Портал радиоэлектроники

Увеличение надёжности усилителя мощности
  • Автор:
  • Категория: Усилители на VT
  • Создано: 10 сентября 2015

Увеличение надёжности усилителя мощности

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
ВСЕ РАСЧЕТЫ УПРОЩЕНЫ И ОТ ПРАВИЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ОТЛИЧАЮТСЯ В СТОРОНУ ЗАПАСА НЕ БОЛЕЕ ЧЕМ НА 15%
ОЧЕРЕДНАЯ ИСТЕРИКА НА ТЕМУ У МЕНЯ СГОРЕЛ УСИЛИТЕЛЬ! ПОСЛУЖИЛА ПОВОДОМ
ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭТОЙ СТРАНИЦЫ
     О ТРАНЗИСТОРАХ

     Выбор драйверного каскада для усилителя мощности.
     Драйверным каскадом называют каскад который непосредственно работает на управление оконечного каскада, как правило это первый каскад после усилителя напряжения, обычно эмиттерный повторитель, но при использовании каскодных выходных каскадов может быть включен и по схеме с общим эмиттером.
     Основная задача драйверного каскада заключается в разгрузке усилителя напряжения и позволяет развить необходимые токи управления базами мощных выходных транзисторов. Рассмотрим что именно происходит в единичный момент времени в усилителе, для наглядности возмем довольно популярный усилитель мощности ЛАНЗАР.
     Для того, чтобы понять все процессы происходящие в усилителе переделаем его под усилитель постоянного напряжения и это позволит контролировать ВСЕ что происходит в усилителе на протяжении одной полуволны синусоидального сигнала. В результате переделок получилась схема, показанная на рисунке 1.


Рисунок 1 Принципиальная схема усилителя постоянного напряжения на базе усилителя ЛАНЗАР.

     В качестве нагрузки используется постоянное сопротивление величиной 6 Ом. По мере экспериментов оно будет меняться в ту или иную сторону. Питание усилителя возьмем ±60 В.
     Итак, для начала установим необходимый ток покоя и проверим в каких точках каие напряжения.


Рисунок 2 Карта напряжений


Рисунок 3 Карта протекающих токов


Рисунок 4 Карта рассеиваемых мощностей

      Как видно из рисунка на транзисторах последнего каскада усилителя напряжения Q5 и Q6 выделяется порядка 1 Вт, следовательно этим транзисторам уже необходим теплоотвод. На предпоследнем каскаде (драйверах Q8 и Q9) даже в режиме молчания выделяется порядка 2 Вт, тут уже однозначно требуется радиатор. Ну а для оконечного каскада радиатор уже просто обязателен, хотя в режиме молчания или без нагрузки размеры корпуса транзистора позволяют рассеивать выделяемое тепло. Тут же следует отметить, что в качестве оконечного каскада используется две пары транзисторов, включенных параллельно для увеличения выходной мощности усилителя, поскольку одна пара не в состоянии справится, но об этом несколько позже.
     Поскольку переменное напряжение представляет из себя меняющее полярность постоянное, то рассмотрим происходящие процессы на примере одной положительной полуволны с контрольными точками 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 В (величина входного сигнала, рисунок 5).


Рисунок 5 В качестве примера возьмем положительную полуволну входного сигнала с амплитудой 2,5 В

     По мере роста входного сигнала к нагрузке прилагается все большее напряжение, следовательно увеличивается протекающий ток и через нагрузку и через оконечные транзисторы. Поскольку мы используем биполярные транзисторы, то ток коллектора на прямую зависит от тока базы, следовательно чем больший ток требуется пропустить через оконечный транзистор, тем больший ток требуется приложить к его базе. Этим собственно и занимется драйверный каскад усилителя. Как видно из рисунка 6 по мере роста амплитуды входного сигнала протекающий ток через оконечные транзисторы увеличивается, увеличивается и ток, протекающий через транзисторы предпоследенего каскада, а вот мгновенно рассеиваемая мощность сначала увеличивается, а потом уменьшается.
     Тут, пожалуй, следует пояснить почему мощность увеличивается, а затем уменьшается, хотя казалось бы она должна не уклонно расти. Дело в том, что выделяемая на элементе мощность зависит от протекающего через элемент тока и падения напряжения на нем. Да, да это школьный курс физики, тот самый закон Ома.


