Усилитель работает месяц, два, полгода. Потом без видимой причины выгорает выходной транзистор. Иногда с ним вместе уходят резисторы эмиттерной цепи и пара соседних элементов. Осциллограф и мультиметр при осмотре ничего подозрительного не найдут: изолирующая втулка на месте, прокладка цела, болт затянут. Но если снять транзистор и посмотреть на резьбовое отверстие под лупой, картина станет понятна: несколько мельчайших алюминиевых завитков, оставшихся после нарезки резьбы, лежат именно там, где им лежать категорически не следовало. Этот сценарий встречается в ремонтной практике настолько регулярно, что заслуживает отдельного технического разбора.
Что такое изолирующая втулка и какую задачу она решает
В подавляющем большинстве схем УМЗЧ фланец выходного транзистора электрически связан с коллектором (для NPN) или со стоком (для N-канального MOSFET в корпусе TO-247). Коллектор находится под напряжением питания, которое в типичном мощном усилителе составляет 50-80 В относительно общей шины. Радиатор при этом заземлён по высокочастотным соображениям, а нередко и соединён с общей шиной конструктивно. Прямой контакт фланца с радиатором означал бы короткое замыкание питания на землю.
Изолирующая втулка решает эту проблему: она проходит сквозь отверстие во фланце транзистора и отделяет металлический болт от фланца, пока керамическая или полиимидная прокладка отделяет фланец от поверхности радиатора. Вся система в идеальном виде создаёт надёжный диэлектрический барьер между высоким потенциалом коллектора и заземлённым радиатором.
Стандартные втулки для корпусов TO-220 и TO-247 изготавливают из полиамида-66 (PA66, нейлон) или поликарбоната. Объёмная электрическая прочность полиамида-6 составляет около 20 кВ/мм, поликарбоната около 15-17 кВ/мм. При толщине стенки втулки 0,5-0,8 мм пробивное напряжение через тело втулки теоретически составляет:
Uпр = Eпр · d = 20 кВ/мм · 0,6 мм = 12 кВ
Запас по напряжению относительно рабочего напряжения 70-80 В более чем стократный. Именно поэтому втулка в неповреждённом виде никогда не является слабым местом. Слабым местом становится то, что происходит снаружи неё.
Физика поверхностного пробоя и почему он опаснее объёмного
Пробой диэлектрика бывает двух принципиально разных видов: объёмный и поверхностный. При объёмном пробое канал проводимости формируется сквозь тело материала. Для этого нужно преодолеть упомянутые 12-20 кВ/мм. При поверхностном пробое разряд развивается не через материал, а вдоль его поверхности в прилегающем слое воздуха. Напряжение поверхностного пробоя принципиально ниже объёмного и определяется совершенно другими факторами.
Электрическая прочность воздуха в однородном поле составляет около 3,2 МВ/м, то есть 3,2 кВ/мм. Это в 6 раз ниже, чем у полиамида. Но важнее другое: наличие проводящих частиц или загрязнений на поверхности диэлектрика снижает напряжение поверхностного пробоя в несколько раз дополнительно. Каждая металлическая частица на поверхности действует как выступающий электрод с острыми краями. Острие концентрирует электрическое поле, и напряжённость у края частицы кратно превышает среднюю напряжённость в зазоре.
Концентрация поля у острия описывается через коэффициент неоднородности поля β:
E_острие = β · E_средняя = β · U / l
где U является приложенным напряжением, l является длиной разрядного промежутка вдоль поверхности. Для остроконечного включения коэффициент β достигает 5-10 и более в зависимости от геометрии частицы. Это означает, что металлическая стружка длиной 0,5 мм, лежащая на поверхности втулки, создаёт у своих краёв напряжённость поля в 5-10 раз выше средней. Вместо 3,2 кВ/мм расчётное значение у острия составляет 16-32 кВ/мм. Ионизация воздуха начинается, и разряд запускается.
Как именно стружка оказывается на резьбе и почему её трудно увидеть
При сверлении и нарезке резьбы в алюминиевом радиаторе неизбежно образуется стружка. Алюминий мягкий металл, он не хрупкий, и его стружка не рассыпается в пыль, а сворачивается в завитки. Часть крупной стружки легко удаляется. Но в витках резьбы M3 с шагом 0,5 мм остаются фрагменты длиной 0,1-0,5 мм, прижатые к стенкам нитки резьбы. Они не выпадают при продувке, не смываются растворителем без механической очистки.
