|
Proč jsou pro radioamatérské použití nevhodné SSPA s tranzistory pro impulsní provoz? Už dávno jsem do našeho HW koutku chtěl zase něco nového napsat, ale zaměstnání a rodinné povinnosti, kterým se nelze vyhnout, mne už asi 2 roky pohlcují téměř veškerý volný čas, který bych jinak mohl věnovat radioamatérským konstrukcím. A tak si, letos asi poprvé, dovolím jen krátký příspěveček do zmíněné rubriky našeho webu. Radioamatéři, které táhne zájem ke konstrukci různých zařízení, už asi 25 let pokukují po tranzistorech s VF výkony řádu stovek Wattů pro pásmo L, tedy cca 1090 až 1400MHz. Tyhle tranzistory ale jsou - jakoby naschvál - asi všechny určeny jen pro impulsní provoz. Bodejť by také ne, když v tom pásmu se tyhle tranzistory používají prakticky výhradně pro radarové aplikace - ať už letecké, nebo třeba námořní. Na počátku toho období, kdy tranzistory pro toto pásmo byly pouze bipolární, byly dokonce většinou určeny pro zapojení se společnou bází, což byl další problém. Takže radioamatérských konstrukcí s těmito tranzistory bylo jako šafránu a když už nějaká vznikla, dotyčný konstruktér se s výsledky příliš nechlubil. Určitě bude zajímavé se podívat na to proč asi.
Když se začaly obnovovat první GSM základnové stanice, které byly vybaveny polovodičovými (jak jinak) PA, amatéři našli cestu k vyřazeným dílům a přeladili je - někdo více, někdo méně úspěšně, na 23cm. Ovšem byly to konstrukce pokus - omyl. Pochybuji, že by někdo měl přístup k datasheetu tam použitých tranzistorů, například BLV958, jenž by uváděl hodnoty vstupní a zatěžovací impedance přímo pro 1,3 GHz. Potom se objevily cenově dostupné LDMOS tranzistory pro stejné pásmo (900MHz) a radioamatéři po nich pochopitelně sáhli. Opět to však bylo projektování ryze amatérským způsobem - tedy bastlení. Ano, díky nekonečně trpělivé práci a spoustě času a zničených tranzistorů se podařilo vyvinout opakovaně použitelné konstrukce, ale stále to nebylo ono, protože tranzistory jako MRFE6S9160H, "násilím dotlačené" na kmitočty o 30% vyšší, než na které byly výrobcem určeny, již měly na 23cm kus od kusu různé vlastnosti, což působilo potíže při jejich sdružování na výkony, požadovanými pro EME provoz. Mezi radioamatéry se sice objevily hodnoty vstupní a zatěžovací impedance (zejména chlapci v Rusku byli v této práci velice aktivní), ale protože tato data byla podle US4ICI prý získána jen metodou "reverse engineering", většinou z návrhů DF9IC, při návrhu se na tyto údaje asi nelze zcela spolehnout. Řadě lidí se takový PA podařilo spolehlivě provozovat i v provozu EME, dalším lidem ne. O některých problémech jsem se zmínil tady. A to tyto tranzistory mají navíc ještě hodně závislý klidový proud na teplotě, což sice není chyba, ale jen vlastnost, ovšem výsledkem je požadavek na teplotně kompenzovaný zdroj předpětí, pokud se mají tyto tranzistory plně využívat. Jiní konstruktéři šli
jinou cestou. DB6NT uvedl na trh řadu PA modulů s tranzistory
PTF141501A
určenými původně pro digitální rozhlas DAB v pásmu L - na kmitočtech v
rozmezí 1,45 až 1,5GHz. A také měl problémy. První PA nedosahovaly
uváděného výkonu dlouhodobě, hřály se a tranzistorům se "trhaly šipky".
