電路中元器件過熱的原因及對策研究

蘇詠梅 王振宇

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系 河南鄭州 450121）

電路中元器件過熱的原因及對策研究

蘇詠梅 王振宇

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系 河南鄭州 450121）

電路中某些元器件容易發(fā)熱，熱得快，熱得很，過熱以至屢屢燒壞，這是電路中經(jīng)常遇到的頭痛事。本文對電路中元器件發(fā)熱以及過熱的原因進(jìn)行具體的探討，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些具體的對策研究。

電路；元器件；過熱；對策

制作電子電路時，熱量是影響所有類型元器件的一個重要因素。為了避免過熱引起的元器件損壞，必須對熱量設(shè)計(jì)多加注意，電路中某些元器件容易發(fā)熱，熱得快，熱得很，過度發(fā)熱（下面簡稱過熱）；過熱必然導(dǎo)致器件的損壞，如燒焦、熔化、塑料封裝物的碳化等，為了避免這種損壞，器件必須在SOA（Safe operation area）內(nèi)工作，并在設(shè)計(jì)上保證有足夠的防止過熱的保護(hù)措施。即使元器件發(fā)熱尚未燒壞，也令人不安，這是電路中經(jīng)常遇到的頭痛事。本文以彩電、彩顯電路為例，在元器件過熱方面做一些研究探討。

1.元器件發(fā)熱的原因

電流通過電阻要做功，電阻要發(fā)熱。發(fā)熱程度取決于電阻消耗功率的大小，各種發(fā)熱現(xiàn)象都可以變通地看成電流作用于電阻的結(jié)果。理想的電容器、電感線圈、變壓器是沒有電阻損耗的，所以不應(yīng)發(fā)熱。

實(shí)際上的電容器卻發(fā)熱，是因?yàn)榇嬖诼╇姄p耗、介質(zhì)損耗、電極觸點(diǎn)損耗等等。用在高壓電路時，需要重點(diǎn)考慮其漏電阻，耐壓指標(biāo)基本可以反映漏電阻的大?。桓哒{(diào)頻電路中還要考慮其介質(zhì)損耗；高頻大電流電路中的大容量電容，還要考慮其觸點(diǎn)損耗。電容兩端電壓越高，渡過的電流幅度越大，電流頻率越高，則損耗越大，發(fā)熱越快。彩電中的180V濾波、+B濾波、行供電濾波電容損壞率是很高的，一個重要原因就是瞬間大電流造成了不可忽視的觸點(diǎn)發(fā)熱，使電容漏液并進(jìn)一步腐蝕觸點(diǎn)。電路中串聯(lián)著限流電阻或電感的濾波電容，其損壞率就低得多。

電感線圈和變壓器發(fā)熱，是磁損耗和電損耗的共同結(jié)果，這些損耗可以等效為線圈內(nèi)部串聯(lián)電阻的電功損耗。變壓器磁心材料差、體積小、磁隙不合理、線圈存在短路、初級電壓過高、次級負(fù)載過大、線圈線徑太細(xì)卻硬是通過大電流，都是常見的發(fā)熱原因。

穩(wěn)壓電路的調(diào)壓三極管、三端穩(wěn)壓塊、枕校三極管等等，可以看作可調(diào)的功率電阻，發(fā)熱是必然的。它們過分發(fā)熱的原因就在于電流或電壓太高，或三端穩(wěn)壓塊內(nèi)部損壞。場輸出塊、伴音功放塊內(nèi)部晶體管的功耗，與其輸出功率有固定的比例關(guān)系，有合理的發(fā)熱量。如果有內(nèi)部損壞、自激、負(fù)載過重等異常情況，將造成過熱，以致燒壞。

大功率整流二極管大多工作于高頻狀態(tài)，在開、關(guān)瞬間有個延遲過程。在此過程中，二極管上同時承受較大幅度的電流和電壓，瞬間電流越大，二極管內(nèi)阻的功耗越大。電路中二極管上并聯(lián)的幾百上千皮法的小電容，就是用作降低瞬間電流幅度、緩解發(fā)熱的。這只小電容失效，二極管就容易損壞。如果在高頻電路中誤用了低頻管，其開關(guān)速度低，瞬間內(nèi)阻就更大，更容易發(fā)熱燒毀。

