Пропадание мощности передатчика ICOM IC-746PRO
Проблема
Целью этой web-страницы является исследование причины, по которой передатчик трансивера ICOM IC-746PRO, спустя некоторое время после покупки, начинает выходить из строя. Эту особенность заметили многие радиолюбители во всём мире, но, к сожалению, фирма ICOM этого в толк никак не возьмёт… Если Вы являетесь владельцем трансивера ICOM IC-746PRO или IC-7400, то Вы уже испытали что это такое (Dead TX Issue). Если не успели, то рано или поздно испытаете. (Не обязательно. Есть трансиверы, работающие без проблем. Прим.СКР Team)
Проявление
Представлюсь сначала: инженер-электрик и пять лет работаю на фирму Motorola (R&D) в Копенгагене в качестве старшего инженера-разработчика радиоаппаратуры. После приобретения мной трансивера IC-746PRO прошло шесть ничем не омрачённых месяцев, затем выходная мощность передатчика трансивера начала падать, причём быстро и заметно, когда я работал на передачу со 100% несущей, например, ЧМ, FSK-441 или JT6M. Сначала я думал, что появилась РЧ обратная связь, но почему именно сейчас? Я ничего не менял: не перестраивал радиостанцию, не менял кабеля.
Я уже знал об особенности IC-746PRO и вот, - случай в руку… При использовании видов работы со 100% уровнем несущей, передатчик трансивера начал отказывать, а вчера, т.е., 2. 12 - 2003 г, стал выделывать фортели и на SSB, что выражалось в дроблении сигнала.
Оказалось, что все печали были по вине одной единственной детали - микросхемы IC151, µPC1678G-E2, P/N 91213606 (на самом деле Order No. 1110001890 – прим.СКР Team) и перегрев её сигналами со 100% несущей (ЧМ или цифровыми) позволил её довольно скоро обнаружить.
Серийный номер и статическое электричество
Знатоки утверждают, что вышеизложенное - больше не проблема после установки (замены) нескольких антистатических разрядных компонентов, а это означает, что у трансиверов с серийными номерами большими, чем 3300, все будет ОК. Из комментариев ясно, что электростатические разряды исходят из РЧ антенны. Начало серийных номеров трансиверов, в которых уже была проведена доработка, несколько раз менялось на протяжении 2003 года.
Во-первых, мой IC-746PRO имеет серийный номер 3623, но передатчик все равно "сдох". Во-вторых, имеется очень малая вероятность того, что моя антенна подвергнется электризации, поскольку мои КВ антенны расположены под крышей, тем более, что я почти не работаю на КВ. В-третьих, у меня к антенне постоянно подключен трансвертер на 70 МГц.
Может быть статика и "кончила" микросхему IC151 полностью и бесповоротно, но я не верю, чтобы из-за статики происходил перегрев, ведь статическое электричество действует вспышкой, а в моём случае, всё происходило постепенно, сходило на нет (медленная деградация). Если бы случился пробой, то микросхема была бы угроблена сразу, и это можно было бы обнаружить сразу после включения трансивера на передачу.
Когда люди обращаются с просьбой установить причину выхода аппаратуры из строя, то фирма ICOM взяла за правило утверждать, что возвращаемые на ремонт аппараты вышли из строя по вине статического электричества в любых случаях, связанных со статикой или нет. Дальше - больше. Любое устройство, не защищённое от статического электричества всегда более чувствительно к пробою, независимо от того, каким напряжением этот пробой будет произведён 1 или 10 кВ, защита от статического электричества - всегда головная боль при эксплуатации электронных устройств.
Сигналы со 100% уровнем несущей не могут создавать проблем, по крайней мере, не создадут зависимость от этого соотношения сигнал/шум, которое будет наблюдаться в Вашем аппарате.
