Chlazení zesilovačů

By | 24.12.2002

Pro spolehlivý provoz koncových zesilovačů je nezbytně nutné dobré chlazení. Pro amatérskou výrobu a slabší zesilovače do 200W vyhoví běžně dodávané chladicí profily, které je vhodné montovat vně přístrojových skříní, nejlépe je použít boční žebrované typy.
Pokud má zesilovač dosahovat trvale výkonu cca 400W sinus, je to již docela slušné „topné“ těleso, toto teplo musíme někam odvést.

Jiná je situace u výkonů ještě vyšších, protože chladiče vycházejí velmi rozměrné. Problém lze vyřešit dvěma způsoby, a to lepším odvodem tepla nebo zvýšením účinnosti. Pro zvýšení účinnosti je možno využít zapojení pracující ve třídě B+C, kde je nutný větší počet napájecích napětí. V podstatě jde o „klasický“ PA napájený při nižším výkonu ze zdroje nižšího napětí, vyšší napětí je připojeno až při překročení jisté výkonové úrovně.
Účinnost dosahuje kolem 75%, zdá se, že tato konstrukce je neopodstatněná, musíme si ale uvědomit, že přirozený signál svou úrovní spadá spíše do nižších výkonových hladin s občasnými špičkami. Účinnost klasického provedení zesilovače je v tomto režimu velmi nízká, účinnosti 60% se dosahuje až při plném vybuzení. Proto zesilovač velkého výkonu musí být velmi dobře chlazen i při nižším výstupním výkonu. Někteří výrobci nabízejí koncové stupně s šířkovou impulsní modulací, ty mají účinnost kolem 90%. Protože však spínací zesilovače se vzhledem ke svým vysokým cenám a nižší kvalitě zvuku dosud masově nerozšířily, používá se méně elegantní, o to však více používané řešení – aktivní chlazení ventilátorem za použití speciálních chladicích profilů.
Pasivní chlazení má jednu přednost – zesilovač neprodukuje žádný rušivý zvuk. Nedostatek – velké rozměry, cena, hmotnost, špatná spolehlivost.
U aktivního chlazení otáčky ventilátorků jde řídit elektronicky v závislosti na teplotě chladiče, a tak je tato výhoda nehlučného provozu sporná. Navíc trafa uvnitř zesilovače a usměrňovače jsou taktéž zdrojem tepla, které má zcela určitě zásadní vliv na spolehlivost a dobu života součástek, o nastavení pracovního bodu nemluvě. Proto je snad každému jasné, že do zesilovače pro profesionální účely zkrátka a dobře ventilátory patří. Každopádně po zkušenostech s provozem a opravami nejrůznějších zesilovačů se přimlouváme za ventilátor.
Dobrý návrh aktivního chlazení je vždy otázka kompromisu mezi velikostí chladiče, jeho umístěním a volbou ventilátoru. Spousty zesilovačů končí svůj život díky tomu, že nebyly vybaveny tepelnou ochranou a poté kopnuty v lepším případě někam do rohu, v horším je někteří „umělci“ dokonce zavírají do nechlazeného racku, kde se uchladit prostě nemůžou. Ventilátor zajistí alespoň minimální průtok vzduchu kolem chladičů. Optimální je konstrukční řešení mechanické části tak, aby byl vzduch zepředu nasáván a vzadu vyfukován, případně vzadu nasáván i vyfukován. Vzhledem k umisťování i více zesilovačů do jednoho „racku“ bychom i vysloveným amatérům doporučili, aby se již ani nezabývali možností bočních chladičů bez větrání (jsou i takoví šikulové, kteří nemají žádné větrání). Každopádně dobře dimenzovaný chladič je nutností.
Pro zajištění dobrého odvodu tepla u modulů SDA500 jsme začali používat AL profily tloušťky minimálně 5mm, pro prototypy finálního zesilovače bylo dokonce nutno použít 6mm. Upustili jsme od ohýbání , protože při ohybu 4-5mm tlustého plechu docházelo k zborcení struktury hliníku a tím k nárustu tepelného odporu v místě ohybu.Zároveň se téměř vždy plech prohnul a musel se zpětně rovnat. Přestup tepla nebyl dostatečný. Používat plech tenčí než 4mm se opět neosvědčilo. Používání tepelné ochrany je nutné, čidlo doporučujeme umístit co nejblíže tranzistorům. Ochrana pro dva kanály stojí cca 500 kč vč. relé, jeden výkonový tranzistor MJ15003 cca 110 Kč (cena v běžných prodejích), při přehřátí většinou „odejdou“ dva až tři, pokud je zle tak i sedm. Dokud se používaly tranzistory KD….. nebyly nástedky tak drahé, protože rozptyl parametrů téměř zaručoval zničení jednoho, max. dvou ks. Motoroly jsou vyráběny ve slušných tolerancích, proto se jich zničí najednou více. Vždy je velmi dobré alespoň rukou vyzkoušet prostup tepla mezi tranzistory a chladičem. Popálíme -li se o tranzistor až nám prst zasyčí, asi nebude s chlazením něco v pořádku.

