Вт/м2 °C (см. график на рис. 5.3); θ — величина допустимого перегрева теплоотдающей поверхности, °С. θ = Тс — Тос (Тс — средняя температура поверхности радиатора, Тос — температура окружающей среды), S — полная площадь теплоотдающей поверхности радиатора, м2.
Обратите внимание, что площадь в эту формулу подставляется в квадратных метрах, а не сантиметрах.
Посчитаем мощность для радиатора, показанного на рис. 5.2 с размерами, приведенными ранее. Сначала зададимся желательным перегревом поверхности 0, выбрав не слишком большую величину, равную 30 °C. Можно полагать тогда, что при температуре окружающей среды 30°, температура поверхности радиатора составит 60°. Если учесть, что разница между температурами радиатора и кристалла транзистора или микросхемы при хорошем тепловом контакте (о котором далее) может составить примерно 5°, то это приемлемо практически Для всех полупроводниковых приборов.
Высота ребер h у нас составляет 30 мм, поэтому пользуемся верхней кривой на графике рис. 5.3, откуда определяем, что величина коэффициента теплоотдачи αэфф ~ 50 Вт/м2∙°С. После вычислений получим, что W = 22 Вт. Ранее по простейшему правилу мы получили 14,5 Вт. т. е. проведя более точные расчеты, мы можем раза в полтора уменьшить площадь радиатора, тем самым сэкономив место в корпусе. Однако, повторим, если габариты позволяют, то лучше всегда иметь запас.
Радиатор (и его ребра) следует располагать вертикально (как на рис. 5.2), а поверхность его желательно покрасить в черный цвет. Я еще раз хочу напомнить, что все эти расчеты очень приблизительны, и даже сама методика может измениться, если вы поставите радиатор не вертикально, а горизонтально или снабдите его игольчатыми ребрами вместо пластинчатых. К тому же мы никак не учитываем здесь тепловое сопротивление переходов «кристалл-корпус» и «корпус-радиатор» (просто предположив, что разница температур составит 5°). Указанные методы дают неплохое приближение к истине, но если мы не обеспечим хороший тепловой контакт, все наши расчеты могут пойти насмарку.
Просто плотно прижать винтом транзистор к радиатору, конечно, можно, но только в том случае, если поверхность радиатора в месте прижима идеально плоская и хорошо отшлифована. Практически этого никогда не бывает, поэтому радиатор в месте прижима смазывают специальной токопроводящей пастой. Ее можно купить в магазинах, а иногда тюбик с такой пастой прикладывают к «кулерам» для микропроцессоров. Смазывать поверхность надо тонким, но равномерным слоем.
Если на один радиатор ставятся два прибора, у которых корпуса находятся под разным напряжением, то под один из них нужно подложить изолирующую прокладку, под крепежные винты — изолирующие пластиковые шайбы, а на сами винты на длину, равную толщине радиатора в месте отверстия, надеть отрезок изолирующей трубки (рис. 5.4).
Рис. 5.4.Крепление транзистора в корпусе ТО-220 к радиатору при необходимости его изоляции:
1 — радиатор: 2 — отверстие в радиаторе; 3 — изолирующие шайбы; 4 — стягивающий винт; 5 — гайка; 6 — изолирующая трубка; 7 — слюдяная прокладка; 8 — пластмассовая часть корпуса транзистора; 9 — металлическая часть корпуса транзистора (коллектор); 10 — выводы транзистора
Самые качественные изолирующие прокладки — слюдяные, хороши прокладки из анодированного алюминия (но за ними надо внимательно следить, чтобы не процарапать гонкий слой изолирующего окисла) и из керамики (которые, впрочем, довольно хрупки и могут треснуть при слишком сильном нажиме). Кстати, за неимением фирменных прокладок можно использовать тонкую фторопластовую (но не полиэтиленовую, разумеется!) пленку, следя за тем, чтобы ее не прорвать. При установке на прокладку теплопроводящая паста наносится тонким слоем на обе поверхности — и на транзистор, и на радиатор.
В заключение главы проясним ситуацию, связанную с сетевыми помехозащитными фильтрами. Вопреки распространенному мнению, такие фильтры чаще защищают от помех внешнюю сеть, а не сам прибор от внешних помех, проникающих из сети (исключение, конечно, составляют радиочастотные устройства). Если вы включите напрямую в сеть тиристорный регулятор, мощное электронное реле или импульсный блок питания (вроде компьютерного), то помех не избежать — как электрических по проводам сети, так и электромагнитных, распространяющихся в пространстве. Чем мощнее нагрузка, тем больше эти помехи. Особенно чувствительны к их воздействию АМ-приемники: мощный регулятор может подавить передачи Би-Би-Си не хуже советских глушилок.
