9260 Endstufenplatine und Treiberplatine

Saba-oldie schrieb:

sie neigt tatsächlich zum schwingen

Yes, Sir!
Das ist hier im Forum vor längerer Zeit schon mal ausführlich studiert worden und Gegenmassnahmen wurden entwickelt.

In der Simulation der originalen SABA-Endstufe kann man die Schwingneigung gut sehen, wenn man parallel zur 4 Ohm Last noch einen "Schwingungsstimulus" in Form eines 100 nF Kondensators legt.
Mit den Gegenmassnahmen bleibt die Endstufe von dem 100 nF Schwingungsstimulus (kapazitive Parallel-Last) völlig unbeeindruckt.


Original SABA 92xy Endstufe Schleifenverstärkung (nach Tian) mit Schwingungsstimulus 100 nF parallel zu 4 Ohm am Ausgang: Endstufe schwingt (2 MHz)!



Modifizierte SABA 92xy Endstufe Schleifenverstärkung (nach Tian) mit Schwingungsstimulus 100 nF parallel zu 4 Ohm am Ausgang: Endstufe schwingt nicht.



Die Modifikation der originalen SABA-Schaltung ("mod. SABA") besteht in:

RL-Parallel-Glied (10R // 1- 1,5 µH) vor dem Ausgang ergänzt
C1165 ersatzlos entfernt (C1165 hat aber nur geringen Effekt, kann optional auch bleiben)
C1157 ersatzlos entfernt
Basis-Kollektor C von 15 nF jeweils an T1156 und an T1163 ergänzt
Alle Dioden auf der Endstufenplatte durch schnelle 1N4149 ersetzt

Optional / zusätzlich (ohne Wirkung für Schwingneigung):
C1116 = 47 µF, bipolar (erniedrigt untere Grenzfrequenz)
C1101 = 47 µF
D1101 überbrückt mit 2,2 µF Folie (Rauschverhalten, schliesst Rauschspannung über der Zenerdiode kurz)


Simulationsmodelle:
End-/Leistungstransistormodelle nur für Simulation = BD243C / BD244C (da BDV93 / BDV94 nicht verfügbar)

.MODEL BD244C pnp IS=1.84064e-11 BF=154.094 NF=0.85 VAF=43.9293 IKF=2.19674 ISE=3.99858e-12 NE=3.50008 BR=2.30492 NR=0.909946 VAR=1.47493 IKR=10 ISC=5.5e-13 NC=3.9375 RB=4.66519 IRB=0.1 RBM=0.1 RE=0.000378354 RC=0.103409 XTB=0.1 XTI=1 EG=1.206 CJE=2.0486e-10 VJE=0.4 MJE=0.28771 TF=1e-08 XTF=2.84909 VTF=6.15353 ITF=0.001 CJC=1.10865e-10 VJC=0.627163 MJC=0.23 XCJC=0.799927 FC=0.8 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5 TR=4.10043e-07 PTF=0 KF=0 AF=1 Vceo=100 Icrating=6 Mfg=On_Semi

.MODEL BD243C_on npn IS=8.44676e-12 BF=163.26 NF=0.85 VAF=45.8213 IKF=2.08356 ISE=3.99831e-12 NE=3.5001 BR=2.16419 NR=0.911774 VAR=1.4888 IKR=10 ISC=5.5e-13 NC=3.9375 RB=4.77225 IRB=0.1 RBM=0.1 RE=0.000373127 RC=0.103853 XTB=0.1 XTI=1 EG=1.206 CJE=2.0486e-10 VJE=0.4 MJE=0.287713 TF=1e-08 XTF=3.03299 VTF=5.79917 ITF=0.001 CJC=1.10863e-10 VJC=0.627162 MJC=0.23 XCJC=0.799945 FC=0.8 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5 TR=4.16478e-07 PTF=0 KF=0 AF=1 Vceo=100 Icrating=6 Mfg=On_Semi

Treibertransistoren für Simulation = BD 139 / BD140 (da BD417 / BD418 nicht verfügbar)

BD139 / BD140 jeweils (LT)Spice-Modelle von Cordell (cordellaudio.com/book/spice_models.shtml)

Dioden 1N4149 =
.MODEL 1N4149 D(Is=2.682n N=1.836 Rs=.5664 Ikf=44.17m Xti=3 Eg=1.11 Cjo=2p M=.3333 Vj=.5 Fc=.5 Isr=1.565n Nr=2 Bv=100 Ibv=100u TT=11.54n)

