Реферат. Охлаждение транзисторов. Транзисторы. Основные параметры и характеристики 3 Температурные свойства и рабочий режим транзисторов 6

• Название: Транзисторы. Основные параметры и характеристики 3 Температурные свойства и рабочий режим транзисторов 6
• Дата: 25.03.2022
• Размер: 1.81 Mb.
• Имя файла: Реферат. Охлаждение транзисторов.docx
• Тип: Реферат; #415774

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 2

1. 
   Транзисторы. Основные параметры и характеристики 3
   
2. 
   Температурные свойства и рабочий режим транзисторов 6
   
3. 
   Процесс охлаждения транзисторов 8
   

Заключение 12

Список использованной литературы 13

Введение

Как показывает практика - основной характеристикой электронных приборов является их надежность. Под надежностью подразумевается свойство электронных приборов сохранять во времени значения всех параметров и выполнять требуемые функции в заданных условиях применении. Надежность является составным понятием. Оно может включать в себя понятия безотказности, долговечности и сохраняемости. В электронной технике для количественной оценки надежности чаще всего используется параметр «интенсивность отказов».

Актуальность данной темы заключается в том, что одним из основных факторов, отрицательно влияющих на надежности приборов, является температура. Это хорошо согласуется с физической теорией надежности, согласно которой эксплуатация любого технического устройства является необратимым процессом. Из-за наличия различного рода дефектов, образовавшихся на пути от исходного сырья до готового изделия, любое внешнее воздействие вызывает ответную реакцию, которая сопровождается необратимым переходом всего объекта в иное предельное состояние.

Неравномерное распределение температуры по элементам электронных приборов может вызывать значительное отклонение важных геометрических размеров. 

Целью данной работы является изучение процесса охлаждения транзисторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. 
   Изучить основные параметры и характеристики транзисторов;
   
2. 
   Ознакомиться с температурными свойствами и основными режимами работы транзисторов;
   
3. 
   Проанализировать схему охлаждения транзисторов.
   

Работа состоит из введения, основной части, заключения и списка использованных источников.

1. Транзисторы. Основные параметры и характеристики

Транзистор в современном понимании — это полупроводниковый прибор с двумя или более р-п переходами и тремя или более выводами, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний [3].



Рисунок 1. Транзисторы
Наиболее широкое применение в радиолюбительских конструкциях находят биполярные и полевые транзисторы. У полевых транзисторов управление выходным током производится с помощью электрического поля, отсюда и название, полевые.

Полевые транзисторы имеют три электрода: исток, затвор и сток. Электроды полевого транзистора в определенной степени соответствуют электродам биполярного транзистора — эмиттеру, базе и коллектору.

Достоинством полевого транзистора является то, что ток входного электрода (затвора) очень мал. Это определяет высокое входное сопротивление каскадов на этих транзисторах и тем самым устраняет влияние последующих каскадов схемы на предыдущие.

Еще одно достоинство полевых транзисторов — низкий уровень собственных шумов, что дает возможность использовать полевые транзисторы в первых каскадах высококачественных усилителей звуковой частоты.

Основная классификация транзисторов, параметры

Основная классификация транзисторов ведется по исходному материалу, на основе которого они сделаны, максимальной допустимой мощности, рассеиваемой на коллекторе и частотным свойствам.

Эти параметры определяют их основные области применения. По мощности транзисторы делят на:

• 
  транзисторы малой мощности,
  
• 
  транзисторы средней мощности,
  
• 
  транзисторы большой мощности.
  

По частоте транзисторы делят на:

• 
  низкочастотные,
  
• 
  среднечастотные,
  
• 
  высокочастотные,
  
• 
  сверхвысокочастотные.
  

По исходному полупроводниковому материалу транзисторы разделяют на:

• 
  германиевые,
  
• 
  кремниевые.
  

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Характеристики необходимы для рассмотрения свойств транзисторов и для практических расчетов транзисторных схем [1, 76].

