управляемый выпрямитель) - прибор, ток в котором отсутствует до тех пор, пока переход управляющий электрод - катод не получит прямое смещение. После этого прибор включается, и, однажды включившись, он не выключится, пока анодный ток не будет отключен извне. В нашем случае через управляющий электрод пойдет ток, если выходное напряжение окажется больше напряжения стабилитрона д, плюс перепад на р - п-переходе. Когда это случится, в стабилизаторе включится схема ограничения тока и КУВ будет удерживать выходное напряжение около уровня земли. Если неисправность, приведшая к ненормальному повышению выходного напряжения, к тому же вывела из строя токоограничивающую схему (например, у транзистора Ti замкнулся коллектор на эмиттер), то схема защиты должна будет отбирать очень большой ток. Поэтому есть смысл где-нибудь в цепи питания Ti поставить плавкий предохранитель, как показано на схеме. Подробнее схемы защиты от превышения напряжений рассмотрены в разд. 5.06.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДА МОЩНЫХ СХЕМ

5.04. Мощные транзисторы и отвод тепла

Часто бывает необходимо, как мы видели в приведенных выше схемах, использование мощных транзисторов или других сильноточных устройств, таких, как КУВ или силовые выпрямители, рассеивающих мощности во много ватт. Недорогой и очень распространенный мощный транзистор 2N3055, будучи правильно смонтированным, рассеивает мощность до П5 Вт. Все мощные устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между их металлической поверхностью и внешним радиатором. Во многих случаях эта металлическая поверхность устройства электрически связана с одним из выводов (например, у мощного транзистора она всегда связана с коллектором).

В принципе задача теплоотвода состоит в том, чтобы удержать переходы транзисторов или других устройств при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры. Для кремниевых транзисторов в металлических корпусах максимальная температура переходов обычно равна 200°С, а для транзисторов в пластмассовых корпусах равна 150°С. В табл. 5.1 приведены некоторые типы мощных транзисторов с указанием их температурных параметров. Проектировать теплоотвод для них просто: зная мощность, которую прибор будет рассеивать в данной схеме, подсчитываем температуру переходов с учетом теплопроводности транзистора, радиатора и максимальной рабочей температуры окружающей транзистор среды. Затем выбираем такой радиатор, чтобы температура переходов была нам- 01 о ниже, чем указанная изготовителем максимальная. Здесь разум-

0перестраховаться, так как при температурах, близких к максималь-

оп, транзистор быстро выходит из строя.

Мощные транзисторы

Одиночные мощные: С/к;эиас = 0,4 В (тип.); С/бэвкл = 0.8 В (тип.)

Составные мощные (Дарлингтона): 6/энас = 0,8 В (тип.); C/gg вкд = 1>4 В (тип.)

Низкая цена, многоцелевой

Металлический, широкого применения

Пластмассовый, широкого применения

Для ультрамощных схем Комплементарные (пушпульные) выходные каскады То же

Дешевый Сильноточный

) А-малый пластмассовый мощный корпус (ТО-26); В-большой пластмассовый мощный корпус (ТО-127): ) Сцв (лрл) при 15 = В; Ск,Б (рлР)=2СкБ (лрл).

Тепловое сопротивление. При расчете радиатора употребляется величина, называемая тепловым сопротивлением 9, которое равняется отношению величины перепада температур в градусах к передаваемой мощности. Если теплопередача происходит только путем теплопроводности, то тепловое сопротивление есть величина постоянная, не зависящая от температуры, а зависящая только от устройства теплового контакта. Для последовательного ряда тепловых контактов общее температурное сопротивление будет суммой тепловых сопротивлений отдельных соединений. Таким образом, для транзистора, смонтированного на радиаторе, общее тепловое сопротивление передаче тепла от перехода на внешнюю среду есть сумма тепловых сопротивлений соединения переход - корпус бп , соединения корпус - радиатор 9кр и перехода радиатор - среда 9, Таким образом, температура р - п-перехода будет равна

7п=7с + (9п„ + вкр + 9ре) Р,

где Р - рассеиваемая мощность.

