Как рассчитать мощность транзистора

Как рассчитать мощность транзистора

Текущее время: Ср янв 24, 2024 18:49:35

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Запрошенной темы не существует.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y

Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024

Ток коллектора

В начале вопрос: может ли быть ток коллектора бесконечно большим? Теоретически, увеличением тока базы, вы можете свободно увеличивать ток коллектора.

Тем не менее, в той или иной схеме максимальный ток коллектора транзистора только в состоянии насыщении и, главное, не определяется транзистором, а только напряжением питания и сопротивлением нагрузки. При снижении сопротивления нагрузки увеличивается ток.

Как вы догадались, этот ток нельзя увеличивать произвольно. Каждый транзистор имеет максимальный ток коллектора, обозначается в каталогах производителей — ICmax.

Значение этого тока, зависит от конструкций и толщины переходов транзистора.

При протекании тока через сопротивление, выделяется тепло. Вы наверное, догадываетесь, или, может быть, вы видели своими глазами, что связи между слоями кремния транзистора и проводники сделаны из тонкой проволоки. Хотя ее часто делают из золотой проволоки, они при избыточном токе ведут себя как самые обычные предохранители – разогреваются и перегорают.

Не только проводники. Кремниевая структура транзистора так же имеет не большие геометрические размеры. Если пропустить большой ток через эту структуру имеющую малое сечение, мы получим, ток очень большой плотности. Не забывайте, мы имеем дело с чувствительной структурой полупроводника и чрезмерное увеличение плотности тока приводит не только к повышению температуры, а также целый ряд других негативных явлений. Я буду говорить только об уменьшении коэффициента усиления по току (β) с ростом тока коллектора.

Таким образом. Ограничение коллекторного тока производителем обосновано допустимой плотностью тока, и температурой плавления структуры, вы не можете ее превышать.

Если вы думаете о мгновениях, то можно придти к выводу, что если транзистор будет работать в импульсном режиме, открылся, пропустил ток только на короткое мгновение, за это мгновение структура не успевает разогреться и расплавиться. Таким образом, ток в импульсе может быть и больше максимальной ток в не прерывном режиме.

Вы правы! В каталогах часто приводят максимальном токе коллектора при непрерывной работе и максимальный ток коллектора для импульса. Вы можете это увидеть в характеристиках силового транзистора.

Но сейчас, мы не будем связываться с этим вопросом. Как вы думаете или если не превышать ток Icmax каталога, и напряжения UCEmax, ваш транзистор не находится в опасности?

Рассеиваемая мощность

Мы начинаем обсуждать важную и, как выясняется – трудную тему. Но вы должны понять ее! Самую сложную информацию я дам вам в следующем месяце, а сейчас все элементарно.

Наверное, вы слышали такой термин: мощность транзистора.

Что такое мощность транзистора? И что такое общая мощность?

Термин мощность относиться ко многим устройствам:
Двигатель имеет мощность 100 Вт,
Электрический обогреватель имеет мощность до 2000 Вт,
Паяльник 40 Вт,
У нас есть две лампочки в 60 Вт, одна на 220 Вольт, другая на автомобильные 12 Вольт.

Все эти машины используют электроэнергию от источника и конвертируют ее в другие формы энергии: тепло в механическую энергию (двигатель) энергию света (лампа).

Чем больше мощность, тем больше энергии потребляет в каждый момент это устройство. Обе эти лампы потребляют ту же мощность 60 Вт. В чем разница? Конечно, что одна работает при напряжении 12 вольт и потребляет 5 ампер тока (12Вх5A=60W) а другая, которая работает при напряжении 220 В, потребляет немного больше чем 0,27 ампер (что также дает 220×0,27=60 Вт).