Основными параметрами биполярных транзисторов являются:

1. 
   статический коэффициент усиления по току а в схеме с общей базой;
   
2. 
   статический коэффициент усиления по току |3 в схеме с общим эмиттером. Параметры аир связаны зависимостями вида в = а/(1 — а) или а = в/(1 + в);
   
3. 
   обратный ток коллектора Іко;
   
4. 
   граничная fгр и предельная fh21 частоты коэффициента передачи тока.
   

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1. 
   напряжение отсечки U0 — приложенное к затвору напряжение, при котором перекрывается сечение канала;
   
2. 
   максимальный ток стока Іс. макс;
   
3. 
   напряжения: между затвором и стоком Uзс, между стоком и истоком Uси и между затвором и истоком Uзи;
   
4. 
   входная Свх, проходная Спр и выходная Свых емкости.
   

2. Температурные свойства и рабочий режим транзисторов

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура.

При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольтамперные характеристики, снятые при различной температуре. На рис.2 они представлены для германиевого диода [1, 42].



Рисунок 2. Влияние температуры на вольт-амперную характеристику диода

Как видно, при повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 С. Это можно выразить следующей формулой:



Следовательно, если температура поднялась с 20 до 70 °С, то ток iобр увеличивается в 25, т. е. в 32 раза. Кроме того, с повышением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя. У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10°С обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры. С повышением температуры несколько возрастает барьерная емкость диода. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий изменение емкости при изменении температуры на один градус, равен 10^-4 – 10^-3 К^-1.

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис. 3).



Рисунок 3. Схема включения диода с нагрузкой

В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка - катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R₀и сопротивления нагрузочного резистора R_н Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R _оу него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически.

3. 
   Процесс охлаждения транзисторов
   

Малосигнальные схемы - транзисторы редко рассеивают мощность более 100 мВт. Распространение тепла вдоль проводников и конвекция от корпуса транзистора в окружающий воздух оказываются достаточными, чтобы избежать перегрева.

Большие мощности - требуют специальных средств для отвода тепла. Обычно теплоотводы (радиаторы) используются с транзисторами, которые приспособлены для работы с радиаторами.

• 
  Пассивное охлаждение. На чип устанавливается радиатор из материала с высокой теплопроводностью — алюминия или меди. Деталь рассеивает выделяемое тепло в окружающую среду. 
  
• 
  Активное воздушное охлаждение. Совместно с радиаторами используется один или несколько вентиляторов, которые ускоряют рассеивание. 
  
• 
  Водяное охлаждение. В качестве теплоносителя используется специальная жидкость или вода, которая циркулирует по замкнутой системе. Для охлаждения самой жидкости используются все те же вентиляторы. 
  
• 
  Экстремальное охлаждение. В эту категорию входят специальные башни, наполняемые жидким азотом или гелием. Используются только оверклокерами в экспериментах по разгону комплектующих. Жидкий азот имеет температуру в  -195.8 градусов по Цельсию, поэтому отлично подходит для охлаждения при экстремальном разгоне.
  

На рис.4а изображен гофрированный металлический радиатор, который удваивает рассеяние тепла транзистором в корпусе Т05, например, транзистором BFY50. Мощный транзистор рис.4б в корпусе ТОЗ монтируется на массивном ребристом радиаторе. Установленный таким образом транзистор допускает рассеяние мощности 30 Вт; без теплоотвода рассеиваемая мощность ограничена 3 Вт [2].



Рисунок 4. Радиаторы

Корпус радиатора обычно привинчивается непосредственно к заземленному металлическому шасси или к корпусу прибора, или в некоторых случаях шасси само может служить теплоотводом. Во всех этих случаях необходимо помнить, что корпус транзистора обычно соединен с коллектором, и поэтому необходима электрическая изоляция между корпусом транзистора и радиатором. Слюдяные или лавсановые шайбы обеспечивают изоляцию без значительного уменьшения теплопроводности. Силиконовая смазка, нанесенная на каждую сторону шайбы, гарантирует хороший тепловой контакт [2].