Рисунок 6 Изменение токов и рассеиваемых мощностей в зависимости о велечены входного сигнала

     Для большей ясности рассмотрим простенькую схемку, состоящую из источника питания, сопротивления нагрузки и транзистора, через который собственно и подается напряжение на нагрузку. Однако в данном случае транзистор будет выполнять роль переменного резистора в качестве движка которого можно подразумевать ток, протекающий через его базу. Для большей наглядности заменим транзистор резистором R1, сопротивление которого мы и будем менять (рис 7).


Рисунок 7 Принципиальная схема поясняющая рассеиваемые мощности

     На рисунке 7 сопротивление регулируемого элемента (R1) равно 1000 кОм, ну что то типа утечки. В этом случае через нагрузку протекают микротоки и на регулирующем элементе рассеиваются микроватты. Но стоит уменьшить сопротвление регулирующего элемента до такой степени, чтобы приложить к нагрузке 0,5 В как картина начинает меняться - рисунок 8. Поскольку к нагрузке прилагается 0,5 В, а напряжение питания составляет 10 В, то на регулирующем элементе падение будет составлять 9,5 В, что собственно и показывает подключенный к выводам регулирующего элемента вольтметр. Ток через нагрузку и регулирующий элемент будет составлять 50 мА, т.е. 0,05 А. В этом случае, для вычисления выделяемой регулирующим элементом мощности, следует протекающий через него ток (0,05 А) умножить на приложенное к его выводам напряжение (9,5 В). В результате мы получаем, что выделяемая регулирующим элементом будет рассеиваться 0,475 Вт (475 мВт, как показывает симмулятор).


Рисунок 8

     Далее приложим к нагрузке 1 В. На регулирующем элементе остается 9 В, а протекающий ток составит 0,1 А (рис 9). Выделяемая мощность на регулирующем элементе составит 9 В х 0,1 А = 0,9 Вт (900мВт согласно симмулятору). Пока все верно: увеличивается протекающий ток - увеличивается рассеиваемая мощность.


Рисунок 9

     Далее приложим к нагрузке 2 В. Падение на регулирующем элементе 8 В, протекающий ток составляет 0,2 А, рассеиваемая мощность 8 В х 0,2 А = 1,6 Вт. (рис 10)


Рисунок 10

     Казалось бы, что дальнейшие вычисления не имеют смысла - с увеличением протекающего тока увеличивается и рассеиваемая регулирующим элементом мощность. Да, все верно, но лишь до тех пор, пока АКТИВНОЕ сопротивление регулирующиего элемента не станет равным сопротивлению нагрузки. В этом случае к нагрузке будет приложено 5 В, протекающий ток составит 0,5 А, на регулирующем элементе и на наргузке будет рассеиваться по 2,5 Вт (рис 11).


Рисунок 11

     Теперь активное сопротивление регулирующего элемента меньше сопротивления нагрузки, приложенное к его выводам напряжение равно 4 В, протекающий ток равен 0,6 А, следовательно рассеиваемая мощность равна 4 В х 0,6 А = 2,4 Вт, т.е рассеиваемая мощность начинает уменьшаться, не смотря на то, что протекающий через регулирующий элемент ток продолжает увеличиваться (рис 12).


Рисунок 12

     Для очистки совести откроем даташник на популярные в звукотехнике транзисторы 2SA1943 и 2SC5200 и посмотрим велечину напряжения коллектор-эмиттер в открытом состоянии. Для 2SC5200 эта величина сотавляет 0,4 В, для 2SA1943 - 1,5 В. Поскольку последняя величина больше, то ее и попробуем - уменьшим величину активного сопротивления регулирующего элемента до получения падения на нем 1,5 В (рис 13).


Рисунок 13

     Из всего выше сказанного следует, что рассеиваемая на регулирующем элементе связана не только с протекающим через неее током, падением напряжения, но и с сопротивлением нагрузки и максимальное тепловыделение происходит в тот момент, когда активное сопротивление регулирующего элемента равно сопротивлению нагрузки.
     Ну теперь вернемся к усилителю постоянного напряжения, к рисунку 6. Как видно макисмальный ток через транзисторы драйвера и оконечные транзисторы протекает как раз в момент когда входное напряжени составляет 2,5 В при нагрузке 3 Ома. Следовательно транзисторы драйвера должен быть расчитан на ток не менее 310 мА, а транзисторы оконечного каскада на ток не менее 8,8 А.
     Однако не стоит забывать, что реальный усилитель мощности работает на динамическую головку, которая к активному сопротивлению имеет отношение лишь до тех пор, пока дифузор не подвижен. Как только дифузор головки начинает двигаться динамическая головка перестает быть активной нагрузкой, поскольку начинают сказываться и индуктивность катушки и наводимый в этой катушке ток, когда дифузор по энерции продолжает движение. Самый примитивный эквивалент динамической головки представлен на рисунке 14.


