Залежність параметрів транзисторів від температури, електричного режиму і частоти, наявність технологічного розкиду параметрів накладають специфічні вимоги на розрахунок і принципи побудови схем на транзисторах, що забезпечують високу надійність в експлуатаційних умовах.
Вибір типу транзистора визначається характером радіоелектронної схеми, а також вимогами до її вихідним електричним параметрам та експлуатаційним режимам. Необхідно мати на увазі, що кремнієві транзистори в порівнянні з германієвими краще працюють при підвищеній температурі (аж до 125 ° С), але їх коефіцієнт передачі по току сильно зменшується при низьких температурах. Тому для отримання заданого посилення при низьких температурах використовується більше транзисторів. В області малих струмів кремнієві транзистори мають більш різку залежність параметрів (h21е і ін.) Від струму емітера. Частотний межа посилення і генерування транзисторів повинен строго відповідати схемним вимогам. Не слід застосовувати високочастотні біполярні транзистори в низькочастотних каскадах, оскільки вони схильні до самозбудження і до розвитку вторинного пробою. Не рекомендується застосовувати потужні транзистори в тих випадках коли можна використовувати малопотужні, так як при роботі потужних транзисторів в малопотужних схемах (при малих токах, які можуть бути порівнянні зі зворотним струмом колектора) коефіцієнт передачі по току сильно залежить як від струму, так і від температури довкілля.
Вибір режиму роботи транзистора визначає його надійність і довговічність. Не допускається перевищення максимально допустимих значень напруг, струмів, температури, потужності розсіювання зазначених в гранично допустимих режимах. Як правило, транзистор працює більш стійко при неповному використанні його по напрузі і повному використанні по току, ніж навпаки. Не допускається робота транзистора при суміщених максимально допустимих режимах, наприклад, по напрузі і струму і т. П. Область робочого струму колектора Ік обмежена, з одного боку, значенням зворотного струму колектора IКБО при максимальній робочій температурі, і для стійкої роботи транзистора приймається значення Ік ≥10IКБОmax. З іншого боку Ік. обмежений максимально допустимим значенням Iкmax. При виборі значення струму колектора слід враховувати сильну залежність коефіцієнта передачі по току при малих значеннях струму колектора, що погіршуються при цьому частотні властивості і знижується рівень шумів. При великих значеннях струму відбувається зменшення коефіцієнта передачі по току.
Мінімальне значення напруги повинно перевищувати падіння напруги повністю відкритого транзистора. У цій області знижується коефіцієнт передачі струму, що призводить до збільшення нелінійних спотворень, збільшується ємність колекторного переходу, загалом погіршує частотні властивості транзистора. Максимальна напруга колектора для підвищення надійності і довговічності транзистора слід вибирати приблизно рівним 0,7 від максимально допустимого для відповідної схеми включення. Вибір емітерного напруги при прямому зміщенні переходу визначається значенням при їх роботі в перехідних режимах. Так в режимі перемикання на індуктивне навантаження максимальне найряженіе на колекторі може в кілька разів перевищувати постійну напругу живлення Eк. При включенні транзистора енергія, накопичена в котушці індуктивності, може привести до його пошкодження. Відомі способи захисту транзисторів від перенапруги (поглинання частини накопиченої котушкою індуктивності енергії або блокування транзистора небезпечну високовольтовую область). Схема захисту за допомогою послідовної RC-ланцюга приведена на рис. 2a. Для цієї схеми ємність конденсатора і опір резистора визначаються за формулами
де С - ємність, пФ; L - індуктивність, мкГн; R1 - опір, Ом.
Мал. 2. Схеми захисту транзистора від перенапруг за допомогою: а - послідовної RС-ланцюга; б - шунтирующего діода; в - шунтирующего діода і резистора.
Схема захисту транзисторів від сплесків напруги з використанням шунтирующего діода наведена на рис.2, б. Перепад напруги на котушці індуктивності в цьому випадку дорівнює прямим падіння напруги на діоді. Фізичний сенс захисту транзистора за допомогою діода полягає в тому, що енергія, запасені котушкою індуктивності передається за допомогою діода джерела живлення і виділяється активному опорі навантаження. Для прискорення часу розряду послідовно з діодом можна включити додатковий резистор R1 (рис.2, в). Включення резистора R1, крім того, знімає висчастотную генерацію контуру, утвореного паразитної ємністю діода і індуктивним навантаженням. Замість R1 можна застосувати і кремнієвий стабілітрон, включений зустрічно шунтуючого діода (рис.3, а). В цьому випадку максимальна напруга на транзисторі буде обмежено значенням UКЕmax = Eк + Uст.
Мал. 3. Схеми захисту транзистора від перенапруг за допомогою: а - діода і стабілітрона; б, в - стабилитрона.
Для захисту підсилювачів від випадкових перенапруг а також від імпульсних перевантажень в схемі з реактивним навантаженням застосовуються кремнієві стабілітрони (рис.3, б). В підсилювачах низької частоти можна також шунтировать ділянку колектор - емітер діодом. У широкосмугових підсилювачах, однак, такий спосіб може змінити частотні властивості каскаду за рахунок значної ємності діода. Схема захисту, яка використовується в широкосмугових та інших високочастотних підсилювачах, наведена на рис. 3, ст. Зсув вибирається таким чином, щоб воно було менше Uст стабилитрона.
При нормальній роботі каскаду стабілітрон закритий і не впливає на частотну характеристику підсилювача. При перевищенні встановленого напруги стабілітрон шунтирует транзистор, оберігаючи його від пошкодження.
