Глава 2. ЗАЩИТА МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ОТ ПЕРЕГРУЗОК

2.1. ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ИХ ЗАЩИТА

Мощные транзисторные каскады усиления широко применяются в современных генераторах и радиопередающих устройствах [2.1-2.4], работающих с мощностями до 1-3 кВт в непрерывном режиме. При этом энергетические возможности отдельных транзисторов, измеряемые сотнями ватт, объединяются в нагрузке с помощью схем сложения мощностей различного типа (принципы построения которых рассмотрим ниже), что обеспечило заметные достоинства этому способу построения мощной аппаратуры.
Действительно, применение транзисторов не только уменьшило весогабаритные характеристики, но и повысило надёжность и долговечность оборудования, снизило стоимость аппаратуры и сделало оборудование электробезопасным для обслуживающего персонала. Модульный принцип построения многократно сократил расходы на изготовление устройств и увеличил время безотказной работы, что особенно важно для систем массового вещания и многоканальных систем передачи информации.
Однако, наряду с неоспоримыми достоинствами, применение мощных транзисторов в выходных каскадах радиоустройств имеет и свою слабую сторону. Транзисторы более восприимчивы к изменениям режимов работы, так как не имеют большого запаса по величине рассеиваемой мощности и по величинам питающих напряжений и токов, что является следствием компактности этих активных элементов. Поэтому вариации нагрузки, вызванные изменением режимов работы системы и авариями, а также сезонные и климатические изменения импеданса нагрузки, приводят к перегрузкам транзисторов, что может вызвать их выход из строя. Особенно остро этот недостаток ощущается у генераторных систем, функционирующих с изменяющейся нагрузкой, как, например, у мощных высокочастотных генераторов накачки, нагружаемых на волноводное газоразрядное плазменное пространство лазеров, имеющее динамически изменяющийся импеданс, или у медицинских генераторов ВЧ прогрева.
Современные мощные ВЧ и СВЧ транзисторы для эффективности энергетических характеристик желательно применять в режимах по току, напряжению и мощности, мало отличающихся от предельно допустимых значений этих величин. Поэтому задача избавления транзисторов от опасности выхода из строя из-за перегрузок оказывается серьёзной и во многом еще не решённой проблемой. Рассмотрим возможные методы и особенности применения средств защиты транзисторов, избавляющие их от опасности выхода из строя из-за возможных перегрузок.
Как уже обсуждалось, мощные транзисторы реализуют многоэмиттерными или гребенчатыми структурами. При этом не удаётся избежать неравномерности тока в разных участках таких структур и, следовательно, перегрева отдельных областей. Наибольшую опасность при этом представляет статический режим работы транзистора [2.4] при повышенных значениях напряжения на коллекторе. В режиме работы с отсечкой выходного тока (особенно на высоких частотах) из-за инерционности от влияния реактивностей и меньшей неустойчивости токораспределения перегрев отдельных областей составных структур не так опасен. Это определило ограничение на применение мощных ВЧ транзисторов в статическом режиме, особенно на частотах ниже рекомендуемых. При перегреве структуры транзистора в соответствии с его характеристиками происходит значительное увеличение обратных токов и, следовательно, уменьшение пробивных напряжений на переходах.
Понятно желание разработчиков аппаратуры недоиспользовать транзисторы по частоте, так как в этом случае увеличивается КПД усилителя, обеспечивается больший коэффициент усиления мощности и меньше негативное влияние реактивностей самого транзистора. Но не стоит забывать об увеличении при этом мгновенных значений переменного напряжения на коллекторе, то есть росте пикфактора.

,

где Еко - напряжение коллекторного питания, U - максимальное мгновенное значение напряжения между коллектором и общей шиной каскада.
С ростом пикфактора увеличивается возможность пробоя коллекторного перехода из-за превышения суммой напряжений предельно допустимого для данного транзистора. На практике при работе в статическом режиме используют пониженное напряжение коллекторного питания (30-50 %) и неполное использование транзистора по мощности. Транзистор желательно использовать только до 70 % от рекомендуемой выходной мощности, поскольку она приводится в справочниках для случая работы каскада усиления и транзистора при комнатной температуре, а на практике температура работающих мощных транзисторов обычно в два раза выше.
У большинства мощных транзисторов предельно допустимое напряжение база-эмиттер не превышает обычно 4 В. Поэтому при использовании внешнего смещения (увеличивающего коэффициент формы коллекторного тока и КПД каскада) не следует выбирать его более 1 В, иначе возможен частичный пробой эмиттерного перехода, изменяющий входное сопротивление и ухудшающий энергетические характеристики каскада.
В радиопередающих устройствах, особенно в диапазонах ВЧ и СВЧ, для защиты мощных генераторов часто используют ферритовые вентили и циркуляторы с балластной нагрузкой. Однако этот путь защиты каскадов не всегда является успешным. К его недостаткам следует отнести:

- большие вес и габариты мощных ферритовых устройств;
- снижение коэффициента полезного действия мощного генератора при работе на динамически меняющуюся нагрузку.