彩電中的電源開關(guān)管、行輸出管的發(fā)熱情況比較突出，歷來是焦點(diǎn)問題。它們都工作于開關(guān)狀態(tài)，為什么還發(fā)熱甚至過熱呢？原因大致可分為內(nèi)因和外因兩個方面。內(nèi)因，是指晶體管本身存在飽和管壓降、PN結(jié)電壓、截止?fàn)顟B(tài)的漏電阻，在開和關(guān)的過程中，晶體管承受著一定的壓降和電流，有比較大的功率損耗，是發(fā)熱的主要原因。外因，是指外電路條件不理想，比如基極激勵電流不合理，使得管子的開關(guān)狀態(tài)變得更差；又比如集電極負(fù)載過重，電流過大等，是加劇發(fā)熱、過熱的重要因素。

晶體管發(fā)熱的內(nèi)因和外因是有密切聯(lián)系的。關(guān)于發(fā)熱的內(nèi)因，我們的主動性只是挑選參數(shù)合適和質(zhì)量真正合格的管子，以爭取管子僅僅發(fā)熱而不過熱燒壞。在晶體管的參數(shù)中，開關(guān)性能方面的參數(shù)顯得尤其重要。開關(guān)速度是影響管子溫升的最重要因素，而影響開關(guān)速度的，有管子性能參數(shù)和質(zhì)量等內(nèi)在因素，還有基極激勵電流是否合適等外部因素。實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，開關(guān)性能好的晶體管PN結(jié)正向電阻普遍比較小，高頻二極管的結(jié)電阻也明顯低于低頻管。

激勵不足、過激勵、激勵信號雜亂等是影響開關(guān)速度的外部原因。激勵電流太小，管子不能及時達(dá)到飽和狀態(tài)，或飽和深度不夠，造成放大階段延長；而激勵電流太大，又會造成關(guān)斷困難。一般自激式開關(guān)電源中開關(guān)管的基極激勵電流由振蕩正反饋電路決定；行輸出管基極激勵電流由行推動變壓器提供。說到激勵電流，還需要說說管子的放大倍數(shù)。因?yàn)榧铍娏魇谴笫切?，還是相對β（管子的電流放大系數(shù)）值而言。若更換了β值小的管子，則原電路設(shè)計(jì)的激勵電流，相對新管就顯得不足，不僅可能出現(xiàn)開關(guān)電源起振不良的故障，還可能出現(xiàn)管子發(fā)熱的嚴(yán)重情況。

2.過熱至燒壞的現(xiàn)象

開關(guān)管、行管發(fā)熱是絕對的，而過熱至燒壞是相對而言的。因此，發(fā)熱到什么程度才算過熱至燒壞，只能通過多方面比較來判斷。

2.1 看結(jié)溫。商用半導(dǎo)體器件的結(jié)溫極限約為150℃。工作期間結(jié)溫越低，器件的可靠性就越高。溫度高時可以通過使用散熱片和散熱扇并在外殼上提供通風(fēng)孔來保持器件較低的結(jié)溫；同樣的方法也適用于電容、變壓器、線圈、電阻、繼電器和其它元器件。

我們知道，功率晶體管所能夠承受的最高結(jié)溫多為150℃。在異常驟然發(fā)熱的情況下，結(jié)溫來不及散發(fā)以至突破這個界限，管子就要燒毀。正常工作時，管子均勻、緩慢的發(fā)熱是可以散發(fā)出去的，管子發(fā)熱和散熱會達(dá)到平衡，從而保持比較穩(wěn)定的溫度。發(fā)熱越慢，管子和散熱片之間的溫差越小。因此獲得這樣的提示：剛開機(jī)的幾分鐘之內(nèi)，通過觸摸管、塊本身跟散熱片的溫差，可以感覺其發(fā)熱程度，當(dāng)然這還需要經(jīng)驗(yàn)來說話。