Teplotní stabilita tranzistoru:
Pokud tranzistor pracuje s vyšším napětím C-E (což většina), může být teplotně nestabilní. Po připojení napětí má tranzistor určitý ztrátový příkon, který zvyšuje teplotu přechodu tranzistoru nad teplotu okolí, tím zvýší zbytkový proud (stoupá exponenciálně s teplotou) který opět zvýší teplotu přechodu ………. vznikne lavinovitý efekt tepelné nestability, která vede ke zničení tranzistoru, pokud není omezen proud kolektoru na bezpečnou hodnotu seriovým odporem. V úvahu je také nutno vzít, že všechny přechody tranzistoru jsou tepelně závislé, tzn. jejich vlastnosti se mění s teplotou, některé lineárně, jiné exponenciálně. Naskýtá se otázka, kdy vlasně měřit charakteristiky tranzistorů. Většinou se měření provádějí při teplotě okoli, bez ohledu na skutečné provozní podmínky tranzistoru. Znamená to že po zahřátí zesilovače je vše jinak?
Ztrátový příkon Pcmax = Uce* Ic (W) závisí na teplotě přechodu a je v podstatě omezen její maximální přípustnou hodnotou. Přechod B-E má předpětí v propustném směru a tudíž malý odpor, přechod mezi C-B s předpětím v závěrném směru má veliký odpor. Poněvadž emitorem i kolektorem prochází vpodstatě stejmý proud, zahřívá se kolektorový přechod. Výrobci doporučují jako maximální teplotu přechodu u křemíkových tranzistorů cca 150 – 200 stupňů.Teplota přechodu je rozdílná od teploty pouzdra!!!!!! U tranzistorů, které pracují s malým ztrátovým výkonem většinou postačí odvod sáláním pouzdra do okolí, jiná situace je u výkonových typů.
Tepelné namáhání tranzistoru závisí na:
vnitřním tepelném odporu mezi přechodem a vlastním pouzdrem tranzistoru – hodnoty udává výrobce
tepelném odporu mezi pouzdrem a chladičem – ovlivňuje výběr typu izolační podložky a silikonové vazelíny a způsob uchycení tranzistoru, typ pouzdra.
tepelném odporu mezi chladičem a okolím, závisí na velikosti chladící plochy, tepelné konstanty a množstvím tepla odvedeného zářením, prouděním a vedením.
Maximální ztrátový výkon je omezen na Pcmax = (nj max-na max)/Rn
Rn – Celkový tepelný odpor = R1+R2+R3
R1 = Vnitřní tepelný odpor tranzistoru (udává výrobce tranzistoru)
R2 = Tepelný odpor styku dosedací plochy tranzistoru s chladičem 0,35-0,8 slídová izolační podložka, 0,7 – 1,6 teflonová izolační podložka
R3 = Tepelný odpor chladiče určíme podle přibližného vztahu A=(650C*ü(l*d))/(R3-3,3*4üC)
A – plocha čtvercové chladící desky s tranzistorem uprostřed
C – korekční činitel 0,43 – 1,00 dle polohy a povrchu desky
d – tloušťka desky
nj max – největší přípustná teplota přechodu tranzistoru udávaná výrobcem, většinou max. 155 st.C
na max – nejvyšší teplota okolí, kterou uvažujeme v provozu
l – tepelná vodivost materiálu chladiče udávaná výrobcem (většinou v rozmezí 1,1 -2,5 pro hliník, 3,8 pro měď, 1,1 mosaz, 0,46 ocel)
U chladičů složitějších tvarů je i obecný výpočet velmi komplikovaný, proto lze zhruba použít výše uvedený postup a vlastní rozměr zjistit experimentálně.
Pcmax nelze pro výpočet uvažovat jako sinusový, jednoduchým výpočtem zjistíme, že např. 500 W modul by pro dokonalé chlazení musel mít výrazně vyšší počet tranzistorů, protože tepelný odpor chladiče vychází pro daný modul záporný, což je nesmysl (vždyť to funguje). Hudební produkce nikdy nemá charakter sinusového zatěžování zesilovače a ani ČSN myslím nepožaduje trvalou schopnost sinusového provozu.
Pokud shrneme výše uvedené výpočty a poznatky, je vcelku jasné, že vlastním experimentům se meze nekladou. Pokud používáme jakékoliv profily pro převod tepla na chladič, je nutné mít na mysli, že množství tepla převedeného na chladič je dáno nejužším místem řetězce, tzn, používáním tenkých plechů nebo nekvalitních profilů můžeme i kvalitní chladič degradovat. Každopádně při výkonech nad 200W je ventilátor nutností, neboť zajišťuje alespoň minimální cirkulaci vzduchu.

Napsat komentář