Таким образом, одни и те же мощности могут быть достигнуты с различными токами и напряжениями. Вот простые формулы, необходимые для расчета мощности. Я беру электрические оборудование, работающего на постоянном токе (переменный ток работающий на активное сопротивление). Запомните раз и навсегда:

Возвращаясь к вопросу о мощности транзистора: это мощность, рассеиваемая нагрузкой? Может мощность, рассеиваемая транзистором? Или, может быть даже что-то еще? Ранее я объяснил вам, что коллекторная цепь – это регулируемый источник тока, а не переменный резистор, однако это не меняет тот факт что, когда через структуру транзистора будет течь ток будут потери мощности на тепло. Величина этих потер, определяется по формуле: P UCE IC Где Uce это напряжение между коллектором и эмиттером, Ic – ток коллектора. Строго говоря, мы должны так взять во внимание потери мощности в базовой цепи Ube*Ib, но так как эта мощность очень маленькая, по сравнению с мощностью рассеваемой на коллекторе, она не учитывается.

И что происходит дальше с этим теплом? Если оно остается в транзисторе?

Ни в коем случае! У вас нет ни каких сомнений, что если транзистор не будет хорошо термоизолирован от окружающей среды, это выделяемое тепло приведет к повышению температуры. И это вредное тепло необходимо рассеять во внешней среде. Смотри рисунок 43.

Тут работает простой принцип: тепло передается от горящего к холодному.

Вы уже знаете, что такое потери мощности транзистора. Но именно здесь, кроиться кардинальная ошибка начинающих. Они рассуждают следующим образом: если транзистор может работать при максимальном напряжении коллектора UCE0 и максимальном токе коллектора Icmax, максимальная «мощность транзистора» равна Р = UCE0 × ICmax.

Это абсолютная ерунда, нельзя так просто рассчитать мощность. Посмотрите в каталог любого транзистора и найдите там его мощность, она обозначается Ptot. Запомните раз и навсегда: общая мощность транзистора всегда меньше чем произведение Р = UCE0 × ICmax.

А теперь вычислите. Какая мощность рассеивается на транзисторе, а какая на нагрузке схем на рисунке 44. Возьмем схему 44а, сначала рассчитаем напряжение на резисторе, потом на транзисторе, а потом обе мощности. Напряжение на резисторе:

Мощность рассеиваемая на резисторе:

(То же самое можно вычислить по формуле ) Напряжение на транзисторе:

Мощность рассеиваемая на транзисторе:

Для других схем на рисунке 44, рассчитайте самостоятельно.

Как вы можете видеть, расчеты совсем не сложные. Таким образом, мы идем дальше. Вы уже знаете три условия работы транзистора:
1 Напряжение питания не должно быть больше, чем указанное в каталоге напряжение UCE0. Самое высокое напряжение присутствует на коллекторе транзистора в состоянии отсечки.
2 Ток коллектора не может быть больше, чем ICmax. Самый большой ток протекает через транзистор в состоянии насыщения.
3 Рассеиваемая мощность транзистора, ни при каких обстоятельствах не превышает допустимую Ptot.

Рассмотрим эти три ограничений на примере транзистора с параметрами (UCE0 = 25В, ICmax = 100mA, Ptot = 500 мВт) смотри рисунок 45. Если напряжение и ток на графике это прямые лини, тогда линия, представляющая мощность Р = U × I) будет иметь вид гиперболы, как это показано на рисунке 45. Однако если ток и напряжение отложить на логарифмических шкалах, то кривая мощности станет прямой. Что видно на рисунке 46. Тут нет никакого мошенничества — рисунки 45 и 46 показывают одни и те же значения, но не много по разному: в линейном масштабе, и в логарифмическом. В каталогах приводятся характеристики похожие на рисунок 46. На Рисунке 47 вы можете найти копии конкретных характеристик транзисторов BD243 и BD244, взятых из каталога. Тут для вас есть масса информации, если транзистор будет работать в импульсном режиме, то мгновенный ток и мгновенную мощность можно будет взять больше чем при постоянной работе. Заметим, однако, что характеристика на рисунке 47 имеет еще одно ограничение по сравнению с рисунком 46. Это «отсечение», что является дополнительным ограничением, связанным с явлением так называемого вторичного пробоя (второй пробой). Появление вторичного пробоя приводит к повреждению транзистора. Подробнее об этом можно найти в книгах. Я не буду сейчас объяснять, потому что это сейчас не нужно. В любом случае, у нас есть еще одно ограничение.

