Calcul d'un dissipateur thermique pour power-scaling

[McColson]

Salut tout le monde,


Si on prends un schéma de powerscaling classique pour réguler la tension d'anode et de G2 d'un étage d'ampli guitare comme celui là :



Le mosfet doit être refroidi par un radiateur. Mon questionnement porte sur le dimensionnement de ce radiateur, j'ai commencé à chercher sur internet, et j'ai trouvé la caractéristique du radiateur qui est importante : la résistance thermique Rth exprimée en °C/W ou parfois aussi en K/W.

Un petit tour sur sonelec :

Différentes unités pour Rth ? (°C/W ou K/W ?)
On trouve dans les caractéristiques affichées par les revendeurs ou dans les documents techniques, une unité de résistance thermique parfois exprimée en °C, parfois exprimée en K/W. Si on compare les valeurs affichées pour différents dissipateurs thermiques de taille similaire, on s'aperçoit que les valeurs de résistance thermique sont similaires, qu'elles soient exprimées en °C/W ou en K/W. En fait, il s'agit bien de la même chose :
°C/W = degré Celcius par watt
K/W = Kelvin par watt
Comme ces unités font toutes deux référence à une différence de température (°C ou K) liée à une quantité d'énergie dissipée dans une unité de temps (W), on a droit à une belle égalité :
Delta(1 K) = Delta(1 °C)
Si vous recherchez un dissipateur thermique de résistance thermique 1 °C/W, un dissipateur thermique marqué 1 K/W conviendra

Le petit radiateur de Tube-Town :
https://www.tube-town.net/ttstore/Piece ... anguage=fr
Est donné pour 16K/W. Ce qui veut dire en gros, que pour chaque Watt à dissiper, le composant électronique s'échauffe de 16°C supplémentaires.

La formule simplifiée donnée par sonelec pour calculer la Rth du dissipateur à utiliser est la suivante :

Rth = (Tj - Ta) / Pd

Avec
Tj = Température de jonction maximale (150°C donnée par la datasheet du composant IRF830 par exemple)
Ta = température ambiante
Pd = Puissance à dissipée.

Là où je bloque un peu c'est la puissance à dissiper... le powerscaling pourrait être assimilé à un régulateur de tension, la puissance à dissiper serait donc :

Pd =(Uin - Uout) x I

Avec :
Uin : tension d'entrée
Uout : tension de sortie
I : l'intensité

Si on prends comme exemple l'étage de sortie du G5 avec une KT88 à 250V à l'anode et biasée à 150mA. Quand le powerscaling est à 0% d'atténuation de puissance, on un delta de tension de 0V, et donc pas de puissance à dissipée.
Si on met le powerscaling au réglage max et que la tension d'anode descend à 50V par exemple, en cathode bias, I anode va diminuer aussi, mettons que ça tombe à 10mA. On aurait une puissance à dissiper Pd = (250-50v)x0.01A = 2W

Si on remet ça dans la formule simplifiée de sonelec, on aurait :

Rth = (150° - 25°) / 2W = 62.5°C/W

La datasheet nous donne comme info que sans radiateur la résistance thermique maximum (Rth junction - ambiant) du IRF830 est de 62°C/W.

Bref on crame de peu notre IRF si on met pas de radiateur. J'ai bon ?

Maintenant si on met un radiateur comme celui de tube town, j'aimerais savoir jusqu'où il est capable de sauver l'IRF830 ?

Si on prends la formule à l'envers, on a :

Pd = (Tj - Ta) / Rth du dissipateur

Pd = (150- 25) / 16 = 7.8125 W

Ok ça laisse qu'une petite marge par rapport au 74W qu'est capable de dissiper l'IRF830 . Est-ce que ça pourrait suffire pour un powerscaling d'un ampli style VOX AC100 en double PP d'EL34 ? On imagine à 500V aux anodes, biasé à 200mA.

Là je bug un peu ?! Car il faudrait connaitre la consommation du double PP à l'atténuation la plus forte... ça tomberait à combien 20mA ?