Рисунок 14 Эквивалент динамической головки.

     Как видно в эквиваленте присутсвуют и индуктивность и конденсатор, следовательно в моменты, когда дифузор головки разогнан до максимальной скорости происходит смена полярности выходного сигнала мгновенное значение активного сопротивления нагрузки может уменьшиться - в эквиваленте это будет емкость заряженного конденсатора и самоидукция дросселя, причем ОЧЕНЬ сильно, и это только в случае когад акустическая система использует один широкополосный динамик, если же используется многополосная АС то активное сопротивление может уменьшится вплоть до 50% в определенные моменты времени.
     Ну а поскольку активное сопротивление уменьшилось, то увеличиваются токи через оконечные транзисторы, естественно увеличивая токи своих баз. Поэтому в данном случае буде целесообразно использовать в качестве драйверов транзисторы с максимальным током коллектора уже не на 310 мА, а на 50% больше, т.е. на 460-500 мА, ну а если уж обращаться к реальным транзисторам, то это будут транзисторы с током коллектора на 1А. Ток коллектора оконечного каскада приобретает величину уже в 13 А, ближайшая стандартная величина 15 А.
     Почему не удваивается мощность? Да потому что токи имеют мгновенное значение, а рассеиваемая мощность гораздо более инерционная и получившихся 135 Вт будут вполне достаточно кристалл транзистора не упеет нагреться до критической температуры.
     Когда уровень входного напряжения достиг величины 2,5 В (рис 15). В этом случае на выходе усилителя получается максимально возможное напряжение, поскольку Q5 уже вошел в режим насыщения и дальнейшее увеличение входного напряжения не приведе к росту выходного. Если бы это было в усилителе мощности звукового сигнала, то эта ситуация как раз и называется клиппингом.


Рисунок 15 Карта напряжений при входном напряжении 2,5 В.

     На что здесь стоит обратить внимание? Прежде всего на прилагаемые напряжения к транзисторам, отвечающим на усиление отрицательной полуволны. Как видно из карты напряжений в момент, когда на выходе максимально возможное положительное напряжение к транзисторам отрицательной полуволны звуокового сигнала прилагается отрицательная полярность источника питания и напряжеие подаваемое с открытых транзисторов транзисторов положительной полуволны. Следовательнотранзисторы последнего каскада усилителя напряжения Q5, Q6, транзисторы драйверного каскада Q8, Q9 и транзисторы оконечного каскада Q10-Q13 должны быть расчитаны на напряжение ни как не меньше 120 В и это только критический минимум, поскольку даже не большое увеличение сетевого напряжения и использовании не стабилизированного источника питания заставит транзисторы работать на технологическом запасе, что сводит схему к схемам пониженной надежности. Поскольку электросети обещают напряжение в сети 220 В ±7%, а в реальности отклонения могут достигать и 10-15%, вот 15% и следует добавить с минимальному значению напряжения используемых транзисторов, т.е. используемые транзиторы должны быть расчитаны на 138-140 В.
     Открываем даташиты на транзисторы 2SA1943 и 2SC5200, которые используются в оконечном каскаде усилителя ЛАНЗАР и смотрим следующие велечины:
               Масимальный ток коллектор-эмиттер . . . . . . . . . . .15 А
               Максимальное напряжение коллетор-эмиттер . . . 230 В
               Тепловая мощность коллектора . . . . . . . . . . . . . . . 150 Вт
     Правда там оговорка имеется - тепловая мощность при температуре 25°С и рекомендуемая мощность всего 100 Вт с одного транзистора, но как показывает при хороших теплоотводах в качестве номинальных можно использовать макисмальные значения, но об этом немного ниже. В данной же схеме эти транзисторы вполне уместны, имеют довольно приличный запас по току и напряжению, а учитывая довольно большой технологический запас ТОШИБОВСКИХ изделий, в этом усилителе их убить будет довольно сложно.
     Открываем даташиты на испольуземые в качестве драйверного каскада 2SA1930 и 2SC5171
               Масимальный ток коллектор-эмиттер . . . . . . . . . . . 2 А
               Максимальное напряжение коллетор-эмиттер . . . 180 В
               Тепловая мощность коллектора . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Вт
     Опять же по всем параметрам заложен довольно приличный запас, причем в качестве драйверного могут вполне справиться и более слабые транзисторы 2SA1837 и 2SC4793 током коллектора в 1А и максимальным напряжением 230 В. Так же подойдут транзисторы на 1,5 А 160 В 2SB649A и 2SD669A.
     Более подробно о параметрах рекомендуемых для усилителестроения транзисторах можно узнать в справочном листке.
     В качестве Q7 можно использовать практически любой транзистор, поскольку протекающий через него ток равен 16 мА, а прилагаемое напряжение не превышает 2-3 В во всех режимах работы. Используемые для этого в ЛАНЗАРЕ BD135 выбраны из за удобства крпеления к радиатору и имеющие несколько большую зависимость тока коллетора от температуры, т.е. они гарантировано справятся с возлагаемыми на них функциями.
     