В любом случае, мы достигли пиковой точки нашего сегодняшнего обсуждения: проектируемая схема должны вписываться в безопасную рабочую область транзистора. В каталогах она часто обозначается SOAR или SOA. Это сокращение от английского область безопасной работы (Area). Рисунок 47 показывает безопасную рабочую область для транзистора BD243 и BD244.

Строго говоря, при проектировании схемы вы должны найти график показывающий область безопасной работы транзистора (такой, как на рисунке 47), выполнять расчеты, или выбрать на графике ток транзистора и убедиться что мощность находиться в разрешенной зоне. Примеры, которые мы обсуждали несколько минут назад это простейшие случай – транзистор работает на активное сопротивление нагрузки. Во многих схемах, дело обстоит сложнее. Так, например, транзисторы в усилителе мощности выходного каскада также должны работать в безопасной зоне работы при любых условиях — даже в случае короткого замыкания на выходе, подключении к емкостной нагрузкой (длинный кабель) или индуктивной (динамик). В базовый курс мы не будет иметь дело с такими расчетами. Я просто хочу, чтобы указать, на проблему, а вы получите для себя со временем достаточно знаний, чтобы справиться с более сложными задачами.

На данный момент, вы можете придерживаться простого правила: используйте транзисторы с параметрами выше необходимого минимума. На практике, как правило, для безопасной работы используют транзисторы с параметрами на 50…100% выше, чем расчетные, напряжение, ток, мощность. Тогда у нас есть запас прочности, и не придется беспокоиться о надежности. Использование транзисторов «больше и сильнее» также выгодно по ряду других причин при возможной небольшая разнице в цене, которая не имеет значения. Но не подобает использовать силовые транзисторы и транзисторы высокого напряжения, там где это не нужно.

Казалось бы, что все просто и легко, при выборе условий работы транзистора (напряжение питания и сопротивление нагрузки) и можете сами установить транзистор в разрешенный диапазон. Действительно учесть напряжение и максимальный ток, это просто, но потери мощности определить не так просто. На кону здесь два важных вопроса вы должны понять:
— Зависимость потерь мощности от напряжения питания и сопротивления нагрузки,
— Вопрос отвода тепла от транзистора.

Сегодня мы ответим только на первый вопрос.

Часто, не требуется считать потери мощности указанным выше способом. На практике, как правило, нас интересует самый худший случай. Если рассчитать потери мощности в худшем случае нет необходимости проводить дальнейшие расчеты.

Рисунок 48 помогает понять, что я имею в виду, говоря о худшем случае. Транзистор работает с сопротивлением нагрузки RL при постоянном напряжении питания (в данном случае, RL = 250 Ом, Usup = 20В).

Рисунок 48b относится к принципиальной схеме, показанной на рис 48а, но очень похожая ситуация в схеме, показанной на рисунке 48c. Идя дальше, мы можем расширить вопрос: интегральная схема состоит из транзисторов, аналогичные расчеты применяются к интегральных схемам, в частности к стабилизаторам. Пример 48d. Во всех случаях (рис. 48а, 48с, 48d) напряжение транзистора UT, напряжения на нагрузке UL.

Что можно понять из того рисунка?

Рисунок 48b это то же самое что и на рисунке 44г. Когда нет базового тока, то нет и коллекторного тока и напряжение на коллекторе равно напряжению питания. Когда вы пустите ток в базу, и начнете его увеличивать, увеличиться ток коллектора а напряжение на нем уменьшиться. Зная напряжение питания и сопротивление нагрузки RL можно выполнять вычисления для нескольких или нескольких десятков значений напряжения UT. Вы можете рассчитывать не только ток коллектора, но и мощность, рассеиваемая на нагрузке, и на транзисторе для различных напряжений коллектора (т.е. различных токах базы). По этим значениям можно построит график такой как на рисунке 48г.