Рассмотрим пример. Ранее приведенная схема источника питания с внешним проходным транзистором имеет максимум рассеиваемой на транзисторе мощности 20 Вт при нестабилизированном входном напряжении -Ы5 В (10 В падения напряжения, 2 А). Предположим, что эта схема должна работать при окружающей температуре 50°С - не так уж невероятно дая компактно расположенного электронного оборудования,- и постараемся удержать температуру переходов ниже 150°С, т. е. намного ниже, чем указанные изготовителем 200°С. Тепловое сопротивление от перехода к корпусу будет 1,5°С/Вт. Мощный транзистор ТО-3, смонтированный со специальной прокладкой, обеспечивающей электрическую изоляцию и тепловой контакт, имеет тепловое сопротивление от корпуса к радиатору порядка 0,3°С/Вт. И наконец, радиатор фирмы Wakefield, модель 641, имеет тепловое сопротивление на границе с внешней средой порядка 2,3°С/Вт (рис. 5.6). Поэтому общее тепловое сопротивление между р - п-переходом и внешней средой будет приблизительно 4, ГС/Вт. При рассеиваемой мощности 20 Вт температура переходов будет на 84° выше температуры окружающей среды, т. е. будет равна 134° при максимальной внешней температуре. Очевидно, выбранный радиатор пригоден, а если необходимо, то можно выбрать и несколько меньший.

Замечания о радиаторах. 1. В схемах, где рассеиваются большие мощности, например несколько сотен ватт, может понадобиться принудительное воздушное охлаждение. Для этой цели выпускаются большие радиаторы, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень низкое тепловое сопротивление от радиатора к внешней среде - от 0,05 до 0,2°С/Вт.

2. Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, как это обычно и бывает необходимо, особенно если несколько транзисторов установлено на одном радиаторе, то используют тонкие Изолирующие прокладки между транзисторами и радиаторами, а так-

общий вид

Марка Тепловое сопротивление

t°C/Bm) при Д7-=(Гр,д-Гв еа)

йТ= ЛТ= ЛТ= 25°С 50°С 75°С

тВР-032- 70

025В

70 10

1РА2. -Т6107

30 2Т

18 1в

IE100Q-03

TG40t

W101

3,5 3,1 2,8

IE 0-Q6

TG421

W4Z1

1,3 1,t

16189 W641

2,G Z,Z \

Рис. 5.6. Радиаторы для мощных транзисторов.

Фирмы-изготовители / - IERC, Г - Thermatloy, W - Wakefield (размеры даны в дюймах, 1 =2,64 нм).

ке изолирующие вкладыши для монтажных винтов. Прокладки выпускаются под стандартные транзисторные корпусы и делаются из слюды, изолированного алюминия и двуокиси бериллия BeOj. При использовании теплопроводящей смазки они создают дополнитель ное тепловое сопротивление от 0,14°С/Вт (бериллиевые) до 0,5°С/Вт,

3. Малые радиаторы выпускаются в виде простых насадок на мало габаритные корпусы транзисторов (подобные стандартному ТО-5) В случае малой рассеиваемой мощности (1-2 Вт)этого вполне до статочно, и не надо мучиться, монтируя транзистор куда-то на радиатор, а потом тащить от него провода обратно к схеме (пример см. на рис. 5.6). Кроме того, существуют различные типы малых радиаторов, предназначенные для работы с мощными ИМС в пластмассовых корпусах (многие стабилизаторы, а также мощные транзисторы имеют такие корпуса), которые монтируются прямо на плату под корпус ИМС. Это очень удобно в схемах, где рассеивается мощность не больше нескольких ватт (пример см. также на рис. 5.6).

4. Иногда удобно монтировать мощный транзистор прямо на шасси или корпус прибора. В этом случае лучше быть консерватором (не горячитесь и не перегревайтесь!), так как нагретый корпус нагреет и другие элементы схемы и сократит их сроки службы.

5. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, то следует изолировать радиатор от шасси. Применение изолирующих прокладок рекомендуется всегда (например, модель Wakefield 103), если, конечно, корпус транзистора не заземлен по идее. Если транзистор изолирован от радиатора, то радиатор может быть закреплен прямо на шасси. Но если транзистор выступает наружу из прибора (скажем, если радиатор его смонтирован на внешней стороне задней стенки), то имеет смысл изолировать этот транзистор, чтобы никто до него случайно не дотронулся или не замкнул на землю (изолировать можно, например, прокладкой Thermalloy 8903N).

6. Тепловое сопротивление радиатор - внешняя среда обычно указывается для случая, когда ребра радиатора установлены вертикально и обдуваются воздухом без помех. Если же радиатор установлен как-нибудь по-другому или есть препятствия на пути потока воздуха, то эффективность радиатора снижается (повышается тепловое сопротивление); лучше всего монтировать радиатор на задней стенке прибора, ставя ребра вертикально.