Технический комментарий
Я взял нижеследующий комментарий с http://www.mods.dk/ , где Karel, OK1DNH пишет: »Обычно причиной отказа устройств IC 746 746PRO, 756, 756PRO и 7400 является выход из строя (разрушение) микросхемы uPC1678 (драйвер для PA). Это - проектная ошибка, которую компания ICOM не хочет признавать. Компания ICOM упорно стоит на идее, что эта микросхема драйвера выходит из строя только по вине статического электричества, поступающего из РЧ антенны (в этом случае, ещё и два конденсатора и два диода должны были вылететь, но после того, как микросхема сдохла, вышеупомянутые детали были в добром здравии) и даже выпустили директиву, по которой следует добавлять диоды на вход КВ приёмника. А в IC 746PRO с серийными номерами более 3300, они добавили эти диоды прямо на заводе.
Но вот, на моём столе IC746PRO с серийным номером 3422 с установленными на заводе диодами, а микросхема драйвера СДОХЛА. И детали на пути статического электричества все целые. Собака зарыта где-то в другом месте. Разработчик оставляет эту микросхему под напряжением и в режиме приёма, а она потребляет 50 мА и прилично греется уже в этом режиме, что же говорить про режим передачи, когда ИМС начинает кушать и греться по-чёрному. А мы остаёмся в интересном положении. Производитель микросхем uPC1678 в сопроводительной документации указывает минимальные размеры медной фольги на печатной плате, служащей в качестве радиатора для достаточного охлаждения ИМС. А эта микросхема в трансивере охлаждается только через её выводы!!!!! (именно столько восклицательных знаков в оригинале статьи - UA9LAQ). И это компанией ICOM абсолютно игнорируется, тем более, что в зоне монтажа ИМС - тесный монтаж на площади всего в 6 кв. см, много дыр под выводы деталей и мало фольги. В моделях IC74хх охлаждающая поверхность фольги составляет всего 1 кв. см и температура там меньше. Вот и причина перегрева микросхемы. В моделях IC 74xx, я поменял около 20 микросхем и начал искать причину выхода микросхем из строя. Проблему можно решить, добавив небольшой радиатор или лепесток, соединив его с шасси аппарата, но в точке монтажа корпус (видимо, микросхемы, может, речь - о шасси) не плоский, а скруглённый. Можно также предусмотреть выключение питания ИМС в режиме приёма.
Говоря о недооценке роли охлаждающих поверхностей, нельзя не упомянуть другое место в трансиверах моделей IC 74хх - регулирующий транзистор преобразователя, служащий для получения напряжения освещения дисплея, Чем меньше пользователь установит подсветку дисплея, тем сильнее будет греться регулирующий транзистор. Из-за слишком малого размера охлаждающей поверхности фольги, к которой припаян SMD-транзистор (конфигурация транзистора для поверхностного монтажа - UA9LAQ), вскоре этот транзистор изжарится..«
Схема
Поскольку ICOM IC-746PRO является представителем целого семейства трансиверов, неплохо было бы сравнить работу ИМС µPC1678G в различных их моделях. Примечательно, что тот же компонент в различных моделях используется в том же окружении, что означает, что схемотехника от аппарата к аппарату просто копируется, хотя в этом, вроде бы и нет ничего плохого.
Оказывается, существует два варианта включения микросхемы IC151 в трансивере IC-746PRO
Схема включения микросхемы IC151 в трансивере ICOM IC-746PRO. Источник: ICOM IC-746PRO - Инструкция по эксплуатации. Отсканировано с моей личной Инструкции по эксплуатации трансивера.
Фрагмент принципиальной схемы трансивера ICOM IC-746PRO с включением микросхемы IC151 Источник: Документация найдена в Интернете.
Из выше приведённой схемы ясно, что микросхема IC151 постоянно подключена к источнику питания +5 В через резистор R157. Простое и экономичное решение.
Эволюция
Поскольку трансивер IC-746PRO является последующей после IC-746, интересно, как выполнена разработка в этом трансивере.
Фрагмент схемы трансивера ICOM IC-746 с подключенной микросхемой IC151. Источник: справочник по обслуживанию ICOM IC-746.
