1-3. Особенности работы электрорадиоэлементов в стабилизированных источниках питания

Элементная база современных стабилизированных источников вторичного электропитания очень разнородна. Она включает в себя мощные тиристоры (на токи в сотни амнер), миниатюрные бескорпусные транзисторы и диоды, крупногабаритные, тяжелые силовые трансформаторы и микросхемы и пр. Первичные питающие напряжения, преобразуемые источниками вторичного электропитания, также весьма разнообразны: постоянного и переменного тока, синусоидальной и прямоугольной формы, низкой промышленной и сравнительно высокой частоты, с напряжением от долей до многих сотен вольт. Это также в значительной стеиени способствует многообразию элементной базы источников вторичного электропитания.

Для успешного создания надежных, экономичных, простых и удобных в эксплуатации стабилизированных источников вторичного электропитания разработчику и конструктору аппаратуры недостаточно знать только методики расчета схем в статическом режиме работы. Он должен быть знаком с физическими основами работы полупроводниковых приборов, уметь правильно выбрать типы электрорадиоэлементов, по возможности обеспечить для них облегченные режимы работы, учитывать особенности работы этих элементов в динамических режимах (стационарных и нестационарных), разброс и температурное изменение параметров.

Необходимо учитьивать специфические особенности работы полупроводниковых приборов: сильную зависимость параметров от режима работы и температуры окружающей среды, большую чувствительность приборов даже к кратковременным электрическим перегрузкам, необходимость отвода тепла от р-п переходов, необратимое изменение параметров с течением времени (старение приборов). Германиевые приборы в этом отношении оказываются намного хуже кремниевых.

При разработке стабилизированных источников вторичного электропитания необходимо предусмотреть такие схемотехнические решения, которые обеспечивают надежную работу устройства при допустимых пределах технологического разброса и температурного изменения параметров полупроводниковых приборов. С этой целью производится правильный выбор этих приборов схемы, обеспечивается температурная стабилизация режимов работы, в схему вводятся цепи ООС. Для повышения надежности работы аппаратуры рекомендуется ограничивать значения напряжений и токов полупроводниковых приборов до уровня, не превышающего 70-80% предельно допустимых значений.

Не рекомендуется использование мощных полупроводниковых приборов при очень малых напряжениях питания и рабочих токах, поскольку при этом ухудшаются параметры приборов, увеличивается нестабильность параметров во времени и при изменении температуры окружающей среды, снижается надежность работы приборов при крайних значениях температуры окружающей среды.

Тепловой режим работы полупроводниковых приборов определяется совокупным воздействием температуры окружающей среды и мощности, рассеиваемой на р-п переходах. Поскольку температура р-п переходов не должна превышать максимально допустимого значения, определяемого материалом полупроводника, то следует предпринимать различные меры для уменьшения выделяющегося тепла,

применять эффективные способы его отвода ют прибО)ров и обеспечивать их защиту от кратковременных тепловых перегрузок.

При работе полупроводникового прибора в режиме переключения можно выделить следующие основные составляющие мощности, рассеиваемой в приборе: а) мощность, определяемая падением напряжения на переходах JJnv При протекании через прибор тока нагрузки (прямого тока) /пр; б) мощность, определяемая обратными напряжением [/обр и током прибора в выключенном состоянии /обр; в) мощность, определяемая током управления 1у и падением напряжения на управляющем переходе прибора у; г) мощность, определяемая процессами переключения прибора.

Первые три составляющие представляют собой статические потери мощности в полупроводниковом приборе, не зависящие от частоты переключения, последняя - динамические потери, пропорциональные частоте переключения. Упрощенные временные диаграммы тока, напряжения и мгновенной рассеиваемой мощности для полупроводникового прибора, работающего в режиме переключения, приведены на рис. 1-11. Статические потери мощности Рст определяются выражением

Рис. 1-11.

пр , обр

ст - (прпр + уу) f обробр f

где fnp - длительность открытого состояния прибора; обр - длительность закрытого состояния прибора; Гк - период коммутации прибора (/к =11/Гк- частота коммутации прибора).

Пр Обр л г

Если /пр = обр тоу~= уг--Динамические потери мощности в приборе при переключении

Ядин могут быть определены с достаточной для практических целей

точностью из выражения

ДЯН Q обрпр

вкл выкл)

где вкл - длительность этапа включения прибора; ыкл - длительность этапа выключения прибора.

Полная мощность, рассеиваемая в полупроводниковом приборе, работающем в режиме переключения, равна сумме статических и динамических потерь мощности

пер - ст Н д

При работе полупроводникового прибора в режиме непрерывного регулирования мопхность, рассеиваемая в приборе, имеет только две составляющие:

непр = прпр + уу

Конструкция корпусов современных мощных полупроводниковых приборов позволяет рассеивать мощность не более 2-3 Вт без перегрева переходов свыше максимально допустимого значения. Для рассеивания больших мощностей полупроводниковые приборы необходимо устанавливать на теплоотводящие устройства (радиаторы). При этом возможны различные способы отвода тепла: естественное, принудительное (воздушное или жидкостное), охлаждение с помощью тепловых трубок, микрохолодильников, поглотителей тепла и пр. В радиолюбительской практике обычно используется естественный способ отвода тепла за счет теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Для увеличения теплового излучения радиаторы выполняют ребристыми, игольчатыми и т. п., а их поверхность чернят. Если: объем конструкции стабилизированного источника вторичного электропитания небольшой и замкнутый, то основная часть тепла отводится только за счет теплопроводности. Для создания радиаторов с большей теплопроводностью их выполняют из меди или из более легкого и дешевого алюминия и его сплавов.

Максимальная мощность, которую может рассеять полупроводниковый прибор при определенной температуре окружающей среды Гер без превышения максимально допустимой температуры перехода Гп.макс, определяется выражением

макс -

п.макс ср т.л-кор Ь т.кор-ср

где /?т.п-кор, т.кор-ср - соответственно тепловые сопротивления пе-реход -корпус и корпус - окружающая среда прибора.

Значение /?т.п-кор определяется конструктивным исполнением-полупроводникового прибора и не может быть в дальнейшем изменено. Для увеличения допустимого значения Рмакс необходимо уменьшать тепловое сопротивление корпус - окружающая среда, включая и радиатор, если он есть. Для этого шлифовкой, а также применением теплопроводных и электроизолирующих паст (типа-КПТ-8 и др.) улучшают тепловой контакт поверхности соприкосновения прибора с радиатором. Прибор следует закреплять на радиаторе без перекосов с помощью стандартных крепящих элементов и приспособлений (фланцев).

Для каждого полупроводникового прибора целесообразнее всего применять отдельный радиатор, рассчитанный в соответствии с рассеиваемой мощностью. Если же для нескольких полупроводниковых приборов (не включенных параллельно друг другу) используется общий радиатор, то необходимо осуществлять электрическую изоляцию каждого прибора от радиатора. Электрическая изоляция корпуса транзистора или диода может обеспечиваться прокладками из слюды, лавсана, алюминия с электроизоляционным анодированием бериллиевой керамики (последняя является наилучшим материалом, имеющим теплопроводность, сравниваемую с теплопроводностью металлов, и в то же время обеспечивающим хорошую электрическую изоляцию).