7. Существуют радиаторы, предназначенные для работы с принудительным воздушным охлаждением. При использовании небольшого приборного вентилятора такие радиаторы могут отводить огромные количества тепла (много сотен ватт). Вопросы принудительного охлаждения более детально будут обсуждены в гл. 12.

Упражнение5.2. Транзистор 2N5320, имеющий тепловое сопротивление переход - чрпус 17,5 С/Вт, снабжен съемным радиатором типа IERC TXBF (см. рис. 5.6).

аксимальная допустимая температура перехода равна 200°С. Какая мощность может рассеиваться такой конструкцией при внешней температуре 25°С? Как уменьшается

мощность с каждым градусом увеличения температуры окружающей среды?

5.05. Ограничители тока с обратным наклоном характеристики

Для стабилизатора с простым ограничением тока рассеяние мощ-ности на транзисторе будет максимальным, когда выход закорочен на землю (случайно или из-за неправильного изготовления схемы), и эта мощность рассеяния превосходит мощность при номинальной нагрузке. Например, проходной транзистор в рассмотренном нами стабилизаторе, дающем +5 В при токе 2 А, будет при закороченно.\1 выходе рассеивать мощность 30 Вт (на входе +15 В, ток 2 А), а при номинальной нагрузке - 20 Вт в худшем случае (перепад напряжений 10 В при токе 2 А), Еще хуже обстоит дело для схем, в которых напряжение, падающее на проходном транзисторе, представляет собой небольшую часть выходного напряжения. Например, в стабилизаторе, дающем +15 В при 2 А от нестабилизированного питания +25 В, рассеиваемая мощность изменяется от 20 Вт (полная нагрузка) до 50 Вт (короткое замыкание).

С аналогичной проблемой мы сталкиваемся при работе с пушпуль-ными усилителями мощности. При нормальных условиях мы имеем максимальный ток нагрузки при минимальном напряжении на транзисторе (амплитуда выходного сигнала около максимальной), и, наоборот, при значении тока нагрузки, близком к нулю (нулевое напряжение на выходе), напряжение на транзисторе будет максимальным. При коротком замыкании мы имеем максимальный ток нагрузки Б самый неподходящий момент, а именно при напряжении на транзисторе, равном полному напряжению питания. В результате мощность рассеяния на транзисторе намного преБос:кодит нормальную.

Лобовое решение этой проблемы состоит в применении массивных радиаторов и транзисторов с большой расчетной мощностью, работающих в далекой от опасной области характеристик (см. разд. 5.07). Но даже и в этом случае нехорошо, что в аварийных условиях в схеме будет протекать слишком большой ток, поскольку могут выйти из строя другие элементы. Лучше воспользоваться методом ограничения с обратным наклоном токовой нагрузочной характеристики, при которой выходной ток уменьшается в условиях короткого замыкания или перегрузки. Идея метода видна из схемы рис. 5.7 - опять же на примере стабилизатора 723 с внешним проходным транзистором.

Делитель в цепи базы транзистора То обеспечивает обратный наклон характеристики при коротком замыкании. При нормальном значении напряжения выхода +15 В ток в схеме ограничен величиной порядка 2 А, поскольку напряжение на базе транзистора Т„ равно + 15,5 В, а на эмиттере +15 В (при повышенной температуре, при которой чип стабилизатора обычно работает, и^э равно примерно 0,5 В). Ток короткого замыкания будет меньше; при выходе, замкнутом на землю, выходной ток будет порядка 0,5 А, а потому рассеиваемая на транзисторе Ti мощность будет меньше, чем при полной нагрузке. Таким образом, нет необходимости проектировать тепло; отвод с запасом, достаточно его рассчитать только для случая полной

нагрузки. Величина тока короткого замыкания при заданном токе полной нагрузки определяется режимом трех транзисторов токоог-раничивающей схемы. Предупреждение: будьте осторожны при выборе значения тока короткого замыкания! Если переусердствовать,

Нестабилизир. влод (25-30 В)

-2N305b +рад11ат1Шр

Стэбилизир.

ВЫУОД

110 мк<Р 2DB

2,7 кОм

Рис. 5.7. Мощный стабилизатор, снабженный схемой ограничения тока с обратным наклоном характеристики.