Как можно видеть, схемотехника идентична той, что присутствует в IC-746PRO. Может ли в трансивере IC-746 происходить такое же явление с микросхемой µPC1678G? Дебаты ведутся со дня возникновения проблемы.
Эволюция трансиверов серии IC-756
Другими представителями семейства трансиверов, кроме IC-746, является серия трансиверов IC-756. Первой моделью в этой серии был трансивер IC-756, в котором также применялась микросхема µPC1678G.
Фрагмент схемы ICOM IC-756. Схема включения микросхемы IC801. Источник: Документация найдена в Интернете.
Как видно на схеме, приведённой вверху, ИМС IC801 типа µPC1678G постоянно подключена к источнику питания напряжением 5 В, а топология печатных плат соответствует таковой в трансиверах IC-746 и IC-746PRO
Когда компания ICOM ввела в обиход модель IC-756PRO, схемотехника вокруг µPC1678G была сменена на более сложную, показанную ниже.
Фрагмент схемы трансивера ICOM IC-756PRO. Схема включения ИМС IC151. Источник: Документация найдена в Интернете.
В режиме передачи в трансивере IC-756PRO не только подключается напряжение питания 5 В к ИМС µPC1678G, но также и фильтр нижних частот на выходе РЧ, L152 = 120 нГн, C156 = 12 пФ, C155 = 82 пФ и C157 = 82 пФ.
Схема трансивера ICOM IC-756PROII. Схема включения ИМС IC151. Источник: Инструкции по эксплуатации трансиверов ICOM, IC-756PROII.
Характеристика ФНЧ имеет частоту среза по уровню -3 дБ 66 МГц, так что фильтр подавляет сигналы свойственные IC-756PRO. Если подобная идея будет применена к IC-746PRO, то значения компонентов следует поменять, чтобы иметь возможность пропустить сигналы с частотой 144 МГц. Но обнаружил, что трудно поверить в то, что ФНЧ, каким-то образом, влияет на продолжительность жизни и кончину ИМС µPC1678G.
АЧХ ФНЧ, который я обнаружил в трансиверах IC-756PRO и IC-756PROII.
Одной из причин применения ФНЧ в травнсиверах IC-756PRO может быть желание получить меньше грязи от ИМС µPC1678G, при подключении к ней напряжения питания.
Анализ
Схемотехника в трансивере IC-746PRO проще, чем в трансивере IC-756PROII, в первую очередь, потому, что в IC-746PRO напряжение питания не включается тогда, когда требуется IC151, т. е., во время передачи. Профессиональная аппаратура рассчитывается на работу, при которой 90% времени приходится на дежурный режим, 5% - приём и 5% - передача. Если эти правила применить к ИМС IC151 трансивера IC-746PRO, то 95% времени микросхема пашет в дежурном режиме и в режиме приёма и 5% - в режиме передачи, а вот в трансивере IC-756PROII микросхема неактивна и только 5% - работа на передачу. (Неубедительно! Ведь при подаче напряжения питания в режиме передачи на IC-151 все равно будет рассеиваться та же самая мощность и выключение питания в режиме приема несущественно повлияет на надежность микросхемы. Прим. СКР Team)
Мощность рассеивания, работающей в режиме приёма микросхемы, составляет 250 мВт, в режиме передачи - 330 мВт в соответствии с технической документацией (datasheet) на µPC1678G, инструкция по применению может быть найдена здесь. Эти два уровня мощности примерно равны, когда микросхема находится в активном состоянии 95% времени. Единственным способом охлаждения ИМС является охлаждение через её "заземляемые" выводы 2…4 и 6…7 и как подчеркнул Karel, OK1DNH, нет здесь печатных проводников и поверхностей, которые могли бы эффективно отводить тепло.
Сравнение рассеиваемой мощности при двух различных схемах топологиии : варианте с постоянно работающей микросхемой и с отключаемым напряжением питания 5 В.
