УВЕЛИЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
ВСЕ РАСЧЕТЫ УПРОЩЕНЫ И ОТ ПРАВИЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ОТЛИЧАЮТСЯ В СТОРОНУ ЗАПАСА НЕ БОЛЕЕ ЧЕМ НА 15%

ОЧЕРЕДНАЯ ИСТЕРИКА НА ТЕМУ У МЕНЯ СГОРЕЛ УСИЛИТЕЛЬ! ПОСЛУЖИЛА
ПОВОДОМ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭТОЙ СТРАНИЦЫ

НАЧАЛО

О РАДИАТОРАХ

     Теплоотвод (радиатор) для усилителя мощности играет далеко не последнюю роль в его эксплутационных характеристиках, определяя прежде всего надежность усилителя и как правило имеющий свои характеристики. Основными можно назвать пару:
     -тепловое сопротивление
     -площадь охлаждения.
     Если не вдаваться в глубокую физику, то тепловое сопротивление радиатора это есть скорость с которой точка нагрева будет отдавать свое тепло охлаждающим поверхностям - ребрам. Этот параметр учитывается довольно редко, от этого и довольно частые выходы из строя самодельных усилителей. На рисунке 18 показаны схематично процессы нагрева теплоотвода от фланца силового транзистора.

Рисунок 18 Распространение тепла внутри несущего основания теплоотвода.

     При толщине несущего основания 3 мм тепло от фланца довольно быстро достигает тыльной стороны и далее распространаяется довльно медленно, поскоьку толщина материала слишком мала. В результате происходит довольно большой местный нагрев, а охлаждающие плоскости (ребра) остаются холодными. При толщине несущего основания 8 мм тепло от фланца уже достигает обратной стороны радиатора гораздо медленней, поскольку необходимо прогреть участки радиатора в горизонтальной плоскости. Таким обюразом нагрев происходит более равномерно и охлаждающие плоскости начинают прогреваться более равномерно.
     Можно было бы конечно выкопать кучу формул и выложить их здесь, но это слишком "тяжелая" математика, поэтому остановимся лишь на приблизительных результатах расчетов.
     Толщина несущего основания радиатора для усилителй АВ должна составлять 1 мм на каждые 10 Вт выходной мощности усилителя, но не менее 2 мм. При мощностях свыше 100 Вт толщина несущего основания должна быть не менее 9 мм + 1 мм на каждые 50 Вт превышающие 100 Вт. Для усилителей мощности с многоуровневым питанием (G и H) толщину несущего основания следует расчитывать аналогичными образом, но в качестве исходной мощности следует брать мощность усилителя деленную на количество уровней питания.

     Ступенчатость в расчетах при мощностях свыше 100 Вт связана с тем, что в таких усилителях уже используется по несколько соединенных параллельно транзисторах, которые рассеивают тепло равномерно в разных местах несущего основания радиатора. Для классов G и H мощность делится на 2 потому что именно из за меняющегося напряжения питани (подключение второго уровня) происходит уменьшение выделяемой мощности, кторая рассеивается только при достижении уровня исгнала определеннйо величины.
     Площадь охлаждения расчитывается чисто математически, измерив основные размеры радиатора - рисунок 19

Рисунок 20 Расчет площади охлаждения теплоотвода

     В данной формуле:
     а - толщина несущего основания, удваивается, поскольку имеет контакт с охлаждающей средой (воздухом в данном случае) с двух сторон;
     б и г - по сути высота ребра, используется обе стороны, поскольку обе имеют контакт с охлаждающей средой;
     в - Ширина верхушки ребра, можно принебречь;
     д -расстояние между ребрами радиатора;
     е - длина обратной стороны радиатора;
     n - количество ребер на радиаторе;
     h - высота радиатора.
     Крепежные выступы и дополнительные отливы тоже можно посчитать, но как правило их площадь ничтожно мала по отношению к основной, поэтому ею можно принебречь. В данной формуле так же не учитываются площади торцов ребер.