BSW39/6 = BC639
BC447 = BC546B


Gruß
Reinhard

Noch ganz auf die Schnelle Temperatursimulation der Saba-Endstufe:
ungleichmäßige Erwärmung der Treibertransistoren hat auch in der Simulation die von Roger beschriebene Wirkung:

T1144/ T1146 20 °C wärmer als T1171: Ruhestrom sinkt, geht bis nahe Null

T1171 20 °C wärmer als T1146: Ruhestrom steigt stark, Verdoppelung

Dadurch wird auch verständlich, dass die Montage aller Treiber und des Ruhestromtransistors auf einem gemeinsamen Kühlkörper stabilisierend wirkt.

Was ich nicht nachstellen konnte, war der starke Anstieg beim Aufheizen der Endtransistoren allein. Der Ruhestrom steigt in der Simulation unter Verwendung der identischen Transistormodelle wie in Reinhards letztem Post, aber nur moderat, um ca. 25 mA bei einer Erwärmung von 27 °C auf 80 °C.

Die verwendeten Modelle (BD139/ BD140 Cordell, BD243/ BD244 OnSemi, und übrigens auch MJL21195/ MJL21196) zeigen alle einen Temperatureinfluss auf Ube und Stromverstärkung, wie man ihn erwartet: Ube fällt mit steigender Temperatur, Stromverstärkung steigt an. Die Kurven verlaufen auch halbwegs plausibel im Vergleich zu den Datenblattangaben.

Die Zuverlässigkeit von Transistormodellparametern ist leider nicht verlässlich. Bei den Modellen von Microcap für BD139 und BD140 ist z. B. die Stromverstärkung nicht von der Temperatur abhängig. Noch krasser, die dort hinterlegten Modelle für BD243/ BD244 zeigen ein gegenläufiges Verhalten zur Realität: Die Stromverstärkung sinkt mit steigender Temperatur.

.MODEL MJL21195 PNP (BF=90.2752 BR=1.25494 CJC=5E-10 CJE=1.11548E-08 EG=1.05487
+ FC=0.986555 IKF=7.83841 IKR=2.13448 IRB=0.11862 IS=6.37655E-11
+ ISC=9.34142E-13 ISE=9.34273E-13 ITF=2.77166 MJC=0.23 MJE=0.425135 MJS=0.5
+ NC=3.03125 NE=1.83109 NF=1.18734 NR=1.28898 RB=8.06406 RBM=1.99921
+ RC=0.0813241 RE=0.000831111 TF=1E-08 TR=1E-07 VAF=1000
+ VAR=421.175 VJC=0.95 VJE=0.665374 VJS=0.75 VTF=78.5103 XCJC=0.614127
+ XTB=1.34369 XTF=2.24249 XTI=1.05543)

.MODEL MJL21196 NPN (BF=72.017 BR=4.98511 CJC=5E-10 CJE=1.38873E-08 EG=1.11401
+ FC=0.8 IKF=9.99333 IKR=4.50711 IRB=0.1 IS=9.91162E-11 ISC=3.25E-13
+ ISE=7.00002E-12 ITF=2.83908 MJC=0.23891 MJE=0.436413 MJS=0.5 NC=4 NE=3.375
+ NF=1.14361 NR=1.21116 RB=9.33972 RBM=0.1 RC=0.0378089 RE=0.000642966
+ TF=1E-08 TR=1E-07 VAF=25.2734 VAR=6.29246 VJC=0.95 VJE=0.4
+ VJS=0.75 VTF=3.13272 XCJC=0.800721 XTB=0.1047 XTF=50.3784 XTI=1.03131)

Diagramme zu den Transistorparametern
26.10.26: PDF-Anhang mit Modellparametern von BD139/ BD140, MJE15034/ MJE15035, BD243C/ BD244C, MJL21195/MJL21196 , Vergleich der Basis-Emitterspannungen und der DC-Stromverstärkung bei verschiedenen Temperaturen zwischen Simulation und Datenblattangaben
BD139/140 und BD243/ BD244 passen relativ gut,
MJL21195/MJL21196 passen ebenfalls.
Bei MJE15034 ist die Spreizung der UBE-Spannungen zu gering modelliert, außerdem verläuft die Änderung der Stromverstärkung bei hohen Temperaturen nicht wie erwartet.
MJE15035 passt bis auf die Stromverstärkung bei niedrigen Kollektorströmen und sehr hoher Temperatur

Ruhestrom-Temperaturverhalten
Schaltung im Anhang, gemäß SABA 9260, allerdings ohne den Part Strombegrenzung (T1156/ T1163 + Peripherie), die sind für den Ruhestrom erst mal nicht interessant.