На этом рисунке синей линей я изобразил зависимость тока от напряжения Uсе (напряжение на транзисторе), шкала тока находиться слева. Здесь простая нагрузка Rl. Красная линия – потери мощности на транзисторе. Фиолетовая, какая мощность рассеивается на нагрузочном резисторе. (Внимание! Шкала мощности нарисована справа).

Примечание: в отсутствие тока базы и тока коллектора, потери мощности транзистора равны нулю, потому что P = Usup × 0. На рисунке 48б показана точка А. Очевидно в состоянии отсечки ток не течет, и нет потери мощности на транзистор и на нагрузке.

Теперь обратите внимание на то, что происходит в состоянии насыщения – посмотрите на точку B. Хотя сейчас ток очень большой, но напряжение на транзисторе очень мало (Ucesat напряжения насыщения десятки или сотни милливольт). Таким образом, рассеивание тепла в режиме насыщения транзистора мало, можно сказать, близко к нулю, потому что P = Ucesat × I. Вы удивлены?

Оказалось, что в состоянии насыщения, когда ток самый большой, рассеиваемая мощность транзистора практически равна нулю! Да, это так! Высокая мощность (P = Usup × I) рассеивается, на сопротивлении нагрузки, а не на транзисторе. Короче говоря, если транзистор работает как переключатель, во время открытия и насыщения он выделяет очень мало тепла. Прямо сейчас вы должны знать, что потери при импульсе будут только на короткое время переключения. К этой проблеме мы еще вернемся. В настоящее время нас интересует работа в линейном режиме.

Как вы можете видеть на рисунке 48b, сама большая мощность рассеивается на транзисторе когда напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания. И это тот самый худший случай, о котором я упоминал. Худший, так как потери мощности на транзисторе самые большие. На рисунке 48б это показано точкой С.

Как вы можете видеть, потери мощности на транзисторе при этом равна потери мощности на нагрузке. Если это так, то максимальная рассеиваемая мощность, при каких пропорциях, может быть рассчитана очень просто: потому что в худшем случае рассеиваемая мощность транзистора равна рассеиваемой мощности на сопротивлении нагрузки RL. Тогда значение напряжения делим на две равные части и считаем


Это расчетная мощность, очевидно, не может быть больше чем указанная в каталоге мощность транзистора Ptot.

Эта формула позволяет вычислить минимальное сопротивление нагрузки для данного напряжения питания и мощности из каталога:

По ней также можно рассчитать максимальное напряжение для данного сопротивления нагрузки и выбранной мощности

Вы можете не быть орлом в математике, но эти формулы нужно запомнить или записать себе на видном месте.

Можно спросить, как эти расчеты соотнести с кривой допустимой мощности рассеивания на рисунках 45 и 46?

Это интересный вопрос!

Давайте посмотрим вместе, смогут ли наши транзисторы с характеристиками на рисунках 45 и 46 работать в схеме, показанной на рисунке 48а при напряжении 25В с сопротивлением нагрузки 250Ω, где напряжение на транзисторе может плавно изменяться от нуля до полного напряжения?

Рассчитаем потери мощности в худшем случае:

Потому что во время работы может возникнуть самая тяжелая ситуация, и наш транзистор будет перегружен. Но если он будет работать в ключевом режиме, т.е. находиться в одном из двух состояний: отсечки или насыщения. Так как в обоих этих условиях мощность, рассеиваемая на транзисторе равна или близка к нулю, насколько это возможно. И нам не нужно, прибегать в расчетах к наихудшему случаю, потому что в схемах переключения такое состояние не встречается.

Возвращаясь к рисунку 45, можно сказать, что мы не превысили допустимые потери мощности, и наша нагрузка находиться в безопасной рабочей области транзистора. Некоторые примеры можно найти на рисунке 49 при простой нагрузке для различных напряжений питания и различные сопротивлений.