К сожалению, мне не довелось заглянуть под крышку любого из IC-756PRO. Но Dietmar, VE3CG был так добр, что выслал мне несколько снимков IC-756.
При сравнении печатных плат IC-746PRO и IC-756, в последнем больше земляных дорожек и они шире, естественно, что они и обеспечат лучшее охлаждение и снова компания ICOM решила проигнорировать факт и не учла выводы и ничего не изменила в моделях трансиверов IC-756PRO.
Всё это указывает на тот факт, что перегрев микросхемы IC151 в IC-746PRO вышел в серию.
Выход из положения
На практике выход из создавшегося положения можно осуществить несколькими способами:
- Если передатчик у Вас ещё не сдох, то поставьте и припаяйте к выводу общего провода лепесток (плоскую пружину), который бы касался верха ИМС. После этого, проблем с микросхемой Вы не будете знать.
- Если передатчик, всё-таки, сдох, - замените IC151.
- Если передатчик, всё-таки, сдох, - замените IC151, поставьте и припаяйте к выводу общего провода лепесток (плоскую пружину), который бы касался верха ИМС.
- Если передатчик, всё-таки, сдох, - замените IC151, Смонтируйте дополнительную схему вокруг IC151 - как на выводе 8 в IC-756PROII, чтобы иметь возможность включать и выключать напряжение питания микросхемы.
Я не склонен считать, что статическое электричество стало основной причиной выхода микросхемы из строя, но предлагаю, после замены ИМС, также, смонтируйте защитные от статики компоненты в трансивере.
Предложения по улучшению охлаждения микросхемы IC151.
Итак, я не применял ни одного из вышеприведённых решений. Но мой передатчик находится на пороге смерти, которая может произойти в любой момент и скоро. Мне придётся менять ИМС IC151. Альтернативное решение к четвёртому может быть: использовать T8V (видимо, стабилитрон с напряжением стабилизации 8 В, а может и ИМС-стабилизатор) и четыре диода впридачу (включаются последовательно и на переходе каждого падает 0,7 В), чтобы сбросить напряжение питания на выводе 8 ИМС до 8 - 4 х 0,7 = 5,2 В. Думаю, что это решение я и попробую первым. (Автор статьи не слишком хорошо изучил схему – на вывод 8 IC151 подается 5 вольт. Если уж на то пошло, то проще увеличить номинал резистора R157 до 47-100 Ом, тем более, что подобная рекомендация уже давно была предложена. Прим. СКР Team)
Считаю правильным решение, когда питание на микросхему IC151 в трансивере IC-756PROII подаётся только в режиме передачи. Но, возможно, компания ICOM решит по-другому, в зависимости от цены на IC-746PRO. Ничего не могу сказать о применении дополнительного LC-фильтра на выходе, но это уже наши проблемы.
Применение
VE7AZC
Herb, VE7AZC, сделал небольшой обруч (кольцо) из кусочка листовой меди.
VE3CG
Dietmar, VE3CG, приклеил радиатор, предназначенный для транзисторов к верхней части микросхемы IC151.
Взгляните на то, что предпринял Dietmar повнимательнее. Радиатор немного высоковат, но ничего, - он прекрасно вписывается в пространство между металлической крышкой и IC151. Хотя соединитель ATU Molex может немного помешать.
А что же предпринимает фирма ICOM ?
Наверное, кто-то скажет, что кто-кто, а уж фирма ICOM, наверняка, найдёт решение проблемы перегрева. Ну, они в какой-то мере позаботились об этом в трансиверах модели IC-756PRO, но, что касается IC746PRO, то всё осталось на прежнем уровне, - неизменным.
Встаёт вопрос: Для чего фирма ICOM ввела переключение напряжения 5 В для микросхемы µPC1678G? Это же усложняет устройство, требует применения большего количества радиокомпонентов и ведёт к уменьшению кпд аппарата. Фирма ICOM могла бы, коль необходимо, внедрить в схему фильтр нижних частот (ФНЧ), чтобы почистить сигнал, чтобы тот непосредственно не перегревал микросхему µPC1678G.