還有一個簡單方法。噴點(diǎn)唾沫星兒，嗤的一聲起泡泡，一會兒就烤干，說明管子外部已經(jīng)在100℃左右，很危險了；手指摸在上面只能停留幾秒，這樣的溫度總讓人不放心；手指能夠停留一分鐘，這樣的燙手溫度算不得過熱，手指能夠堅(jiān)持五分鐘，長時間試機(jī)溫度不再大幅度上升，這樣的發(fā)熱已不足為慮了。

2.2 標(biāo)尺溫度。場輸出集成塊正常工作時也比較熱，卻是合理的、安全的。因此可以把場塊的溫度作為標(biāo)尺：溫度低于或等于場塊的，可以視為安全發(fā)熱；溫度明顯高于場塊的則需要警惕，它可能過熱至燒壞。

2.3 縱橫比較。將機(jī)內(nèi)功率管、塊的溫度進(jìn)行對比；與其它機(jī)型的同類元器件的溫度作比較；檢查與發(fā)熱元器件有因果關(guān)系的其它元器件的溫度等等，進(jìn)行綜合性的縱橫比較。

2.4 看元器件過熱時相應(yīng)的癥狀。設(shè)備工作時的環(huán)境溫度對元器件的熱應(yīng)力有直接影響。環(huán)境溫度較高時，情況會惡化，因此設(shè)計(jì)時必須考慮到元器件最終使用時的環(huán)境，實(shí)踐證明溫度會加速大多數(shù)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生故障，大多數(shù)故障產(chǎn)生機(jī)制都與溫度有關(guān)。

比如場塊過熱，可能伴隨光柵局部亮線、上下部壓縮、折疊等現(xiàn)象；伴音功放塊過熱，可能伴隨無聲、音輕、失真、吱吱聲、嗡嗡聲；行管過熱，通常會光柵亮度太高，水平方向出現(xiàn)折疊、壓縮、行扭曲；電源開關(guān)管過熱，則電源輸出過高、有吱吱聲等。如果發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的癥狀，元器件發(fā)熱大概就屬于過熱至燒壞了；當(dāng)你消除了相應(yīng)癥狀，很可能就把過熱癥治好了。

3.元器件過熱的對策研究

解決開關(guān)管、行管發(fā)熱，要從內(nèi)因和外因兩個方面著手：換了質(zhì)量、規(guī)格可靠的管子，甚至廠家的原裝件，還是過熱，就要集中精力檢查外部原因；反過來，外電路查不出根由，又要回頭審查所換元器件。對付過熱現(xiàn)象，通常采用以下對策：

3.1 積極尋找可疑點(diǎn)。

以檢查行管發(fā)熱為例，首先看推動變壓器、偏轉(zhuǎn)線圈有無虛焊，再測量行工作電壓（通常稱為+B）是否偏高。這里有個小竅門：如果不清楚+B該是多高，可以拿場輸出供電作基準(zhǔn)，常見的場輸出集成塊的供電多為25V，如果測得25V偏高，那么+B大約也是偏高的。再次，摸逆程電容、高壓包是否過熱。若以上檢查沒有發(fā)現(xiàn)問題，可利用示波器測量行管集電極和基極波形，看有無畸變，如果行管基極波形不正常，應(yīng)查行推動和行振蕩，重點(diǎn)在行推動；如果基極波形看不出問題而集電極波形反常，則故障點(diǎn)當(dāng)在負(fù)載電路，主要是高壓包和偏轉(zhuǎn)線圈。

3.2 解決相關(guān)癥狀。元器件過熱時光柵、圖像、伴音會伴隨有某些癥狀，那么以這些癥狀為切入點(diǎn)，是解決過熱癥的捷徑。仍以行管過熱為例，如果發(fā)現(xiàn)熒屏亮度太高，應(yīng)該考慮加速極電壓、副亮度控制、視放電源等方面問題；若看到光柵成了梯形、色純嚴(yán)重變壞，就該查查偏轉(zhuǎn)電路了；光柵暗淡且幅度變大，該考慮更換高壓包試試；光柵幅度小、亮度高，要查逆程電容；光柵隨畫面明暗變化而扭曲，通常是行電源濾波電容失效；光柵暗淡、中間有垂直黑帶，推動電路就有重大嫌疑。