     В качестве оконечных транзисторов используется 2 пары соединенных параллельно транзистора. Это обстаятельство вносит дополнительные задачи при выборе элементной базы. Прежде всего транзисторы, которые соединены папаллельно должны иметь довольно близкие параметры и только в этом случае нагрузка на них будет распределена равномерно и перегрузки одного из транзисторов не произойдет. Если транзисторы покупаются в разных местах или в разное время, то тут без подбора транзисторовуже не обойтись, елси же покупаются в одном месте и все сразу, то следует обратить внимание на номер партии покупаемых транзисторов - у транзисторов одной структуры номер партии должен быть одинаковым. В этом случае завод-изготовитель гарантирует разброс параметров не более 2%, что вполне достаточно для использования в усилителях с параллельным включением транзисторов. Номер партии пишеться немного ниже и правей наименованиря транзистора. Так же следует обрать внимание на маркировку - маркировка краской ни фирменных транзисторах не делается уже достаточно давно - все надписи выполнены лазером.
     Учитывая популярность своих изделий фирма ТОШИБА начала выпускать транзисторы и n-p-n и p-n-p структур одной партией, т.е. даже в транзисторах разной структуры параметры будут максимально приближены. Вот правда в продаже такие пары встречаются пока не часто (рис 16).

 
Рисунок 16 Транзисторы расной структуры, но одной партии

     Если же нет возможности купить транзисторы одной партии, то тут возникает довльно патовая ситуация с одной стороны нужны транзисторы с максимально похожими характеристиками, с другой - цифровой мультиметр с измерителем h21 для этих целей не подходит, поскольку его измерения производятся в режиме микротоков, а мощные транзисторы в этих режимах имеют коф усиления больше 1000...
     Для подбора силовых транзисторов потребуется более серьезное обрудование или два мультиметра - рисунок 17


Рисунок 17 Стенд для отбраковки силовых транзисторов

         Для произведения отбраковки следует взять любой транзистор из отбраковываемой партии и переменным резистором выставить ток коллектора равным 0,4...0,6 А для транзисторов предпоследнего каскада и 1...1,3 А для транзисторов оконечного каскада. Ну а далее все просто - к клемам подключаются транзисторы и по показаниям амперметра, включенного в коллектор выбираются транзисторы с одинаковыми показаниями, не забывая поглядывать на показания амперметра в базовой цепи - они тоже должны быть похожими. Разброс в 5% вполне приемлем, для стрелочных индикаторов на шкале можно сделать метки "зеленого коридора" во время градуировки. Следует заметить, что подобные токи вызывают не плохой нагрев кристала транзистора, а учитывая то, что он без теплоотвода длительность замеров не следует растягивать во времени - кнопку SB1 удерживать в нажатом состоянии более чем 1...1,5 сек не следует. Подобная отбраковка прежде всего позволит отобрать транзисторы с реально похожим коф усиления.
     Так же следует учитывать, что как бы вы не старались одинаковых транзисторов с теми, что у вас есть вы все равно не найдете, поэтому выбрав максимально похожие имеет смысл увеличить токовыравнивающие резисторы R24-R27 до 1 Ома. Разумеется вы потереяете в КПД, но выиграете по более равномерно распределенной мощности на каждый транзистор.
     Резюмируя все выше сказанное можно сделать вывод:
     Для данного усилителя мощности для предпоследнего каскада необходимы транзисторы с током коллектора не менее 1 А и напряжением коллектор-эмиттер не менее напряжения между плюсом и минусом двуполярного источника + 10-15% от этого значения. Для оконечного каскада требуется транзистор с током коллектора не менее 25 А или два включенных параллельно транзистора с током коллектора не менее 13 А. Напряжение коллектор-эмиттер у транзисторов оконечного каскада должно быть такое же как и у транзисторов драйверного каскада. При соединении транзисторов параллельно необходимы транзисторы с идентичными параметрами, особенно по h21 (коф усиления), которое необходимо мерять при токах превышающих 0,1 А, либо использовать транзисторы одной партии. Мощность коллекторов соединенных параллельно транзисторов оконечного каскада дожна быть не менее расчетной мощности усилителя при условии хорошего охлаждения кристалла транзистора, которое зависит от типа корпуса.
     Последними строчками "О ТРАНЗИСТОРАХ" пожалуй стоит прописать, что с корпусов типа ТО-220 (IRF640-IRF9640) не рекомендуется "брать" более 60-70 Вт с одной пары, с корпусов типа ТО-247 (IRFP240-IRFP9240) не рекомендуется "брать" более 100-110 Вт с одной пары, с копусов TO-3PBL (TO-264) (2SA1943-2SC5200) не рекомендуется брать более 140-150 Вт с одной пары, с корпусов ТО-204АА (MJ15022-MJ15023) не рекомндуется "брать" более 170-180 Вт с одной пары для широкполосных усилителей. Для сабвуферов приведенные значения могут быть увеличены примерно на 15-20%.
     

