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晶体管或稳压器并联后可以取消散热器

Petre Petrov?? 2015年03月20日 ?? 收藏1
引言

双极结型晶体管(BJT)看起来像老式的电子元件,但由于具有低成本和卓越参数的优点,它们可以解决许多问题。我们可以发现过去由于这些元件太高成本而不可能实现的新应用,比如我们可以在某些情况下用多个并联的小功率晶体管替代更大功率的晶体管(带或不带散热器),并从中收获诸多好处。

一般来说,与更大功率特别是带大块散热器的晶体管相比,小功率晶体管速度更快,具有更高的工作频率、更低的噪声、更小的总谐波失真,并且它们的封装更方便人工和自动焊接。

功耗最高1W左右的许多晶体管采用类似于TO-92的封装。这些晶体管大多数价格比较低,可以大批量购买,而且TO-92那样的封装很方便使用。

从这些封装产生的热量很容易通过冷却风扇甚至正常的空气对流高效地散发掉。另外,我们可以利用这些晶体管周边较大的铜表面积提高它们的功耗。针对这些电子元件的不同封装,它们的数据手册和文献资料中记录有大量散热信息和计算方法,因此我们这里不再详细讨论。

诸如TO-126、TO-220之类的功率晶体管封装又大又重,很难安装在PCB上,而且为了发挥这些功率晶体管的全部性能和可靠性,还要额外使用散热器。

这些封装和散热器会阻塞冷却空气的流动,而且额外散热器的使用会产生机械和电气问题,比如在振动设备中散热器不是很稳定,它们需要电气隔离等。

晶体管电路

让我们考虑以下这些经常在音频驱动器使用的NPN/PNP晶体管对:

TIP29/TIP30 (NPN/PNP, 40V, 1A, 2W, Ftmin = 3MHz, TO-220),

BD139/BD140 (NPN/PNP, 80V, 1.5A, 1.25W, Ftmin >3MHz or not specified, TO-126)

BC639/BC640 (NPN/PNP, 80V, 1A, 0.8W, Ft=130MHz/50MHz, TO-92)

BC327/BC337 (NPN/PNP, 45V, 0.8A, 0.625W, Ft(typ). 100MHz/100MHz, TO-92)

BC550/BC560 (NPN/PNP, 45V, 0.1A, 0.5W, Ftmin =100MHz/100MHz, TO-92)

这些晶体管的其中一些参数可能在不同制造商那里有所不同,也有些参数可能所有制造商都不标。

我们可以看到,两个并联BC639的功耗大约是1.6W,超过了单个BD135/137/139 1.25W的功耗。

另外,BC639/BC640对有保证的转换频率远高于BD139/BD140对的Ft (在数据手册中并不总是有保证的)。小功率晶体管的直流增益通常远高于更大晶体管的增益。因此我们可以尝试使用两个或多个小功率晶体管代替带或不带小型散热器的一个更大功率的晶体管。

图1画出了采用1个运放(OA)和6个小功率晶体管的音频放大器电路,它可以取代用一个运放和一对不带散热器的更大功率晶体管(比如BD135/BD136)组成的放大器电路。

图1:1个运放和6个小功率晶体管的电路代替一个运放加上两个带或不带散热器的更大功率晶体管组成的电路。
图1:1个运放和6个小功率晶体管的电路代替一个运放加上两个更大功率晶体管组成的电路。

连接发射极的均衡电阻R6到R11是必须要的。这些电阻可以在一定程度上减小并联晶体管之间的差异。它们的阻值通常在放大器公共负载的2%至10%之间。为了确保输出电流在所有并联晶体管之间得到合适的分配,应该监测这些电阻上的压降。

电阻R5也是必须的,并且应该具有最小的适用值。它能减小放大器的交越失真。

IC1可以是任何合适的放大器,如NE5534/A。最好是使用能够驱动至少600Ω负载的运放。如果需要调整放大器的输出偏移量,可以使用带偏移调整引脚的运放。

在运放和晶体管不过载的条件下可以得到运放的整个供电电压范围。

我们应该注意到,许多运放有很大的会使运放发热的静态电流。举例来说:

NE5534/A的最大静态电流Iqmax = 8mA,

LF355的最大静态电流Iqmax = 4mA,

LF356的最大静态电流Iqmax = 10mA,

NE5532的最大静态电流Iqmax = 16mA,

RC4560的最大静态电流Iqmax = 5.7mA,

如果我们在±15V或更高的电源电压下使用这些和类似的运放,那么在没有任何输入信号的情况下这些运放也会有显著的功耗。对于采用表贴封装的运放来说这种情况尤其糟糕,比如NE5532的功耗将达30V*16mA = 540mW,这一点应该加以慎重考虑。

新加的高增益小功率晶体管要求运放输出很小的电流,因此可以降低运放IC的散热风险。事实上,这些新增晶体管还可以用来利用运放的最大峰峰值电压降低运放IC的功耗,因为它向负载提供更小的输出电流。

小功率晶体管的速度更快,并且基极-发射极结点中的阈值电压也更低。它们通常是为前置放大器设计的,与更大功率的晶体管相比,用它们可以获得更低的总谐波失真(THD)和互调失真(IMD)。小功率晶体管通常还具有更高的增益,增益范围在400至800之间,这也是更低THD和IMD的一个原因。

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