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LTspiceで素子の発熱を見る

三端子レギュレータの本当の最大出力電流では、素子の定格の中でも消費電力(≒発熱)のパラメータは重要でありながら忘れられがちであると書きました。
また、部品の発熱は電圧と電流の両方に依存するパラメータです。そのため、電流と電圧の関係が非線形な半導体素子の発熱を考える際には、動作領域のなかのどこが発熱の最大値となるか分かりにくいということになります。

あまり知られていない機能ですが、LTspiceは[Alt]+[クリック]で素子全体の消費電力をプロットすることができます。
今回は、この機能を用いて基本的なエミッタ接地回路のトランジスタの発熱に関してシミュレーションを行いました。

005_20081120020621.png006_20081120020627.png


○YoutubeのLTspiceデモンストレーション

YoutubeにLTspiceのデモンストレーションとしてC級アンプの動作を解説している動画があります。

LTSpice demonstrates Class C Amp Saturation




動画は画像が荒く、英語の説明も日本人には少しつらいのでほとんど同じシミュレーションを行いました。
何故か同じパラメータでシミュレーションしたはずなのに動画と異なる結果になるので、動画の話の流れにあわせてパラメータをいじってみました。

○C級アンプのシミュレーション


001_20081120020555.png
fig.1

002_20081120020603.png
fig.2


fig.2の青のラインがトランジスタのベースへ入力される信号です。緑が負荷(抵抗)へ供給されるエネルギーで、赤がトランジスタで消費されるエネルギーです。この時点では、緑のラインと赤のラインは似たような形をしています。


003_20081120020608.png
fig.3

004_20081120020613.png
fig.4


次に、青のラインであらわされたベースへの入力信号を大きくしたものです。緑のラインが以前より大きく膨らんでいるのに対して、赤のラインがへこんでいるのが分かります。

赤のラインがへこんでしまった理由は、分かる人には簡単に分かるのでしょうが、もう少し分かりやすい例を示します。
基本的なエミッタ接地回路のベース電流を直流スイープしました。

○エミッタ接地回路のシミュレーション


005_20081120020621.png
fig.5

006_20081120020627.png
fig.6


緑のラインは横軸がベース電流Ib、縦軸がコレクタ電流Icです。
Ib<0.5mAぐらいではほぼ直線的にコレクタ電流Icが増加しています。トランジスタの基本的な式であるIc=hFE*Ibの式を思い出せばよいでしょう。
Ib>0.5mAぐらいからコレクタ電流Icの増加がなまってきて、横ばいになります。これが『飽和(saturation)』です。
青のラインがトランジスタでの損失です。損失のピークは飽和よりも早く起こります。

○付録
このエントリで使ったスケマティックとプロットを添付します。それぞれ、ファイル名の最後の".txt"を削除し"_"を"."に変更すればLTspiceで使えるはずです。
ClassC_asc.txt
ClassC_plt.txt
E-com_asc.txt
E-com_plt.txt


tag: LTspice トランジスタ 熱設計 

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