Situace se zlepšila teprve s příchodem varianty tranzistoru
PTF141501E se zlepšeným tepelným přechodem mezi polovodičovým čipem a
pouzdrem tranzistoru a zejména potom, co výrobce změnil podložku pod
tranzistory z hliníku na měď. Pro sebe jsem si tenkrát udělal takovou
tabulku se skrytými výpočty, pro diskusi s Michaelem a jak se můžete sami
přesvědčit, už jen drobná změna teplotního odporu uvnitř tranzistoru
má na dosažitelný výstupní výkon SSPA vliv zásadní! Infineon začal vyrábět
ještě jednu výkonnější mutaci takového tranzistoru (PTFA142401E),
která by pro amatérské použití na 23cm byla ještě šikovnější, ale mezitím
provozovatelé vysílání T-DAB v pásmu L přešli na efektivnější digitální
rozhlas v III.TV pásmu, protože ty kmitočty poskytují mnohem lepší pokrytí
pro mobilní provoz, a v katalogu Infineonu tyto tranzistory proto dnes již
nenajdete. Našli se ale jiní výrobci podobných polovodičů. Například
MRF7S16150HS, či
BLF647P
nabízí v podstatě totéž a navíc v zásadě je
vždy jednodušší tranzistor od jeho původního kmitočtu tahat dolů, než
nahoru. A
tranzistorů pro 1,8 až 2,1GHz je mezi radioamatéry habaděj, takže
konstruktéři mají o zábavu postaráno.
Změny v posledních letech na jedné straně znamenaly ukončení výroby mnoha spolehlivých, osvědčených a užitečných tranzistorů, ale do koše šly v mnoha případech i zajímavé vývojové projekty. Ale tak už to u firem, řízených ekonomisty bývá... To, že ty tranzistory na trhu stále jsou, je nutno přičíst pilné práci čínských elektroniků. Vraťme se ale k tematu PA pro 23cm: Mezi VF tranzistory pro toto pásmo dnes dominují tranzistory pro vyšší napájecí napětí (50V), protože vyšší napájení znamená vyšší zatěžovací impedance a tím i menší stráty v přizpůsobovacích obvodech a dále začínají na těchto kmitočtech a výkonech dominovat tranzistory na bázi SiC (Silicon - Carbide) a GaN (Galium Nitrid), protože tyto materiály snáší vyšší provozní teplotu polovodičového čipu a mají obecně lepší vlastnosti, než dosavadní křemíkové tranzistory (zejména pro požadavky armády). Takže pokud si VKV radioamatéři chtějí zachovat svůj až dosud docela dobrý přehled a udržovat svá zařízení na úrovni doby. Jedním z představitelů moderních tranzistorů, vhodných pro pásmo 23cm je například MMRF1005H, či BLF6G13L-250P a jistě bychom našli řadu analogů u jiných výrobců. Tyto tranzistory jsou určeny přímo pro požadované pásmo, jsou schopny dodat VF výkon přes 200W, k dispozici jsou vstupní a zatěžovací impedance a hlavně - a to zdůrazňuji! - jsou určeny (také) pro provoz CW! Uvědomte si prosím, že CW znamená "Continuous carrier" tedy trvalá nosná a nikoli telegrafní provoz! Z radioamatérského provozu je tedy CW nejblíže provoz FM, či digitální provoz FSK (např. WSJT). Telegrafní provoz neklade na zesilovač takové nároky jako FM či WSJT, (tomu odpovídá trvalý "key down"), ale obsahuje tečky, čárky a mezery, kdy si PA "odpočine" a neprodukuje teplo (resp. tolik tepla). A právě o to teplo tu běží!
