А. Черномырдин - Семь шагов в электронику
♦ если деталь установлена на радиаторе — взять радиатор побольше;
♦ добавить принудительный обдув устройства;
♦ заменить сильно греющуюся деталь более «мощной»;
♦ изменить схему устройства или режим работы компонента, чтобы снизить тепловыделение.
Самый первый путь является самым очевидным, но против него есть целый список возражений. Во-первых, большой радиатор нужно еще куда-то установить, а это может потребовать переделки всей платы, поскольку мы на это не рассчитывали. Во-вторых, мы ведь делаем устройство для питания лаповых конструкций, а не устройство для нагрева воздуха. Если бы нам нужно было нагревать воздух, мы бы сделали калорифер и не мучились бы со схемой. Поэтому увеличение радиаторов — это путь, который мы попробуем в самую последнюю очередь.
Добавить принудительный обдув — это хорошая мера, дающая прекрасный результат. Однако пользоваться этой мерой нужно весьма осмотрительно. Применение вентилятора уместно тогда, когда естественный поток воздуха либо отсутствует, либо крайне затруднен, например, в глубине шасси (мы еще вернемся к этому вопросу). Плата, находящаяся на открытом воздухе, должна все-таки, по возможности, остывать сама — без посторонней помощи.
Заменить деталь более «мощной» — хорошая альтернатива, в том числе и в радиолюбительских условиях. Понятно, что более «мощный» компонент будет при прочих равных условиях меньше греться — и за счет меньшего рассеивания мощности, и за счет более эффективного отвода тепла от кристалла полупроводника.
Что у нас там в списочке проблемное? Ах да, ключевые транзисторы конвертора! Ну что же, заменяем их с 2SK2141 на IRFP450, и снова устраиваем получасовой прогон. Не забыли правило — по одному шагу! Не нужно заменять сразу все.
Каков же результат на этот раз? А вот каков:
♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности разогрелся выше всяких ожиданий, свечка плавится;
♦ трансформатор всего лишь теплый;
♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся вместе с радиатором до плавления свечки;
♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся настолько, что прогон пришлось остановить;
♦ микросхема корректора мощности практически холодная;
♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;
♦ микросхема автогенерирующего конвертора уже не теплая, а горячая;
♦ ключевые транзисторы конвертора нагрелись до плавления свечки куда быстрее, чем в прошлый раз;
♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.
Вот так! Это называется «приехали». Более «мощная» деталь, оказывается, сильнее греется!!!
Изгнание огненного духа. Эпизод 1. Продолжение
Неожиданный финал, правда? Вопреки нашим непоколебимым представлениям, замена хороших деталей лучшими привела в итоге к худшим результатам. Лучшее — враг хорошего! Как такое вообще возможно? Где ошибка?
Не беремся судить про все вопросы. Но ответ на последний очевиден — ошибка в наших представлениях о работе конструкции.
Конструкция всегда права, ведь она всегда ведет себя именно так, как и должна вести себя в данной ситуации. Если она должна сгореть, оттого что мы кое-что напутали в расчетах — она непременно сгорит!
И если при замене менее «мощной» детали на более «мощную» устройство стало греться сильнее — значит, именно так и должно было произойти! Конструкция всегда права, а мы — всегда неправы! И потому единственное, что нам остается в этой ситуации — вновь сесть за осциллограф, и шаг за шагом проверить работу конструкции, чтобы найти ошибку — нет-нет, не в конструкции, не обольщайтесь! — в наших с вами представлениях о ее работе. Итак, подключаем к блоку питания осциллограф (см. рис. 8.11) и смотрим сигнал на затворах полевых транзисторов.
Все хорошо, ничего неожиданного мы не видим, но нас отчего-то смущает какая-то округлость вершин импульсов (точка Б), как будто у них немножко срезаны кончики. Да и вертикальные «черточки» импульсов почему-то не выглядят такими уж вертикальными, у них есть довольно заметный наклон. Что-то с микросхемой? Ну-ка, возвратим-ка мы схему в предыдущее состояние, и посмотрим, как дело обстоит там!