О РАДИАТОРАХ

     Теплоотвод (радиатор) для усилителя мощности играет далеко не последнюю роль в его эксплутационных характеристиках, определяя прежде всего надежность усилителя и как правило имеющий свои характеристики. Основными можно назвать пару:
     -тепловое сопротивление
     -площадь охлаждения.
     Если не вдаваться в глубокую физику, то тепловое сопротивление радиатора это есть скорость с которой точка нагрева будет отдавать свое тепло охлаждающим поверхностям - ребрам. Этот параметр учитывается довольно редко, от этого и довольно частые выходы из строя самодельных усилителей. На рисунке 18 показаны схематично процессы нагрева теплоотвода от фланца силового транзистора.


Рисунок 18 Распространение тепла внутри несущего основания теплоотвода.

     При толщине несущего основания 3 мм тепло от фланца довольно быстро достигает тыльной стороны и далее распространаяется довльно медленно, поскоьку толщина материала слишком мала. В результате происходит довольно большой местный нагрев, а охлаждающие плоскости (ребра) остаются холодными. При толщине несущего основания 8 мм тепло от фланца уже достигает обратной стороны радиатора гораздо медленней, поскольку необходимо прогреть участки радиатора в горизонтальной плоскости. Таким обюразом нагрев происходит более равномерно и охлаждающие плоскости начинают прогреваться более равномерно.
     Можно было бы конечно выкопать кучу формул и выложить их здесь, но это слишком "тяжелая" математика, поэтому остановимся лишь на приблизительных результатах расчетов.
     Толщина несущего основания для усилителй АВ должна составлять 1 мм на каждые 10 Вт выходной мощности усилителя, но не менее 2 мм. При мощностях свыше 100 Вт толщина несущего основания должна быть не менее 9 мм + 1 мм на каждые 50 Вт превышающие 100 Вт. Для усилителей мощности с многоуровневым питанием (G и H) толщину несущего основания следует расчитывать аналогичными образом, но в качестве исходной мощности следует брать мощность усилителя деленную на количество уровней питания.

 
МОЩНОСТЬ
УСИЛИТЕЛЯ
ТОЛЩИНА
НЕСУЩЕГО
ОСНОВАНИЯ
КАК РАСЧИТАНА
КЛАСС
АВ
10 Вт
2 мм
МИНИМУМ
40 Вт
4 мм
40 Вт / 10 = 4 мм
60 Вт
6 мм
40 Вт / 10 = 6 мм
150 Вт
10 мм
150 Вт - 100 Вт = 50 Вт превышение 100 Вт предела, следовательно 9 мм + 1 мм = 10 мм
300 Вт
13 мм
300 Вт - 100 Вт = 200 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (200 / 50) = 9 мм + 4 мм = 13 мм
600 Вт
19 мм
600 Вт - 100 Вт = 500 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (500 / 50) = 9 мм + 10 мм = 19 мм
900 Вт
25 мм
900 Вт - 100 Вт = 800 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (800 / 50) = 9 мм + 16 мм = 25 мм
     