Samozřejmě, výrobci polovodičů dále produkují spoustu krásných součástek pro pulsní provoz v našem 23cm pásmu, či jeho sousedství a mnozí radioamatéři po těchto součástkách zatouží (namátkou třeba MRF6V12500H, či BLL6H1214-500, nebo PTVA127002E). Můžeme tyto součástky použít při konstrukci svého PA pro pásmo 23cm? Ano, ale... Všimněme si prosím jednoho důležitého parametru v datasheetu, nazvaného "thermal resistance" Junction - case, nebo RΘJC: je to číslo, udávané v °C/W, nebo K/W a udává tepelný odpor mezi polovodičovým čipem a pouzdrem (dosedací plochou) tranzistoru. V praxi se tento odpor pohybuje obvykle mezi cca 0,2 a 0,8. Pokud je hodnota například 0,5, znamená to, že pokud tímto tepelným přechodem "poteče" tepelný výkon 1Wattu, stoupne teplota čipu o 0,5°C. Takže: udělejme si rozbor: pokud je teplota chladiče v okolí tranzistoru například 60°C, bude teplota pouzdra tranzistoru vyšší o tepelný odpor mezi chladičem a pouzdrem tranzistoru - odhadněme nyní ten odpor na cca 0,2 °C/W. V případě tranzistoru PTVA12700E, který pracuje v impulsním režimu a má vnitřní tepelný odpor 0,36°C/W, potom bude teplota polovodičového čipu vypočtena takto: a) VF výkon 700W při účinnosti 56% znamená, že příkon tranzistoru bude 1250W. Tedy tepelná (kolektorová) ztráta bude 550W. To vše při CW (pokud zanedbáme tepelný vliv budicího výkonu). b) Při 12% střídě impulsů (tranzistor pracuje jen v 12% času, pokud se zanedbá klidový proud) bude ztráta "jen" 550 x 0,12 = 66W (i klidový proud teď zanedbáme). c) pokud bude teplota chladiče 60°C, bude teplota čipu (0,2 + 0,36) x 66 = 37 + 60°C = 97°C (60°C je teplota chladiče). Vzhledem k tomu, že teplota čipu u těchto tranzistorů bývá při plném výkonu okolo 150°C, je tedy tento tranzistor provozován poměrně velice "krotce" a snesl by i delší impulsy (ale ne trvalé zaklíčování). Výrobce v datasheetu uvádí, že tranzistor byl testován (na krev) při buzení 44,4dBm (27,5W) při střídě impulsů 50% až do přebuzení, kdy jeho zisk poklesnul o 3dB (de facto do limitace). V tomto režimu byl schopen dát 703W. S jakou teplotou čipu pracoval, když (viz datasheet) byla 70°C? Příkon bude v tomto režimu 703 / 0,56 = 1255W + 27,5W (buzení). Z čipu tedy bude třeba odvést tepelný výkon 1255 + 27,5 - 703 = 580W. Ovšem tento výkon je provozován se střídou zatížení 50%. Takže nebude nutné odvést tepelný výkon 580W, ale "jen" 290W. Tento tepelný výkon na tepelném odporu 0,36°C/W vytvoří tepelný spád 290 x 0,36 = 104°C. A protože při tomto měření má pouzdro (dosedací plocha) tranzistoru již 70°C, znamená to, že polovodičový přechod je provozován při teplotě 174°C. Pro křemíkový tranzistor jsou to podmínky vpravdě "ďábelské". Podívejme se teď na nějaký jiný tranzistor, určený pro CW provoz, například výše zmíněný MMRF1005H, abychom si mohli porovnat, při jaké teplotě čipu (polovodičového přechodu) ten tranzistor pracuje v režimu "trvalá nosná". RΘJC má hodnotu 0,42 a při Pout 235W má tranzistor učinnost 53%. To vše při teplotě pouzdra (case) 77°C. Takže příkon bude cca 443W a 208W tepla je nutno z čipu odvést. Pokud bude teplota pouzdra 77°C, bude tedy teplota čipu: 208 x 0,42 = 87,5°C + 77°C = 164°C. A to je tedy podstatný rozdíl oproti předchozímu tranzistoru, pokud by tento byl provozován v "katalogovém" pulsním režimu se střídou impulsů 12%! Připusťme tedy, že i
tranzistor PTVA12700E budeme provozovat v CW režimu s teplotou čipu 164°C.
