Потужні транзистори і відведення тепла
Часто необхідно, як ми бачили в наведених вище схемах, використовувати потужні транзистори або інші сільноточние пристрої, такі, як КУВ або силові випрямлячі, що розсіюють потужності у багато ват. Недорогий і дуже поширений потужний транзистор 2N3055, правильно змонтований, розсіює потужність до 115 Вт. Всі потужні пристрої випускаються в корпусах, які забезпечують тепловий контакт між їх металевою поверхнею і зовнішнім радіатором. У багатьох випадках металева поверхня пристрою пов'язана електрично з одним з висновків (наприклад, у потужного транзистора вона завжди пов'язана з колектором).
В принципі завдання тепловідведення - утримати переходи транзисторів або інших пристроїв при температурі, що не перевищує зазначеної для них максимальної робочої температури. Для кремнієвих транзисторів в металевих корпусах максимальна температура переходів зазвичай дорівнює 200 ° С, а для транзисторів в пластмасових корпусах дорівнює 150 ° С. Знаючи ці параметри, проектувати тепловідвід просто: знаючи потужність, яку прилад буде розсіювати в даній схемі, підраховуємо температуру переходів з урахуванням теплопровідності транзистора, радіатора і максимальної робочої температури навколишнього транзистор середовища. Потім вибираємо такий радіатор, щоб температура переходів була набагато нижчою, ніж зазначена виробником максимальної. Тут розумно перестрахуватися, так як при температурах, близьких до максимальної, транзистор швидко виходить з ладу.
Тепловий опір. При розрахунку радіатора використовують теплове опір θ, яке дорівнює відношенню величини перепаду температур в градусах до переданої потужності. Якщо теплопередача відбувається тільки шляхом теплопровідності, то тепловий опір - величина постійна, яка не залежить від температури, а залежить тільки від пристрою теплового контакту. Для послідовного ряду теплових контактів загальне температурне опір дорівнює сумі теплових опорів окремих з'єднань. Таким чином, для транзистора змонтованого на радіаторі, загальне теплове опір при передачі тепла від p-n - переходу на зовнішнє середовище дорівнює сумі теплових опорів перехід - корпус θпк. з'єднання корпус - радіатор θкр і переходу радіатор - середовище θрс. Таким чином, температура p-n - переходу буде дорівнює
де Р- розсіює потужність
Розглянемо приклад. Наведена раніше схема джерела живлення з зовнішнім прохідним транзистором має максимум розсіюється на транзисторі потужності 20 Вт прі не стабілізованому вхідній напрузі +15 В (10 В падіння напруги, 2 А). Припустимо, що ця схема повинна працювати при температурі навколишнього середовища 50 ° С - не так уже й неймовірно для компактно розташованого електронного обладнання, - і постараємося утримати температуру переходів нижче 150 ° С, тобто набагато нижче, ніж зазначені виробником 200 ° С. Тепловий опір від переходу до корпусу дорівнює 1,5 ° С / Вт. Потужний транзистор в корпусі ТО-3, змонтований зі спеціальною прокладкою, що забезпечує електричну ізоляцію і теплової контакт, має тепловий опір від корпусу до радіатора порядку 0,3 ° С / Вт. І нарешті, радіатор фірми Wakefield, модель 641 (рис. 6.6), має тепловий опір на кордоні з зовнішнім середовищем близько 2,3 ° С / Вт. Тому загальне теплове опір між р-n - переходом і зовнішнім середовищем дорівнюватиме 4,1 ° С / Вт. При розсіюється 20 Вт температура переходу буде на 84 ° С вище температури навколишнього середовища, тобто буде дорівнює 134 ° С (при максимальній зовнішній температурі для даного випадку). Отже, обраний радіатор придатний, а якщо необхідно заощадити простір, то можна вибрати і дещо менший.
Зауваження про радіатори.
1. У схемах, де розсіюються великі потужності, наприклад кілька сотень ват, може знадобитися примусове повітряне охолодження. Для цього випускаються великі радіатори, призначені для роботи з вентиляторами і мають дуже низький тепловий опір від радіатора до зовнішнього середовища - від 0.05 до 0.2 ° С / Вт.