Изгнание огненного духа. Эпизод 1. Финал
Ну да, новый вариант немного отличается от того, что мы видели перед этим — округлостей вершин почти нет, да и сами импульсы куда больше похожи на прямоугольные. И тут же память наша услужливая подсказывает нам — емкость! Емкость затвора!
Чем мощнее транзистор, тем емкость затвора у него больше. А чем больше емкость затвора, тем дольше длится процесс ее перезаряда, тем дольше полевой транзистор находится на активном участке своей характеристики, где нагрев его максимален. Это, да еще и эффект того самого Миллера в придачу, и вызвал такой неожиданный для нас нагрев. А микросхема-то, микросхема! Вот как она старается перезаряжает затвор! Оттого и стала она гораздо горячее, чем была до замены.
Ну вот, огненный дух, кажется, выведен на чистую воду. Теперь самое время заняться «вторым проклятым вопросом» — что делать?
Напрашивается в данной ситуации одно-единственное решение — сократить время перезаряда затвора. Сделать это можно двумя способами:
♦ либо уменьшить сопротивление цепи перезаряда;
♦ либо уменьшить емкость затвора полевого транзистора.
Уменьшить сопротивление цепи перезаряда — хорошая идея. Достаточно поставить на выход микросхемы сдвоенный эмиттерный повторитель — и можно будет перезаряжать емкость затвора с гораздо большей скоростью. Уменьшить емкость затвора мы при всем желании не можем — емкость эта скрыта в недрах полевого транзистора, и уменьшить ее можно разве что подпилив кристалл надфилем! Нет, этот путь отпадает. Хотя…
Ах, опять это радиолюбительское «хотя»! Вдруг ни с того ни с сего на ум приходит одна идея. Каскодный ключ! Ключ, состоящий не из одного, а из двух полевых транзисторов. Нижний по схеме транзистор — низковольтный, но достаточно высокочастотный, включен по, схеме ОИ. Верхний — высоковольтный — по схеме ОЗ. Частотные свойства такой связки определяются нижним транзистором ключа, а ведь низковольтные полевые транзисторы имеют намного лучшие частотные свойства! Допустимое же напряжение такой связки определяется характеристиками верхнего транзистора. И — самое главное, — у нижнего транзистора эффект Миллера практически отсутствует, а это означает, что перезаряжаемая емкость уменьшится чуть ли на порядок. Да, конечно, два транзистора дороже одного, но мы же с вами не завод по производству блоков питания. На хорошее дело можно и потратиться.
Замечательная, конечно идея. Жаль только, что вновь придется переделывать схему (см. рис. 8.12).
Рис. 8.12. Вариант автогенератора с каскодными ключами
Второе «длинное» включение
Итак, печатная плата разведена и изготовлена, детали с прежней платы благополучно мигрировали на новую, новых проблем с электрической частью не обнаружено, и теперь мы устраиваем нашей схеме второе «длинное» включение. Чтобы не повторяться — сразу озвучим результат:
♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности разогрелся выше всяких ожиданий, свечка плавится;
♦ трансформатор всего лишь теплый;
♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся вместе с радиатором до плавления свечки;
♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся настолько, что прогон пришлось остановить;
♦ микросхема корректора мощности практически холодная;
♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;
♦ микросхема автогенерирующего конвертора практически холодная;
♦ ключевые транзисторы'конвертора слегка нагрелись (причем более теплыми ощущаются «нижние» ключи каскодной схемы);
♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.
Ну что же, за такой результат можно только искренне порадоваться!
Особенно радует то, что практически перестала нагреваться микросхема автогенератора — чем меньше греется та или иная деталь, тем выше надежность ее работы. Ну а теперь продолжим исправлять проблемы с тепловым режимом в остальных компонентах конструкции. И теперь самое бросающееся в глаза критическое место — корректор коэффициента мощности.
В корректоре коэффициента мощности критическими элементами, как мы определили во время прогона, являются:
♦ двухобмоточный дроссель;
♦ транзисторный ключ;
♦ диод корректора мощности.
Примечание.
