В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
212 |
Рассеиваемая мощность возрастает, транзистор перестает отдыхать половину периода, ему приходится «подрабатывать». Зачем нужен перевод транзисторов в режим работы AB? Этот режим позволяет избавиться от характерной для режима B «ступеньки», что уменьшает суммарные нелинейные искажения. Дальнейшее увеличение тока переведет режим работы усилителя из AB в A.
Тепло. Что с ним делать?
Выходные транзисторы усилителя мощности греются, тем больше, чем больше рассеиваемая на них мощность. Кристалл, основа транзистора, спрятан внутри корпуса, он может оставаться работоспособен только до тех пор, пока его температура не превысит некоторого предела. Эта температуру можно найти в справочных параметрах транзисторов, так для транзистора КТ602 она составляет 3930К или 1200С (по шкале Цельсия, формула перехода выглядит так: С = К - 2730), что характерно для кремниевых транзисторов. Измерить температуру перехода, не ломая транзистор, мы не можем, поэтому для транзисторов, впрочем как и для других полупроводниковых приборов, в справочных данных приводят параметр, который связывает температуру корпуса, ее мы можем измерять, и температуру перехода. Очевидно, что температура корпуса ниже температуры перехода, что не следует забывать. Тепловые расчеты и рассмотрение тепловых процессов удобно проводить с использованием модели, основанной на аналогии между электрической схемой и тепловой. Действительно, тепло, определяемое мощностью, растекается по всем элементам тепловой схемы подобно току, протекающему по электрической цепи. Перепады температуры, как разница между температурой перехода и температурой корпуса транзистора, подобны падению напряжения. А, значит, мы можем, как в законе Ома, определить тепловое сопротивление, по которому протекает тепловой ток, зная перепад температур. Или, зная тепловое сопротивление, рассчитать перепад температур. Точные расчеты достаточно сложны, хотя можно использовать программы для этих расчетов. Конечной целью подобных расчетов будет выбор теплоотвода, если мы знаем мощность, рассеиваемую на полупроводниковом компоненте схемы. Для отвода тепла используются радиаторы. Простейший из них – это вертикально установленная на плате металлическая пластина, на которой закреплен, например, транзистор. Выделяемое транзистором тепло растекается по пластине, соприкасающейся с воздухом, а последний при нагреве поднимается вверх, унося с собой тепло и освобождая место для более холодного притекающего к пластине воздуха. Чем больше поверхность пластины, тем лучше происходит процесс охлаждения. Но не следует забывать, что тепло «растекается» по пластине с некоторой скоростью, а, значит, в пластине образуется область, где температура выше, чем на краях пластины, и в итоге края могут не достигать температуры этой области, а могут и не принимая участия в процессе охлаждения. Сделав радиатор очень большим мы не достигнем поставленной цели, но лишь увеличим размеры устройства.
В качестве материала для изготовления радиаторов чаще используют алюминий и его сплавы, реже медь или другие материалы. Для увеличения поверхности контакта с воздухом при сохранении разумных габаритов пластинчатый радиатор складывают, изготавливают из нескольких сложенных пластин или делают его поверхность ребристой и игольчатой. В последнее время часто применяют принудительное охлаждение с помощью вентиляторов. Радиаторы для такого вида охлаждения делают тоже специальным образом, у ребристых радиаторов ребра располагаются значительно ближе друг к другу. Если охлаждение происходит при естественном движении воздуха, то в такой конструкции воздух не будет проникать между ребрами теплоотвода, значительно уменьшая его эффективность.
На месте стыков: кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-воздух, – образуются
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
213 |
тепловые сопротивления, которые можно найти в справочной литературе. Но далеко не всегда. Я листаю справочник по транзисторам, хороший справочник, к которому я привык, но не для всех транзисторов нахожу такой важный параметр, как тепловое сопротивление переход-корпус. Для начинающих, как мне кажется, лучше использовать те рекомендации, которые, как правило, присутствуют в описании схемы усилителя. Хотя, чтобы лучше представлять, как все происходит в действительности, можно использовать программы, можно провести ряд экспериментов – многие мультиметры позволяют измерять температуру, а имея в своем распоряжении транзистор, радиатор и источник питания, можно проверить, например, как влияет способ крепления транзистора к радиатору на разницу в температурах корпуса и радиатора. Обычно для транзистора на теплоотводе фрезеруют место установки, которое затем шлифуют для улучшения теплового контакта. С этой же целью применяют специальные пасты, которые наносят на место установки транзистора. Вы можете посмотреть, как влияет на температуру корпуса способ крепления транзистора, начав эксперимент с установки транзистора на не шлифованный участок, продолжив его перемещением в шлифованную область, и закончить опыт нанесением теплопроводящей пасты на место установки транзистора.