Den Treibern habe ich eine Temperatur von 57 °C zugeordnet. Sie müssen ca. 0,3 Watt umsetzen und haben nur kleine Kühlfahnen. Mit einem überschlägigen Gesamtwärmewiderstand von 30 K/W erwärmen sie sich damit um ca. 10 Grad gegenüber ihrer Umgebungstemperatur. Die liegt, früheren Messungen zufolge durchaus mal 20 Grad über der Raumtemperatur. Deshalb: 27°C Bezugstemperatur + 20° C Innentemperatur + 10 °C Transistortemperatur = 57 °C

Endstufentransistoren: Sie setzen in Ruhe ca. 3 Watt um. Der große Kühlkörper muss in der Lage sein, ca. 250 Watt bei ca. 100°C an die Umgebung abzugeben --> geschätzte 0,3 K/Watt. Er erwärmt sich also bei 8 x 3 Watt Verlustleistung um ca. 7 K. Dazu kommt allerdings noch der transistorinnere Wärmewiderstand von 1,56 K/W. + Glimmerplatte (0,4 K/W) und Übergang Blechwinkel - Kühlkörper (0,1 K/W): 2,06 K/W = 6,2 °C Erwärmung des Chips Insgesamt ca. 13 Kelvin im Vergleich zur Außentemperatur = 40 °C

Der Ruhestromtransistor ist mit dem NPN-Treiber thermisch gekoppelt, setzt selbst aber kaum Leistung um. Dessen Chip muss deshalb kühler sein als der Treibertransistor. Ich habe grob geschätzt und eine 10 Grad niedrigere Temperatur angenommen.

Mit diesen Werten habe ich in der Simulation einen Ruhestrom von ca. 70 mA eingestellt und dann simuliert, wie sich dieser Ruhestrom bei Erwärmung der Endstufentransistoren von 27°C auf 100°C ändert. In jedem Diagramm befinden sich mehrere Kurven, die gehören zu Stepping-Parametern, einmal war das die Temperatur der Treibertransistoren bei Annahme, dass sie sich gleich erwärmen. Das zweite Diagramm stellt dar, wenn der PNP-Treiber einmal 20 Grad wärmer und einmal 20 Grad kälter ist.



Die gleichmäßige Änderung der Temperaturen der Treiber zeigt kaum Auswirkungen auf den Ruhestrom. Die Erwärmung der Endtransistoren erhöht den Ruhestrom, aber in einem noch vertretbaren Maß. Letzteres steht im Widerspruch zu Rogers Beobachtung.



Unterschiedliche Erwärmung der Treiber: Wenn der PNP-Treiber T1171 um 20 Grad wärmer ist als der NPN T1146, steigt der Ruhestrom stark an, ist er kühler, sinkt der Ruhestrom. Das entspricht dem Verhalten, das Roger gesehen hat.

chriss_69 schrieb:

Die Zuverlässigkeit von Transistormodellparametern ist leider nicht verlässlich.

Leider nicht per se.
Es ist und bleibt die permanente Aufgabe, voreingestellte Modelle in den Programmen zu überprüfen und, falls erforderlich, durch bessere zu ersetzen. Deshalb habe ich die von mir verwendeten Modelle spezifiziert (und nicht "irgendwelche" Modelle verwendet, sondern solche, mit denen ich bisher gute Erfahrung gemacht habe) - Christian hält es auch so, er überprüft meist sogar noch sorgfältiger als ich. Hier wieder demonstriert.

Manchmal hat man ein bestimmtes Modell für ein Bauteil, dass für eine Eigenschaft "A" gut funktioniert aber bei einer anderen "B" versagt. Und bei einem anderen Modell für dasselbe Bauteil ist es u.U. genau anders herum. Dann wählt man spezifisch je nach Aufgabenstellung aus oder korrigiert die Bemessung des Fehler-verursachenden Parameters, was aber ggf. nicht einfach ist, da sich die Parameter gegenseitig beeinflussen und dadurch u.U. eine andere Eigenschaft in Schieflage geraten kann.