  Площадь радиатора расчитывается исходя из мощности усилителя и опуская формулы может быть определена по таблице:

     Пугаться огромных площадей охлаждения не следует, поскольку алюминиевый лист 10 х 10 см и толщиной 0,5 см имеет суммарную площадь охлаждения 10 х 10 = 100 кв см, стороны две, следовательно 100 х 2 = 200 кв см, плюс 4 торцевых стороны с площадью 0,5 х 10 = 5 добавлляет еще 20 кв см и в результате получаем 200 + 20 = 220 см, а радиатор показанный на рисунке 27 (габариты 17 х 5,5 х 11,5 см) имеет площадь охлаждения 3900 кв см, тем более в расчеты заложен нарев радиатора до 80 градусов при воспроизведении самых жестких композиций.
     Тут же следует дать ответ на вопрос А ПОЧЕМУ ДЛЯ КЛАССОВ G и H ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРОВ ПОЧТИ В ДВА РАЗА МЕНЬШЕ И ПОЧЕМУ НА G МЕНЬШЕ ЧЕМ НА H?
     Для получения более понятного ответа стоит вернуться к сериалу рисунков 7-13 и еще раз перечитать - максимальная мощность рассеивается только в моменты выходной сигнал проходит амплитудногое значение равное половине напряжения питания, в остальные моменты она или растет или уменьшается. При питании двумя уровнями рассеиваемая мощность увеличитвается пока не достигнет половины величины питания первого "этажа", затем уменьшается и дойдя до величины равной почти питанию первого "этажа" снова начинает увеличиваться до максимума, поскольку ступенчато включается второй этаж питания (класс H), а он по величине больше первого "этажа" в 2 раза. Однако после включение второго "этажа" мощность по мере роста велечины выходного сигнала уменьшается. Следовательно за один полупериод синусоидального сигнала оконечные транзисторы будут дважды рассеивать макисмальную мощность, но она превысит величину по сравнению с классом АВ лишь на несколько процентов. Для класса G процессы нагрева несколько отличаются от H, поскольку подключение второго "этажа" питания происходит не ступенчато, а плавно и рассевиваема мощность оконечных транзисторов распределяется, правда не равномерно - втрому "этажу" приходится тяжелей первого. Пока амплитуда выходного сигнала не достигла велечины включения второго этажа оконечные транзисторы работают в обычном режиме, а когда второй этаж включается в работу они мощность рассеивают, но уже не значительную, поскольку как правило закладываемая разница между первым и вторым этажом составляет 15-18 В. В при включеннии транзисторов второго этажа наибольшую мощность рассеивают именно они и происходит это в момент их включения, а по мере роста амплитуды выходного исгнала расеиваемая мощность уменьшается. Другими словами площадь охлаждения усилителей G меньше чем H как раз за счет того, что тепловыденеие происходит в разных местах радиатора - пока работает первый этаж - греются одни транзисторы, как только включается второй этаж они начинают остывать, а греются уже другие транзисторы, расположенные в другом месте радиатора.
     Если радиатора с подходящей площадью охлаждения нет, то можно воспользоваться принудительным охлаждением, установив на радиаторы вентиляторы от компьтерной техники (рисунок 21).

Рисунок 21 Внешний вид компьтерных вентиляторов

     При покупке вентилятров следует обратить внимание на надписи на его наклейки. Кроме производителя на вентиляторах указывается напряжение и потребляемый ток, который как раз и определяет производительность вентилятора. На рисунке 22 слева безшумный тихоход (ток 0,08А), который почти не слышно, но и который дает довольно слабый охлаждающий поток, а справа - гудящий ветродув (ток потребления 0,3А). Рекомендуется для усителей мощности использовать высокопроизводительные вентиляторы, поскольку уменьшить производительность можно всегда уменьшив обороты вращения (уменьшить напряжение питания), а вот увеличить получается не всегда, а если точнее - очень редко. Нескольк вариантов управления вентиляторам можно посмотреть здесь.

Рисунок 22 Слева малопроизводительный безшумный, справа высокопроизводительный гудящий.

     При выборе вентилятора кроме производительности следует определиться с размерами, поскольку размеров на рынке уже достаточно много, да и наработка на отказ у всех разная, поскольку некоторые проиводители используют подшипники скольжения (вал крыльчатки вращается во вкладышах из порошковой бронзы), а некоторые используют шарико-подшипники, которые конечно же работают гораздо дольше и меньше подвержены забиванию пылью.
     Вариантов обдува может быть несколько, для примера расмотрим два, самых популярных.
     Первый, по сути широко используемый в компьютерной технике, вариант, когда вентилятор устанавнивается со стороны ребер, причем воздушный поток направляется как раз между ребер охлаждения (рис 23).