J'ai trouvé des données pour un quad de 6V6 sortant 50W sur diyaudio :

Checks:
B+ = 345 Volts
Idle Current/ Bias Voltages for the 4 output tubes
24.0mA @ -27.1V
24.0mA @ -26.9V
24.0mA @ -26.6V
24.0mA @ -26.7V

Switched to Triode Mode - each tube idle current drops about 0.3 to 0.4 mA
Switch back to Pentode Mode
EDIT: I actually had these backward, what I thought was triode mode was Pentode Mode and vv.

Set Power Scale Control for B+ = 250V
Checks: B+ = 250V Idle Current / Bias Voltages
16.5mA @ -19.5V
16.9mA @ -19.3V
16.6mA @ -19.1V
16.6mA @ -19.1V

Set Power Scale Control for B+ =150V
Checks B+ = 150V Idle Current / Bias Voltages
9.8mA @ -11.3V
10.4mA @ -11.2V
9.7mA @ -11.1V
10.0mA @ -11.1V

Gossomodo, on dissiperait 6.65W à 250V et 7.8W à 150V, on arrive à la limite de ce que peut endurer l'IRF830 avec le radiateur de chez TT.

Du coup pour un ampli de 100W, avec une tension d'anodes plus importante (500v) il faudrait quoi comme radiateur, avec quelle Rth ? Le double ?

Si on imagine un double PP d'EL34 à 500V, qui descendrait à 150V et consommerait deux fois plus que le quad de 6V6, 4 x 20mA = 80mA, on aurait :

Pd = (500V - 150 V) * 0.08A = 28W à dissiper !!!

Si on reprend notre formule simplifiée :

Rth = (Tj - Ta) / Pd

Rth = (150°C - 25°C) / 28W = 4.46°C/W on arrondira à 4°C/W histoire d'être tranquille.

J'ai bon ?

Tout ça pourrait pas se modéliser sous forme de courbes ou avec un petit logiciel ?

[jptrol]

Bonjour Matthieu,

Je suis désolé de ne pas avoir trop de temps maintenant pour analyser ton exposé mais je peux dire déjà deux choses :
1. Attention à l'atténuation de courant lorsque tu baisses la tension d'alimentation. Il faut se référer à la courbe de caractéristiques des tubes que tu utilises. Avec des pentodes en fixed bias tu vas baisser progressivement le courant mais pas proportionnellement , loin de là. En cathode bias , c'est encore pire car tu remontes en même temps la tension de cathode et le courant aura davantage tendance à rester constant.
2. Je pense ( mais je n'ai pas simulé) que pour de fortes puissances (100 W) il est préférable de mettre deux MOSFETS en cascade chacun avec son réseau de VVR , commandés avec un pot stéréo. La première résistance de butée doit faire la même valeur que le pot et la deuxième beaucoup moins. Ainsi le premier MOSFET descend de Vcc /2 au maximum et le suivant fait le reste . L'inconvénient est qu'à la tension maximum la chute sur Vcc serait de 7 V au lieu de 3.5 V environ ( = Vgs seuil de conduction)

[McColson]

Je vais essayé de faire un relevé avec l'étage du G5 par exemple pour voir ça, surtout que j'ai constaté que la tension d'alimentation augmente avant le vvr pendant l'atténuation...

[bilbo_moria]

Un poil à côté du sujet (quoique) : tu prévois d'adapter également le bias (fixed bias) ? Je crois me souvenir que notre ami jptrol avait proposé un schéma pour asservir le bias à la baisse de tension, mais il me semble que ce n'était pas trivial ...

(ou alors je suis complètement à côté de la plaque, ah ah ! )

[McColson]

Pour l'instant je me concentre sur le schéma fourni donc en cathode bias. Mais pour le calcul du dissipateur peu importe à mon avis, puisqu'on aura toujours les mêmes données et calculs.

[bilbo_moria]

Yes, je vois et c'est plutôt malin de séparer le système en éléments plus simples

(mais je réagissais à l'aspect "ampli de 100W" => fixed bias)

[Jeff 31]

Bonjour

Si je peux me permettre un conseil :
Régule la tension des écrans (G2), pas celle des anodes. Et ce, pour 2 bonnes raisons.
-Dans une tétrode ou une pentode, le courant est fortement dépendant de la stabilité de la tension d'écran, beaucoup moins que celle de l'anode (regarde les courbes). Une tension d'écran qui n'est pas stable entraine une instabilité complète du courant total de l'étage de puissance.
-Stabiliser la tension plaque avec un IRF830 pour 4x EL34 par exemple demanderait un radiateur assez volumineux.

[Rimlock]

Je crois que son projet n'est pas de "réguler" mais de "faire varier" les tensions pour faire varier la puissance de sortie. C'est en tout cas le but du "power scaling". Sinon, dans le principe tu as raison, on stabilise souvent la G2 de tubes de forte puissance qui, en général n'admettent pas trop de dépassement de la tension max de G2. Exemple, les 807 ou 5933S.

[McColson]

Oui le but est de diminuer la tension d'alimentation pour réduire la puissance en sortie.
Pour 4 el34, j'ai calculé qu'il faudrait un dissipateur de Rth < 4°c/w, ça fait déjà une belle taille en effet.

[Rimlock]

Au lieu de "powerscaler" les 4 EL34, tu peux mettre un switch qui en déconnecte deux de la HT et ensuite baisser la tension des deux restantes ! En fait, je ne vois pas trop le but de construire un ampli de plus de 100 W pour ensuite vouloir le ramener à 10 ! Ou moins

[McColson]

Au lieu de "powerscaler" les 4 EL34, tu peux mettre un switch qui en déconnecte deux de la HT et ensuite baisser la tension des deux restantes ! En fait, je ne vois pas trop le but de construire un ampli de plus de 100 W pour ensuite vouloir le ramener à 10 ! Ou moins

D'accord avec toi, c'était purement théorique, pour voir jusqu'où le radiateur proposé par tube town pouvait donner satisfaction avec ce schéma.
D'ailleurs je ne suis pas sûr que mes calculs sont bons

[McColson]

Bon comme je me dis que c'est peut-être pas con de faire un fichier excel pour calculer tout ça. Je vous le partage.

Dissipation radiateur.xlsx

Dissiation_Radiateur_Powerscalling

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[chanmix51]

Hello hello,

Yves Monmagnon a écrit un petit papier sur le sujet.

En gros, les °C (ou °K, c'est pareil, il y en a toujours 100 entre l'eau qui gèle et celle qui bout ) par watt ça donne l'augmentation de la température du dissipateur en fonction de la puissance qui lui parvient plus ou moins quelques petits trucs car il y a des pertes entre le cœur et le boîtier, le boîtier et la feuille de mica qui isole le radiateur et le radiateur. Il faut d'abord sommer tout ça :
- cœur →boîtier TO220 environ 3°C/W avec dissipateur
- boîtier →feuille de mica avec graisse de silicone environ 0,35°C/W ( source wikipedia )

Mettons lui un dissipateur de 10°C/W admettons qu'il fasse 25°C ( une belle journée de printemps ) et qu'il dissipe 4,5W. Sa température simulée sera donc de 25°C + 4,5W × ( 10°C/W + 3°C/W + 0,35°C/W ) = 25°C + 4,5W × 13,35°C/W = 85°C ce qui est acceptable, faire attention aux dérives des caractéristiques du composant liées à la température.

Si à cause d'un problème de place on décide de lui mettre un dissipateur plus petit qui affiche -- mettons -- 20°C/W alors
25°C + 4,5W × 23,35°C/W = 130°C

Le cœur en silicium tient toujours le coup MAIS notre composant est bouillant et ne fonctionne plus du tout comme la DS le spécifie.

EDIT : j'ai dégagé un paragraphe sur la régulation, j'ai lu ensuite la partie sur le power scaling que je ne connais pas.

Amicalement,
Grégoire

[McColson]

Merci chanmix51, j'ai tenu compte des autres composantes de la Rth dans le fichier Excel.
J'ai l'impression qu'on est sur la bonne voie, faut juste remplir la feuille de calcul en prenant les bonnes valeurs de température de jonction et la température ambiante notamment car il est en effet impossible de faire tourner le composant à 100% de sa dissipation max pour garantir sa longévité.