Hilft also nur, immer zu überprüfen, wie Christian das hier auch gemacht hat.

Man sollte meinen, dass die Modelle, die von den Halbleiterherstellern selbt stammen oder von Ihnen für ihre Bauteile publiziert wurden, besonders zuverlässig wären. Die Erfahrung zeigt allerdings, dass dem oft nicht so ist. Auch die Modelle in den "Standard"-Bibliotheken der Simulationsprogramme sind hier und da fehlerbehaftet. Oft gibt es noch andere Simulationsmodelle zum selben Bauteil, die es sich dann auszuprobieren lohnt. Man kann sich nicht allein auf die bequeme Modellbibliothek, die mit dem Simulationsprogramm by default kommt, verlassen.

Mir ist aufgefallen, dass mit den Programm-Updates sehr oft Modelle von jüngeren ICs und Operationsverstärkern verbessert werden, aber fehlerhafte Modelle von alten Dioden- und Transistor-Typen werden selten oder gar nicht korrigiert. Das läuft am Ende allein auf Anwender-Erfahrung hinaus, bei Transistortyp XY besser das Spice-Modell "Philips" zu verwenden, bei Typ VZ besser das Modell "ON" vom Jahr soundso und bei Typ VWQ am besten das Modell von Cordell oder einem anderen erfahrenen Nutzer, der mit dem Standard-Simulations-Modell unzufrieden war,... usw. Bei jedem, der häufiger simuliert, hat sich solche empirische Erfahrung mehr oder weniger nach einiger Zeit angesammelt. Grundsätzlich ist das aber eine nie endende Sache.


NACHTRAG:

Überprüfung der SABA Endstufe auf Schwingen mit den von Christian verwendeten MJL21195/21196 Endtransistor-Modellen
Saba 92xy Original Endstufe vs. mod. Saba 92xy Endstufe (mod. wie oben angegeben), beide mit Endtransistoren MJL21195 / MJL21196 (ON-Semi Spice Modelle, wie von Christian angegeben).

Prüfung von Phasen- und Gain-Marge der Schleifenverstärkung mit der Tian-Methode mit 100 nF kapazitiver Parallel-Last am Ausgang ("Schwing-Stimulus") zusätzlich zu 4 Ohm. Das Ergebnis ist qualitativ wie zuvor mit den BD243 / BD244 Modellen:

SABA-Original-Endstufe: Schwingt!
Modifizierte SABA-Endstufe: Schwingt nicht.

Interessant ... vom Platz her ginge es ja ohne Probleme, einen L-förmigen Alustreifen so einzusetzen, dass alle 3 Transistoren (Treiber und Ruhestrom) darauf sitzen. So würde man vermeiden, dass der einzeln stehende in die Suppe spucken kann. Dass sie nicht auf der Hauptplatine sitzen liegt vermutlich auch daran, dass die Treiber nicht sonderlich warm werden im normalen Betrieb, und daher auch die Temperatur des Kühlkörpers gar nicht annehmen müssen/sollen (?).

BD 245 C / 246 C ist doch gut verfügbar (ISC, preiswert und m.E. gut), von den Treibern habe ich noch je einen Beutel, habe daher noch nie auf BD 139 / 140 zurückgreifen müssen. Bei denen kommt es sehr auf den Hersteller an, wie gut sie sind. Und bei NOS sollte man ausmessen, die Stromverstärkung streut nach meiner Erfahrung eher stark.

Es wird auf jeden Fall interessant sein, welche Paarungen sich am Ende für Sziklai gut eignen. MJ 15030 / 15031 könnte da eher ungünstig sein (so habe ich das auch schon das eine oder andere Mal gelesen). Warum, weiss ich aber nicht.

Besten Gruss,

Michael

Klingt interessant, und es läuft ja nichts weg ... ja, die ISC-Typen sind größer, passen aber auch bei der alten Platine. Ich nehme letzthin meist die, wenn ich sie brauche, und die alten nur noch für die Endstufen im 9140 und 9141, wo sie mit einer geringeren Spannung laufen (und dann auch weniger Leistung liefern). Dem Klang schadet das aber nicht, der 9140 ist da nicht schlechter als die 92xx.

Besten Gruss,

Michael

Wiederholung der Temperaturmessungen mit den Transistorkombinationen MJE15034/35 und MJL21195/96:

Zunächst: Die Endstufe schwingt in dieser Kombination, schon ohne Stimulus-C am Ausgang. Neben Rogers Änderung von R1144 auf 4,7 Ohm habe ich C1121 von 10p auf 22 p erhöht, um wieder ausreichende Phasen- und Gain-Reserve zu haben. Dann das Spiel wie vier Posts früher geschildert: Ruhestrom und Mittenlage eingestellt, danach die gleichen Temperatursimulationen:



Endtransistor-Temperatur: etwas geringerer Temperaturanstieg, aber Tendenz ähnlich
Treibertransistorentemperatur: hat noch immer kaum einen Einfluss



Temperaturunterschiede bei den Treibern: Gleiche Tendenz wie bei der ersten Transistorpaarung, etwas geringerer Einfluss.

Viele Grüße,
Christian

Saba-oldie schrieb:

Hinweis an Chriss: Simuliere doch bitte mal als Treiber den BD139/140 und als Q6 den BD139.

Schon gemacht, allerdings mit BD243/244 als Endtransistoren.

Der Fall, Treiber T1146/T1171 und Ruhestromtransistor T1144 auf gemeinsamem Kühlkörper entspricht der Variante mit Temperaturgleichheit für NPN- und PNP-Treiber. Aber: Der Ruhestromtransistor wurde mit einer Temperatur von 10 Grad unter der der Treiber simuliert, da ja die in den Treibern entstehende Wärme erst über den Kühlkörper und über den Leadframe des Ruhestromtransistors zum Chip fließen muss. In der Praxis heißt das: Der Ruhestrom wurde nach einer gewissen Einlaufzeit, ca. 30 Min, eingestellt, es herrscht thermisches Gleichgewicht zwischen Treiber und Ruhestromtransistor. In dieser Konstellation (Eigenerwärmung) steigt der Ruhestrom bei Erwärmung des Geräteinneren etwas an.

Grafen, Erläuterungen zu den angenommenen Temperaturunterschieden finden sich hier:
http://saba-forum.dl2jas.com/index.php/Thread/9548-9260-Endstufenplatine-und-Treiberplatine/?postID=139724#post139724

Der Fall: Erwärmung des KK für die drei Transistoren mittels Heißluft (Fremderwärmung) setzt den Temperaturfluss von den Treibern zum Ruhestromtransistor außer Kraft. Ihre Temperatur gleicht sich an. Und dann stellt sich auch der Effekt ein, dass der Ruhestrom sinkt. Das liegt aber im Wesentlichen nicht an der allgemeinen Temperaturerhöhung, sondern am Schwinden des Temperaturunterschiedes zwischen Treiber und Ruhestromtransistor. Hier ist das Simulationsergebnis:



Ich würde die Erkenntnisse mal so zusammenfassen: Es kristallisiert sich in Praxis und Simulation übereinstimmend heraus, dass die gemeinsame Unterbringung der Treiber + Ruhestromtransistor auf einem gemeinsamen, etwas massiveren Kühlkörper als dem Saba-Blechlein, sinnvoll, und dass die thermische Kopplung mit den Endtransistoren bei Sziklaikonfiguration nicht notwendig ist. Auch deinen Hinweis, dass Ruhestromtransistor und Treibertransistor hinsichtlich ihres Ube-Verhaltens zusammenpassen müssen, kann ich nur unterstützen.

Bezüglich Stromaufteilung bei Verwendung von zwei Endtransistoren ohne aufwändiges Matching halte ich nur die Lösung mit Emitterwiderständen von 0.22- 0,33 Ohm für gut geeignet. Getrennte Basiswiderstände wirken thermisch nicht stabilisierend und nur wenig ausgleichend bei unterschiedlichen Stromverstärkungsfaktoren.

Viele Grüße,
Christian

Klasse -- sehr schöne Analyse -- und die passt nach meinem Verständnis ziemlich gut zusammen mit dem, was man bei vielen Sziklai-Varianten in den einschlägigen Büchern und bei Aufbauten sieht: Kopplung zwischen Treibern und Ruhestromtransistor, aber nicht mit den Hauptkühlköper).