КЛАСС
G ИЛИ H
ПИТАНИЕ
2 УРОВНЯ
500 Вт
13 мм
500 / 2 = 250 Вт - максимальная мощность выделяемая одним уровнем, 250 - 100 = 150 - разница между базовыми 100Вт, 150 / 50 = 3 - дополнительная толщина к базовым 9 мм, 9 +3 = 12 мм толщина несущего основания радиатора.
1000 Вт
17 мм
1000 / 2 = 500, 500 - 100 = 400, 400 / 50 = 8, 9 + 8 = 17 мм
2000 Вт
27 мм
2000 / = 1000, 1000- 100 = 900, 900 / 50 = 18, 9 + 18 = 27 мм

     Ступенчатость в расчетах при мощностях свыше 100 Вт связана с тем, что в таких усилителях уже используется по несколько соединенных параллельно транзисторах, которые рассеивают тепло равномерно в разных местах несущего основания радиатора. Для классов G и H мощность делится на 2 потому что именно из за меняющегося напряжения питани (подключение второго уровня) происходит уменьшение выделяемой мощности, кторая рассеивается только при достижении уровня исгнала определеннйо величины.
     Площадь охлаждения расчитывается чисто математически, измерив основные размеры радиатора - рисунок 19


Рисунок 20 Расчет площади охлаждения теплоотвода

     В данной формуле:
     а - толщина несущего основания, удваивается, поскольку имеет контакт с охлаждающей средой (воздухом в данном случае) с двух сторон;
     б и г - по сути высота ребра, используется обе стороны, поскольку обе имеют контакт с охлаждающей средой;
     в - Ширина верхушки ребра, можно принебречь;
     д -расстояние между ребрами радиатора;
     е - длина обратной стороны радиатора;
     n - количество ребер на радиаторе;
     h - высота радиатора.
     Крепежные выступы и дополнительные отливы тоже можно посчитать, но как правило их площадь ничтожно мала по отношению к основной, поэтому ею можно принебречь. В данной формуле так же не учитываются площади торцов ребер.
     
     Площадь радиатора расчитывается исходя из мощности усилителя и опуская формулы может быть определена по таблице:

 
МОЩНОСТЬ
УСИЛИТЕЛЯ, Вт
ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРА ПРИ
ХОРОШИХ УСЛОВИЯХ
ОХЛАЖДЕНИЯ, кв см
РАДИАТОРЫ СНАРУЖИ
КОРПУСА, РЕБРА
РАСПОЛОЖЕНЫ ВЕРТИКАЛЬНО
ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРА ПРИ
ПЛОХИХ УСЛОВИЯХ
ОХЛАЖДЕНИЯ, кв см
РАДИАТОРЫ ВНУТРИ КОРПУСА
ИЛИ ЭТО АВТОМОБИЛЬНЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ

КЛАСС АВ
10
18
25
25
110
160
50
440
625
75
1000
1400
100
1750
2500
150
3900
5600
200
6950
10000
300
15600
22500
400
27800
40000
500
43400
62500
600
62500
90000
700
85100
122500
800
110000
160000
900
140500
200000
1000
173500
250000