На рисунке 49 нагрузка показана прямой линией. Попробуйте самостоятельно построить подобных линий на рисунках 46 и 47. Будет ли это легко? Проверьте, построив несколько точек.

В реальной схеме транзистор будет работать при напряжениях Usup гораздо меньше, чем допустимо напряжения UCE0, и сопротивление нагрузки в коллекторе будет ограничивать максимальный ток до величины, значительно меньше, чем ICmax. Как я уже сказал, нормальный запас здесь 50 .. 100%. А теперь поупражняйтесь самостоятельно.

Задача 1

Транзистор имеет следующие параметры: UCE0=25V, ICmax=300mA, Ptot=100mW. Дорисуйте на рисунке 50 кривые максимальной выходной мощности 100 мВт. Рассчитайте максимально мощность (в худшем случае) при условии транзистора в следующих условиях:
1.Uzas = 10V, RL = 1kΩ
2.Uzas = 25V, RL = 390Ω
3.Uzas = 9V, RL = 51Ω
4.Uzas = 25V, RL = 100Ω

Отметьте эти случаи на рисунке 50. Может ли транзистор может работать при таких условиях?

Задача 2

Транзистор с параметрами как в предыдущей задаче, вычислите минимальное сопротивление в цепи на рисунке 51. И в какой пропорции будет выделяться мощность на транзисторе и его нагрузке в состоянии насыщения?

Задача 3

В схеме на рисунке 52 мы хотим использовать транзистор со следующими параметрами: UCE0 = 45В, ICmax = 500mA, Ptot = 300 мВт. Рассчитать, при каком напряжении питания он не будет перегружен.

Задача 4

Транзистор T1 схемы стабилизатора показаной на рисунке 53 имеет следующие параметры: UCE0 = 50В, ICmax = 100mA, Ptot = 300 мВт. Рассчитать максимальный ток транзистора, когда напряжение стабилизации равно 5В. Выполнить расчеты для двух напряжений питания:
а) за счет напряжения питания = 25В
б) за счет напряжения питания = 7В

Если вы думаете, что вы знаете все рассеиваемой мощности транзистора, я вас расстрою. Все наши соображения относятся только к маломощным транзисторам, для них этого достаточно. Но для мощных транзисторов необходимо учитывать дополнительные факторы. Указанная в справочнике мощность Ptot тесно связана с температурой кристалла и эффективности отвода тепла. Этот важный вопрос будет в следующем месяце.

Тепловые параметры

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.

Максимальная температура перехода

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?

Это просто. При этой температуре риск повреждения еще относительно не велик. Элемент, работающий при этой температуре (с учетом статистически), должен безотказно работать, скажем, через 10000 часов (то есть более чем год непрерывной работы). Здесь в игру вступает здесь статистика и учет вероятности, так что я не буду вам объяснять подробно вопросы аварийности и прогнозируемые периоды времени безотказной работы. Конечно, когда-нибудь вы встретитесь терминами MTTF, MTBF (средняя наработка на отказ) — только они касаются вопросов безотказной работы и риска повреждений устройств и компонентов. И таким образом, эти +150°C это не какой-то строго указанный не непроходимый порог. После которого плавятся переходы транзистора, до +200°С транзистор по-прежнему будет работать. Кроме того, в каталогах вы встретите элементы (диоды и некоторые транзисторы), для которых определены допустимые температуры переходов +175°С или даже +200°С.

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.

Мощность рассеивания и температура

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.

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.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98 25

Расчет транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор как минимум с двумя с р-h-переходами и тремя выводами, который предназначен для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний.

Основная классификация транзисторов осуществляется по:

1. Исходному полупроводниковому материалу. По данному критерию транзисторы подразделяются на кремниевые и германиевые.
2. Мощности. По данному критерию транзисторы подразделяются на транзисторы большой, средней и малой мощности.
3. Частоте. По данному критерию транзисторы подразделяются на сверхвысокочастотные, высокочастотные, среднечастотные, низкочастотные.