Для захисту транзистора від перевантаження по струму рекомендуються наступні способи: включення токоограничивающих резисторів послідовно з висновками колектора і емітера (не слід обмежувати струм включенням резистора в ланцюг бази); шунтування напівпровідникових приладів резистором; паралельне включення транзисторів. Використовуючи останній спосіб, необхідно враховувати, що напівпровідникові прилади мають розкид опору і, отже, струм між паралельно включеними приладами розподіляється нерівномірно. Так як розкид опору залежить від темратури і змінюється з часом, надійна робота досягається за підбором приладів з ідентичними параметрами, а вирівнюванням струму приладів за допомогою додаткових резисторів невеликої величини, включених послідовно в ланцюг кожного приладу (рис. 4). Паралельно включені транзистори необхідно розташовувати на одному і тому ж теплоотводе, вживши заходів щодо максимально можливого вирівнювання температур їх корпусів. Ці температури не повинні відрізнятися більш ніж на 1. 2 ° С.
Мал. 4. Схема вирівнювання струмів через паралельно включені транзистори.
Забезпечення теплового режиму транзистора - одна з головних задач при конструюванні радіоапаратури. Тепловідвідні елементи повинні розраховуватися так, щоб їх тепловий опір забезпечувало нормальну тепловіддачу корпусу транзистора в навколишнє середовище, а температура переходу транзистора не перевищувала допустиму. При вільної компонуванні елементів всередині апаратури доцільно використовувати спеціальні радіатори або розташовувати транзистори безпосередньо на шасі приладу.
Мал. 5. Ребристий радіатор; а - односторонній; б - двосторонній.
За конструкцією радіатори діляться пластинчасті, ребристі односторонні і двосторонні. Площа тепловідведення наближено можна обчислити за формулою
де RТп.с - необхідний тепловий опір перехід - навколишнє середовище, ° С / мВт; σТ - коефіцієнт теплоизлучения від тепловідведення в навколишнє середовище мВт / (см 2 • ° С) Коефіцієнт σТ приблизно дорівнює 1,5 мВт / (см 2 • ° С) і залежить від кількості тепла, що відводиться від тепловідведення за рахунок теплопровідності, конвекції і випромінювання . Теплопровідність зростає зі збільшенням площі S тепловідведення. Відведення тепла за рахунок конвекції збільшується з підвищенням різниці температур тепловідведення і навколишнього середовища. Конвекція поліпшується при вертикальному положенні площині тепловідведення. Максимальне відведення тепла за рахунок випромінювання становить 0,6 мВт / (см 2 • ° С). Рекомендується покривати тепловідвід (радіатор) чорною матовою фарбою або зачернять його будь-яким способом для збільшення ефективності відведення тепла за рахунок випромінювання.
При щільною компонуванні елементів всередині апаратури або великих потужностях розсіювання в приладі застосування радіаторів, розташованих усередині блоку або приладу, стає малоефективним. В цьому випадку потужні транзистори доцільно розташовувати безпосередньо на корпусі приладу або на радіаторах, що мають тепловий контакт із зовнішнім середовищем.
Для ефективної роботи радіатора необхідний надійний тепловий контакт з транзистором. Для цього контактує з транзистором поверхню радіатора повинна бути плоскою, гладкою, без задирок і подряпин. Для кожного виведення транзистора слід просвердлити окреме отвір мінімального діаметра. Транзистори необхідно кріпити до радіатора за допомогою передбачених конструкцій (болти, фланці та ін.). Для поліпшення теплового контакту між транзистором і теплоотводом використовують спеціальні тепловідвідні пасти або мастила, наприклад пасту кремнійорганічне теплопроводящую КПТ-8.
Електрична ізоляція транзистора від радіатора досягається установкою прокладок з слюди, фторопластовою плівки товщиною десятки мікрометрів, металокерамічних прокладок, а також використанням радіаторів з глибоким анодуванням. Однак необхідно прагнути до електричної ізоляції радіатора від корпусу приладу, а не транзистора від радіатора.
Якщо два або більш потужних транзистора включені паралельно, то між ними повинен бути хороший тепловий контакт, щоб тепловий режим транзисторів був однаковим і стійким. Для цього транзистори встановлюють на загальному радіаторі. В іншому випадку перегрів одного з них призведе до збільшення розсіюваною їм потужності за рахунок зменшення її на інших транзисторах.
Правила установки і включення транзисторів
1. Транзистори необхідно кріпити за корпус, причому потужні транзистори - за допомогою передбачених конструкцій деталей (болти, спеціальні фланці і т. П.).
2. Висновки дозволяється згинати на відстані не менше 10 мм від корпусу, якщо немає інших вказівок. Вигин жорстких висновків потужних транзисторів забороняється.
3. Транзистори не слід розташовувати поблизу елементів і вузлів з великим виділенням тепла (електронні лампи, трансформатори харчування, потужні резистори та ін.).
4. Транзистори не слід розміщувати в сильних магнітних полях.
5. Висновки слід паяти не ближче 10 мм від корпусу, забезпечуючи тепловідвід між місцем пайки і корпусом транзистора. Час пайки повинно бути якомога меншим (не більше 2. 3 с). Слід застосовувати припої з температурою плавлення не більше 260 ° С.
6. Висновки бази повинні приєднуватися першими, а відключатися останніми. Забороняється подавати напругу на транзистор з відключеною базою.
7. Транзистори можна замінювати тільки при відсутності напруги живлення.
8. Необхідно виключити можливість подачі напруги харчування зворотної (помилковою) полярності, яким може бути пробитий один з переходів транзистора. Для цього рекомендується включати напівпровідниковий діод послідовно в ланцюг харчування транзистора.
9. Для захисту транзисторів від дії статичної електрики необхідно ретельно заземлити устаткування і вимірювальні прилади, застосовувати заземлення браслети і паяльники з заземленим жалом.