Программа Qucs позволяет рассмотреть тепловую модель, если принять, что есть соответствие:
температура эквивалентна напряжению; теплота (мощность) эквивалентна току;
тепловое сопротивление эквивалентно сопротивлению.
Для создания такой модели потребуется знание мощности, рассеиваемой на транзисторе. Примем ее равной 5 Вт. Нужно знать тепловое сопротивление переход-корпус. Для транзистора П701 (что нашлось в справочнике) это 100К/Вт, а для транзистора П702 – 2.50К/Вт. Такое же тепловое сопротивление для транзистора КТ802. И еще одно тепловое сопротивление, которое потребуется, это тепловое сопротивление радиатора. Его можно рассчитать по приближенной формуле: Rт.р. ~ 1/άтSр, а если принять во внимание, что оно много меньше, чем тепловое сопротивление корпус-среда, то оно и определит второй компонент схемы. В формуле άт = 3 вт/м2*град, коэффициент теплоотдачи радиатора при естественном охлаждении. А Sр – полная площадь поверхности радиатора в м2 с учетом обеих сторон и всех поверхностей ребер, если это ребристый радиатор. Самый простой приближенный расчет: площадь радиатора определяется условием, на каждый 1 Вт рассеиваемой мощности должно приходиться 30 см2 поверхности радиатора. Посмотрим, какие температуры мы получим, если для 5 Вт возьмем радиатор 150 см2 (0.015 м2). В этом случае Rт.р. = 22 град/Вт. Если принять изменения температуры окружающей среды в диапазоне 10-40 градусов, то можно построить тепловую модель по этим данным.
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
214 |
Рис. 9.8. Тепловая схема в программе Qucs
Таким образом, если я ничего не напутал, то при заданной площади радиатора кристалл будет перегреваться. Попробуем увеличить поверхность радиатора вдвое до 300 см2. Новая таблица температур получается следующей.
Рис. 9.9. Температуры при увеличении радиатора вдвое
Теперь температура радиатора не превосходит 95 градусов, а температура перехода 108. Эта таблица соответствует радиатору с поверхностью 300 см2, что получится, если взять алюминиевую пластину толщиной, положим, 2 мм и с размерами 10x15 см, и придать ей «П» образную форму. Меньшие габариты даст ребристый радиатор. Но мне интересно, а что получится, если тепловое сопротивление переход-корпус будет 10 град/ватт?
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
215 |
Рис. 9.10. Таблица температур для транзистора П701
Для этого транзистора поверхность теплоотвода потребовалось бы увеличить еще больше. Таким образом, для расчета теплоотвода следует знать тепловые параметры транзистора и тепловые параметры радиатора. Они сильно влияют на конечный результат, и без их точного учета транзистор можно вывести из строя.
Очень часто при установке транзистора на радиатор его требуется электрически изолировать, например, при установке пары транзисторов на один теплоотвод, который используют зачастую и как заднюю стенку конструктива. Изолятор, конечно, ухудшает условия отвода тепла, и это тоже следует учитывать. Мощные транзисторы в металлическом корпусе крепят к радиатору с помощью специальной шайбы и винтов. Закручивая винты, следует внимательно смотреть за тем, чтобы корпус транзистора не был перекошен, иначе образуется воздушный зазор, а воздух плохой проводник тепла. В некоторых случаях кроме транзисторов оконечного каскада в установке на радиаторы нуждаются транзисторы (или транзистор) предоконечного каскада.
И последнее, о чем следует упомянуть, не имея опыта создания усилителей, будь то УМЗЧ или мощный выходной каскад ВЧ устройства, многие стараются выбрать максимально достижимые параметры, не задумываясь о тех трудностях, которые их подстерегают на пути реализации желаемого. Сами трудности не представляют опасности для начинающего, если он готов к любым неожиданностям, опасность представляют разочарования. Они могут отвратить начинающего от продолжения работы с электроникой, если он не примет во внимание, что то устройство, которое он хотел быстро и легко собрать, может вызывать серьезные затруднения и у профессионалов, долгое время работающих в этой области. Каждый ватт дополнительной мощности, каждый килогерц (или мегагерц, или километр расстояния), расширяющий область частот, даются, порой, большими усилиями. А некоторые задачи требуют для своего решения смены и технологий, и создания новых материалов, словом, серьезной научно-исследовательской работы. Работы во многом схожей с теми экспериментами, которые предлагались выше. Надеюсь, что проделав их, вы яснее сможете сформулировать свои требования, яснее увидеть цель, составить реальный план своей работы, которую выполните с тем большим успехом, чем больше цель будет соответствовать вашим возможностям. В любом случае не забывайте, что ток, протекая по любому сопротивлению, выделяет некоторую мощность в виде тепла, которое следует отводить от радио-элементов, особенно полупроводниковых.