Дополнительный путь защиты транзисторов от перегрузок состоит в применении термодатчиков, располагаемых на радиаторе мощного транзистора в непосредственной близости от него. Сигналом термодатчика (в качестве которых успешно применяют p-n - переходы маломощного транзистора) управляют смещением маломощного каскада в тракте усиления мощного генератора, запирая его в случае нагрева радиатора выше предельной температуры и отключая таким способом высокочастотный входной сигнал от мощных усилительных модулей.
Отметим, что термозащита инерционна и уступает другим методам, однако при аварийных ситуациях такая защита позволяет предотвратить разрушение генератора, а при соединении с устройством индикации даёт возможность контролировать работу системы охлаждения. Чтобы избежать перегрева аппаратуры большинство вентиляторов охлаждения оснащают автоматическим выключателем напряжения ее питания при аварийных остановках вентилятора.
Пассивный метод защиты биполярных транзисторов от перенапряжения, используемый на низких частотах, заключается в применении последовательной RC цепи, шунтирующей промежуток коллектор-эмиттер. Элементы такой цепи рассчитываются по следующим формулам:

,

где L - индуктивность дросселя в цепи питания коллектора напряжением ЕК;
RН - сопротивление нагрузки транзистора;
UМ - разность между напряжением ЕК и максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер.

Ещё один метод пассивной защиты усилительного каскада заключается в шунтировании источника напряжения смещения мощным кремниевым диодом. Постоянное напряжение на открытом переходе кремниевого диода по величине не превышает 1В и применение шунтирующего диода не позволяет постоянному напряжению на базе транзистора достигать опасной величины.
Большинство отказов транзисторов связано с изменением импеданса нагрузки каскада и работой усилителя на несогласованную нагрузку. При изменении нагрузки согласование нарушается и появляется отражённая от нагрузки мощность Pотр, а мощность проходящей в нагрузку волны Pпр уменьшается. Фазовые соотношения между проходящей и отражённой волнами ВЧ сигнала определяются характером и величиной нагрузки, которую обычно представляют суммой действительной и мнимой частей:

,

а коэффициент отражения определяют в виде:

, (2.1)

где Y - фазовый сдвиг между напряжением проходящей в нагрузку волны Uпр и напряжением отражённой волны Uотр; Zвых - выходное сопротивление транзисторного каскада.

При рассогласовании нагрузки напряжение отражённой волны Uотр, достигая коллектора, изменяет величину пикфактора и при приближении по фазе к переменному напряжению на коллекторе может вызвать пробой коллекторного перехода из-за превышения предельно допустимого напряжения на коллекторе. При противофазном напряжении отражённой волны относительно напряжения на коллекторе резко возрастает постоянная составляющая коллекторного тока из-за ослабленного влияния переменного напряжения на коллекторе на высоту импульса выходного тока, растёт рассеиваемая на транзисторе мощность, и он перегревается.
Эксперименты с коротким замыканием нагрузки, проведённые на транзисторах мощностью до 150 Вт типа КТ971А, показали увеличение тока коллектора в среднем на 75%, что соответствует увеличению рассеиваемой на транзисторе тепловой мощности по сравнению с критическим режимом нормальной работы каскада в три раза, а это приводит к перегреву транзистора и выходу его из строя.
Исследуем взаимосвязь импеданса нагрузки с амплитудно-фазовыми соотношениями между отражённой и проходящей в нагрузку с волнами на выходе каскада усиления. Подставляя сопротивление нагрузки в выражение (2.1), получим:

(2.2)

Сопоставляя (2.1) и (2.2), составим систему уравнений:

. (2.3)

Выражая Xн из первого уравнения системы в виде:

и подставляя во второе, получим квадратное уравнение относительно Rн:

.

Решая это уравнение и отбрасывая ложный корень для Rн<=0, получим:

.

А подставляя (2.3), найдём:

.

По найденным выражениям несложно найти зависимость фазовых соотношений на выходе каскада от величины варьируемой нагрузки для различных коэффициентов отражения, которые представляют собой модифицированную диаграмму Смита [2.5] и позволяют определить фазовые соотношения между напряжениями прямой и отраженной волн на выходе транзистора. Отметим, что эти напряжения отличаются от реальных напряжений на коллекторном переходе, из-за внутренней индуктивности вывода коллектора и на частотах выше 100 - 150 МГц этим пренебрегать нельзя и необходимо просчитывать дополнительный фазовый сдвиг по известной из справочных данных величине индуктивности вывода транзистора.