ТО можно построить источник питания, который и на нормальную нагрузку не запустится . Ток короткого замыкания не должен быть слишком малым: приблизительно одна треть тока максимальной нагрузки при полном выходном напряжении.

Упражнение 5.3. Спроектируйте] стабилизатор с внешним проходным транзистором и обратным наклоном характеристики при коротком замыкании, дающий ток 1 А при стабилизированном напряжении на выходе-}-5 В и всего лишь 0,4 А при коротком замыкании выхода.

5.06. Защита от больших напряжений

Как было отмечено, полезно на выходе стабилизированного источника питания иметь какую-нибудь защиту от превышения номинального напряжения. Рассмотрим, например, источник питания -Ь5 В, Питающий большую цифровую систему (мы встретим много таких примеров после гл. 7). Входное напряжение стабилизатора может быть от -fiO до -Ь15 В. Если проходной транзистор выйдет из строя н Коллектор замкнется на эмиттер (обычная неисправность), то все естабилизированное напряжение окажется приложенным к питаемой еме и результаты будут разрушительны. Хотя предохранитель, воз-

1N52328

5,GB

G8 Ом

де (для изображенной схемы - порядка 2N4441 включится и останется в этом

состоянии до тех пор, пока его анодный ток

1не упадет до нескольких миллиампер. Недо-ф рогой КУВ типа 2N4441 может отводить ток

iO,1 мкФ 5 А постоянно и выдерживать всплески тока до 4г 80 А, перепад напряжения на нем в прово-

р^ g g ~ дящем состоянии обычно равен I В при 5 А.

Резистор 68 Ом должен обеспечить нормаль-

ный ток стабилитрона (10 мА) при включении КУВ а конденсатор добавлен, чтобы схема защиты не срабатыв рла от безвредных коротких всплесков напряжения.

Описанная схема, как и все схемы защиты подобного типа, жестко устанавливает при срабатывании по перенапряжению на выводах источника питания напряжение короткого замыкания 1 В, и может быть выключена только отключением питания. Так как на КУВ в проводящем состоянии падает небольшое напряжение, то нет проблем с перегревом самой схемы защиты, поэтому такая схема защиты надежна. Важно только, чтобы источник стабилизированного питания имел какую-нибудь токоограничивающую схему или хотя бы плавкий предохранитель на случай короткого замыкания. Могут возникать проблемы с перегревом самого стабилизатора при срабатывании схемы защиты. Если он содержит внутреннюю токоограничивающую схему, то плавкий предохранитель не сработает и источник питания так и будет сидеть на схеме защиты с низким напряжением на выходе, пока кто-нибудь этого не заметит. Здесь хорошо применить схему защиты от короткого замыкания с наклоном характеристики.

С этой простой схемой защиты связано несколько вопросов, в основном по поводу выбора напряжения стабилитрона. Последние выпускаются только на определенные значения пробивного напряжения,

> Скорее для отвода токов утечки КУВ и стабилитрона, могущих при оторванном управляющем электроде КУВ запустить его.- Прим. ред.

можно, и расплавится, но вообще-то предохранитель и кремниевые элементы в схеме будут соревноваться - кто быстрее выйдет из строя,- и скорее всего предохранитель расплавится позже. Эта проблема особенно серьезна для логических схем ТТЛ, которы.м требуется питание +5 В и которые не могут выдерживать больше 7 В. Другая опасная ситуация создается при работе от стендового источника питания с широким диапазоном выходных напряжений, имеющего нестабилизированное входное напряжение 40 В и более, независимо от значений выходного напряжения.

Датчик перенапряжений на стабилитроне. На рис. 5.8 показана широкоизвестная схема защиты. Ее вставляют между выходом стабилизатора и землей. Если напряжение на выходе стабилиза-

тора превзойдет пробивное напряжение ста--t-b и (стабилизир.) билитрона плюс прямое напряжение на дио-

