Рекомендации по применению биполярных транзисторов

Зависимость параметров транзисторов от температуры, электрического режима и частоты, наличие технологического разброса параметров накладывают специфические требования на расчет и принципы построения схем на транзисторах, обеспечивающих высокую надежность в эксплуатационных условиях.

Выбор типа транзистора определяется характером радиоэлектронной схемы, а также требованиями к ее выходным электрическим параметрам и эксплуатационным режимам. Необходимо иметь в виду, что кремниевые транзисторы по сравнению с германиевыми лучше работают при повышенной температуре (вплоть до 125 °С), но их коэффициент передачи по току сильно уменьшается при низких температурах. Поэтому для получения заданного усиления при низких температурах используется больше транзисторов. В области малых токов кремниевые транзисторы имеют более резкую зависимость параметров (h_21э и др.) от тока эмиттера. Частотный предел усиления и генерирования транзисторов должен строго соответствовать схемным требованиям. Не следует применять высокочастотные биполярные транзисторы в низкочастотных каскадах, поскольку они склонны к самовозбуждению и к развитию вторичного пробоя. Не рекомендуется применять мощные транзисторы в тех случаях когда можно использовать маломощные, так как при работе мощных транзисторов в маломощных схемах (при малых токах, которые могут быть соизмеримы с обратным током коллектора) коэффициент передачи по току сильно зависит как от тока, так и от температуры окружающей среды.

Выбор режима работы транзистора определяет его надежность и долговечность. Не допускается превышение максимально допустимых значений напряжений, токов, температуры, мощности рассеяния указанных в предельно допустимых режимах. Как правило, транзистор работает более устойчиво при неполном использовании его по напряжению и полном использовании по току, чем наоборот. Не допускается работа транзистора при совмещенных максимально допустимых режимах, например, по напряжению и току и т. п. Область рабочего тока коллектора I_к ограничена, с одной стороны, значением обратного тока коллектора I_КБО при максимальной рабочей температуре, и для устойчивой работы транзистора принимается значение I_к≥10I_КБОmax. С другой стороны I_к, ограничен максимально допустимым значением I_Кmax. При выборе значения тока коллектора следует учитывать сильную зависимость коэффициента передачи по току при малых значениях тока коллектора, ухудшающиеся при этом частотные свойства и снижающийся уровень шумов. При больших значениях тока происходит уменьшение коэффициента передачи по току.

Минимальное значение напряжения должно превышать падение напряжения полностью открытого транзистора. В этой области снижается коэффициент передачи тока, что приводит к увеличению нелинейных искажений, увеличивается емкость коллекторного перехода, ухудшающая частотные свойства транзистора. Максимальное напряжение коллектора для повышения надежности и долговечности транзистора следует выбирать примерно равным 0,7 от максимально допустимого для соответствующей схемы включения. Выбор эмиттерного напряжения при прямом смещении перехода определяется значением при их работе в переходных режимах. Так в режиме переключения на индуктивную нагрузку максимальное найряжение на коллекторе может в несколько раз превышать постоянное напряжение питания E_к. При включении транзистора энергия, накопленная в катушке индуктивности, может привести к его повреждению. Известны способы защиты транзисторов от перенапряжения (поглощение части накопленной катушкой индуктивности энергии или блокировка транзистора опасную высоковольтовую область). Схема защиты с помощью последовательной RC-цепи приведена на рис. 2a. Для этой схемы емкость конденсатора и сопротивление резистора определяются по формулам

C=2LE²_к/U²_maxR_н; R1=U_maxR_н/√2E_к

где С — емкость, пФ; L — индуктивность, мкГн; R1 — сопротивление, Ом.

Рис. 2. Схемы защиты транзистора от перенапряжений с помощью: а — последовательной RС-цепи; б — шунтирующего диода; в — шунтирующего диода и резистора.

Схема защиты транзисторов от всплесков напряжений с использованием шунтирующего диода приведена на рис.2,б. Перепад напряжения на катушке индуктивности в этом случае равен прямому падению напряжения на диоде. Физический смысл защиты транзистора с помощью диода состоит в том, что энергия, запасенная катушкой индуктивности передается с помощью диода источнику питания и выделяется активном сопротивлении нагрузки. Для ускорения времени разряда последовательно с диодом можно включить добавочный резистор R1 (рис.2,в). Включение резистора R1, кроме того, снимает высчастотную генерацию контура, образованного паразитной емкостью диода и индуктивной нагрузкой. Вместо R1 можно применить и кремниевый стабилитрон, включенный встречно шунтирующему диоду (рис.3,а). В этом случае максимальное напряжение на транзисторе будет ограничено значением U_КЭmax=E_к+U_ст.

Рис. 3. Схемы защиты транзистора от перенапряжений с помощью: а — диода и стабилитрона; б,в — стабилитрона.

Для защиты усилителей от случайных перенапряжений а также от импульсных перегрузок в схеме с реактивной нагрузкой применяются кремниевые стабилитроны (рис.3,б). В усилителях низкой частоты можно также шунтировать участок коллектор — эмиттер диодом. В широкополосных усилителях, однако, такой способ может изменить частотные свойства каскада за счет значительной емкости диода. Схема защиты, используемая в широкополосных и других высокочастотных усилителях, приведена на рис. 3,в. Смещение выбирается таким образом, чтобы оно было меньше U_ст стабилитрона.

При нормальной работе каскада стабилитрон закрыт и не влияет на частотную характеристику усилителя. При превышении установленного напряжения стабилитрон шунтирует транзистор, предохраняя его от повреждения.

