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Mittwoch, 30. November 2011, 12:09

Verständnisfrage zum Übertemperaturschutz

Hallo,
zur Schaltung der kleinen und robusten QRP-PA habe ich eine Verständnisfrage.
In der Schaltung ist zum Schutz einer Überhitzung noch eine Diodenstrecke (D1 und D2) eingebaut, die die Steuerspannung bei Überhitzung runderregeln soll.
Bisher habe ich immer gedacht, dass die Temperaturkennlinie der FETs so angelegt ist, dass sie sich von selbst runterregeln, wenn sie zu heiß werden - anders als beim Transistor.
Warum wurde noch ein zusätzlicher Schutz eingebaut? Ist er überhaupt notwendig oder dient er nur der zusätzlichen Beruhigung - also die Hosenträger zusätzlich zum Gürtel ;-)). In welchen Situationen ist dieser Schutz notwendig?

Den Schaltplan habe ich angehängt (dem Solf Handbuch entnommen).

Grüße Jörn

[EDIT] Querverweis: Die hier diskutierte Fragestellung wird unter dem folgenden Link noch ausführlicher diskutiert:
http://www.bartelsos.de/dk7jb.php/selbstbau-trx-2012
»DK7JB« hat folgendes Bild angehängt:
  • QRP PA Schaltplan.png

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »DK7JB« (17. Juli 2012, 14:38)


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Mittwoch, 30. November 2011, 12:29

Hallo Jörn,

nee, mit den beiden Dioden wird der 5V Spannungsregler auf 6,2V "hoch gelegt". Die Dioden erhalten noch eine Glättung C1 und einen kleinen Querstrom von 1,85mA über R1.

Schau mal bitte unter http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7805.pdf auf den Seiten 23ff nach.
73 de Uwe
DC5PI

  • »DL3AD« ist männlich

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3

Mittwoch, 30. November 2011, 12:37

... die Dioden sind thermisch mit den Ensstufentransistoren gekoppelt und stabilisieren durch ihren Temperaturgang den Arbeitspunkt der PA.
die 6,2V sind in diesem falle nebensächlich.

73, Frank
DL3AD

4

Mittwoch, 30. November 2011, 12:38

Danke Frank,

die beiden Zeilen im Schaltplan habe ich gar nicht gesehen, ja richtig.
73 de Uwe
DC5PI

5

Mittwoch, 30. November 2011, 15:28

Hallo Uwe,
nach meinen Informationen dienen die Dioden nicht der Stabilisierung des Arbeitspunktes, sondern nur dem Schutz, da die Temperaturkennlinien in die gleiche Richtung laufen. Wie oben geschrieben frage ich mich, ob und wann dieser zusätzliche Schutz notwendig ist.
Grüße Jörn

6

Mittwoch, 30. November 2011, 16:21

Hallo Uwe,
nach meinen Informationen dienen die Dioden nicht der Stabilisierung des Arbeitspunktes, sondern nur dem Schutz, da die Temperaturkennlinien in die gleiche Richtung laufen. Wie oben geschrieben frage ich mich, ob und wann dieser zusätzliche Schutz notwendig ist.
Grüße Jörn


Die Temperaturkennlinie ist gegenläufig. Durch die Serienschaltung von 2 Stück erreichen wir, dass die Kompensation sehr genau wird.

Zitat

Zitat aus der Baumappe:
Im Schaltplan siehst du Dioden, D1 und D2. Für diese beiden Dioden gibt es
keinen Platz auf der Leiterbahn, sie werden auf die Rückwand montiert
damit sie ihre Aufgabe richtig erfüllen können. D1 und D2 dienen der
Stabilisierung des Ruhestroms der Endstufe. Sie werden dicht neben den PA
Transistoren montiert so dass sie jede Temperaturänderung des PA
Transistors mit bekommen. Wird der Transistor heiß, so lässt er tendenziell
mehr Strom fließen. Die Dioden kompensieren diese Tendenz, da sie so
geschaltet sind, dass ihre Temperatur/Strom Kurve genau gegenläufig wirkt.


Wer lesen kann ist klar im Vorteil :evil:
73/2 de Peter, DL2FI
Don´t follow the path. Make one! (Helena Martins, Fotografin, die im Erwachsenenalter ihr Gehör verlor)

7

Freitag, 2. Dezember 2011, 16:29

Hallo Peter,
deine Antwort hat mich leider noch nicht zufrieden gestellt, da in deiner Beschreibung (die ich wirklich vergessen hatte ;-) ) von einem Transistor die Rede ist.

