Мощность, рассеиваемая на транзисторе

Важным параметром мощных транзисторов является максимальная мощность рассеивания Р_РАСС. Это та мощность, которая в транзисторе превращается в тепло:

Р_РАСС = U_КЭI_К + U_БЭI_Б ≈ U_КЭI_К . (5.10)

Из (5.10) следует, что мощность в транзисторе выделяется в основном на коллекторном переходе.

Температура pn – перехода не должна превышать определённого значения t_ПЕР. В паспорте на транзистор указывается Р_РАСС при температуре корпуса транзистора t_К = 25 ⁰ С. Если t_К > 25 ⁰ С, то Р_РАСС должна быть уменьшена, иначе t_ПЕР превысит допустимое значение и транзистор выйдет из строя (сгорит). Типовые значения t_ПЕР:

· у германиевых транзисторов t_ПЕР ≤ + 90 ⁰ С;

· у кремниевых транзисторов t_ПЕР ≤ + 175 ⁰ С.

В транзисторе pn-переход теплее корпуса на ∆ t_{К-П :}

∆ t_К-П = R _К-ПּР_РАСС ,

где R_К-П – тепловое сопротивление между pn-переходом и корпусом транзистора, Кельвин/Вт.

Для отвода тепла транзистор обычно устанавливается на радиатор охлаждения. Корпус транзистора теплее радиатора на ∆ t_Р-К :

∆ t_Р-К = R _Р-КּР_РАСС ,

где R_Р-К – тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором охлаждения.

Радиатор охлаждения теплее окружающей среды на ∆ t_С-Р :

∆ t_С-Р = R _С-РּР_РАСС ,

где R _С-Р – тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой.

Таким образом, pn-переход теплее окружающей среды на ∆ t_С-П :

∆ t_С-П = (R _К-П + R _Р-К + R _С-Р)ּР_РАСС = Р_ДОП ּ∑ R _t .

Отсюда: Р_ДОП = (t_С – t_П ) / ∑ R _t . (5.11)

Чтобы увеличить Р_ДОП , нужно уменьшить суммарное тепловое сопротивление ∑ R _t , то есть уменьшить каждое слагаемое ∑ R _t .

Для уменьшения (практически, до нуля) теплового сопротивления R_К-П между pn-переходом и корпусом коллекторную часть кристалла припаивают непосредственно к корпусу транзистора. У мощных транзисторов выводы эмиттера и базы проходят через изоляторы, вывод коллектора припаян к корпусу.

Для уменьшения теплового сопротивления R_Р-К между корпусом транзистора и радиатором охлаждения применяют следующие меры:

· если можно допустить, чтобы радиатор находился под потенциалом коллектора, то соприкасающиеся поверхности корпуса транзистора и радиатора полируют, плотно прижимают и стягивают болтами;

· если радиатор должен быть электрически изолирован от коллектора, то используют тонкую слюдяную прокладку, имеющую высокое электрическое сопротивление и хорошую теплопроводность (малое тепловое сопротивление);

· для лучшего теплового контакта иногда применяют изолирующую теплопроводящую пасту.

Для уменьшения теплового сопротивления R_С-Р между радиатором и окружающей средой применяют следующие меры:

· радиатор должен иметь большую теплоизлучающую поверхность S_РАД (пример зависимости S_РАД от Р_РАСС дан на рис. 5.17). Без радиатора охлаждения Р_РАСС не превышает (1…4) Вт;

· для большего теплоизлучения радиатор должен иметь чёрный цвет;

· для увеличения S_РАД у радиаторов делают «рёбра» или штыри. Оптимальное конструирование радиаторов охлаждения и их расположение в аппаратуре – сложная теплофизическая задача. В ряде случаев радиаторы располагают вне корпуса аппаратуры, иногда закрывая их защитным кожухом;

· в большинстве случаев радиаторы рассчитаны на естественную конвекцию воздуха. Но применение обдува (вентиляторов) позволяет снизить R _С-Р и соответственно повысить Р_РАСС (рис. 5. 18).

· для охлаждения pn-перехода транзистора или, например, полупроводникового лазера иногда используются микрохолодильники, использующие эффект Пельтье – охлаждение точки спая металла и полупроводника (теллурид висмута) при прохождении тока в определенном направлении.

Задача увеличения допустимой Р_РАСС касается не только мощных транзисторов, но и мощных полупроводниковых диодов, микросхем, лазеров и других радиоэлементов, выделяющих тепло.

Глава 6. Операционные усилители и устройства

На их основе