В радиотехнике самыми распространенными транзисторами являются полевые и биполярные. У полевых транзисторов управление выходным электрическим током осуществляется электрическим полем. У полевых трансформаторов три электрода: сток, исток и затвор. Достоинство полевого транзистора заключается в том, что электрический ток затвора (входного электрода очень мал), что определяет высокое входное сопротивление каскадов на них, что способствует устранению влияния последующих каскадов схемы на предыдущие. К основным параметрам полевых транзисторов можно отнести:

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты

1. Напряжение отсечки.
2. Напряжения между стоком и затвором, между затвором и истоком, между стоком и истоком.
3. Максимальный электрический ток стока.

В полупроводниковой структуре биполярного транзистора сформировано два р-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется двумя носителями — дырками и электронами. Данный транзистор используется в устройствах, которые генерируют или усиливают электрические колебания, а иногда в качестве коммутирующего элемента. Основными параметрами этого типа транзисторов являются: входное сопротивление, максимально допустимы электрический ток, входная проводимость, коэффициент передачи по току, обратный ток коллектора, время включения, выходная проводимость и другие.

Пример расчета транзистора с общим эмиттером

Определение 2

Эмиттер — это область транзистора, назначение которой заключается в инжекции носителей заряда на базу.

Сначала нам необходимо рассчитать максимальную статическую мощность, рассеивающуюся на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала через рабочую точку при статическом режиме его функционирования. Формула выглядит следующим образом:

Начинай год правильно ��
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽

Рст. макс = 0,8 • Рмакс

где, Рмакс — максимальная мощность транзистора по справочнику или инструкции

После этого определим электрический ток коллектора без сигнала (то есть в статическом режиме работы):

Iко = Рст. Макс / Uкэо = Рст. Макс / (Uп / 2)

где, Uп — напряжение питания.

Так как в статическом режиме на транзисторе напряжение питания уменьшается на половину, то вторая половина будет уменьшаться на резисторах, то есть:

(Rk + Rэ) = (Uп / 2) / Iко

Где, Rк — коллекторное сопротивление; Rэ — эмиттерное сопротивление.

Напряжения в коллекторе в статическом режиме транзистора можно вычислить по следующей формуле:

Uко = (Uкэо + Iко • Rэ) = (Uп – Iко • Rк)

Электрический ток базы, которая управляет транзистором, рассчитывается следующим образом:

Iб = Iк / h21 = [Uп / (Rк + Rэ)] / h21

где, h21 – коэффициент усиления электрического тока базы (при условии включения с общим эмиттером).

Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, заданным делителями Rб1 и Rб2 (рисунок ниже, там же изображена вольтамперная характеристика). Резистивный ток должен быть в 5-10 раз больше, чем ток управления базы.

Рисунок 1. Полный базовый ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 2. Полный базовый ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Rб1Rб2: Iдел = 10 • Iб

Таким образом полное сопротивление резисторов будет равняться:

Rб1 + Rб2 = Uп / Iдел

Напряжение на эмиттере равняется:

где, Iк0 — ток покоя транзистора

Напряжение на базе рассчитывается следующим образом:

где, Uбэ-напряжение рабочей точки транзистора.

И через формулу делителя рассчитываем:

Rб2 = (Rб1 + Rб2) • Uб / Uп

Разделительные конденсаторы подбираются с учетом требуемой амплитудно-частотной характеристики каскада. На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика зависит от времени перезарядки разделительных конденсаторов. Емкость должна быть такого значения, которое не позволит конденсаторам успевать перезаряжаться. Входное сопротивление каскада транзистора намного больше, чем выходное сопротивление. Амплитудно-частотная характеристика определяется постоянной времени:

где, Rвх = Rэ • h21; Свх — разделительная входная емкость каскада.

Спад амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда:

tв = Rвых • Ck = Rk • Ck

где, Ск — паразитная емкость коллекторного перехода, указываемая в справочнике или инструкции. При расчете звуковых частот паразитной емкостью можно пренебречь, так как она незначительна.