Рисунок 23 Установка вентилятора со стороны ребер радиатора

     Менее популярный среди компьютерной техники, но достаточно популярный среди промаппаратуры способ трубы. В этом варианте два радиатора разворачиваются ребрами друг к другу, а воздушный поток направляется между ребрами вентилятором расположенным с торца радиаторов (рис 24).

Рисунок 24 Сборка аэротрубы из двух одинаковых радиаторов.

     Этот вариант для аудиотехники несколько предпочтительней, поскольку одним вентилятором может "продуваться" довольно длинный радиатор, при расположении на одном радиаторе транзисторов n-p-n структуры, а на другом - p-n-p можно обойтись без электроизолирующих прокладок, что уменьшит тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором. Разумеется радиаторы будет необходимо изолировать от корпуса и этот способ приемлем для усилителей в качестве выходного каскада которых используются эмиттерные повторители.
     Кстати сказать - используемые в компьютерах радиаторы для процессоров расчитаны на принудительное охлаждение и не смотря на то, что имеют достаточно большие площади охлаждения использование без вентиляторов не желательно. Дело в том, что расстояние между ребрами радиатора ОЧЕНЬ мало и естественная циркуляция воздуха затруднена в следствии чего теплоотдача падает практически в 2,5...3 раза. Используя же вентилятор с током потребления 0,13А один радиатор от процессора P-IV вполне справляется с теплом от двух установленных на него усилителях СТОНЕКОЛД с выходной мощностью 140 Вт каждый.
     
     Подводя итоги всего выше сказанного можно сделать выводы:
          -при выборе радиатора следует обращать внимание не только на площадь охлаждения, но и на толщину несущего основания;
          -усилители мощности с двухуровневым питанием греются почти в 2 раза меньше усилителей класса АВ при одинаковых выходных мощностях;
          -при недостатке площади охлаждения мощно использовать принудительное охлаждение (вентиляторы) с регулируемой производительностью.

О ТРАНЗИСТОРАХ НА РАДИАТОРАХ

     Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно расчитана остается еще одна проблема - правильно установить транзисторы на радиатор.
     Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов или микросхем - там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской. В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.
     В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок показаны на рисунках .

Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности
радиатора в местах удаления "не нужных ребер", "черновой" шлифовки.
Во время обработки радиатор обязательно закрепить в тисках подходящего размера.

     Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для "чистовой" шлифовки, причем использование отрезной машины не желательно - аллюминий "залипает" в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень сложно - можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой - работа будет в радость.

     При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и "лишние" фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер - так его будет удобней держать в руке). Затем на обе "рабочие" строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую - мелкозернистая для "чистовой". Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше - она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на тряпочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости - начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной "нулевки".

Рисунок 27

     Радиатор от "древней" телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей на TDA7293
Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см - расчетная величина для суммарной мощности 150 Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.

     Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки. Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж не нужен - внутри корпуса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.
     Выйти из положения можно изготовив такой крепеж самостоятельно, используюя обычные винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.
     Пока клей подсыхает необходимо сделать "кондуктор" - приспособление, которое позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален, но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на глубину 1,2...1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).     

Рисунок 28

     Затем на винт одевается шайба и он закручивается в "кондуктор" до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст - КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.   

Рисунок 29


Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.

     Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно - при четырех парах оконечников надо подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.
     Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще.

Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.

     Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить сразу - ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3...0,8 мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине корпуса.
     Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:
     - от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм
     - от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм
     - от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм
     - от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.
     Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить транзисторы практически в любых корпусах.
     Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить в трое, при креплении корпусов ТО-247 - в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL - в пятеро. Текстолит очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства. После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.
     Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию путем увеличения отверлителя не стоит - клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот - уменьшают время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет сушильного шкафа.
     Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные в двое дополнительные полоски текстолита.
     После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).
     В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит, то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал.

Рисунок 32

     Небольшой технологический совет - не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала, под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).
     Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор "разнокаллиберных" транзисторов" используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.
     Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать значительно реже....

                 Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ.