Р исунок 4.1

Опыт показывает, что обратный ток диода не остается постоянным и равным I₀ , как следует из формулы:

, (4.3)

Он всегда более или менее сильно растет с увеличением обратного напряжения. Но и при малых напряжениях обратный ток больше теплового, особенно у кремневых диодов, у которых это превышение достигает 2-3 порядков. Главные причины отклонения реальной обратной характеристики от идеальной, заключается в термогенерации носителей в области перехода, поверхностных утечках, а также в явлениях, которые при достаточно большом обратном напряжении приводят к пробою перехода. Таким образом, обратный ток диода состоит из нескольких компонентов, из которых при выводе формулы (4.2) учитывается лишь один.

Важнейшим параметром транзисторов является максимальная мощность рассеивания. Под мощностью рассеивания понимают мощность, которая в транзисторе преобразуется в тепло. Мощность рассеивания характеризуется наибольшей температурой перехода, температурой окружающей среды t_ср и наибольшей допустимой мощностью рассеивания определяется соотношением:

, (4.4)

где R_{t пс} –тепловое сопротивление перехода –среда, град/Вт.

Рассеиваемая транзистором мощность складывается из суммы мощностей, выделяемых при протекании токов через эмиттерный и коллекторный переходы:

,

В активной области характеристики токи транзистора I_Э и I_К почти одинаковы, а напряжения значительно отличаются по величине U_k>>U_э. Поэтому подавляющая часть мощности потерь выделяется на коллекторном переходе Р_maxР_{К max.} За наибольшую рассеиваемую мощность принимается наибольшее допустимое значение рассеиваемой мощности на коллекторе, обеспечивающее заданную надежность транзистора при длительной работе. Исключение составляет режим насыщения, когда нельзя пренебрегать мощностью выделяющейся на эмиттерном переходе. Мощность, выделяемая на коллекторном переходе, в режиме покоя равна:

, (4.5)

где I_ko и U_{к эо} –ток и напряжение покоя.

Пользуясь выражением (4.4), можно построить линии максимально допустимой мощности при заданной температуре окружающей среды t_ср, если известна величина Р_max.

Наибольшая рассеиваемая мощность уменьшается с ростом температуры. Для повышения мощности рассеивания необходимо обеспечить интенсивный отвод тепла от транзистора.

Тепловое сопротивление транзистора (то же самое и диода) R_{t пс} определяет интенсивность отвода тепла от коллекторного перехода через корпус транзистора в окружающую среду. R_{t пс} равно отношению разности температур между переходом и окружающей средой к мощности, рассеиваемой на коллекторе в установившемся режиме:

, (4.5)

Данная формула показывает полную аналогию между тепловыми и электрическими процессами. Тепловое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению, разность температур –разности потенциалов и нагревающая мощность –электрическому току. Для инженерных целей применяется следующая эквивалентная схема –электрический аналог тепловых процессов в транзисторе. (см. рисунок 4.2).

Р исунок 4.2

В этой модели температура перехода t_пер связана с температурой корпуса t_к через R_tпк, а температура корпуса t_к с температурой окружающей среды через R_{t кс}. Тепловой в системе «прибор – окружающая среда» устанавливается через некоторое время после подачи напряжения. Тепловая инерционность прибора определяется тепловой постоянной времени. Тепловая постоянная времени =RC доставляет для разных транзисторов секунды и даже минуты.

Если транзистор рассеивает мощность Р, то его р-n-переход нагревается относительно корпуса на , где - тепловое сопротивление между полупроводником и корпусом. Корпус нагревается относительно окружающей среды на , где -тепловое сопротивление «корпус-среда». Таким образом, p-n-переход нагревается относительно окружающей среды на .

Тепловое сопротивление прибора определяется его физическими и конструктивными параметрами и может быть оценено исходя из следующего соотношения:

, (4.6)

где  -удельная теплопроводимость материала, l –длина поперечного сечения материала, S -площадь поперечного сечения материала, через который протекает тепловой поток. Отсюда

, (4.7)

В формуле (4.7) к=800 для меди, к=1200 – 1500 для стали.

В паспортных данных обычно указывается максимальная мощность рассеяния. Р_{к max} при температуре корпуса, равной 25С. Если необходимо достичь более высоких мощностей рассеивания, то применяется радиатор (теплоотвод). Проектировать теплоотвод просто: зная мощность, которую прибор рассеивает в данной схеме, подсчитываем температуру переходов с учетом теплопроводимости транзистора, радиатора и максимальную рабочую температуру окружающей транзистор среды: t_n==t_c+R R

Затем выбирают такой радиатор, чтобы температура переходов была намного ниже, чем указанная изготовителем максимальная. Здесь разумно перестраиваться. Так как при температурах, близких к максимальной, транзистор быстро выходит из строя. При выборе радиатора рассчитывается тепловое сопротивление R_{t кс}:

(4.8)

Тепловое сопротивление R_{t nk} известно из справочных данных. Температуры задаются. Если рассчитанное значение R_{t кс}<0 или R_{t кс}<< R_{t nk}, то примененный транзистор непригоден и его следует заменить более мощным. Если же R_{t кс}>R_{t nk} или R_{t кс}=R_{t nk} , то транзистор пригоден и можно рассчитать радиатор для его охлаждения. Необходимая поверхность охлаждения радиатора S_P в см² определяется как величина обратная тепловому сопротивлению R_{t кс} согласно зависимости (4.7).

Наибольший ток коллектора I_{k max} ограничивается максимальной температурой перехода P_max и его можно определить из соотношения P_max=I_{k max} * U_k. Превышение предельного значения тока приводит к пробою перехода (вследствие выделения большого количества тепла), сгоранию внутренних соединительных проводов и выходу транзистора из строя.