Teplotní kompenzace zdroje předpětí výkonového zesilovače s LDMOS tranzistory

Pokud již máte nějaké praktické zkušenosti s tranzistorovými výkonovými zesilovači o výkonu stovek wattů, asi jste si všimli teplotní závislosti hodnoty klidového proudu těchto tranzistorů. Při vzrůstu teploty polovodičového přechodu těchto tranzistorů se u nich projevuje samovolný vzrůst hodnoty klidového proudu, který je potřeba z intermodulačních důvodů v rámci celého pracovního režimu takového lineárního zesilovače udržet v co nejmenším rozmezí. Bohužel v praxi se (i u komerčních zesilovačů některých výrobců) setkávám s tím, že zatímco při teplotě 25°C má výkonový tranzistor klidový proud například 1,5 A, při jeho nejvyšší provozní teplotě (obvykle okolo teploty chladiče cca 60°C) může klidový proud stoupnout například až na 8A.

Výsledkem takového teplotního driftu je dodatečné ohřívání tranzistoru, růst teploty chladiče, zvýšený odběr ze zdroje, horší účinnost a ve svém výsledku nižší dosažitelný výkon.

Pokud je v radioamatérské praxi použit nějaký kompletní komerční, nebo inkurantní výkonový modul, je obvod zdroje předpětí již obvykle teplotní stabilizací vybaven, ovšem pokud se do stavby výkonového zesilovače pustíme v domácí dílně (viz například kilowattový PA s tranzistorem MRFE6VP61K25), nebo pokud ve svém doma zhotoveném PA používáme komerční výkonový modul (například od výrobce Italab), který takovou teplotní regulaci postrádá, je vhodné na teplotní kompenzaci klidového proudu pamatovat a vyhnout se tak zbytečnému přehřívání PA, neboť vysoká provozní teplota výkonových tranzistorů zkracuje jejich dobu života a činí je náchylnějšími ke zničení - například vysokým PSV.

V profesionální praxi lze nalézt několik různých obvodových řešení tohoto zadání (například tady). Některé z nich jsou poměrně komplikované, jiné používají součástky, které na trhu nejsou běžně dostupné. A proto jsem se pro náš PA rozhodl postavit takový teplotně kompenzovaný zdroj předpětí LDMOS tranzistoru z běžných součástek:

Obvodové řešení  používá dva integrované obvody LM317L v zapojení proudového zdroje (cca 6mA), čímž na zatěžovacím odporu okolo 680 Ohmů vzniká v obou větvích prakticky stejný úbytek napětí necelé 4V. Z tohoto napětí se získává pomocí nastavitelného odporového děliče (R7) požadované předpětí pro výkonový LDMOS tranzistorového PA. Podle typu tranzistoru a napájecího napětí se napěťová úroveň jeho předpětí pro výrobcem požadovaný klidový proud pohybuje od cca 1,6 do přibližně 3V. Změříme-li teplotní drift klidového proudu tranzistoru pro rozdíl teplot chladiče cca 40°C  (20 až 60°C), dojdeme obvykle k výsledku že napětí pro hradlo tranzistoru by při maximální provozní teplotě chladiče pro stejný klidový proud bylo třeba (ve srovnání s pokojovou teplotou) ubrat cca o 80 až 120mV. V navrženém zapojení je požadované snížení hodnoty napětí pro hradlo tranzistoru nastaveno pomocí "příčného" odporu (R6), jenž sníží výstupní napětí pro předpětí tím, že "stahuje" výstupní napětí tím, že část proudu z LM317 (IC3) převede do druhé větve, ve které je zapojen NTC termistor, mechanicky spojený s chladičem, jenž při vyšší teplotě sníží odpor a vznikne tak mezi oběma větvemi určitý napěťový gradient. Hodnotou "příčného" odporu R6 lze tak při maximální provozní teplotě chladiče nastavit stejný klidový proud výkonovým tranzistorem, jako při pokojové teplotě (kdy se hodnota klidového proudu nastavuje pomocí R7). Regulace funguje i do záporných hodnot, tedy pro teploty nižší, než 20°C, kdy se naopak napětí pro hradlo tranzistoru zvětšuje, aby byl klidový proud stabilní. Pokud se tímto způsobem podaří udržet klidový proud tranzistorem v oblasti 10% odchylky, je to pro radioamatérské použití zcela vyhovující.

V případě, že výše uvedené zapojení nedokáže plně vykompenzovat teplotní drift klidového proudu, je možné rozsah regulace zvětšit použitím NTC termistoru o nižší hodnotě (např.4k7 namísto 10k) a výměnou trimru R7 za hodnotu 5k (namísto 10k). Je rovněž možné, že bude vhodné použít jinou hodnotu R6, aby regulace nebyla tak strmá, či dokonce na místo termistoru zapojit červenou LED. Není zcela možné dopředu určit definitivní hodnotu všech součástek, pokud nejsou známy charakteristiky tranzistoru ve vašem tranzistorovém PA.

Pokud se do stavby tohoto regulátoru pustíte, přeji vám hodně zdaru a spoustu hezkých DX zážitků na VKV pásmech.

73 OK1VPZ

PS: motiv plošného spoje (pro dvojici těchto obvodů) je k dispozici zde (jednostranný plošný spoj). Můžete si také objednat výrobu tohoto spoje tady.