2. Якщо транзистор повинна бути електрично ізольована від радіатора, як це зазвичай і необхідно, особливо якщо кілька транзисторів встановлено на одному радіаторі, то використовують тонкі ізолюючі прокладки між транзисторами і радіаторами, а також ізолюючі вкладиші для монтажних гвинтів. Прокладки випускаються під стандартні транзисторні корпуси і робляться з слюди, ізольованого алюмінію і двоокису берилію Ве02. При використанні теплопроводящей мастила вони створюють додаткове теплове опір від 0,14 ° С / Вт (берилієві) до 0,5 ° С / Вт. Хорошою альтернативою класичному поєднанню прокладка з слюди плюс мастило можуть служити ізолятори на основі кремнійорганічних сполук без використання мастила з дисперсійним покриттям теплопровідність компаундом; зазвичай це нітрид бору або окис алюмінію. Ці ізолятори чисті і сухі, зручні в користуванні, вам не загрожує забруднити руки, одяг і електроніку білим липким речовиною, до того ж ви економите багато часу. Тепловий опір цих ізоляторів становить 0,2 - 0.4 ° С / Вт, т. Е. Цілком порівнянне з величинами «брудного» методу. Фірма Bergquist називає свою продукцію «Sil-pad», Chomerics - «Cho - Therm», продукту SPC відома під назвою «Koolex», Xhermalloy називає свою «Thermasil». Ми в своїй роботі з успіхом використовуємо всі ці ізолятори.
3. Малі радіатори випускаються у вигляді простих насадок на малогабаритні корпуси транзисторів (подібні стандартному ТО-5). У разі малої потужності, що розсіюється (1 - 2 Вт) цього цілком достатньо і не треба мучитися, монтуючи транзистор кудись на радіатор, а потім тягнути від нього дроти назад до схеми (приклад див. На рис. 6.6). Крім того, існують різні типи малих радіаторів для роботи з потужними ІМС в пластмасових корпусах (багато стабілізатори, а також потужні транзистори мають такі корпусу) які монтуються прямо на плату під корпус ІМС. Це дуже зручно в схемах, де розсіюється потужність не більше декількох ватів (приклад див. Також на рис. 6.6).
4. Іноді зручно монтувати потужний транзистор прямо на шасі або корпус приладу. В цьому випадку краще використовувати консервативний метод проектування (корпус повинен залишатися холодним), так як нагріте корпус нагріє і інші елементи схеми і скоротить їх терміни служби.
5. Якщо транзистор змонтований на радіаторі без ізоляції, то треба ізолювати радіатор від шасі. Застосування ізолюючих прокладок рекомендується завжди (наприклад, модель Wakefield 103), якщо, звичайно, корпус транзистора не заземлений по ідеї. Якщо транзистор ізольований від радіатора, то радіатор можна закріпити прямо на шасі. Але якщо транзистор виступає назовні з приладу (скажімо, радіатор його змонтований на зовнішньої стогне задньої стінки), то має сенс ізолювати цей транзистор, щоб ніхто до нього, бува, не доторкнувся і не замкнув на землю (ізолювати можна, наприклад, прокладкою Thermalloy 8903N).
6. Тепловий опір радіатор - вншняя серед звичайних вказується, коли ребра радіатора встановлені вертикально і обдуваються повітрям без перешкод. Якщо ж радіатор встановлений як-небудь по-іншому або є перешкоди на шляху потоку повітря, то ефективність радіатора знижується (підвищується теплове опір); найкраще монтувати радіатор на задній стінці приладу, ставлячи ребро вертикально.
Мал. 6.6. Радіатори для потужних транзисторів. Фірми - виробники: I - IERC, T - Thermalloy, W - Wakefield, (розміри дані в дюймах, 1 "= 25.4 мм).
Вправа 6.2. Транзистор 2N5320. має тепловий опір перехід-корпус 17,5 ° С / Вт, забезпечений знімним радіатором типу IERC TXBF (див. рис. 6.6). Максимальна допустима температура переходу 200 ° С. Яка потужність може розсіюватися такою конструкцією при зовнішній температурі 25 ° С? Як ця потужність зменшується з кожним градусом підвищення температури навколишнього середовища?