Як розрахувати розсіювання потужності в транзисторі?

20

Розглянемо цей простий ескіз схеми CircuitLab (джерело струму):

схема

Я не впевнений, як розрахувати розсіювання потужності по транзистору.

Я беру клас з електроніки і маю наступне рівняння у своїх замітках (не впевнений, чи допомагає це):

П = П_{С Е} + П_{Б Е} + П_{б а с е - r е с i с т о r}

$P = P_{CE} + P_{BE} + P_{base-resistor}$

Отже, розсіювання потужності - це розсіювання потужності по колектору та випромінювачу, розсіювання потужності по базі та випромінювача та таємничий коефіцієнт . Зауважимо, що β транзистора в цьому прикладі було встановлено на 50. $P_{base-resistor}$

Я абсолютно заплутався в цілому і багато питання тут на транзисторах були дуже корисні.

transistors bjt

— Девід Чуйнард
джерело

Ну специфікація

— транзитера

26

Влада щось не "перетинає". Потужність - це напруга, що перевищує струм, що проходить через неї. Оскільки невелика кількість струму, що надходить у базу, не має значення при розсіюванні потужності, обчисліть напругу СЕ та струм колектора. Потужність, що розсіюється транзистором, буде результатом цих двох.

Давайте швидко зробимо цю проблему, зробивши деякі спрощення припущень. Ми скажемо, що коефіцієнт посилення нескінченний, а падіння BE - 700 мВ. Роздільник R1-R2 встановлює базу на 1,6 В, а це означає, що випромінювач знаходиться на рівні 900 мВ. Тому R4 встановлює струм E і C на рівні 900 мкА. Найгірший випадок потужності в Q1 - це коли R3 дорівнює 0, так що колектор знаходиться на 20 В. З 19,1 В поперек транзистора і 900 мкА через нього він розсіюється 17 мВт. Цього недостатньо, щоб помітити додаткове тепло при покладенні пальця на нього, навіть у маленькому футлярі типу SOT-23.

— Олін Латроп
джерело

Дякую, Олін. Дуже вдячний, зараз це набагато зрозуміліше.

— Девід Чуйнард

Цей "принцип" також є масштабним для великих драйверів IGBT для силової електроніки, але вам потрібно прочитати таблиці даних компонентів, де потрібно враховувати ефективний опір при певних струмах. Також стосується діодів, SCR та індукторів. Насправді все, що створює падіння напруги та опір.

— Ложка

"Потужність - це напруга через щось, що перевищує струм, що проходить через неї" Потрібно подбати про те, щоб це була загальна електрична потужність, але не обов'язково розсіяна потужність, лише компонент струму, який знаходиться у фазі з напругою, сприяє збільшенню ентропії в система

— lurscher

11

Потужність - швидкість, з якою енергія перетворюється на якусь іншу енергію. Електрична потужність - добуток напруги та струму :

P = V I

$P = VI$

Зазвичай ми перетворюємо електричну енергію в теплову, і ми дбаємо про енергію, оскільки не хочемо плавити свої компоненти.

Не має значення, чи хочете ви обчислити потужність в резисторі, транзисторі, схемі або вафлі, потужність все ще є результатом напруги та струму.

Оскільки BJT - це тритермінальний пристрій, кожен з яких може мати різний струм і напругу, для цілей розрахунку потужності він допомагає розглядати транзистор як дві частини. Деякий струм надходить в базу і виходить з випромінювача через деяку напругу . Інший струм потрапляє в колектор і залишає випромінювач через деяку напругу . Повна потужність транзистора - це сума цих двох: $V_{BE}$ $V_{CE}$

P = V_{B E} I_{B} + V_{C E} I_{С}

$P = V_{BE}I_B + V_{CE}I_C$

Оскільки метою використання транзистора зазвичай є посилення, струм колектора буде набагато більшим, ніж базовий струм, а базовий струм буде невеликим, досить малим, щоб нехтувати. Отже, і потужність в транзисторі можна спростити до: $I_B \ll I_C$

П \approx V_{С Е} Я_{С}

$P \approx V_{CE} I_{C}$

— Філ Мороз
джерело

Спасибі, Філ, це корисно. Це припущення простягає великий шлях у спрощенні розрахунків.

— Девід Чуйнард

Також β транзистора дорівнює 50. Оскільки це значення невелике, не впевнений, що це спричиняє важливість інших факторів, що є досить важливими.

— Девід Чуйнард

2

@DavidChouinard Відносна значимість потужностей також залежить від відношення до , але якщо в 50 разів більший за , потужність через струм бази буде важкою. Я додав не спрощений розрахунок, щоб ви могли бачити, наскільки це актуально.