##

2.2. МЕТОД ЗАЩИТЫ ТРАНЗИСТОРОВ ПО УРОВНЮ ОТРАЖЁННОЙ ОТ НАГРУЗКИ ЭНЕРГИИ

Метод защищает транзисторы от перегрузок, вызываемых изменением импеданса нагрузки и появлением опасного напряжения отражённой от нагрузки волны ВЧ сигнала. Алгоритм заключается в непрерывном измерении уровня отраженной волны, сопоставлении его с опорным уровнем напряжения и подаче запирающего напряжения на вход усилительного каскада в случае превышения сигналом отраженной волны величины опорного напряжения.
Для непрерывного контроля отраженной от нагрузки мощности сигнал мощного генератора (МГ) подают к нагрузке через направленный ответвитель со слабой связью [2.6]. Ответвленный сигнал отраженной волны, как показано на рис. 2.1, через детекторную головку (Д) и усилитель постоянного тока (УПТ) подают на импульсный манипулятор, закрывающий высокочастотный тракт МГ в случае превышения сигналом отражённой волны определённого порогового уровня.
На рис. 2.1 приняты следующие обозначения: АГ – автогенератор, У1 – буферный усилитель, ИМ – импульсный модулятор, ТУ – тракт усиления мощности, НО – направленный ответвитель.

Рис. 2.1. Защита МГ по уровню отраженной от нагрузки волны

Следует отметить, что такая защита приводит (в случае рассогласования нагрузки и появления отражённого высокочастотного сигнала больше определённого порогового уровня) к радиоимпульсному режиму работы МГ. Это вызвано тем, что сигналом отражённой волны МГ запирается, а значит уровень отраженной волны снижается, что приводит к открыванию генератора и повторению процессов возрастания уровня отраженного от нагрузки сигнала и управления им. При этом длительность активного режима МГ и скважность появившейся радиоимпульсной последовательности определится как инерционностью МГ, так и временем срабатывания цепи защиты генератора. Средняя мощность, вырабатываемая МГ, уменьшится в число раз, пропорциональное скважности (q) выходной радиоимпульсной последовательности, что и защитит мощные каскады от возможных перегрузок.

Рвых.ср = Рвых/q

Основным узлом рассмотренного алгоритма является направленный ответвитель, включаемый на выходе МГ. Часто для одновременного и независимого контроля мощности направленный ответвитель делают с двумя независимыми ответвляющими линиями - в виде двунаправленного.

Рис. 2.2. Двунаправленный ответвитель с боковой связью

Такие ответвители удобно реализовать в полосковом исполнении. Так как коэффициент ответвления, как правило, меньше минус 20 дБ, то лучшим решением будет симметричный полосковый ответвитель с боковой связью, как показано на рис. 2.2. Расчётные соотношения для направленного ответвителя с боковой связью имеют вид [2.7]:

В соответствии с этими выражениями проведено моделирование на ЭВМ и построена номограмма (рис. 2.3), позволяющая без затруднений рассчитывать симметричные полосовые ответвители различных габаритов, при разнообразных диэлектрических материалах. Диаграмма приведена для случая равенства входных и выходных сопротивлений 50 Ом как наиболее часто встречающемуся на практике случаю.
Примеры рассчитанных и экспериментально исследованных направленных ответвителей приведены в табл. 2.1. Отметим, что материал для ответвителя следует выбирать высококачественным (ФЛАН, поликор, ФАФ-2, ФАФ-4), чтобы минимизировать потери выходного сигнала МГ. В целях уменьшения погрешности измерения отражённой мощности следует выбирать согласованные нагрузки в измерительных каналах направленного ответвителя.

Рис. 2.3. Номограмма расчета направленного ответвителя с боковой связью

Таблица 2.1

Задано | Находим
Материал | e | В, мм |  | W, мм | S, мм
СТ - 1 | 6,0 | 4 | 10-2,5 | 1,4 | 2,5
СТ - 1 | 6,0 | 6 | 10-2,5 | 2,1 | 3,7
СТ - 1 | 6,0 | 8 | 10-2,5 | 2,8 | 5,0
ФАФ - 4 | 2,6 | 4 | 10-3 | 3,0 | 2,6
ФАФ - 4 | 2,6 | 6 | 10-3 | 4,6 | 3,9
ФАФ - 4 | 2,6 | 8 | 10-3 | 6,0 | 5,2
ФЛАН | 10,0 | 4 | 10-2,7 | 0,7 | 3,0
ФЛАН | 10,0 | 6 | 10-2,7 | 1,1 | 4,4

На рис. 2.4 приведён пример топологии двунаправленного ответвителя, рассчитанного на мощность 300 Вт и выполненного на армированном фторопласте (ФАФ). Микрополосковые линии изготавливают в соответствии с обычными требованиями [2.7].