Для того чтобы свести помехи импульсных приборов к минимуму, необходимо, во-первых, заземлить корпус прибора, во-вторых, на входе питания устройства вместе с нагрузкой поставить LC-фильтр. Это относится и к достаточно мощным преобразователям в интегральном исполнении.
Заметки на полях
Чтобы заземлить корпус, он, естественно, должен быть металлическим или металлизированным. Если же корпус чисто пластмассовый, то его нужно изнутри обклеить алюминиевой фольгой потолще (та, что для применения в микроволновых печах, конечно, не подойдет). Надежно обеспечить контакт вывода заземления с таким экраном непросто — это можно сделать, приклеив зачищенный на несколько сантиметров провод широким скотчем или соорудив прижимной контакт из упругой бронзы (например, из контакта старого мощного реле). Корпуса всех внешних разъемов, если они металлические, также следует надежно соединить с заземленным корпусом. Экран, как мы говорили ранее, соединяется с «землей» прибора (в одной точке), но если у вас сетевой блок питания, то экран тогда целесообразнее соединить с заземлением (зеленый провод) в сетевой вилке. Это может показаться бессмысленным ввиду отсутствия настоящей (без кавычек) земли в большинстве наших домов, но на самом деле совсем не глупо, если несколько приборов соединяются через один блок розеток с общим заземлением. В то же время для ряда схем, особенно измерительных, соединять экран с «землей» (общим проводом) схемы не следует — сами они помех не создают, а присоединение экрана к общему заземлению может ухудшить их работу.
На рис. 5.5 приведены два варианта построения развязывающего LC-фильтра. Первый (вверху) вам уже знаком по схеме импульсного преобразователя (см. рис. 4.9). Второй, более сложный вариант (внизу), предназначен для схем помощнее, подобные фильтры входят, например, в удлинители типа «Пилот». При небольших токах берут готовые дроссели, как уже говорилось, они внешне очень похожи на резисторы. Для изготовления дросселей при больших токах (несколько ампер и более) нужно взять ферритовое кольцо марки 600—1000НН диаметром 15–24 мм и намотать на него виток к витку провод МГШВ сечением около 1 мм2 до заполнения.
Рис. 5.5.Схемы фильтров сетевого питания для подавления помех
Во втором варианте фильтра дроссели L1 и L2 можно объединить, намотав их на одном кольце, причем если помехи будут подавляться плохо, то надо поменять местами начало и конец одной из обмоток. Конденсаторы — любые неполярные на напряжение не менее 400 В, среднюю точку их во втором варианте нужно подсоединить к заземлению (т. е. к уже заземленному корпусу). Если таковое отсутствует, то все равно надо присоединить эту точку к экрану корпуса прибора, но без настоящего заземления эффективность фильтра заметно ухудшится, — фактически он превратится в несколько улучшенный первый вариант.
Глава 6Аналоговые микросхемы
Интересно, о каких, собственно, микросхемах идет речь в твоем вопросе?
Форум радиолюбителей на shema.ru
Самые первые микросхемы были совсем не такими, как сейчас. Они изготавливались гибридным способом: на изолирующую подложку напылялись алюминиевые проводники, приклеивались маленькие кристаллики отдельных транзисторов и диодов, малогабаритные резисторы и конденсаторы, и затем все это соединялось в нужную схему тонюсенькими золотыми проволочками — вручную, точечной сваркой под микроскопом. Можно себе представить, какова была цена таких устройств, которые тогда еще не назывались микросхемами, чаще употребляли название микромодули или микросборки. К гибридным микросхемам относятся и некоторые современные их типы, к примеру, оптоэлектронные, но, конечно, сейчас выводы отдельных деталей уже вручную не приваривают.
Ведущий специалист и один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс позднее признавался, что ему стало жалко работников, терявших зрение на подобных операциях, и в 1959 году он выдвинул идею микросхемы — «слайса» или «чипа» (slice — ломтик, chip — щепка, осколок), где все соединения наносятся на кристалл прямо в процессе производства. Потом оказалось, что несколько ранее аналогичную идею выдвинул сотрудник Texas Instruments Джек Килби, однако у Нойса технология была разработана более детально (это была так называемая планарная технология с алюминиевыми межсоединениями, которая часто используется и по сей день). Спор о приоритете между Килби и Нойсом продолжался в течение десяти лет, и в конце концов победила дружба: было решено считать Нойса и Килби изобретателями микросхемы совместно. В 2000 году Килби (Нойс скончался в 1990) получил за изобретение микросхемы Нобелевскую премию (одновременно с ним, но за другие достижения, ее получил и российский физик Жорес Алферов).
Рис. 6.1.Изобретатели микросхемы Роберт Нойс (Robert Noyce, 1927–1990, слева) и Джек Килби (Jack St. Clair Kilby, 1923–2005)
Что же дало внедрение интегральных микросхем, кроме очевидных преимуществ, таких как миниатюризация схем и сокращение числа операций при проектировании и изготовлении электронных устройств?