Dass man etwas länger warten muss, bis der Ruhestrom sich "eingependelt" hat, fände ich nicht schlimm, das muss man eigentlich ohnehin tun. Statt des winzigen Alustreifens an den beiden npn-transistoren einen längeren Winkel zu nehmen, z.B. von einer 2 mm Alu-Flachstange und dann einmal gewinkelt, wäre m.E. kein größeres Problem. Klar, es ist nicht so gut wie eine Montage nahe beieinander, aber den pnp-Transistor mit längeren Beinchen zu versehen (um räumliche Nähe herzustellen) wird man sich eher mit Stabilitätsproblemen durch die längeren Zuleitungen erkaufen, das würde ich nicht machen.

Ich denke hier primär daran, die vorhandenen Endstufen betriebssicher und zuverlässig zu machen --- nicht jeder kann und will eine komplett neue Schaltung einbauen (das ist ja eher etwas für Experten, und nicht allgemein zu empfehlen).

Michael

Nachtrag: Es wäre noch gut zu wissen, ob die BD 245C / 246C von ISC genauso gut geeignet sind wie die von ON --- hinsichtlich Preis und Verfügbarkeit nicht ganz unwichtig ... Mir ist bisher kein Problem untergekommen, aber das muss nichts heissen ...

Hallo Michael,

ich habe mit ISC BD245C / 246C und auch BD249C / 250C von ISC als Ersatzbestückung in Endstufen auch nie Probleme gehabt.

Meine Abschlußprüfungen beinhalten u.a. auch immer Tests von Frequenzgang, Klirrfaktor bei Endstufen-Nennleistung an 4 Ohm Last im Testmodus "stepped Sinus". Das dauert pro Endstufenkanal wenigstens 15 Minuten bei "Volleistung und die reparierte Endstufe muss das klaglos mitmachen und hat das auch mit ISC Endstufentransistoren immer bestanden.

Besten Gruß
Reinhard

chriss_69 schrieb:

thermische Kopplung mit den Endtransistoren bei Sziklaikonfiguration nicht notwendig

Ein Ergebnis, das die von SABA vorgenommene Konstruktion - Treibertransistor ist mit Ruhestromtransistor thermisch gekoppelt, aber nicht mit Leistungstransistor - bestätigt. Sehr aufschlussreich!

Im Nachhinein - ich wusste das bisher ja auch noch nicht - obwohl jeder sich ja fragt, warum bei SABA der Ruhestromtransistor thermisch mit einem der Treiber gekoppelt ist, aber nicht mit den Endtransistoren , bzw. dem großen Kühlkörper, habe ich die Suchfunktion bemüht und Christian's Aussage im US-amerikanischen DIYAudio-Forum gestützt gefunden. Dort war sie allerdings nicht näher begründet/belegt. Sinngemäss dort...wer sich mit CFP (amerikanisch für Sziklay-Paar) auskennt, beachtet, dass bei der Sziklay-Konfiguration in Endstufen - anders als bei EF (Emitter-Folger) - die thermische Kopplung des Ruhestrom-Transistors nicht mit den Leistungstransistoren ausgeführt werden darf.

(Ian Finch, 26.8.2013, diyaudio.com/community/threads…utput-satge.241345/page-2):
"The problem with most geriatric CFP designs was either that no designer using it had any clue about the thermal dynamics or they simply couldn't convince engineering departments. There are still guys (Anm. unpassenden Ausdruck verbessert) who tie Vbe sense transistors to the the output transistors as if they were EF designs and probably cross their fingers every time some poor customer buys a product or builds one to their design."

Bin gespannt, worauf die Sache am Ende bei Roger hinauslaufen wird

Gruß
Reinhard

Danke Reinhard ! Gut zu wissen, dass die ISC-Typen einwandfrei laufen. Und danke für die Quelle zu den CFP Konstellationen --- ich wusste nicht mehr, wo ich das gelesen hatte.

Michael

Saba-oldie schrieb:

Hi Christian,
ich werde das weiter verfolgen, wenn die Bauteile da sind.
Gruss Roger

Hallo Roger,
sehr gerne. Mal sehen, was von der Simulation Bestand hat.

Hallo zusammen,

Hier ist noch eine kleine Spielerei. Die Analogsimulation kann man durchaus auch für thermische Leitvorgänge missbrauchen.
Ich habe heute doch einmal die thermischen Leistungsflüsse und Temperaturen simuliert. Getrennt von den elektrischen Parametern funktioniert das mit simplen Modellaufbauten recht einfach, da eine Analogie zu den elektrischen Gesetzen vorhanden ist.