Jaký výkon od něj můžeme zhruba očekávat? Jakou teplotu lze při návrhu PA kalkulovat na čipu tranzistoru? Obecně řečeno co nejnižší. Taková pomůcka pro první přiblížení říká - se zvýšením teploty polovodičového přechodu o 10°C klesne jeho spolehlivost 100x. Křemíkové tranzistory bychom neměli provozovat při teplotách čipu vyšších, než cca 160°C, u tranzistorů starších, než cca 10 let, jen okolo 150°C, pokud tedy o tranzistor nechceme rychle přijít. Se zvýšením teploty čipu se totiž snižuje také jeho povolená kolektorová ztráta a odolnost proti nepřizpůsobení. Doporučuji zkontrolovat v katalogovém listu ten graf se šikmým rohem, ukazující oblast bezpečného provozu tranzistoru. Je to docela poučné (někteří výrobci oblast bezpečného provozu raději z marketingových důvodů neuvádějí, jiní připojí jen krátkou noticku, jako: Total Device Dissipation @ TCase=25°C: 476W, derate above 25°C by 2,38W/°C jak uvádí Freescale u tranzistoru MMRF1005H. Vyšší teplotu polovodičového přechodu (cca 200°C) si budeme moci dovolit až u GaN tranzistorů, ale ty zatím mezi radioamatéry kvůli své vysoké ceně zatím moc nejsou.
Podívejme se ještě, s jakou pravděpodobnou teplotou čipu pracuje populární kilowattový dvoumetrový tranzistor MRF1K1250: Při výstupním výkonu 1250W má účinnost 78% a tepelný odpor 0,15°C/W při teplotě pouzdra 63°C. Dá se tedy očekávat, že teplota čipu bude pouhých 116°C! Není potom divu, že takový tranzistor si toho nechá líbit docela dost!!! A jak je na tom SSPA SM4DNH, který OK1DFC prezentoval zde? Tranzistor BLF6G13L-250P bude v uvedeném zapojení (pokud je skutečně optimalizováno pro reálné impedance tranzistoru), při výkonu 250W, účinnosti 56%, tepelném odporu 0,26°K/W a teplotě pouzdra 85°C, mít teplotu čipu cca 136°C. Posuďte sami, jaký výkon si ve světle těchto informací můžete dovolit tahat z vašeho domácího polovodičového PA! Účinnost a tepelný odpor uvnitř tranzistoru rozhodují o jeho životnosti! Závěrem: nastínil jsem výpočty tepelného hospodářství polovodičového PA. Praktický výsledek je ovšem závislý také na přechodu tepla mezi pouzdrem tranzistoru a chladičem, na tepelném odporu chladiče vůči chladicímu vzduchu a rychlosti jeho proudění, na tvaru žeber chladiče na jeho velikosti a materiálu. To je ovšem ještě úplně jiná věda a o tom snad zase někdy příště. Pro první přiblížení si jen uvědomte, že hliníkový chladič nemá cenu zvětšovat nad rozměry cca 20 x 20cm, pokud má štíhlá žebra a sílu základny okolo 1cm. Pokud by byl větší, tak tepelný odpor hliníku je tak velký, že větší chladič bude na okrajích chladit již velice málo, nebo vůbec. Proto se pro kritické aplikace (EME) používají často měděné chladiče, nebo alespoň silná měděná deska, která rozvádí teplo do celé plochy hliníkového chladiče. Potom je vhodné výkonové tranzistory na takovou měděnou desku rovnou připájet, aby se minimalizoval tepelný odpor mezi čipem a chladičem. A použít třeba i vodní chlazení.. Nenechte se však zmást a každý krok si pečlivě promyslete. Toto povídání je jen pokusem o přátelskou radu, nikoli však instrukcí, na základě které by snad bylo možno vymáhat nějakou škodu, pokud se Vám něco při budování Vašeho polovodičového PA nezdaří. Každý svému štěstí strůjcem. 73 ok1vpz 8/2017 |
