Какая мощность рассеивается на полупроводнике в виде тепла?
Диод, светодиод, транзистор, микросхема: Вычисление значений рассеиваемой тепловой мощности с последующим расчётом площади
радиатора
Простая, казалось бы, задача, связанная с расчётом мощности, выделяемой полупроводником в виде тепла, для некоторых
на поверку может оказаться и не так уж и очевидной, как это виделось с первого взгляда.
Конечно, мозг опытного и высокоразвитого радиолюбителя возмутится подобной постановке вопроса, ибо совершит подобное незамысловатое действие
до того, как его владелец доберётся до середины статьи.
Однако, базируясь на немалом количестве писем в мой адрес по данной тематике, а также, для того, чтобы тупо избежать ряда
неясностей и ошибок при оценке выделяемого тепла - всё ж таки подниму данную тему и продолжу:
1. Тепловая мощность, выделяемая (рассеиваемая) на диоде.
Тут всё просто как ситцевые трусы! В соответствии с основными законами электротехники тепловая мощность, выделяемая полупроводником, равна
Pt = Uд × Iд, где Uд - напряжение на выводах
диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока, а Iд - это
сам рабочий ток диода.
Принято считать, что величина падения напряжения на диоде составляет 0,6…0,8 В для кремниевых диодов и 0,3…0,4 В - для
германиевых и диодов Шоттки. Однако, если внимательно посмотреть справочные характеристики выпрямительных диодов (а, как правило, именно они
работают при существенных токах), то окажется, что при токах, близких к максимальным, падение напряжения на кремниевых диодах
составляет 1…1,1 В, а на диодах Шоттки - 0,5...0,6 В. Значения падений напряжений на светодиодах имеют довольно большой разброс
(в зависимости от цвета) и составляют величины 1,5...3 В. Именно эти значения и следует подставлять в формулу для расчёта выделяемой
диодами тепловой мощности.
2. Тепловая мощность, выделяемая на выпрямительных мостах.
Тут всё рассчитывается точно так же, как и в предыдущем случае с диодами - Pt =
Uпр × Iнагр, только в качестве
Uпр подставляем значение падения прямого напряжения на мосте,
а в качестве Iнагр - максимальный ток, протекающий через нагрузку.
Поскольку в диодных мостах используются силовые диоды с малым падением прямого напряжения, то параметр
Uпр обычно составляет величину 1...1,1 В (справочная характеристика).
3. Тепловая мощность, выделяемая на линейных стабилизаторах.
Данный тип стабилизаторов может быть выполнен как на дискретных элементах (когда основную часть тепла выделяет
регулирующий транзистор), так и в виде интегральной микросхемы - в этом случае тепло рассеивается на всём корпусе элемента. Тепловая
мощность, выделяемая транзистором или ИМС, равна
Pt ≈ (Uвх - Uвых) × Iнагр
4. Тепловая мощность, выделяемая на импульсных стабилизаторах.
В импульсных стабилизаторах напряжения регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть
периодически открывается и закрывается, а поэтому по сравнению с линейным стабилизатором имеет значительно меньшие потери энергии на нагрев,
а потому и более высокий показатель КПД. В данном случае тепловая мощность, выделяемая полупроводником, равна
Pt ≈ Uоткр × Iнагр, где Uоткр - падение
напряжения на полностью открытом управляющем ключевом элементе (Uкэ нас - для биполярного транзистора или Iнагр × Rоткр - для полевого).
Современные силовые полевые транзисторы за счёт очень низких величин сопротивлений сток-исток открытого канала (Rоткр) являются
предпочтительными для использования в ключевых схемах. Значение Uоткр для них, как правило, не превышает величины 1В даже при очень высоких
токах нагрузки.
5. Тепловая мощность, выделяемая выходными каскадами транзисторных усилителей.
Этот пункт имеет массу нюансов и вызывает максимальное количество вопросов. Связано это, прежде всего, с многообразием классов
режимов работы транзисторов в выходных каскадах усилителей. Все эти режимы мы подробно рассмотрели на странице
(ссылка на страницу).
Самым простым методом, позволяющим определить примерную величину тепловой мощности, выделяемой выходным каскадом,
является примитивное перемножение величины максимальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, и значения КПД выходного каскада.
Для этого нам, естественным образом, надо понимать в каком классе у нас работает выходной каскад. Итак, вспоминаем.
1. Класс А однотактный: КПД - около 30%,
2. Класс А двухтактный: КПД 40...45%,
3. Класс АВ двухтактный: КПД 60...75% (зависит от тока покоя транзисторов и выходной мощности),
4. Класс В двухтактный: КПД - около 80%,
5. Класс С двухтактный: КПД 80...90%,
3. Класс D: КПД 90...95%.
Ну вот, а теперь можно подставить значения в формулу для расчёта выделяемой тепловой мощности:
Pt ≈ Pвых × (100 - КПД) / КПД
и далее со спокойной совестью переходить на следующую страницу для расчёта площади радиатора.
|
