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Mon futur PA 15 W 10 GHz

ne chauffera pas trop !

André Jamet F9HX

1. Introduction Figure n° 1

La mode est aux gros PA en SHF car F6BVA fait des émules .
[1]
C’est à qui veut réaliser un 15 W ou un 30 W à 10 GHz et
aussi celui sur 5,7 MHz. Le 15 W 10 GHz de F5BQP est un
exemple d’une parfaite réalisation et qui donne des résul- Figure 1 : Dissipateur longueur 100 mm largeur 80 mm ailettes : 46 mm
tats de mesure très précieux . Un point important n’a pas
[2]
été soulevé jusqu’ici : le refroidissement de ces PA.
3. Alors que faire ?
2. Quel est le problème ?
Ces températures ne sont atteintes qu’après une montée
Il est bien simple : leur rendement est très faible et la puissance progressive compte-tenu de l’inertie thermique de l’ensemble
perdue est grande. Pour ne pas atteindre des températures de soumis à la chaleur. Comme on le verra plus loin, cette cons-
jonction excédant les valeurs maximales données par le fabri- tante de temps atteint plusieurs minutes. Si l’on n’est pas
cant, il est obligatoire de bien évacuer les calories produites. bavard, ou si l’on ne transmet pas longtemps pour un QSO
Prenons un exemple pour situer l’ordre de grandeur de ces difficile, cela peut être acceptable. Par sécurité, il faut
pertes. Le PA 15 W 10 GHz consomme en statique, sans cependant avoir plus de marge pour la durée de transmission.
entrée et donc sans sortie HF, environ 4,6 A sous 12 V, soit On peut augmenter la taille du refroidisseur et choisir un
55,2 W. C’est le meilleur compromis choisi par F5BQP. Le modèle de résistance thermique plus faible.
courant va croître à 6,3 A pour 15 W de sortie mais la dissi- Alors, cela devient gigantesque et très lourd. Le modèle que
pation du transistor final ne va pas augmenter comme son j’ai choisi ci-dessus est déjà une belle bête. Quand on exa-
courant, car il va délivrer de la HF. Ce fonctionnement en mine les photos de F6BVA pour le 15 W, on peut estimer
classe AB est très intéressant car il réduit le courant de une pièce de 100 mm de hauteur, 240 mm de longueur et 50
repos au prix d’un gain plus faible et une moins bonne mm d’ailettes, servant de face latérale au coffret. C’est une
linéarité. En SHF, les modes numériques qui exigent une solution excellente car elle évite que la plus grande partie de
excellente linéarité ne sont pas encore très répandus. la chaleur reste dans ce coffret. Mais, quel encombrement
Considérons que ce point de fonctionnement est le cas pire et quel poids ! Certains vont penser aux modules à effet
pour les pertes à évacuer. Peltier et aux caloducs, chers et peu pratiques.
J’ai choisi un dissipateur (figure 1) dans les catalogues de Voici ma solution: la convection (ventilation) forcée, simple,
distributeurs de composants électroniques et j’ai trouvé un efficace et peu couteuse.
modèle qui m’a semblé adéquat. Sa résistance thermique
est de 1°C/W. Pour 55,2 W cela veut dire un échauffement de 4. Vous avez dit « thermodynamique » ?
55,2 °C. Si l’ambiance est de 30 °C, cela met la surface du Le processus de transmission de la chaleur est au moins
dissipateur à
aussi compliqué que celui de nos ondes radio. Mais, l’usa-
t surface = 30 + (1 x 55,2) = 85,2 °C ge d’un cours magistral de thermodynamique n’est pas
Compte-tenu des résistances thermiques diverses qui se
trouvent sur le trajet jonction du transistor et surface du nécessaire. Quelques bons principes et du bon sens suffi-
sent [2,3] .
refroidisseur, on a (figures 2 et 3) : Pour « arracher » des calories à un dispositif transformant
t jonction = t ambiante + ( Σ résistances thermiques diverses x P) une énergie en chaleur, trois modes sont utilisés, le plus
t en °C, les résistances thermiques en °C/W et P en watts.
Pour le transistor final, sa résistance thermique interne est souvent conjointement (figures 2 et 3) :
de 2 °C/W et sa fixation apporte 0,1 °C/W de résistance. La • la conduction
résistance thermique du fond du boitier en alu fraisé est • la convection
donnée par : R th fond = L / ( λ A) avec • le rayonnement.
λ = 0,22 W.cm .K pour l’aluminium Dans notre cas, le premier mode est celui qui conduit la cha-
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leur de la jonction du transistor successivement jusqu’à la
L = épaisseur du boitier sous le transistor : 1 cm surface du dissipateur. Le second est l’évacuation de la chaleur
A= surface du transistor : 1,2 x 1,2 = 1,44 cm 2 par transmission à l’air ambiant. Le troisième est l’évacuation
R th fond = 1/(0,22 x 1,44) ≈ 0,3 °C/W par rayonnement, dans l’infrarouge pour les températures
Le transistor débite 3,5 A (valeur statique minimale recom- inférieures à 500 °C, aux milieux entourant la source de chaleur.
mandée par F5BQP) sous 8,5V.
Il doit dissiper : La conduction est favorisée par un bon contact thermique
P perdue = [(8,5 x 3,5)] = 29,75 W et : entre la source de chaleur et les éléments chargés de la
t jonction = 85,2 + [( 2 + 0,1+0,3) x 29,75 ] ≈ 157 °C convection et du rayonnement. Pour éviter des poches d’air,
mauvais conducteur de la chaleur, on interpose un soupçon
La température limite de jonction donnée par le fabricant est de graisse ou de compound ad hoc entre la semelle du
de 175 °C. C’est donc trop proche de cette limite. transistor et le dissipateur.
Pis encore, le côté composants du circuit imprimé va être La convection est liée aux caractéristiques du fluide provo-
porté à une température élevée puisque sa face cuivre est quant la convection, air ou liquide et sa vitesse, naturelle ou
proche de 85,2°C. forcée.
Alors les condensateurs au tantale ne vont pas apprécier
d’avoir les pieds au chaud !

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