Разбираемся с температурой в TVA100D.047

Довольно часто слышу от пользователей жалобы на высокую температуру усилителей мощности TVA100D.047 и TVA50D.044. Попробуем разобраться.

Основным источником тепла в этих усилителях мощности являются транзисторы BLF888A. Система охлаждения, состоящая из медного пьедестала транзистора, алюминиевого радиатора и вентилятора, предназначена чтобы удалить избыточное тепло от кристалла транзистора и обеспечить его тепловой режим. Производитель транзисторов указывает рабочие характеристики при температуре корпуса 25°С, при этом допускает температуру на кристалле до 225°С. Чем ниже температура на кристалле, тем больше срок жизни транзистора. Как и в каком месте измерять температуру корпуса транзистора под воздействием ВЧ сигнала не очень понятно, поэтому путём экспериментов мы пришли к довольно простому правилу: если температура на крышке транзистора по показаниям тепловизора не превышает 100°С, то транзистор обеспечивает рабочие характеристики. Конечно, эти характеристики в большинстве случаев ниже чем заявленные производителем в идеальных 25 градусах на корпусе. Таким образом, чтобы передатчик обеспечивал выходные параметры во всем рабочем диапазоне температур +5° - 45°С, мы не должны допускать превышение температуры на крышке транзистора 100 градусов при окружающей среде +45°С. При превышении 100 градусов мы имеем полное право отключить транзистор для сохранения его работоспособности. Именно этим правилом определяется порог защиты по температуре.
Теперь обратим внимание на особенности конструкции усилителей TVA100D.047 и TVA50D.044, в них применяется ячейка с припаянным транзистором (и основание-исток и все выводы) и печатной платой к медному пьедесталу. Такой способ монтажа имеет существенные преимущества по сравнению с прикрученными винтами транзисторами и печатной платой:

1. электрический контакт низа печатной платы имеется по всей поверхности с пьедесталом и с истоком транзистора, что обеспечивает идеальные условия для повторяемости параметров от экземпляра к экземпляру и соответственно расчётные параметры по линейности, мощности, устойчивости.
2. тепловой контакт основания транзистора с пьедесталом наилучший из доступных методов монтажа (через различные термоинтерфейсы), что обеспечивает передачу тепла на медное основание, которое в свою очередь распределяет его по большой поверхности.

Откуда же берётся высокая температура в этих усилителях если все так хорошо со съёмом тепла? Дело в том, что датчик температуры (на схеме U2) припаян к печатной плате в непосредственной близости от основания транзистора и медный радиатор и подложка печатной платы с высокой теплопроводностью (RO4350) доставляют до него тепло от транзистора очень быстро и почти без потерь. Показания датчика при нормальной температуре на крышке транзистора (75-80 градусов) довольно высокие и составляют около 65-70 градусов при окружающей среде 25 градусов. Система защиты по температуре в этих моделях имеет порог в 90 градусов. 
Воздух на выходе радиатора тоже довольно горячий, но не превышает допустимые техническими условиями 60°С. Это обусловлено небольшим потоком воздуха, его скоростью и рабочей поверхностью радиатора, которые в совокупности обеспечивают требуемый режим работы транзистора и при этом не обладают большой избыточностью. Если сравнить температуру на транзисторах в этих усилителях и в усилителях предыдущего поколения, то вы увидите что сейчас транзисторы работают в лучших условиях, хоть и показания термодатчиков и температура на выходе выше. Данные технические решения позволили не только повысить надёжность усилителей, но и уменьшить их вес, габариты и энергопотребление.

Насколько я понимаю, основное беспокойство вызывает не сама высокая температура, а превышение порога предупреждения 75 градусов в системе мониторинга. Очевидно что для данных моделей усилителей можно увеличить порог предупреждения не в ущерб надёжности и безопасности до 85 градусов.
Если же дальше разбираться и все-таки хочется видеть меньшие значения температур, то вот несколько моментов для размышлений:

1. На тепловыделение влияет рабочая частота, т.к. характеристика транзистора имеет разброс по эффективности в рабочем диапазоне частот
2. КПД, выходная мощность и линейность зависят от напряжения питания транзистора, можно попробовать его убавлять (источник питания имеет подстройку выходного напряжения) если у вас есть запас по мощности и линейности. Предостерегу от излишнего фанатизма, параметры должны сохраняться в рабочем диапазоне температур.
3. На КПД влияет напряжение смещения (начальный ток), но оно же влияет и на линейность, если вы мастер в настройке ручного предкорректора нелинейных искажений, то можете попробовать свои силы уменьшив начальный ток. Но не забывайте что после вас усилитель может попасть в руки к менее опытному мастеру.
4. На тепловыделение влияет выходная мощность, возможно вы берете ее слишком много, возможно для компенсации потерь в устройстве сложения в фильтре-маске. Усилители данных моделей поставлялись в составе передатчиков для второго мультиплекса без фильтров-маски и выходная мощность выставлялась на уровне 120 Вт и 60 Вт соответственно, индикация при этом 100 и 50 Вт.

Если же прочтение данной статьи не привело к спокойствию и вы считаете что температура все ещё высокая - напишите нам в техподдержку попробуем разобраться индивидуально с каждым случаем.

12.05.2022, Алексей Зинкевич