Встановлено, що гранично допустима температура кремнієвого кристала ІМС – плюс 150 ° С. Дана температура задається не тільки зовнішнім середовищем, а й нагріванням активної структури кристала в процесі роботи мікросхеми. Для малопотужних мікросхем даний нагрів неістотний і температура кристала ненабагато перевищує температуру навколишнього середовища. Для потужних схем при неправильно вибраному тепловому режимі експлуатації температура кристала може досягти цієї і більшої величини при температурі навколишнього середовища плюс 25 ° С і навіть мінус 60 ° С.

Для пояснення сказаного розглянемо конкретний приклад стабілізатора, який має вихідну напругу 5 В. Припустимо, що на його вхід подано напругу 15 В. При цьому буде забезпечено струм навантаження 1 А. Потужність Р, споживана стабілізатором від мережі живлення, складе (15 В – 5 В) · 1А = 10 Вт Для використовуваного зазвичай типового корпусу ТО-220 величина теплового опору Л1КР^р= 65 ° С / Вт. Якщо мікросхему стабілізатора напруги не поставили на радіатор, то перегрів кристала щодо навколишнього середовища ΔΤ = 65 ° С / Вт · 10 Вт = 650 ° С, при цьому температура на кристалі складе 25 ° С + 650 ° С = 675 ° С. Цілком очевидно, що така ІМС «згорить», якщо розробник не передбачить захисту.

При використанні радіатора, коли сумарний тепловий опір дорівнюватиме RjKp_cp = Ю ° С / Вт, величина ΔΤ = 10 ° С / Вт · 10 Вт = 100 ° С, а значення температури кристала складе всього Ткр = 100 + 25 = 125 ° С.

Розробникам апаратури також необхідно враховувати той факт, що перегрів кристала ІМС стабілізатора може відбутися не тільки через неправильно обраного теплового режиму, а й через те, що ІМС погано притиснута до радіатора або не застосовуючи теплопроводящую пасту при монтажі. Для ІМС стабілізаторів напруги, також як і для решти потужних ІМС, в більшості випадків необхідна тепловий захист.

Найбільш часто використовувані в практичній діяльності конструкторів спрощені еквівалентні схеми захисту від перевищення температури кристала наведено на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Спрощені еквівалентні електричні схеми захисту від перевищення температури кристала: з використанням п-р-п транзистора (а), з використанням р-п-р транзистора (б)

Хоча принцип дії схем теплового захисту кристалів ІМС однаковий, але їх схемотехнічна реалізація може істотно відрізнятися. Як відомо, напруга 1 /БЕ транзистора зменшується на величину від 1,5 до 2,2 мВ при підвищенні температури на 1 ° С.

Якщо до резистивний дільник (Rl, R2 на рис. 3.16а подати опорна напруга і створити на базі транзистора Т1 напруга порядку 0,4 В, то в нормальних умовах транзистор Т1 буде вимкнений, оскільки напруга 1/‘е включеного біполярного кремнієвого транзистора складає близько 0,67 В при Т = 25 ° С. Припустимо для спрощення, що для даного транзистора напруга Uh3 падає на 2 мВ при підвищенні температури на 1 ° С. Тоді при досягненні температури кристала близько 160 ° С транзистор Т1 включиться і «перехопить» струм бази транзистора Т2. При цьому вихідний струм стабілізатора зменшиться (або вимкнеться зовсім). Те ж саме станеться з р-п-р транзистором Т1 на рис. ЗЛ66 у разі такого ж підвищення температури кристала.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.