Для защиты транзистора от перегрузки по току рекомендуются следующие способы: включение токоограничивающих резисторов последовательно с выводами коллектора и эмиттера (не следует ограничивать ток включением резистора в цепь базы); шунтирование полупроводниковых приборов резистором; параллельное включение транзисторов. Используя последний способ, необходимо учитывать, что полупроводниковые приборы имеют разброс сопротивления и, следовательно, ток между параллельно включенными приборами распределяется неравномерно. Так как разброс сопротивления зависит от темратуры и изменяется со временем, надежная работа достигается с подбором приборов с идентичными параметрами, а выравниванием тока приборов с помощью добавочных резисторов небольшой величины, включенных последовательно в цепь каждого прибора (рис. 4). Параллельно включенные транзисторы необходимо располагать на одном и том же теплоотводе, приняв меры по максимально возможному выравниванию температур их корпусов. Эти температуры не должны отличаться более чем на 1...2°С.

Рис. 4. Схема выравнивания токов через параллельно включенные транзисторы.

Обеспечение теплового режима транзистора — одна из главных задач при конструировании радиоаппаратуры. Теплоотводящие элементы должны рассчитываться так, чтобы их тепловое сопротивление обеспечивало нормальную теплоотдачу корпуса транзистора в окружающую среду, а температура перехода транзистора не превышала допустимую. При свободной компоновке элементов внутри аппаратуры целесообразно использовать специальные радиаторы или располагать транзисторы непосредственно на шасси прибора.

Рис. 5. Ребристый радиатор; а — односторонний; б — двусторонний.

По конструкции радиаторы делятся пластинчатые, ребристые односторонние и двусторонние. Площадь теплоотвода приближенно можно вычислить по формуле

S(см²)= 1000/(R_Тп.сσ_Т)

где R_Тп.с - требуемое тепловое сопротивление переход — окружающая среда, °С/мВт; σ_Т — коэффициент теплоизлучения от теплоотвода в окружающую среду мВт/(см² • °С) Коэффициент σ_Т примерно равен 1,5 мВт/(см² • °С) и зависит от количества тепла, отводимого от теплоотвода за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Теплопроводность растет с увеличением площади S теплоотвода. Отвод тепла за счет конвекции увеличивается с повышением разности температур теплоотвода и окружающей среды. Конвекция улучшается при вертикальном положении плоскости теплоотвода. Максимальный отвод тепла за счет излучения составляет 0,6 мВт/(см² • °С). Рекомендуется покрывать теплоотвод (радиатор) черной матовой краской или зачернять его каким-либо способом для увеличения эффективности отвода тепла за счет излучения.

При плотной компоновке элементов внутри аппаратуры или больших мощностях рассеивания в приборе применение радиаторов, расположенных внутри блока или прибора, становится малоэффективным. В этом случае мощные транзисторы целесообразно располагать непосредственно на корпусе прибора или на радиаторах, имеющих тепловой контакт с внешней средой.

Для эффективной работы радиатора необходим надежный тепловой контакт с транзистором. Для этого контактирующая с транзистором поверхность радиатора должна быть плоской, гладкой, без заусенцев и царапин. Для каждого вывода транзистора следует просверлить отдельное отверстие минимального диаметра. Транзисторы необходимо крепить к радиатору при помощи предусмотренных конструкций (болты, фланцы и др.). Для улучшения теплового контакта между транзистором и теплоотводом используют специальные теплоотводящие пасты или смазки, например пасту кремнийорганическую теплопроводящую КПТ-8.

Электрическая изоляция транзистора от радиатора достигается установкой прокладок из слюды, фторопластовой пленки толщиной десятки микрометров, металлокерамических прокладок, а также использованием радиаторов с глубоким анодированием. Однако необходимо стремиться к электрической изоляции радиатора от корпуса прибора, а не транзистора от радиатора.

Если два или более мощных транзистора включены параллельно, то между ними должен быть хороший тепловой контакт, чтобы тепловой режим транзисторов был одинаковым и устойчивым. Для этого транзисторы устанавливают на общем радиаторе. В противном случае перегрев одного из них приведет к увеличению рассеиваемой им мощности за счет уменьшения ее на остальных транзисторах.

Правила установки и включения транзисторов

1. Транзисторы необходимо крепить за корпус, причем мощные транзисторы — при помощи предусмотренных конструкций деталей (болты, специальные фланцы и т. п.).

2. Выводы разрешается изгибать на расстоянии не менее 10 мм от корпуса, если нет других указаний. Изгиб жестких выводов мощных транзисторов запрещается.

3. Транзисторы не следует располагать вблизи элементов и узлов с большим тепловыделением (электронные лампы, трансформаторы питания, мощные резисторы и др.).

4. Транзисторы не следует размещать в сильных магнитных полях.

5. Выводы следует паять не ближе 10 мм от корпуса, обеспечивая теплоотвод между местом пайки и корпусом транзистора. Время пайки должно быть как можно меньшим (не более 2...3 с). Следует применять припои с температурой плавления не более 260 °С.

6. Выводы базы должны подсоединяться первыми, а отключаться последними. Запрещается подавать напряжение на транзистор с отключенной базой.

7. Транзисторы можно заменять только при отсутствии напряжения питания.

8. Необходимо исключить возможность подачи напряжения питания обратной (ошибочной) полярности, которым может быть пробит один из переходов транзистора. Для этого рекомендуется включать полупроводниковый диод последовательно в цепь питания транзистора.

9. Для защиты транзисторов от действия статического электричества необходимо тщательно заземлять оборудование и измерительные приборы, применять заземленные браслеты и паяльники с заземленным жалом.

Смотрите так же:
Рекомендации по применению транзисторов при ремонте бытовой техники