При монтаже транзистора болт проходит сквозь втулку и вкручивается в резьбовое отверстие. Стружка, сидящая в первых нитках резьбы у поверхности радиатора, оказывается зажата между головкой болта и верхним торцом втулки, либо продавливается вдоль боковой поверхности втулки в зазор между втулкой и стенкой отверстия во фланце транзистора. Этот зазор минимален, но он есть: отверстие во фланце TO-247 имеет диаметр 3,5-3,7 мм под болт M3 с диаметром 3,0 мм. Даже при наличии втулки зазор составляет 0,1-0,2 мм с каждой стороны.
Частица стружки размером 0,2-0,4 мм легко входит в этот зазор вместе с болтом при затяжке. Она оказывается в электрически критичном месте: одним концом касается металлического фланца транзистора (потенциал коллектора, скажем, 70 В), другим концом упирается в боковую поверхность отверстия в радиаторе (нулевой потенциал). Между ними втулка толщиной 0,5 мм. Но теперь вдоль поверхности втулки по кратчайшему пути лежит проводящий мостик из нескольких частиц стружки длиной суммарно 0,3-0,6 мм.
Расчёт напряжённости поля и условие пробоя
Оценим ситуацию численно. Напряжение между фланцем и радиатором в режиме покоя УМЗЧ с питанием ±70 В составляет 70 В. Длина поверхностного разрядного пути вдоль втулки от фланца до радиатора при штатной установке приблизительно равна толщине изолирующей прокладки плюс высота втулки. При наличии частицы стружки этот путь сокращается до расстояния между концами частицы, то есть до нескольких сотых миллиметра воздушного зазора между ближайшими краями двух частиц или одной частицы и металлической поверхностью.
Пусть воздушный зазор между концом частицы и металлом составляет 0,1 мм. Напряжённость поля в этом зазоре:
E = U / d = 70 В / 0,0001 м = 700 000 В/м = 700 кВ/м = 0,7 кВ/мм
Это ниже электрической прочности воздуха в однородном поле (3,2 кВ/мм), и пробоя не происходит немедленно. Но картина меняется, если учесть три важных фактора.
Первый фактор: острый конец стружки повышает локальную напряжённость в 5-10 раз. Расчётная E у острия становится 3,5-7 кВ/мм, что уже превышает порог ионизации воздуха.
Второй фактор: при нагреве радиатора (а рабочая температура основания радиатора достигает 50-70 °C) происходит термическое расширение алюминия. Линейный коэффициент теплового расширения алюминия составляет 23·10⁻⁶ 1/К. При нагреве от 20 до 70 °C деталь размером 100 мм удлиняется на:
ΔL = α · L · ΔT = 23·10⁻⁶ · 100 · 50 = 0,115 мм
Расширение и сжатие при термоциклировании постепенно перемещают частицу стружки, сокращая воздушные зазоры до нуля и создавая прямой механический контакт между проводящими элементами.
Третий фактор: наличие тока через усилитель создаёт переменную составляющую на коллекторе. В режиме полной мощности амплитуда коллекторного напряжения приближается к питающему. При ±70 В питания пиковый перепад напряжения между фланцем и радиатором в момент максимальной амплитуды сигнала составляет до 140 В. Это вдвое выше номинала покоя, и соответственно вдвое выше напряжённость поля в критическом зазоре.
Механизм от первой искры до теплового пробоя канала
Поверхностный пробой не всегда разрушает изоляцию немедленно. Первые события развиваются так. При превышении порога ионизации у острия стружки возникает корона, местный разряд в воздухе без полного замыкания цепи. Ток кроны измеряется микроамперами и не вызывает срабатывания защиты усилителя. Но корона производит озон и оксиды азота, которые совместно с атмосферной влагой образуют азотную кислоту. Она атакует поверхность полиамида, разрушая полимерные цепи и снижая поверхностное сопротивление материала. Этот процесс называется трекингом и описан в стандартах как одна из основных причин деградации органической изоляции в электрических аппаратах.
По мере деградации поверхности сопротивление вдоль пути разряда падает. Ток кроны растёт. Воздушный зазор, который ранее не пробивался, теперь пробивается при более низком напряжении, потому что поверхность диэлектрика вдоль пути частично потеряла изолирующие свойства. Разряд перерастает из короны в поверхностную искру. Искра происходит в момент пиковой амплитуды сигнала, длится несколько наносекунд и гасится. Затем повторяется. Каждый раз она оставляет на поверхности втулки тончайший проводящий трек из продуктов разложения полимера.
