Представьте себе причудливую конструкцию, почти театральную в своей нелепости: к подвесу тянется тонкая, почти невидимая нить, к которой прикреплено некое устройство. К нему — тяжёлый, мощный канат, а уж к нему — массивный груз. На первый взгляд, всё ясно: первым не выдержит хрупкое звено, нить порвётся, не справившись с напряжением. Но вот — удивление. Тонкая нить держится спокойно, без дрожи, как будто она и не чувствует всей этой тяжести. А вот толстый канат, кажущийся надёжным и прочным, с надрывом трещит и в конце концов не выдерживает — рвётся. Так может быть? Автор не отвечает за сравнение с механическим аналогом, но в радиоэлектронике, как оказалось, такая ситуация вполне возможна.

Эксперимент основан на предыдущих исследованиях лавинного режима биполярных транзисторов. В него добавлена индуктивность L1 (рис. 10a), которая повышает КПД устройства, что выражается в почти полном отсутствии нагрева транзистора VT1. Это важно для сравнения мощностей, выделяемых на резисторах R2 и R3 в виде тепла.

Схема позволяет создать условия, при которых резистор R2 (0,125 Вт) почти не нагревается, а температура на R3 (1 Вт) достигает 100 градусов Цельсия. Выходит, что электрическая мощность, проходящая через сопротивление R2, не соответствует тепловой мощности, рассеиваемой на нём. Почему это очень необычно, как достичь нужного режима работы и какие расчёты необходимы, будет показано далее в эксперименте.

Работа схемы на рисунке 10a довольно простая. Конденсатор C2 заряжается через резистор R2 и катушку L1, причём последняя может, в принципе, отсутствовать. При достижении определённого напряжения на C2, транзистор VT1 входит в лавинный режим, и, открываясь, разряжает эту ёмкость на резистор R3. Индуктивность лишь немного усиливает нужный нам эффект за счёт изменения формы импульса, увеличивая КПД работы транзистора. Также, в лавинном режиме происходит выброс дополнительных зарядов.

Важно отметить, что для составных транзисторов, используемых здесь, их база должна быть открыта. Это обусловлено тем, что все необходимые резисторы уже встроены в них на этапе производства.

Индуктивность L1 можно собрать следующим образом. На кольцо из нанокристаллина, размерами 32*20*10 мм, наматывается 15 витков провода. Эта обмотка включается в схему. Но более эффективным оказывается вариант, когда поверх доматывается два витка, выводы которых замыкаются между собой. У автора, индуктивность L1 в таком включении составила 30 мкГн. Можно подобрать и другие варианты этой катушки, возможно, что они окажутся даже более эффективными.

Для эксперимента были выбраны элементы, представленные на схеме 10a. В качестве транзистора VT1 хорошо себя зарекомендовал TIP120, для него будут показаны следующие осциллограммы и баланс мощностей. Для этого необходимо установить этот транзистор в схему и начать постепеннно повышать напряжение (Up) на ней. Начинать можно сразу с 280 вольт, постепенно его повышая до появления устойчивых импульсов на осциллографе. Это и будет оптимальный режим работы схемы.

На осциллограммах мы видим классический заряд конденсатора C2 через резистор R2 (рис. 13) и его последующий разряд на резисторе R3 (рис. 11-12), за исключением первоначального лавинного выброса, длящегося порядка 10 нс. Индуктивность L1 при этом немного сглаживает вершину импульса разрядки.

В ходе эксперимента была тщательно измерена и пересчитана мощность, выделяемая в виде тепла на резисторе R3. Общая потребляемая мощность всей схемы от источника питания составила 1.7 Вт, из которых на резисторе R3 выделялась мощность в 0.8 Вт. Для подтверждения последнего значения была проведена дополнительная проверка термическим методом: к резистору R3 подключался температурный датчик, и по степени его нагрева проводилось сравнение с нагревом при подключении к источнику постоянного напряжения. Таким образом, значение мощности в 0.8 Вт можно считать достоверным, как, впрочем, и общую мощность схемы в 1.7 Вт.

При этом, резистор R2 почти не нагревался, хотя по расчётам и по логике, которая будет предсталена ниже, на нём должна рассеиваться мощность в 0.85 Вт и он должен быть сразу же сгореть, так как он был рассчитан всего на 0.125 Вт.

Для проведения сравнительного баланса мощностей, рассеиваемых на резисторах R2 и R3, представим схему 10a в виде её аналога, но без учёта лавинного режима (рис. 10b). Здесь и далее мы предполагаем, что: \[ R_2 \gg R_3 \tag{1}\] Тогда, при разомкнутом ключе SW1, происходит заряд конденсатора C2 через резистор R2. Из классической радиотехники нам известно, что какой-бы ни был номинал этого резистора, на нём всегда будет рассеиваться ровно половина энергии из той, что потратит источник питания на зарядку конденстора. А поскольку мы всё рассчитываем для одного периода \(T\), то всё это пересчитывается и для мощностей: \[ P_{R2} = {C_2 U_C^2 \over 2\, T} = {P_U \over 2} \tag{2}\] После открытия ключа SW1 накопленная энергия рассеивается на резисторе R3. А мы уже знаем, что это половина энергии, затрачиваемая источником питания.

Таким образом, баланс мощностей в идеализированной схеме выглядит так: из всей мощности, потребляемой от источника питания, половина уходит на нагрев R2, а вторая половина — на нагрев R3. Что выглядит также вполне логично.

В реальной схеме, греется также транзистор VT1, что уменьшает нагрев резистора R3 и снижает её общий КПД. Это мы и наблюдаем в эксперименте, где на резисторе R3 рассеивается чуть меньше от половины общей мощности, и примерно 0.05 Вт уходит на нагрев VT1. Этот параметр также соответствовал наблюдаемым эффектам — транзистор работал без радиатора и был еле заметно теплым.

Применённая идеализированная модель схемы эксперимента почти полностью соответствует реальной схеме, за исключением тепловой мощности, рассеиваемой на резисторе R2. В идеализированной схеме такой резистор должен был бы перегреться и сгореть, однако в реальной схеме с лавинным режимом работы ключа, мы этого не наблюдаем: резистор продолжает свою работу и лишь немного нагревается.

Таким образом, электрическая мощность, проходящая через сопротивление, не соответствует тепловой мощности, рассеиваемой на нём. Автор предполагает, что такой эффект становится возможным из-за лавинного режима включения транзистора, при котором происходит хоть и очень короткий, но всё же чувствительный выброс электрических зарядов.