КЛАСС G
500
13000
15600
1000
51500
62500
1500
116000
140600
2000
210000
250000
2500
325000
390000

КЛАСС H
500
15600
21600
1000
62500
86500
1500
140600
195000
2000
250000
35000
2500
390000
54000

     Пугаться огромных площадей охлаждения не следует, поскольку алюминиевый лист 10 х 10 см и толщиной 0,5 см имеет суммарную площадь охлаждения 10 х 10 = 100 кв см, стороны две, следовательно 100 х 2 = 200 кв см, плюс 4 торцевых стороны с площадью 0,5 х 10 = 5 добавлляет еще 20 кв см и в результате получаем 200 + 20 = 220 см, а радиатор показанный на рисунке 27 (габариты 17 х 5,5 х 11,5 см) имеет площадь охлаждения 3900 кв см, тем более в расчеты заложен нарев радиатора до 80 градусов при воспроизведении самых жестких композиций.
     Тут же следует дать ответ на вопрос А ПОЧЕМУ ДЛЯ КЛАССОВ G и H ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРОВ ПОЧТИ В ДВА РАЗА МЕНЬШЕ И ПОЧЕМУ НА G МЕНЬШЕ ЧЕМ НА H?
     Для получения более понятного ответа стоит вернуться к сериалу рисунков 7-13 и еще раз перечитать - максимальная мощность рассеивается только в моменты выходной сигнал проходит амплитудногое значение равное половине напряжения питания, в остальные моменты она или растет или уменьшается. При питании двумя уровнями рассеиваемая мощность увеличитвается пока не достигнет половины величины питания первого "этажа", затем уменьшается и дойдя до величины равной почти питанию первого "этажа" снова начинает увеличиваться до максимума, поскольку ступенчато включается второй этаж питания (класс H), а он по величине больше первого "этажа" в 2 раза. Однако после включение второго "этажа" мощность по мере роста велечины выходного сигнала уменьшается. Следовательно за один полупериод синусоидального сигнала оконечные транзисторы будут дважды рассеивать макисмальную мощность, но она превысит величину по сравнению с классом АВ лишь на несколько процентов. Для класса G процессы нагрева несколько отличаются от H, поскольку подключение второго "этажа" питания происходит не ступенчато, а плавно и рассевиваема мощность оконечных транзисторов распределяется, правда не равномерно - втрому "этажу" приходится тяжелей первого. Пока амплитуда выходного сигнала не достигла велечины включения второго этажа оконечные транзисторы работают в обычном режиме, а когда второй этаж включается в работу они мощность рассеивают, но уже не значительную, поскольку как правило закладываемая разница между первым и вторым этажом составляет 15-18 В. В при включеннии транзисторов второго этажа наибольшую мощность рассеивают именно они и происходит это в момент их включения, а по мере роста амплитуды выходного исгнала расеиваемая мощность уменьшается. Другими словами площадь охлаждения усилителей G меньше чем H как раз за счет того, что тепловыденеие происходит в разных местах радиатора - пока работает первый этаж - греются одни транзисторы, как только включается второй этаж они начинают остывать, а греются уже другие транзисторы, расположенные в другом месте радиатора.
     Если радиатора с подходящей площадью охлаждения нет, то можно воспользоваться принудительным охлаждением, установив на радиаторы вентиляторы от компьтерной техники (рисунок 21).


Рисунок 21 Внешний вид компьтерных вентиляторов

     При покупке вентилятров следует обратить внимание на надписи на его наклейки. Кроме производителя на вентиляторах указывается напряжение и потребляемый ток, который как раз и определяет производительность вентилятора. На рисунке 22 слева безшумный тихоход (ток 0,08А), который почти не слышно, но и который дает довольно слабый охлаждающий поток, а справа - гудящий ветродув (ток потребления 0,3А). Рекомендуется для усителей мощности использовать высокопроизводительные вентиляторы, поскольку уменьшить производительность можно всегда уменьшив обороты вращения (уменьшить напряжение питания), а вот увеличить получается не всегда, а если точнее - очень редко. Нескольк вариантов управления вентиляторам можно посмотреть здесь.


Рисунок 22 Слева малопроизводительный безшумный, справа высокопроизводительный гудящий.

     При выборе вентилятора кроме производительности следует определиться с размерами, поскольку размеров на рынке уже достаточно много, да и наработка на отказ у всех разная, поскольку некоторые проиводители используют подшипники скольжения (вал крыльчатки вращается во вкладышах из порошковой бронзы), а некоторые используют шарико-подшипники, которые конечно же работают гораздо дольше и меньше подвержены забиванию пылью.
     Вариантов обдува может быть несколько, для примера расмотрим два, самых популярных.
     Первый, по сути широко используемый в компьютерной технике, вариант, когда вентилятор устанавнивается со стороны ребер, причем воздушный поток направляется как раз между ребер охлаждения (рис 23).


Рисунок 23 Установка вентилятора со стороны ребер радиатора

     Мене популярный среди компьютерной техники, но достаточно популярный среди промаппаратуры спосб трубы. В этом варианте два радиатора разворачиваются ребрами друг к другу, а воздушный поток направляется между ребрами вентилятором расположенным с торца радиаторов (рис 24).


Рисунок 24 Сборка аэротрубы из двух одинаковых радиаторов.