Когда совокупность треков образует непрерывный проводящий канал от фланца до радиатора, происходит полный поверхностный пробой с формированием дуги. Ток через дугу ограничен лишь сопротивлением питающей цепи и внутренним сопротивлением транзистора. В мощном УМЗЧ это десятки и сотни ампер. Рассеиваемая в кристалле энергия за время, пока не сработает защита (если она вообще есть), составляет:
W = U · I · t = 70 В · 50 А · 0,01 с = 35 Дж
Тепловая ёмкость кристалла выходного биполярного транзистора составляет единицы миллиджоулей на градус Цельсия. Тридцать пять джоулей нагревают кристалл на несколько тысяч градусов за доли секунды. Транзистор разрушается мгновенно.
Почему именно MOSFET сгорает по-другому и опаснее
В биполярном транзисторе разрушение кристалла при тепловом перегреве происходит относительно предсказуемо: коллекторный переход пробивается, транзистор уходит в насыщение, ток резко возрастает. При наличии предохранителя в цепи питания он успевает сработать.
MOSFET при поверхностном пробое ведёт себя иначе. Пробитое напряжение на стоке мгновенно разворачивается на затворе через паразитные ёмкости Cdg (ёмкость затвор-сток). Транзистор открывается по управляющей цепи, что ещё более увеличивает ток. Возникает положительная обратная связь: открытый транзистор снижает напряжение стока, что через Cdg снижает запирающий потенциал затвора, что открывает транзистор ещё больше. Этот процесс развивается за единицы наносекунд. Защита, срабатывающая за миллисекунды, не успевает. Кристалл MOSFET разрушается с характерной особенностью: вместе с ним нередко выгорает резистор в цепи затвора, а иногда и входной каскад усилителя.
Практика монтажа, которая исключает проблему
Алюминиевую стружку из резьбового отверстия нельзя убрать продувкой воздухом и нельзя удалить ватным тампоном с растворителем. Тампон заталкивает стружку глубже в витки резьбы. Единственный надёжный способ состоит в том, чтобы пройти отверстие метчиком заново на полную глубину, после чего тщательно продуть сжатым воздухом и промыть изопропанолом с кистью жёсткой щетиной.
Перед монтажом транзистора резьбовое отверстие осматривают с фонарём под углом. Свежие алюминиевые завитки хорошо заметны именно при косом освещении: они дают характерный металлический блеск на фоне матовой поверхности анодированного или необработанного алюминия.
После монтажа, до подачи питания, проводят проверку мегаомметром. Мегаомметр на напряжении 500 В проверяет сопротивление между болтом крепления транзистора и телом радиатора. Норма составляет не менее 100 МОм. Если прибор показывает единицы мегаом или ещё ниже, транзистор снимают и ищут причину. Проверка занимает тридцать секунд и гарантированно выявляет дефект монтажа до того, как он успеет стать аварией.
Дополнительную страховку даёт применение текстолитовой или фторопластовой шайбы между головкой болта и верхним торцом изолирующей втулки. Такая шайба закрывает вход в зазор между втулкой и стенкой отверстия фланца и не позволяет стружке мигрировать в критическую зону при затяжке болта. Это решение стоит несколько рублей и добавляет к монтажу одну деталь, зато полностью закрывает описанный сценарий отказа.
Что осмотр выгоревшего транзистора говорит о причине отказа
Опытный ремонтник по характеру разрушения кристалла часто определяет, что именно произошло. Тепловой перегрев от недостаточного теплоотвода оставляет след в центре кристалла, там, где плотность тока и температура максимальны. Вторичный пробой при перегрузке по току даёт характерные тёмные точки по краям кристалла. А вот поверхностный пробой через загрязнённую втулку оставляет свидетельства совсем другого рода: на самой втулке виден след трека в виде тёмной полоски или цепочки оплавленных точек вдоль поверхности, а на фланце транзистора и соответствующем участке радиатора заметны следы электрической дуги.
Эти следы и есть ответ на вопрос, почему транзистор сгорел без видимых причин через полгода нормальной работы. Стружка сделала своё дело медленно, шаг за шагом, трек за треком. И остановить этот процесс можно было одним правильным движением метчика ещё на этапе сборки.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube