Эффективная защита транзисторов выходного каскада УМЗЧ

[Mepavel]

Предлагаемая для рассмотрения электрическая схема защиты транзисторов выходного каскада (ВК) УМЗЧ позволяет точно учесть их статическую и импульсные области безопасной работы (ОБР) в широком диапазоне температур и при работе на произвольную комплексную нагрузку.
Благодаря этому в отличие от традиционных схем защит отпадает необходимость в двух-, трёх- и даже четырёхкратном запасе по мощности транзисторов ВК.
Основные особенности:
- Высокая точность;
- Непосредственное и непрерывное измерение мгновенной рассеиваемой мощности на транзисторном кристалле, что позволяет адекватно работать на любую реактивную нагрузку (учёт эллиптической нагрузочной кривой);
- Динамическое измерение температуры перехода кристалла (Tj) и тока стока (коллектора) (учёт импульсной ОБР);
- Зависимость ОБР от температуры корпуса (Tc);
- Гарантированная и правильная работоспособность в широких пределах изменения напряжения питания ВК;
- Малый температурный дрейф параметров полупроводниковых элементов защиты;
- Простая настройка (отсутствует надобность экспериментального подбора большого числа номиналов схемы).
Электрическая схема защиты

Основным элементом схемы является четырёхквадрантный аналоговый умножитель AD633, который обладает высокими показателями по быстродействию, точности и термостабильности. Напряжение с резистивного датчика тока R4 предварительно усиливается УН на ОУ X3 в 10 раз и поступает на дифференциальный вход X умножителя на X4. Напряжение сток-исток (коллектор-эмиттер) через резистивный делитель 1:10 подаётся на вход Y умножителя. Таким образом, с учётом математической формулы умножителя получаем на 100 Ватт рассеиваемой мощности приращение в 1 Вольт выходного напряжения умножителя. Далее сигнал с выхода умножителя идёт на интегрирующую цепочку R8С1, которая учитывает динамику разогрева кристалла. Напряжение с конденсатора С1 поступает на компаратор X2, который срабатывает при превышении заданного порога по мощности. Контроль за превышением максимально допустимого тока стока (коллектора) осуществляет компаратор X6. Сигнал «тревоги» с выхода компараторов X2 и X6 складывается диодным «ИЛИ» и поступает, например, на вход «Мute» усилителя (разумеется через логическую развязку «ИЛИ» с других плеч ВК).
Результат моделирования схемы , оптимизированной под транзистор типа 2SC5200

Зависимость ОБР от температуры корпуса транзистора

Pmax=f(Tc)=(Tj-Tc)/Rt, (1)

где Pmax – максимально допустимая рассеиваемая мощность транзистора;
Tj – максимально допустимая температура перехода;
Tc – температура корпуса транзистора;
Rt – тепловое сопротивление переход-корпус.
Эта зависимость учитывается, с помощью термодатчика на транзисторе Q1, сигнал с которого подаётся на вход суммирования Z умножителя.
Например по формуле (1) для транзистора 2SC5200 максимальная рассеиваемая мощность Pmax составляет 150 Ватт при Tc=25 C (Rt=0,833 С/Ватт), а при Tc=100 С она уменьшается до 60 Вт. Учитывая, что при Pmax=150 Вт на выходе умножителя должно быть приращение напряжения на 1,5 В, а при Pmax=60 Вт соответственно на 0,6 В, нужно делителем R1R2 добиться такого ТКН термодатчика, чтобы при повышении температуры с 25 С до 100 С напряжение Uэк транзистора Q1 изменялось на 1,5-0,6=0,9 В.

[свернуть]

[Nikolay_Po]

Об этом я писал. Только не всё так просто. Ваша защита далеко не скользит по границе ОБР, (выходит за неё при средних значениях напряжений - пост #50). Поэтому для живучести усилителя при любых видах нагрузки и формы сигнала придётся делать 2-3-х кратный запас по мощности для транзисторов ВК при Tc=85С. А это значит при меньших температурах радиатора коэффициент использования транзисторов ВК будет совсем низким.

Именно так. Если пытаться рассчитать усилитель на "любые виды нагрузки" с простой защитой. Если не трёх-кратный, то двухкратный как минимум.
Если у Павла идея до работчего состояния дойдёт - в слдующей конструкции возьму такую защиту и транзисторов быстрых и по-минимуму. Будет "лёгкий" усилитель. И по звуку, и по весу.

[Mepavel]

Хорошо, тогда объясните вот что. Берём даташит на mjl3281 и видим максимальный постоянный ток коллектора 16А и максимальный импульсный ток коллектора 25А при длительности импульса 5мс и скважности 10%, примерно то-же для mjl21194. Понятно, что средняя мощность за период остаётся в рамках ОБР, но почему допустимый ток в 2 раза больше?

Не понимаю, что Вас смущает? За оставшиеся 45 мс кристалл и металлическое основание из медного сплава под ним полностью остынет и транзистор снова готов к бою. За 5 мс успевает разогреться только кристалл, основание холодное.
Поэтому как раз на эту разницу в перепаде температур и будет выигрыш в динамическом тепловом сопротивлении транзистора. Другими словами, за время 5 мс можно пренебречь тепловым сопротивлением теплоотводящего основания транзистора. Как уже писал, тепловое сопротивление этого основания обычно составляет 20-40% (редко больше) от полного теплового сопротивления переход-корпус.

но почему допустимый ток в 2 раза больше?

Не в два, а в 25/16=1.56 раза. Т.е. можно даже рассчитать процентную долю вклада теплового сопротивления основания (1-16/25)*100%=36%, оставшиеся 64% у кристалла.
В ВЧ и СВЧ транзисторах пытаются снизить тепловое сопротивление основания. Обычно добавляется теплораспределительная подложка из поликристаллического алмаза или весь корпус изготавливают из специальных порошковых материалов с высокой теплопроводностью (в ряде случае удаётся снизить тепловое сопротивление основания в 2-3 раза).

[shkal]

Подождите, реч идёт о максимальном токе коллектора при любом Uкэ. Никто не мешает взять Uкэ=5В и мощность будет ниже предельно допустимой и при 25А.

[Mepavel]

Подождите, реч идёт о максимальном токе коллектора при любом Uкэ.

Всё верно, при изменении напряжения Uкэ локализация тепловой мощности меняется в кристалле. При малых Uкэ (следовательно больших токах) мощность выделяется на участке контакта металлизации к эмиттерной области транзистора и самом сопротивлении эмиттера (часто для выравнивания распределения мощности, следовательно уменьшения риска вторичного пробоя, в биполярных транзисторах специально делают эмиттерные резисторы для каждой ячейки. В мощных ВЧ и СВЧ, и любых не ключевых транзисторах резисторы всегда присутствуют ). При этом максимальная мощность начинает ограничиваться током коллектора. Таким образом максимальная мощность рассеяния в данной локализации определяется формулой
Pmax=Iк^2*Rэ, где Rэ - пассивное сопротивление эмиттерной области и не зависит от напряжения Uкэ. Кроме того, чаще в быстродействующих транзисторах, ток может ограничиваться толщиной металлизации (пример плавкий предохранитель). Ну и внутренние выводы разварки тоже одно и слабых токовых мест мощных транзисторов (тот же предохранитель). Поэтому в очень мощных приборах используют ленточные вывода.

[Nikolay_Po]

Подождите, реч идёт о максимальном токе коллектора при любом Uкэ. Никто не мешает взять Uкэ=5В и мощность будет ниже предельно допустимой и при 25А.

В транзисторе в роли предохранителя подводящий к кристаллу ток проводник. Он не имеет собственного теплоотвода и, хотя выдерживает большую температуру чем переход транзистора, имеет очень малую теплоёмкость. Полагаю по этим причинам для него не указывают собственную динамическую ОБР, а лишь ограничивают ток.

[Mepavel]

Полагаю по этим причинам для него не указывают собственную динамическую ОБР, а лишь ограничивают ток.

Nikolay_Po, моя работа связана производством транзисторов. И при превышении максимального тока коллектора, как я уже писал, возможно и реально наблюдается три случая:
- перегрев эмиттерной области кристалла (что как раз и есть в случае mjl3281):
- отгорание "пальцев" эмиттерной (истоковой) металлизации;
- разрушение внутренних проволочных выводов (чаще всего это происходит, как следствие, полного выгорания кристалла, т.е. это самая последняя стадия).
Последние два случая меньше всего имеют отношение к ОБР транзистора, поскольку при проектировании онного часто не возникает сложность сделать технологический запас по внутренним выводам и металлизации. За исключением супермощных ключевых приборов, ВЧ и СВЧ транзисторов. Вот там реально все три механизма отказа конкурируют между собой.

[Nota Bene]

Offтопик:
А чё микропроцессор не применить? Обсчитает всё, как миленький

[Mepavel]

А чё микропроцессор не применить? Обсчитает всё, как миленький

Nota Bene, понимаю смешно. Но желающих и советующих сделать такое на микропроцессоре или даже дешёвом микроконтроллере было и есть достаточно много на форуме. Так что Вы не первый.
И что-то пока, насколько я знаю, никто не предложил даже наброски проекта своей затеи. Чувствую стоимость АЦП и микропроцессора будут по больше стоимости умножителя, тем более если хочется получить аналогичные частотные свойства. Про сложности и подводные камни вообще молчу.

[korolkov24]

Павел, не отвлекайтесь, быстрее в схему вставляйте защиту.
Если надо могу усилитель любой набросать, чтобы ваше время сэкономить.

[apson]

Павел,если возможно,поясните роль каскада на транзисторе Q1 из схемы с поста №1,а также как предлагаете решать проблему наличия
большой величины синфазного сигнала на входах у Х3 и Х4,что будет иметь место при практической реализации предлагаемого устройства.

[Mepavel]

Павел, не отвлекайтесь, быстрее в схему вставляйте защиту.

Хорошо, схема скоро будет.

Если надо могу усилитель любой набросать, чтобы ваше время сэкономить.

Было бы неплохо, только надо бы в нём вход Mute предусмотреть. Хотя для начала можно промоделировать работу защиты отдельно с двухтактным повторителем. Я всегда двигаюсь к цели постепенно, чтобы было ясно что к чему.

---------- Добавлено в 10:30 ---------- Предыдущее сообщение в 10:23 ----------

Павел,если возможно,поясните роль каскада на транзисторе Q1 из схемы с поста №1

Это термодатчик, который крепится к теплораспределительной подложке под транзистором ВК (или просто к радиатору, если используется теплопроводная керамика). Напряжение на этом термодатчике изменяется линейно от температуры, и тем самым мы получаем достаточно точную зависимость максимально допустимой мощности от температуры корпуса транзистора (см. картинки из первого поста. Там показаны пороги срабатывания защиты при разных температурах. А так же в том же посте рекомендую прочитать, что написано в спойлере "Зависимость ОБР от температуры корпуса транзистора").

---------- Добавлено в 10:36 ---------- Предыдущее сообщение в 10:30 ----------

а также как предлагаете решать проблему наличия
большой величины синфазного сигнала на входах у Х3 и Х4,что будет иметь место при практической реализации предлагаемого устройства.

Скоро более законченный вариант схемы приведу и там станет всё ясно. Но я, если честно, не понял откуда в схеме из первого поста возьмётся большая величина синфазного сигнала?

[korolkov24]

Было бы неплохо, только надо бы в нём вход Mute предусмотреть. Хотя для начала можно промоделировать работу защиты отдельно с двухтактным повторителем. Я всегда двигаюсь к цели постепенно, чтобы было ясно что к чему.

Схемы включаются высоким уровнем. Два варианта, полевой и биполярный.
Вход есть, а если потребуется можно переделать его.
Забыл совсем, если нет 10-й версии MicroCap, то ещё и в 9-й вакладываю.

[apson]

Скоро более законченный вариант схемы приведу и там станет всё ясно. Но я, если честно, не понял откуда в схеме из первого поста возьмётся большая величина синфазного сигнала?[/QUOTE]

В реальной схеме усилителя входы Х3 и Х4 обычно подключены к точкам,потенциал которых может значительно изменятся от нуля до близкого к амплитуде выходного сигнала, что может значительно превышать допустимую величину синфазного сигнала для Х3 и Х4.

[Mepavel]

Схемы включаются высоким уровнем. Два варианта, полевой и биполярный.
Вход есть, а если потребуется можно переделать его.
Забыл совсем, если нет 10-й версии MicroCap, то ещё и в 9-й вакладываю.

Спасибо, хороший вариант усилителей для теста защиты ВК.

В реальной схеме усилителя входы Х3 и Х4 обычно подключены к точкам,потенциал которых может значительно изменятся от нуля до близкого к амплитуде выходного сигнала, что может значительно превышать допустимую величину синфазного сигнала для Х3 и Х4.

apson, значение потенциала на входах умножителя X4 не должно выходить за границы его уровней питания, т.е. +/-15 В. При использовании напряжения питания усилителя не более +/-50, размах составляет 100 В, который ослабляется делителем 1:10. Таким образом максимальный отрицательный потенциал на входе умножителя будет чуть меньше -10 В (плюс падение напряжения на токовом детекторе), что достаточно далеко до -15 В. А на вход X3 поступает совсем маленькое напряжение, если конечно не гонять токи в несколько сотен ампер. Но тогда можно уменьшить номинал токового детектора.

[Mepavel]

Попробовал переделать схему защиты под однополярное питание от источника ВК.



Схема несколько усложнилась, но зато нет надобности городить отдельный источник двухполярного питания со средней точкой на шине питания ВК.
Результаты переходных процессов:



Защита настраивалась на максимально допустимый ток коллектора 15А, и мощность 150 Вт при 25С (ориентировка на ОБР транзистора типа 2SC5200).
Как видно из рисунка, за одну полуволну выходного сигнала защита срабатывает 3 раза, когда наступают ограничения по мощности (2 раза) и по коллекторному току (1 раз).

[mixxxxxer]

Offтопик:
Ну вот чтоб не отделять разные блоки друг от друга цветными прямоугольниками с подписями относительно функционального предназначения.. Павел, ну вы же инженер, делайте работу стильно..

[Mepavel]

Offтопик:
mixxxxxer, так, наброски же пока. Вылизывается всё не так быстро. Да и стильность меня не особо на данном этапе интересует, главное чтобы понятно было.

В дополнение к посту #115 привожу демонстрацию работы схемы защиты с включенной обратной связью по входу Mute. Срабатывание защиты происходит в течении 4-5 мкс, а отключение в течении 50-60 мс. Таким образом, в случае выхода за пределы ОБР транзисторов ВК (т.е. при превышении их максимально допустимых значений мощности и тока) на вход Mute приходит разрешающий сигнал на время 50-60 мс, затем происходит повторное включение УНЧ сбросом входа Mute и так до тех пор, пока не будут устранены проблемы перегрузки усилителя, которые могут возникнуть из-за перегрева радиатора, подключения опасной неоптимальной нагрузки и в т.ч. КЗ. Ограничение по мощности происходит в соответствии с температурой корпуса транзистора.
Схема



Демонстрация работы защиты в анализе переходных процессов



Как видно, мощность на низких частотах ограничена значением в 150 Вт при температуре 25 градусов.
Теперь тоже самое, но при температуре корпуса 100 градусов.



Теперь мощность ограничивается как и положено при 60 Вт в статике. Короткие всплески мощности больше 60 Вт показывают учёт импульсных ОБР.
P.S. В целом можно считать, что схема закончена. Осталось только дорисовать нижнее плечо. Кстати, можно так и оставить раздельное отключение плеч, как в традиционных схемах защиты. Для этого вход "Mute" перенести "внутрь" схемы.

[shkal]

значение потенциала на входах умножителя X4 не должно выходить за границы его уровней питания, т.е. +/-15 В.

это чтобы он не сгорел, а чтобы он еще и умножал, нужно ограничить входные сигналы уровнем +- 10В

[Mepavel]

это чтобы он не сгорел, а чтобы он еще и умножал, нужно ограничить входные сигналы уровнем +- 10В

Что и сделано в моей схеме.

[shkal]

я понимаю, я бы дал некоторый запас, пару вольт от границ.