Рис. 2.4. Пример реализации двунаправленного ответвителя с боковой связью

##

2.3. АЛГОРИТМ ЗАЩИТЫ МОЩНОГО КАСКАДА ПО ИЗМЕНЕНИЮ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ КОЛЛЕКТОРНОГО ТОКА

Алгоритм заключается: в непрерывном контроле постоянной составляющей коллекторного тока мощного усилителя; в закрывании каскада отрицательным смещением в случае увеличения постоянной составляющей коллекторного тока; в приоткрывании каскада при уменьшении коллекторного тока. То есть алгоритм совпадает с известным алгоритмом цепей автоматической регулировки усиления, широко применяющемся в приемных устройствах. Только в нашем случае управление осуществляется не по уровню огибающей переменного сигнала, а по величине постоянной составляющей коллекторного тока.
На рис. 2.5 приведена схема защиты мощного усилительного каскада по величине изменения тока питания цепи коллектора защищаемого транзистора. Схема является автоматическим регулятором мощности и обладает всеми достоинствами и недостатками этих устройств [2.4]. В цепь питания мощного каскада включается резистор R с величиной сопротивления в десятые доли Ома. На нём появляется падение напряжения от постоянного тока питания каскада. Это напряжение, усиленное операционным усилителем (ОУ), управляет усилителем постоянного тока (УПТ), который обеспечивает на выходе постоянное напряжение смещения мощного ВЧ транзистора в интервале от 1 до -2 В, с величиной, определяемой напряжением, снимаемым с резистора R.
С ростом Iко напряжение на резисторе R увеличивается, возрастает сигнал на выходе ОУ и растёт запирающее воздействие УПТ на транзистор мощного усилителя (У). При сильном уменьшении тока Iко цепь защиты вырабатывает открывающее смещение усилителя (У), стремясь вернуть величину I ко к номинальному значению.
Отметим две особенности схемы, заключающиеся в необходимости источника отрицательного напряжения (для обеспечении возможности закрывания мощного транзистора) и необходимости компромисса при выборе блокирующих емкостей в схеме ОУ. Для повышения устойчивости схемы ёмкости нужно увеличивать, но при этом возрастает время срабатывания схемы защиты и уменьшается её эффективность.

Рис. 2.5. Схема защиты мощного усилителя

Экспериментальные исследования, проведённые авторами с мощными кремниевыми транзисторами, показали, что большинство отечественных транзисторов, рекомендуемых для диапазона частот до 200 МГц, не теряют работоспособности при отключении нагрузки, если устройства защиты срабатывают за десятые доли миллисекунд. Поэтому к выбору блокирующих емкостей в схемах защиты следует относиться внимательно.
Устройства, подобные описанному, применяются в радиопередатчиках в качестве автоматических регуляторов мощности и известны их модификации [2.4], построенные по близким к изложенному принципам. Применение их в целях защиты мощных транзисторов не сильно усложняет схемы формирования сигналов, однако резко повышает надёжность системы.

##

2.4. АЛГОРИТМЫ ЗАЩИТЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПИЛОТ – СИГНАЛОВ

Для защиты от короткого замыкания и от обрыва в фидерном устройстве, соединяющем МГ и нагрузку иногда применяют метод защиты по пилот - сигналу [2.8]. Этот метод основан на том, что в фидерное устройство вводится сигнал постоянной составляющей Uо, как показано на рис.2.6, и непрерывно контролируется его уровень путем сравнения с опорным стабильным сигналом постоянного напряжения Uоп.
Любые изменения уровня пилот - сигнала говорят о неисправности в фидерном тракте, а пропадание пилот - сигнала - об обрыве или коротком замыкании. Напряжение с выхода схемы сравнения (СС) через схему управления (СУ) подают на устройство отключения (УО) питания МГ. Для развязки схемы защиты от мощного высокочастотного сигнала применяются высокочастотные дроссели, а для развязки от пилот - сигнала нагрузки и выходных цепей МГ применены разделительные ёмкости.
К достоинствам метода следует отнести его простоту и надёжность защиты, особенно от часто встречающихся на практике ошибок персонала при включении МГ без нагрузки или аварийных обрывов фидерного тракта. К недостаткам следует отнести то, что метод максимально эффективен при обрыве или коротком замыкании фидерного тракта, то есть при крайних аварийных ситуациях. В развитии метода следует отметить, что подобный принцип защиты можно использовать и в других цепях МГ, используя какие-либо “окрашенные” пилот - сигналы.

