз и составит 1,06 ⁰С/Вт. Следовательно, общее тепловое сопротивление системы: транзистор окружающая среда будет:

R_T,П-С=R_T,П-К+R_T,K-C=3,33⁰C/Вт+1,06⁰С/Вт=4,39⁰С/Вт.

При этом мощность рассеяния транзистора при прежней температуре коллектора t_K =100⁰ увеличится до 22,77 Вт. На рис П.3.1 приведена тепловая модель системы транзистор- окружающая среда, в которую включено и малое тепловое сопротивление радиатора R_T,РАД.

t_K

R_T-П-К

При наличии большой величины мощности рассеяния транзисторов применяю также воздушный обдув радиаторов.