V_{B E}

$V_{BE}$

V_{C E}

$V_{CE}$

I_{C}

$I_C$

I_{B}

$I_B$

— Філ Мороз

якби просто використовувати на конденсаторі чи індукторі, можна було б отримати накопичену потужність, але не розсіяну потужність, оскільки ці компоненти (у чистому вигляді) не збільшують ентропію системи. Я не переконаний у цьому аргументі

V \times I

$V \times I$

— lurscher

@lurscher Ви маєте рацію, ідеальний конденсатор не нагрівається, але це не означає, що P = VI помилково. Потужність - це швидкість виконання роботи: немає ніякої вимоги, щоб робота передавалася теплом (хоча це дуже поширений випадок, і те, що застосовується у випадку транзисторів, предмет питання)

— Філ Мороз

1

У спеціальному випадку вашого ланцюга, оскільки існує лише один транзистор, ви можете знайти його розсіювання, використовуючи збереження потужності у вашому ланцюзі:

П_{с о у r c е} = П_{R 1} + П_{R 2} + П_{R 3} + П_{R 4} + П_{Б J Т}

$P_{source}=P_{R1}+P_{R2}+P_{R3}+P_{R4}+P_{BJT}$

Я_{R 1} = Я_{R 2} = \frac{V_{1}}{R_{1} + R_{2}} = 0,16 м А

$I_{R1}=I_{R2}=\frac{V_1}{R_1+R_2}=0.16mA$

Тепер ми знаходимо струм R1 і R2. Струмом бази нехтують:

V_{R 4} + V_{Б Е} = V_{R 2} \to Я_{R 3} = Я_{R 4} = 0,9 м А

$V_{R4}+V_{BE}=V_{R2}\to I_{R3}=I_{R4}=0.9mA$

Таким чином, загальна потужність, розсіяна в резисторах, буде:

\sum_{R_{1}}^{R_{4}} R_{i} Я_{i}^{2} = 12.11 м W

$\sum_{R_1}^{R_4}R_iI_i^2=12.11mW$

Потужність, яку джерело дає ланцюгу:

П_{с о у r c е} = Я_{с о у r c е} V_{с о у r c е} = 21.2 м W

$P_{source}=I_{source}V_{source}=21.2mW$

Тепер ми знаходимо розсіювання потужності в транзисторі, використовуючи перше відношення вище:

П_{Б J Т} = 9.09 м W

$P_{BJT}=9.09mW$

— Зоріч
джерело

Для якого значення R3? Це змінна відповідно до постановки проблеми.

— Фіз

1

@Respawnedfluff 10k.

— Зоріч

1

Ось відповідь, яка є більш грубою, але легко запам'ятовується і корисна як перше наближення. Тут розглядається лише випадок транзистора біполярного з'єднання NPN; речі аналогічні транзисторам з двополюсним з'єднанням PNP.

Основне припущення полягає в тому, що струм BE незначний відносно струму через колектор, тому струм колектора приблизно дорівнює базовому струму: Якщо це припущення не дотримується, тоді транзистор, ймовірно, неправильно використані або зазнають катастрофічного збою.

Я_{Е} = Я_{С} = Я .

$I_E = I_C = I.$

П = V_{С Е} Я .

$P = V_{CE} I.$

V_{C C}

$V_{CC}$

R_{3}

$R_3$

R_{4}

$R_4$

V_{С Е} = V_{С С} - R_{3} Я - R_{4} Я = V_{С С} - (R_{3} + R_{4}) Я,

$V_{CE} = V_{CC} - R_3 I - R_4 I = V_{CC} - (R_3+R_4)I,$

П = (V_{С С} - (R_{3} + R_{4}) Я) Я .

$P = (V_{CC} - (R_3 + R_4)I) I.$

Я = V_{С С} / 2 (R_{3} + R_{4}),

$I = V_{CC}/2(R_3+R_4),$

П^{*} = V_{С С}^{2} / 4 (R_{3} + R_{4}) .

$P^* = V_{CC}^2/4(R_3+R_4).$

R_{3}

$R_3$

R_{4}

$R_4$

Теорема: потужність, що розсіюється транзистором, не перевищує потужності, яка була б двома резисторами і якби вони були безпосередньо підключені. ${1\over 4}$ $R_3$ $R_4$

У задачі з ОП , крім того, дозволяється змінюватись від 0 до 10 кОм, тому очевидно, що вираз буде максимальним для . Це дає верхню межу більше, але не так далеко від межі Оліна Летропа. $R_3$ $P^*$ $R_3=0$

П^{* *} = V_{С С}^{2} / 4 R_{4} = 100 м W,

$P^{**} = V_{CC}^2/4R_4 = 100mW,$

— MikeTeX
джерело