задаваемого, вообще говоря, с большим допуском, и часто не имеют резкого излома на вольт-амперной характеристике. Вместе с тем желаемое напряжение срабатывания схемы защиты может быть задано с довольно жестким допуском. Рассмотрим источник питания 5 В, питающий цифровую логическую схему. Обычный допуск напряжения питания составляет 5-10% от номинала, поэтому напряжение срабатывания схемы защиты не может быть ниже 5,5 В. Эта цифра должна быть еще увеличена из-за переходных процессов в источнике питания: при резком изменении тока нагрузки может произойти скачок напряжения - всплеск и вслед за ним затухающие пульсации. Эта проблема усугубляется, если измерительные элементы отдалены и подсоединены длинными проводами (индуктивность). Получающиеся колебания накладывают динамические помехи на уровень выходного напряжения, и схема защиты не должна от них срабатывать. Поэтому ее напряжение срабатывания не должно быть меньше 6 В, с другой стороны, оно не должно превосходить 7 В во избежание повреждений логических схем. И вот когда вы начинаете обдумывать схему с учетом допусков стабилитронов, конкретных значений их номинальных напряжений и допусков напряжения срабатывания КУВ, то вам приходится решать хитрую задачу. В схеме рис. 5.8 напряжение срабатывания может оказаться от 5,9 до 6,6 В даже при использовании обозначенного на схеме сравнительно дорогого 5%-ного стабилитрона.

ИС-датчак перенапряжений. Проблемы, возникающие при построении простой схемы защиты на стабилитроне и КУВ, можно решить, применив вместо нее специальную триггерную ИМС защиты, как, например, МС3423. Это недорогая ИМС в мини-DIP (двухрядном) корпусе с регулируемыми напряжением и временем срабатывания. Такая ИМС имеет также индикаторный вывод для сигнализации о срабатывании. ИМС содержит встроенный источник опорного напряжения, несколько компараторов и драйверов, и для построения всей схемы защиты требуется еще только три внешних резистора, КУВ и конденсатор (необязательно).

Ограничители. Другое решение вопроса защиты от перенапряжения - установка мощного стабилитрона или его аналога параллельно выходу источника питания. Это снимает вопрос о срабатываниях на всплесках, поскольку стабилитрон немедленно перестает проводить, как только исчезает лишнее напряжение (не то что КУВ, У которого память, как у слона). На рис. 5.9 показана схема активного стабилитрона . К сожалению, схема защиты, построенная на ощном стабилитронном ограничителе, также имеет свои недостатки, ели стабилизатор выйдет из строя, схеме защиты придется справ-яться с^ рассеянием большой мощности ((У^б/огр) и она сама о*ет выйти из строя. Это и случалось, например, с серийным источ-

1N,S347 (10 В)

1,0 кОм

2N3055

.Уст = 10.6 В, шок до 10 А

Рис. 5.9.

НИКОМ питания для магнитного диска на напряжение 15 В и ток 4 А, Когда в нем портился проходной транзистор, на стабилитроне 16 В 50 Вт рассеивалась мощность больше расчетной и он тоже выходи.-из строя.

5.07. Специальныз вопросы проектирования сильноточных источников питания

Использование отдельных нестабилизированных источников для питания сильноточных цепей. Как уже упоминалось в разд. 5.03, хорошо, как правило, использовать отдельный источник для сильноточных цепей в мощном источнике питания. Таким путем рассеивание мощности на проходном транзисторе можно свести к минимуму, поскольку нестабилизированное напряжение, подаваемое на проходной транзистор, может быть выбрано точно таким, какое нужно для достаточного запаса сверху (а стабилизаторы типа 723 имеют для этой цели выводы питания (/+). Например, стабилизатор, дающий на выходе -f 5 В, 10 А, может работать от входного напряжения 10 В с размахом пульсаций около 1-2 В и отдельного источника питания +15 В для питания элементов стабилизатора (опорный источник, усилитель ошибки и т. д.). Как говорилось выше, нестабилизированное входное напряжение должно быть выбрано достаточно большим в расчете на наихудший случай напряжения в силовой линии

переменного тока (105 В), а также на допуски параметров трансформатора и конденсатора.

Линии связей. Для

источников питания с большим выходным током или источников прецизионного напряжения следует тщательно продумать линии соединений как в самом стабилизаторе, так и между стабилизатором и его па-грузкой. Если несколько различных приборов работают в качестве нагрузки одного стабилизатора, то все они должны присоединяться к источнику питания в точке, в которой проявляется выходное напряжение, иначе флуктуации тока в одной из нагрузок повлияют на напряжение на подводах к остальным нагрузкам (рис. 5.10).

В действительности хорошо иметь, как показано на схеме, общую точку заземления ( Мекка ) для нестабилизированного питания, опорного источника и т. д. Проблема падения напряжения в соедини-

Проходной транзистор

Нестабилизир источник

Опорный источник

Рис. 5.10.