3.3 測量法。這種方法比較簡單直接，針對故障的現(xiàn)象，一般能判斷出故障所在，借助一些測量工具，能進(jìn)一步確定故障的原因，幫助分析和解決故障。

常見的測量檢查方法有電壓檢查法、電阻檢查法和電流檢查法。電壓檢查法是通過測量元器件工作電壓并與正常值進(jìn)行比較來判斷故障；電阻檢查法是測量元器件對地或自身電阻值來判斷故障的一種方法，它對檢修開路、短路故障和確定故障元件有實(shí)效；電流檢查法是將電流表串入電路中測量工作電流。

對于測量法，值得注意的有以下幾點(diǎn)：

（1）注意檢測中的公共“接地”。為使檢修正常進(jìn)行，檢測儀器與檢修設(shè)備須有共同的“接地”。

（2）注意高壓“串點(diǎn)串線”現(xiàn)象。出現(xiàn)故障的設(shè)備往往存在絕緣擊穿現(xiàn)象，造成高壓串點(diǎn)、串線，對此應(yīng)須當(dāng)心。

（3）遵守“測前先斷電，斷后再連線”的檢修程序。尤其測量高壓，更應(yīng)先切斷電源，測試線與高壓點(diǎn)連好線后，再接通電源，以確保人身安全。

（4）防止大容量電容儲存的電荷電擊人身。連接測試線之前，務(wù)必先使濾波大容量電容釋放掉儲存的電荷。

（5）測試線要具有良好的絕緣。

（6）測試前對檢測儀器和被檢測電路原理要有充分了解。

（7）要養(yǎng)成單手測量的習(xí)慣，防止雙手同時觸電構(gòu)成通路，危及人身安全。

3.4 看波形有無改善。采用試探性手法，借助示波器觀察管的輸入、輸出波形有沒有明顯改觀，看異常的扭曲、毛刺是否消失。

此外，還有一些最基本的解決方法，不過這些措施都屬于治標(biāo)不治本。

減輕過熱元器件的工作負(fù)擔(dān)。比如針對彩電行管過熱，可考慮降低其供電電壓、同時適當(dāng)增加逆程電容以補(bǔ)償幅度不足，或降低屏幕亮度，包括對比度。

改善散熱條件。給過熱器件換個寬敞的安裝位置，涂上導(dǎo)熱硅脂，擴(kuò)大散熱片面積，擴(kuò)大機(jī)殼的散熱孔，甚至在機(jī)殼上安裝一個小風(fēng)扇。

加強(qiáng)防護(hù)措施。對過熱元器件，要能預(yù)見元器件過熱至燒壞的后果。比如串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管，過熱擊穿后，可能燒壞一串元器件，甚至擊壞顯像管。

總之，元器件的選擇應(yīng)能滿足應(yīng)用要求和工作溫度條件；采用篩選測試結(jié)果在耐熱方面具有良好特性的元器件；對元器件參數(shù)進(jìn)行足夠的減載運(yùn)行；使得元器件不會在技術(shù)參數(shù)的極限值附近被損壞；確保用戶即使在最差的環(huán)境條件下，器件的結(jié)溫也不會超出極限值；必要時提供足夠的散熱裝置以保持器件溫度較低，并應(yīng)在散熱裝置和發(fā)熱器件周圍保持通風(fēng)；在必須連續(xù)工作的大功率設(shè)備中采用強(qiáng)制風(fēng)冷；將半導(dǎo)體器件的結(jié)溫限制在125℃左右等等。

[1]沈任元.常用電子元器件簡明手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

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Reason，Countermeasures and research about components of the circuit overheating

Some components of the circuit easier to heat, heater, hot enough, heat and even burn out repeatedly, which is often encountered headache thing in the circuit. In this article, components of the circuit causes fever and an overheating of the concrete, and on this basis a number of specific countermeasures and research.

Electric circuit; Components; Overheated; Countermeasure.

蘇詠梅（1971-），女，河南鄭州人，碩士，鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系講師，研究方向：電氣控制系統(tǒng)。王振宇（1972-），男，河南鄭州人，鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系講師，主要從事電子電器方面的教學(xué)和科研工作。

2010-12-09