Поиск по сайту
Рубрики
Статистика
Rambler's Top100


Надежность УМЗЧ

Соображения надежности, как известно, могут быть условно разделены на две группы, статистическая надежность и прогнозируемая надежность. Полная надежность любого усилителя мощности зависит от этих двух составляющих.

Многие полагают, что полупроводниковые приборы имеют «неограниченный» срок службы. Для малосигнальных приборов это, в основном, справедливо, но для мощных полупроводниковых приборов, однако, далеко от правды Так как применяемые в них материалы подвергаются нагреву, они будут расширяться, сжиматься, физически и химически изменяться. Тепловое расширение прибора не происходит одинаково, поскольку все мощные полупроводниковые приборы изготовлены из набора различных металлов и диэлектриков (золота, алюминия, меди, кремния, стекла, керамики, пластмассы и т.п.). Даже если тепловые изменения совсем незначительны, они приведут к усталости материала. Спецификации производителей полупроводников для изменения среднего времени безотказной работы (MTBF) как функции рассеиваемой мощности (тепловой энергии) и тепловых циклов называются циклическими тепловыми кривыми или графиками. Эти графики предсказывают ожидаемый срок выхода из строя полупроводникового прибора на основе максимальной мощности, которую ему приходится рассеивать, и количеством циклов между нулевой и полной мощностями рассеивания. К сожалению, эту информацию не часто можно найти в стандартных спецификациях на мощные полупроводниковые приборы.

Тепловым циклом называется переход от холодного состояния к разогретому (не следует путать тепловые циклы с периодами сигнала). Например, если включить усилитель, который был полностью холодным, «погонять» его до тех пор, пока теплоотводы и мощные полупроводниковые приборы достигнут максимальной температуры, а затем выключить, то это заставит его пройти через один тепловой цикл. Эффект тепловой периодичности обычно демонстрируют при помощи осветительной лампы накалигания" если постоянно включать и выключать ее, лампа проработает недолго. При каждом включении и выключении металлическая нить накаливания расширяется и сжимается, что создает в ней маханическое напряжение и усталость. Очень скоро, как и в случае сгибания и разгибания любой металлической детали, нить оборвется. Тепловой цикл аналогично влияет и на любой мощный транзистор.

График теплового цикла показывает, что среднее время безотказной работы полупроводников увеличивается логаоифмически, когда максимальная рассеиваемая мощность линейно уменьшается. Например, из графика теплового цикла гипотетического транзистора следует, что при уровне рассеиваемой мощности в 100 Вт, ожидаемое среднее время наработки на отказ примерно эквивалентно 1000 циклам. Однако та же кривая может продемонстрировать, что при уровне рассеиваемой мощности 50 Вт среднее время возрастет до 100000 циклов. Таким образом, прогнозируемая надежность может быть существенно повышена путем снижения рассеиваемой полупроводниковыми приборами мощности. К сожалению, довольно трудно получить от поставщиков электронных компонентов графики тепловых циклов даже популярных мощных транзистрив а основные их производители (Sanken, Toshiba, Motorola, Hitachi) не считают нужным представить такую информацию.

Интенсивность отказа полупроводниковых приборов

На основе графиков тепловых циклов некоторые конструкторы пришли к заключению, что увеличение надежности может быть достигнуто добавлением площади теплоотвода или форсированным охлаждением. Это основано на известном наблюдении, что интенсивность отказов компонентов примерно соотвествует закону Аррениуса, по которому скорость течения химических реакций примерно удваивается на каждые 10°С. Реально, такие методы способствуют повышению долговременной надежности, но сама концепция, в данном случае, неприменима. Разрушающие тепловые изменения происходят внутри самих приборов, в области полупроводникового перехода.

Теплоотводы и другие методы внешнего охлаждения эффективны для уменьшения среднего перегрева, но они ограничены в своей способности понизить «мгновенную» температуру полупроводникового перехода, поскольку весьма инерционны.

Поэтому единственным методом снижения температуры перехода является уменьшение мгновенной мощности, рассеиваемой прибором.

Следует также учитывать, что вторичный пробой представляет серьезную проблему в обеспечении надежности эксплуатации биполярных высокочастотных транзисторов, поскольку может развиваться при средней мощности, существенно меньшей, чем предельно допустимая мощность для данного прибора. Поэтому уменьшение мгновенной мощности важно и в данном аспекте.

Производители УМЗЧ, вынужденные балансировать между затратами и характеристиками, всегда пытаются выжать каждый возможный ватт мощности из единственной пары выходных биполярных транзисторов. Такой подход приводит к значитепьному компромиссу с прогнозируемыми параметрами надежности.

Статистическая надежность определяется статистикой отказов, основанной на общей численности электронных компонентов, работающих в предельных режимах. Проще говоря, каждый прибор склонен к выходу из строя. Чем больше приборов в схеме, тем выше вероятность отказа для отдельного компонента. Искусство разработчика УМЗЧ состоит также в том, чтобы авария копеечного элемента не вызвала, подобно падению костяшек домино, выход из строя всего усилителя мощности.

Долговременный отказ компонента (отказ компонента после значительного времени работы схемы) может быть результатом нескольких факторов, таких как внутренняя коррозия, внутреннее или внешнее загрязнение, физическое напряжение, тепловой циклический отказ (в мощных приборах), разрушающие импульсы напряжения или тока. Значительная часть аудиофилов имеет необоснованное предубеждение против оборудования УМЗЧ средствами защиты от короткого замыкания. Однако правильно спроектированные системы защиты от короткого замыкания не влияют на качество звучания усилителя мощности, а отказ от их использования может вызвать серьезные проблемы с надежностью и безопасностью эксплуатации УМЗЧ.

Область безопасной работы биполярного транзистора

Приведенный график области безопасной работы (ОБР, БОА) биполярных транзисторов, из которого видно, что эта область ограничена траекторией вторичного пробоя, максимально допустимой мощностью и предельными значениями тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер.

Потенциальный выход эксплуатационных режимов биполярного транзистора за пределы заштрихованной ОБР резко снижает долговременную и прогнозируемую надежность УМЗЧ. Мы еще вернемся к этому важному вопросу при обсуждении схем защиты выходных каскадов.

Комментарии запрещены.

Реклама