Рис. 2.6. Метод защиты мощного генератора по пилот - сигналу в фидерном тракте

##

2.5. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ МОЩНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

При построении устройств защиты мощных транзисторов возможно [2.9] два принципиально различных подхода, которые определяются выбором стратегии схемы защиты, основанной либо на полном отключении мощного генератора при возникновении аварийных ситуаций, либо на ограничении или снижении его энергетических возможностей при этом. Рассмотрим обе эти ситуации применительно к защите усилителей мощности, реализованных на биполярных транзисторах.
Для ограничения энергетических возможностей усилительного каскада в цепь его питания, как показано на рис. 2.5, требуется установить чувствительный элемент, в качестве которого можно использовать резистор R. Напряжение, выделяемое на этом резисторе, прямо пропорционально току питания защищаемого каскада. Увеличение или уменьшение напряжения на чувствительном элементе дает информацию о возникновении перегрузки каскада и изменении режима его работы.
Если каскад усиления работает с внешним смещением, как, например на рис. 2.5, то схема его защиты может быть реализована так, как показано на рис. 2.7. Особенности схемы в применении в каскаде усиления управляющего сигнала транзисторов, допускающих высокие напряжения на переходе база - эмиттер и в наличии пассивной защиты базовой цепи диодом от превышения напряжением смещения уровня в 1 В. Быстродействие схемы составляет доли секунды и в большинстве аварийных ситуаций [2.10] позволяет защитить биполярные транзисторы от опасных изменений коллекторного тока.

Рис. 2.7. Схема защиты каскада усиления мощности по превышению величины коллекторного тока (X1, X2 - к базе и к коллектору защищаемого транзистора соответственно)

Другая схема, реализующая описанный алгоритм, изображена на рис. 2.8. Схема представляет собой устройство, переводящее схему питания мощного ВЧ транзистора в режим генератора тока при возрастании тока питания цепи его коллектора выше порогового значения.

Рис. 2.8. Схема стабилизации коллекторного тока (X2 - точка подключения коллектора защищаемого транзистора)

Рис. 2.9. Схема защиты с отключением источника питания (от точки X2) от защищаемого каскада

Защиту с отключением защищаемого каскада от питания удобно организовывать, управляя стабилизатором питающего напряжения, как показано на рис. 2.9. При росте напряжения на чувствительном элементе, включаемом в цепь коллектора защищаемого транзистора, вырабатывается сигнал, который, проходя последовательно транзисторы МП16, КТ503 и микросхемы 155ТЛ1, 155ТВ1, включает сигнал светодиода “Перегрузка” и, проходя транзисторы КТ801А, закрывает мощный транзистор КТ827А стабилизатора напряжения защищаемого каскада. Для повторного запуска работы схемы требуется подать импульс кнопкой “Пуск”.

##

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Что происходит при коротком замыкании нагрузки транзистора?
- Что происходит при обрыве нагрузки транзистора?
- Что такое коэффициент отражения?
- Как управлять каскадом по уровню отраженной от нагрузки энергии?
- Как управлять каскадом по величине постоянной составляющей питающего тока?
- Как применяют пилот - сигналы?
- Чем ограничена эффективность различных методов защиты мощных биполярных транзисторов?
- Как реализуется тепловая защита в радиоустройствах?
- Какие схемы защиты транзисторов от перегрузки вам известны?

##

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2.1 Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. - М.: Энергия, 1976. – 448 с.
2.2 Радиопередающие устройства / Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. - 408 с.
2.3 Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Шахгильдяна. 3-е изд. - М.: Радио и связь. 1996. - 560 с.
2.4 Радиопередающие устройства / Под ред. О.А. Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982. - 256 с.
2.5 Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.
2.6 Samoilov A.G., Samoilov S.A., Polushin P.A. High-Power High-Frequency Transistor Generators // IET.-1996, v.39, №6.- pp.821-825.
2.7 Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.
2.8 Крючков А.В., Минеев А.П., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Защита генераторов ВЧ накачки, работающих на газоразрядную нагрузку // Препринт ИОФАН СССР.—1991, №47. - 28 с.
2.9 Мощные высокочастотные транзисторы / Под ред. Е.З. Мазеля. - М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.
2.10 Хауэр Ф.Л. Силовые полупроводниковые приборы: Обзор // ТИИЭР, т. 76, 1988, № 4. - с. 36 –46.