Bo Hansen, OZ2M, www.qsl.net/oz2m
Свободный перевод с английского: Виктор
Беседин (UA9LAQ) Ua9laq@mail.ru
г. Тюмень январь,
2004 г
Комментарий к статье от СКР Team.
Да, описанная проблема существует, справедливости ради отметим, что не только в 746PRO, впервые она появилась в самом первом трансивере этой серии IC-756. Утверждение о влиянии статического электричество можно не принимать во внимание, оно безусловно не соответствует действительности.
Производитель микросхемы, японская фирма NEC в даташите на uPC1678G приводит такие данные о поверхности фольгированного материала, на который припаивается чип - 50 х 50 х 1,6 мм. Согласитесь, что это практически невыполнимое требование, если учитывать плотность монтажа современной аппаратуры. Скорее всего, просчет разработчиков Icom кроется даже не в том, что были нарушены заводские рекомендации, а в том, что был выбран неудачный тип микросхемы. Однако не все так плохо, функциональных аналогов uPC1678 хватает, она не уникальна, вот какие параметры заявляет фирма NEC :
- Напряжение питания от 4.5 до 5.5 вольт
- Граничная частота - 2.0 ГГц
- Выходная мощность +17.5 dBm (~ 60 мВт)
- Коэффициент усиления – 23 dB
- Коэффициент шума – 6
- Потребляемый ток - 49 мА.
Согласитесь, если планарной микросхеме нужен такой большой теплоотвод, то это не нормально. При критичности к рабочей температуре нужно либо делать теплоотвод на самой микросхеме, либо проектировать ее таким образом, чтобы обеспечить достаточный отвод тепла в существующем корпусе. Возможно, что одним из способов улучшить теплоотвод была бы рекомендация отпаять микросхему, подложить под нее полоску тонкой медной фольги с теплопроводящей пастой и припаять ее на место с некоторым прижимом в момент пайки.
Теперь берем одну из наиболее известных фирм Mimi-Circuit, у нее большой выбор широкополосных усилителей подобного назначения. Корпуса у микросхем серий MAR меньше, чем у 1678, а параметры очень схожи.
Gain dB at GHz
Model 0.1 0.5 1 2 Pout
Noise IP3
MAR-1 18.5 17.5 15.5 - +1.5dBm 5.5 +14.0
MAR-2 12.5 12.3 12.0 11.0 +4.5dBm 6.5 +17.0
MAR-3 12.5 12.2 12.0 11.5 +10.0dBm 6.0 +23.0
MAR-4 8.3 8.2 8.0 - +12.5dBm 6.5 +25.5
MAR-6 20.0 18.5 16.0 11.0 +2.0dBm 3.0 +14.5
MAR-7 13.5 13.1 12.5 11.0 +5.5dBm 5.0 +19.0
MAR-8 32.5 28.0 22.5 - +12.5dBm 3.3 +27.0
Новая серия усилителей Gali превышает MAR по всем параметрам. Причем производитель не ставит каких-либо условий по применению теплоотводов, для подобных микросхем это звучит абсурдно! О каких дополнительных теплоотводах может идти речь, если площадь микросхемы несколько квадратных миллиметров - диаметр пластмассы чуть больше 2 мм. Рабочий диапазон температур этих микросхем -25/+85 С.