Das sind die gekoppelten thermischen Elemente. Die Kondensatoren stehen für die Wärmekapazität und erzeugen jeweils eine "Ladekurve" für Casetemperatur und Kühlkörpertemperatur



Und so sieht das Ergebnis mit den Simulationswerten aus. Da die meisten Parameter nicht direkt verfügbar sind, habe ich Annahmen getroffen:
Ein TO202-Transistor dürfte ca. 1,5 Gramm wiegen, das meiste davon Kupfer
Diese Transistoren sind mit max. 10 Watt bemessen, wenn das Gehäuse 25°C hat. Mit der max. Sperrschichttemperatur lässt sich Rth_j_c abschätzen: (150 - 25)K/10W = 12,5 K/W

Das Saba-Kühlblech ist ca. 25 mm x 12 mm x 1,5 mm groß --> Dichte --> Masse --> Wärmekapazität
Den Wärmewiderstand habe ich gröblichst anhand anderer kleiner Kühlkörper geschätzt.

Die Leistungen der beiden Transistoren stammen aus der elektrischen Simulation. Bei Ruhestrom von 75 mA liegen die Leistungen im angegebenen Bereich: 0,3 Watt und 0,01 Watt.
Nach ca. 300 s tut sich nicht mehr sehr viel. Das passt auch halbwegs zur Faustformel: 5 x Zeitkonstante = 5 *1,5 Ws/K * 40 K/W, danach ist der exponentielle Temperaturangleich weitgehend abgeschlossen.
Die Treiber erwärmen sich um ca. 15 Grad, der Ruhestromtransistor bleibt ca. vier Grad kühler.

Das ist sicher noch ausbaufähig und funktioniert in gleicher Weise auch in LT Spice.

Viele Grüße,
Christian

Christian,

das ist ein cleveres Analogmodell!

Gruß
Reinhard

Bei Nührmann, Großes Werkbuch der Elektronik, Kapitel 1.2.8 Kühlung von Halbleiterbauelementen, findet man für ein rechteckiges blankes Alu-Blech, 10 x 2 cm ( A = 20 cm^2), 5 mm stark, den Wärmewiderstand:

R"a = R1 + R2
= (505/A) x lambda + R2
= [(505/20) x 2,6] + 0,25 K/W

mit A = Fläche = 20 cm^2
lambda = Korrekturfaktor für Rechteckform 2 cm x 10 cm => lambda = 2,6
R2 = 0,25 K/W für Dicke von 5 mm

R"_a = [(505/20) x 2,6]+0,25 K/W
R"_a = 65,9 K/W (66 K/W)

Verwendet man für das Blech matt geschwärztes Alu (schwarz matt eloxiert) statt blankes, glänzendes Alu, verringert sich der Wärmewiderstand auf ungefähr die Hälfte aufgrund der wesentlich verbesserten Wärmeabstrahlung:

R"_a = [(505/20) x 2,6 x 0,55] + (0,25 x 0,85) K/W
R"_a = 36,1 + 0,21 K/W
R"_a = [b]36,3 K/W (36 K/W)

Aber durch bessere Kühlung durch das "Blech" wird die thermische Kopplung an den Ruhestromtransistor ja nicht besser, im Gegenteil! Durch die höhere Wärmeabstrahlung bei Schwärzung geht die Wärme, die den Ruhestrom-Transistor beheizen soll, ja verloren und gleichzeitig werden die Treiber und der Ruhestrom-Transistor dadurch auch noch stärker gekühlt.

Wenn der Ruhestromtransistor in der Mitte des Kühlblechs liegt und die beiden Treiber jeweils 5 cm entfernt an den beiden Enden, wird die Aufwärmung des Ruhestromtransistors durch die Treiber (Temperaturkopplung) schlecht sein. Selbst Verwendung von Kupfer würde das nicht wesentlich verbessern.

Wenn gute thermische Kopplung erzielt werden soll (im Gegensatz zu guter Kühlung), muss der Ruhestromtransistor direkt neben dem/den Treibertransistor(en) auf einem möglichst kleinen, gut thermisch leitfähigen Blech montiert sein (Cu oder Al). Im Grunde genau so, wie SABA das gemacht hat.
Man kann sich noch fragen, ob die Montage des zweiten Treibertransistors neben dem Ruhestromtransistor noch einen Vor- oder Nachteil bringt. Also, ob das dann ggf. zu viel des Guten gewesen ist und deshalb nicht gemacht wurde.

Gruß
Reinhard