Качество теплоотвода обычно выражается величиной теплового сопротивления, которое учитывает тот факт, что скорость распространения тепла пропорциональна разности температур между источником тепла и внешней средой (сравните с электрическим сопротивлением, в котором скорость движения заряда пропорциональна разности потенциалов.

Как это часто бывает с физическими понятиями, единица теплового сопротивления (градусы Цельсия на ватт) подает хорошую идею для его формального определения, которое выглядит так:



Другими словами, корпус теплоотвода, имеющий тепловое сопротивление 3 °С/Вт, при рассеиваемой мощности 30 Вт будет нагреваться до температуры на 3 х 30 °С = 90 °С выше температуры окружающей среды.

Полную картину установившегося теплового равновесия между транзистором и окружающей средой дает тепловая схема, приведенная на рис. 5.

Тепловая мощность Р, выделяемая транзистором, рассматривается как «генератор теплового тока», который создает разность температур на различных тепловых сопротивлениях в системе.

Максимально допустимая температура р-n-перехода обычно составляет 150 °С, а температуру окружающей среды можно принять равной 50 °С — это температура, при которой допускается работа электронной аппаратуры общего назначения [2].



Рисунок 5. Тепловая схема транзистора и его окружения.

Производители транзисторов указывают безопасную максимальную температуру корпуса для своих транзисторов (часто 125 °С), в этом случае в,_с исключается из наших вычислений, и мы спускаемся на одну ступеньку вниз по лестнице из резисторов на рис.5. Кроме того, теплопроводность от корпуса транзистора к радиатору обычно столь хороша, что 6_CS 6_SA, так что тепловое сопротивление между радиатором и воздухом 6_SA является доминирующим фактором в большинстве вычислений.

Зная мощность Р, рассеиваемую транзистором, легко найти температуру корпуса T_casc, предполагая, что температура окружающей среды равна 50 °С:



Сверяясь с данными производителя, теперь можно сказать, может ли этот транзистор рассеивать требуемую мощность при найденной температуре корпуса. Если это не так, то тепловое сопротивление 6_SA должно быть уменьшено путем применения большего радиатора.

Большие ребристые радиаторы для мощных транзисторов обычно имеют температурное сопротивление от 2 до 4 °С/Вт, которое можно уменьшить до 1 °С/Вт путем принудительного охлаждения. С другой стороны, у небольших радиаторов, рассчитанных на транзисторы в корпусе Т05, среднее значение теплового сопротивления около 50 °С/Вт, и с их помощью допустимую мощность рассеяния у таких транзисторов средней мощности, как BFY50 или 2N3053, увеличивают с 0,8 до 1,5 Вт.

Заключение

Основной характеристикой электронных приборов является их надежность.

Надежность – это, в первую очередь, свойство электронных приборов сохранять во времени значения всех параметров и выполнять требуемые функции в заданных условиях применении.

В электронной технике для количественной оценки надежности чаще всего используется параметр «интенсивность отказов».

Как показывает практика именно температурный режим зачастую влияет на работу транзисторов.

В ходе исследования была достигнута цель работы – изучен процесс охлаждения транзисторов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. 
   Изучены основные параметры и характеристики транзисторов;
   
2. 
   Ознакомились с температурными свойствами и основными режимами работы транзисторов;
   
3. 
   Проанализировали процесс охлаждения транзистора
   

Список использованной литературы

1. 
   Жеребцов И. П. Основы электроники. 5-е изд., перераб. · и доп. - Л.: Энерrоатомиздат. Ленинrр. отд-ние, 1989:-352 с.
   
2. 
   М.Х. Джонс. Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с.
   
3. 
   https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-teplovogo-rezhima-na-nadezhnost-i-parametry-poluprovodnikovyh-i-integralnyh-shem-priborov