Стоимость микросхем серии MAR составляет 2-3 доллара в розницу, практически столько же, сколько стоит uPC1678. Зато производитель регламентирует номинал и мощность ограничительного резистора в цепи питания:
Model ImA Vd +5Vcc +9Vcc +12Vcc +13.8Vcc P / Watts Resistor (+12Vcc)
- MAR-1 17 5.00 - 220ohm 470ohm 560ohm 0.119W
- MAR-2 25 5.00 - 150ohm 270ohm 390ohm 0.175W
- MAR-3 35 5.00 - 120ohm 200ohm 270ohm 0.245W
- MAR-4 50 5.25 - 75ohm 150ohm 180ohm 0.338W
- MAR-6 16 3.50 100ohm 390ohm 560ohm 680ohm 0.136W
- MAR-7 22 4.00 47ohm 220ohm 390ohm 470ohm 0.176W
- MAR-8 36 7.80 - 33ohm 120ohm 180ohm 0.151W
Если вы хотите обезопасить себя от будущего выхода из строя uPC1678G, то можно воспользоваться рекомендациями в статье OZ2M. Еще один способ, который не проверен, но не противоречит логике – подать питание на IC151 через стабилизатор, например LM317L с регулировкой выходного напряжения, а само питающее напряжение взять с точки T8V, где оно снимается в момент приема, а подается только во время передачи. Или же поставить стабилитрон на 4,3 - 4,7 вольт с ограничивающим резистором, запитав его из той же точки T8V.
При реальном выходе микросхемы из строя есть два пути – либо заменить ее на аналогичную с установкой радиатора, либо применить MAR или аналогичную, что предпочтительнее. Изменения в схеме будут минимальные – замена резистора R157 10 Ом в цепи питания в зависимости от примененного MAR. После замены нужно будет только отрегулировать выходную мощность трансивера, следуя рекомендациям сервисного описания. Изменения в схеме показаны на рисунке. Были опубликованы рекомендации по замене микросхемы на транзистор КТ368, вряд ли это можно считать удачным, слишком велико отличие в параметрах. Использовать такой способ можно только как крайнюю и временную меру.
То, что было описано выше, только одна причина проблем с выходной мощностью. Вторая и более сложная проблема заключена в драйвере IC-746PRO, симптомы этой неисправности – скачкообразное изменение выходной мощности по мере прогрева трансивера. В предыдущих моделях серий 74х, 75х использовались биполярные транзисторы 2SC1972, а в 746PRO установлены полевые транзисторы 2SK2975. По неподтвержденным данным такая замена была вызвана тем, что производители сняли или готовятся снять транзисторы 2SC1972 с производства. Возможно это и так, но, к сожалению, замена была выбрана неудачно. Транзисторы 2SK2975 перегреваются и нередко выходят из строя. Стоимость их замены не такая высокая, но беда в том, что сложно найти именно эти транзисторы и вдобавок они припаяны на радиатор, поэтому заменить их на исправные не так просто. Но опять таки не все так плохо, как может показаться на первый взгляд. Транзисторы 2SC1972 найти гораздо проще, они не дорого стоят, ориентировочная стоимость 15-20 долларов за пару. Закрепить их можно винтами вместо радиатора для 2SK2975.
На рисунках показаны аналогичные каскады IC-746 и IC-746PRO, на принципиальных схемах была допущена одна и та же ошибка – неверное соединение цепей смещения. Отвод трансформатора должен быть от вторичной обмотки, а не от первичной в цепи коллектора 2SC1971. Обе схемы очень похожи, что позволяет заменить полевые транзисторы на биполярные без существенных доработок. Только одна важная деталь – при замене на 2SC1972 ОБЯЗАТЕЛЬНО добавить диоды в цепи смещения, как это сделано в драйвере IC-746. На базы биполярных транзисторов нельзя подавать напряжение более 0,7 вольт. К сожалению, не было возможности подобрать корректирующие резисторы и конденсаторы для получения номинальной мощности в диапазоне 144 МГц, на КВ диапазонах работоспособность трансивера после замены транзисторов полностью восстановилась, мощность соответствует номинальной, нагрев транзисторов практически отсутствует.
Разумеется, что никакой ответственности за приведенные рекомендации сайт СКР не несет, это только информация к размышлению. Если вы сомневаетесь в результатах доработок, то ни в коем случае не производите никаких изменений, обратитесь в сервисные центры Icom.