Hier haben wir es mit einem MOSFET zu tun, von dem ich immer der Meinung war, dass er sich gegenläufig zu einem normalen Transistor verhält.
Um für mich die Frage zu klären, habe ich einige Experimente gemacht:

Versuchsaufbau: Original QRP-PA wird so angesteuert, das bei 10MHz eine Leistung von ca. 10W an eine Dummyload abgegeben werden. Von der Dummyload wird ausgekoppelt und der Pegel mit dem Spektrum Analyser gemessen. Alle Kabel, die Dummyload und die Dämpfungsglieder sind recht hochwertig.
Die PA sitzt auf einem etwas überdimensionierten Kühlkörper. Im normalen Betrieb wird die PA bei 10W nur sehr leicht warm.

1. Experiment (40dBm = 10W)
Der thermische Kontakt der beiden Dioden wird vom Kühlkörper gelöst und die Dioden mit dem Lötkolben kräftig erwärmt.
+39,4 dBm Startsituation-Dioden sind kalt
+39,0 dBm Dioden sind heiß
+38,3 dBm Dioden sind seeehr heiß (Die Spannung am Ausgang des Spannungsregler sinkt um 345mV)

Ergebnis: Werden die Dioden sehr heiß, regelt die PA um 1dBm ab. Das ist nicht viel.


2. Experiment
Nachdem die Dioden sich abgekühlt haben, wurde mit einer Heißluftpistole nur der Kühlkörper stark erhitzt und dabei die abgegebene Leistung gemessen. Die Dioden bleiben thermisch abgekoppelt (auch das Gewindeloch wurde abgedeckt). Die Temperatur der Dioden wurde kontrolliert (bleiben kalt)
+39,2 dBm Startsituation - Kühlkörper kalt
+39,2 dBm Kühlkörper heiß
+39,1 dBm Kühlkörper seehr heiß (kann nur kürzer als 1/4s berührt werden)

Ergebnis: Die FETs arbeiten temperatursabil und dies entspricht auch dem Datenblatt.


Was haben sich die Entwickler bei den Dioden gedacht? Das würde mich brennend interessieren. Welche Eigenschaft soll sich durch den Einsatz der Dioden verbessern? Welcher Effekt wurde von mir noch nicht bedacht?


Zusatzfrage: Wie schützt sich der K2, der mit Transistoren arbeitet und bei dem es keine Temperaturkompensation gibt? Erfolgt der Schutz über die Messung des Gesamtstroms?

Grüße Jörn

8

Freitag, 2. Dezember 2011, 19:43

Hallo,
ich möchte noch gleich eine weitere Frage hinterher schieben. Ab Gate der beiden RD16HHF1 befinden sich zwei 2,2 Ohm Widerstände. Ich habe gelesen, dass sie auch "Angstwiderstände" genannt werden und dem Schutz des FETs dienen. Man findet solche "Gatewiderstände" in vielen PAs. Wie funktioniert aber dieser Schutz und was passiert, wenn man sie "vergisst"?
Grüße Jörn

  • »KubiK« ist männlich

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9

Samstag, 3. Dezember 2011, 02:08

Hallo Jörn,

Zitat von »DK7JB«

Ergebnis: Werden die Dioden sehr heiß, regelt die PA um 1dBm ab. Das ist nicht viel.


1dB ist eine Menge, bei einer 1kW Endstufe wären das satte 200W weniger :P.

Zitat von »DK7JB«

Was haben sich die Entwickler bei den Dioden gedacht? Das würde mich brennend interessieren. Welche Eigenschaft soll sich durch den Einsatz der Dioden verbessern? Welcher Effekt wurde von mir noch nicht bedacht?


Die Dioden stabilisieren den Arbeitspunkt. Wäre hier bei dieser kleinen Ausgangsleistung und den relativ geringen Temepraturschwankungen noch nicht unbedingt nötig aber schön das es vorgesehen wurde. RF MOSFET's (LDMOS) haben bei kleinen Drainströmen einen positiven Tempraturkoeffizienten (genau wie bipolare Transistoren!), erst bei hohem Drainstrom kehrt sich der Temperaturkoeffizient um und der Selbstschutz (kein "thermal runaway" wie bei Bipolartransistoren) setzt ein. Bei steigender Temperatur fällt die Gate-Schwellspannung, womit sich der Arbeitpunkt (bei konstanter Bias-Spannung) verschiebt und der Drainstrom steigt. In den meiste Datenblättern sind dazu Kennlinien der normalisierten GS-Spannung über der Temperatur bei verschiedenen Drainströmen angegeben, da läßt sich schön verfolgen wie der Temperaturkoeffzient ab einem gewissen Drainstrom plötzlich kippt. Siehe dazu z.B. das Datenblatt vom MRF173 , Seite 6. Bei einer QRP-Endstufe von geringerer Bedeutung, bei QRO allerdings nicht mehr zu vernachlässigen, verändert ein wandernder Arbeitspunkt in gewissen Maßen Wirkungsgrad, Linearität, Verstärkung.

Zitat von »DK7JB«

Ab Gate der beiden RD16HHF1 befinden sich zwei 2,2 Ohm Widerstände. Ich habe gelesen, dass sie auch "Angstwiderstände" genannt werden und dem Schutz des FETs dienen. Man findet solche "Gatewiderstände" in vielen PAs. Wie funktioniert aber dieser Schutz und was passiert, wenn man sie "vergisst"?


Die Gatewiderstände verhindern Eigenschwingungen in der Endstufe, dienen also der HF-Stabilisierung (k>1). Bei manchen Frequenzen kann der Eingangswiderstand des FET negativ (Oszillator) werden, ein "positiver" Gate-Reihenwiderstand verhindert Eigenschwingungen indem der negative Widerstand des aktiven Bauteiles kompensiert wird. Stabilisieren kann man außer mit einem Gate-Reihenwiderstand auch mit einem kleinen Gate-Shuntwiderstand, Drain-Gate Widerstand oder Kombinationen davon (wie hier geschehen). Wenn MOSFET Transistoren in Endstufen parallel geschalten werden sind Gate-Reihenwiderstände (Isolationswiderstände) ein Muß.

Zitat von »DK7JB«

Zusatzfrage: Wie schützt sich der K2, der mit Transistoren arbeitet und bei dem es keine Temperaturkompensation gibt? Erfolgt der Schutz über die Messung des Gesamtstroms?


Ja, die Stromaufnahme wird vom µC überwacht. Die max. Ausgangsleitung ist relativ klein, der Kühlkörper ist groß genug, ein Weglaufen des Arbeitpunktes ist also eher unwahrscheinlich. Zur Kompensation des positiven Temperaturkeoffizienten müßte man z.B. Q11 aus der Bias-Schaltung thermisch mit dem Kühlkörper koppeln. Ich habe mir die Schaltung der 100W Endstufe nicht angesehen, da wird es aber bestimmt so oder ähnlich praktiziert.
vy 72/73, Reinhold.

10

Samstag, 3. Dezember 2011, 17:53

Hallo KubiK,
vielen Dank für die ausführliche Erklärung. Du hast dir viel Mühe gegeben :-)
Über einige Punkte muss ich noch etwas nachdenken. Morgen oder Übermorgen werde ich nochmals antworten ;-).
Grüße Jörn

11

Donnerstag, 30. Juli 2015, 18:34

Hallo,

Auch wenn das Thema mehr als 1334 Tage zurückliegt. Ich greife diesen alten Threat noch mal auf. Vielleicht unterliege ich einem Irrtum, dann bitte korrigieren.

Bei steigender Temperatur fällt die Gate-Schwellspannung, womit sich der Arbeitpunkt (bei konstanter Bias-Spannung) verschiebt und der Drainstrom steigt.


Die Dioden bewirken, dass der eingestellte Ruhestrom über einen großen Temperaturbereich konstant bleibt.

Beispiel:
PA wird eingeschaltet, ist noch kalt
Ich stelle Ruhestrom ein (z.B. 200mA).
Der Ruhestrom erwärmt die PA, bleibt aber kontant auf den eingestellten 200mA über einen Temperaturbereich von ca. 20....50 Grad.

Ist das richtig so oder muss ich neu lernen ?
72/73 de Uli
DF5SF

12

Donnerstag, 30. Juli 2015, 21:12

Hallo Uli,
um welche Transistoren handelt es sich?

72
Gerhard

13

Donnerstag, 30. Juli 2015, 21:29

Hallo Gerhard,

es handelt sich um eine PA ähnlich DL-QRP-AG PA 2008 mit RD16HHF1 in Vorstufe und 2* RD16HHF1 in Endstufe.
Man findet da verschiedene Versionen im Internet, zB. von G6LBQ, UT2FW, YU1LM, ..
Im Moment wandert der gesamte Ruhestrom von 600 ... 800 mA, je nach Temperatur.
72/73 de Uli
DF5SF

  • »DL3ARW« ist männlich

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14

Freitag, 31. Juli 2015, 09:01

Hallo Uli,

sei so gut, und messe von jedem Transistor den Strom. Dazu das Temperaturverhalten der Ausgangsspannung nach dem
Stabilisator. Dazu noch Einzel und Summenspannung der beiden Dioden, die die Temperatur fühlen.
Vielleicht lässt sich aus diesen Messungen schon etwas erkennen.

73 de
Manfred , dl3arw

15

Sonntag, 2. August 2015, 13:19

Hallo Wolfgang,

in meiner Schaltung ist noch keine Kompensation eingebaut. Wollte nur nachfragen, ob ich mi meiner Meinung richtig liege.
Jetzt habe ich in einer Application Note von Intersil aus dem Jahr 2006 folgendes gefunden (frei übersetzt):
.... der Ruhestrom muß über Temperatur und Zeit konstant gehalten werden. Typisch sind +-5%, +-3% sind anzustreben ....

Das hilft mir weiter.
Ob sich +-3% mit 1 oder 2 Dioden erreichen lassen ?
72/73 de Uli
DF5SF

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