     Этот вариант для аудиотехники несколько предпочтительней, поскольку одним вентилятором может "продуваться" довольно длинный радиатор, при расположении на одном радиаторе транзисторов n-p-n структуры, а на другом - p-n-p можно обойтись без электроизолирующих прокладок, что уменьшит тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором. Разумеется радиаторы будет необходимо изолировать от корпуса и этот способ приемлем для усилителей в качестве выходного каскада которых используются эмиттерные повторители (ЛАНЗАР, VL, ХОЛТОН)
     Кстати сказать - используемые в компьтерах радиаторы для процессоров расчитаны на принудительное охлаждение и не смотря на то, что имеют достаточно большие площади охлаждения использование без вентиляторов не желательно. Дело в том, что расстояние между ребрами радиатора ОЧЕНЬ мало и естественная циркуляция воздуха затруднена в следствии чего теплоотдача падает практически в 2,5...3 раза. Используя же вентилятор с током потребления 0,13А один радиатор от процессора P-IV вполне справляется с теплом от двух установленных на него усилителях СТОНЕКОЛД с выходной мощностью 140 Вт каждый.
     
     Подводя итоги всего выше сказанного можно сделать выводы:
          -при выборе радиатора следует обращать внимание не только на площадь охлаждения, но и на толщину несущего основания;
          -усилители мощности с двухуровневым питанием греются почти в 2 раза меньше усилителей класса АВ при одинаковых выходных мощностях;
          -при недостатке площади охлаждения мощно использовать принудительное охлаждение (вентиляторы) с регулируемой производительностью.

О ТРАНЗИСТОРАХ НА РАДИАТОРАХ

     Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно расчитана остается еще одна проблема - правильно установить транзисторы на радиатор.
     Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов или микросхем - там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской. В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.
     В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок показаны на рисунках .


Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности радиатора в местах удаления "не нужных ребер", "черновой" шлифовки. Во время обработки радиатор обязательно закрепить в тисках подходящего размера.


Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для "чистовой" шлифовки, причем использование отрезной машины не желательно - аллюминий "залипает" в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень сложно - можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой - работа будет в радость.

     При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и "лишние" фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер - так его будет удобней держать в руке). Затем на обе "рабочие" строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую - мелкозернистая для "чистовой". Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше - она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на трапочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости - начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной "нулевки".


Рисунок 27 Радиатор от "древней" телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей УМ7293
Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см - расчетная величина для суммарной мощности 150 Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.

     Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки. Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж н нужен - внутри корпса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.
     Выйти из положенияможно изготовиви такой крепеж самостоятельно, используюя обычные винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.
     Пока клей подсыхает необходимо сделать "кондуктор" - приспособление, которое позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален, но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на глубину 1,2...1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).     


Рисунок 28

     Затем на винт одевается шайба и он закручивается в "кондуктор" до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст - КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.   


Рисунок 29


Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.

     Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно - при четырех парах оконечников надо подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.
     Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще.


Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.

     Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить сразу - ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3...0,8 мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине корпуса.
     Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:
     - от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм
     - от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм
     - от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм
     - от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.
     Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить транзисторы практически в любых корпусах.
     Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить в трое, при креплении корпусов ТО-247 - в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL - в пятеро. Текстолит очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства. После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.
     Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию путем увеличения отверлителя не стоит - клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот - уменьшают время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет сушильного шкафа.
     Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные в двое дополнительные полоски текстолита.
     После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).
     В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит, то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал.


Рисунок 32

     Небольшой технологический совет - не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала, под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).
     Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор "разнокаллиберных" транзисторов" используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.
     Остался еще один не решенный вопрос - мощность блока питания, но об этом уже сказанно здесь
     Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать значительно реже....

                 Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ.

Есть вопрос или хотите оставить комментарий?

Зарегистрируйтесь или войдите в аккаунт
Последние статьи
Комментарии

На сайте собранно ОЧЕНЬ много материала посвященного звукотехнике - предварительные усилители, усилители мощности и источники питания. Это принципиальные схемы, описания, чертежи печатных плат (правда далеко не на все схемы), а так же обзоры печатных изданий. Здесь вы можете найти более десятка предварительный усилителей с регуляторами тембра и эквалайзерами, около ста схем усилителей мощности от 2 до 2000 Вт, около 40 схем ламповых усилителей, чуть больше десятка схем импульсных источников питания, как автомобильных (до 600Вт), так и сетевых (до 2000Вт), разжована схемотехника компьтерных блоков питания, дюжина описаний акустических систем, а так же довольно много материала раскрывающего секреты качественного воспроизведения звука, начиная от используемой элементной баазы, схемотехники и заканчивая теорией распространения звуковых колебаний.

Подробнее о сайте

Яндекс.Метрика