Feb 252014
 
Въведение

Тази статия е от съществено значение за всеки, който се занимава или му се налага да използва охладителен радиатор за даден тип електронен елемент (схеми за аудио транзистори, транзистори като цяло, охлаждане на полупроводникови SSR релета, охлаждане на симистори, охлаждане на мощни диоди, охлаждане на мощни LED светодиоди, охлаждане на тиристори, охлаждане на CPU, охлаждане на лазерен диод, интегрални схеми от всякакъв вид и други електронни елементи). В статията е изложена методиката и принципа, необходими за избор на охладителен радиатор. Надяваме се да бъдем особено полезни, предвид оскъдната информация в интернет на тази тема. В статията няма да бъде засегнато принудително охлаждане с вентилатор или работен флуид.

STM products
Преноса на топлинна енергия се осъществява от тяло с по-висока температура към тяло или околна среда с по-ниска такава (най-често въздух, но може да бъде вода, хладилни агенти или масло). Практически в електрониката, за да съществува топлообмен от охладителният радиатор към околната среда, температурата на радиатора трябва да е по-висока от тази на средата. Законът на френският учен Джоузеф Фурие за топлинната проводимост, в случая за едномерна форма за х-посока показва, че:
когато има температурен градиент в тяло, топлината ще бъде отдадена от тялото с по-висока температура към тялото с по-ниска температура (в нашия случай околната среда). Топлината, която ще бъде отдадена чрез топлопроводимост (кондукция) е пропорционална на температурния градиент и площта на напречното сечение.

Охладителни радиатори

Необходимостта от охладителни радиатори е все по-належаща и поради масово навлизащите в употреба мощни LED диоди. Производителите в много от случаите правят добри на дизайн продукти, но с не толкова добри охладители. По този начин светодиодите работят в далеч по-топла среда от нормалната им работна, като по този начин изгарят прекалено бързо.

FF1 LED lamp

В целия процес на пренос на топлинна енергия, топлината преминава през различни елементи с различен топлинен капацитет и различна топлопроводимост. За надеждно изчисление на охладителния радиатор се взима предвид околната температура. Околна температура от 25˚C се счита за добра отправна точка за нашия климат. Задължително е в сметките да се залага максималната възможна околна температура, а също така да се отчетат фактори, като разположение на радиатора (с цел по-добро топлопредаване), добре изгладени повърхности, използване на термопроводима силиконова паста, отчитане на надморска височина и др. Основната цел на един проектант на краен продукт е да постигне възможно най-ниско топлинно съпротивление.

Топлинно съпротивление

Ако направим аналогия на топлинното съпротивление, можем да го сравняваме с електрическо съпротивление, а топлопредаването – с големината на електрическият ток. Колкото по-ниско е общото топлинно съпротивление на охладителна система, толкова повече мощност може да разсее. Разбира се, добре е да се отбележи, че преноса на топлина не е мигновен процес, съществува време за разпространение и др., което тук няма да разглеждаме. Преноса на топлинна енергия между полупроводниковия чип и околния въздух се моделира като поредица от съпротивления за топлинния поток, съпротивление на полупроводник (ПП) кристал – корпус, корпус – радиатор, и радиатор – околна среда. Сумата от тези съпротивления ни дава общото термично съпротивление. Температурното съпротивление се определя като повишаване на температурата в ˚С за единица мощност  W, аналогично на електрическото съпротивление и се изразява с мерна единица ˚С/ W. Цялостното пресмятане е сравнително относително, тъй като не се взимат под внимание неравномерното разпределение на топлината по отношение на радиатора. Отнася се за модели, които са в термично равновесие и не се взема предвид промяната на температурата с времето.

Изображения за движение на флуид чрез естествена конвекция, изчислителен метод: числени методи (Computational fluid dynamics- CFD)

razpredelenie na traektoriq fluid pri krygyl radiator sys styr4ashti lameli

CFD анализ показващ разпределение траекторията на флуид, в случая на кръгъл радиатор със стърчащи аксиални ламели.

razpredelenie na traektoriq fluid pri radiator s radialno razpolojeni lameli

CFD анализ показващ разпределение траекторията на флуид в случая на кръгъл радиатор радиално разположени ламели.

CFD_Forced_Convection_Heat_Sink_v4

CFD анализ, показващ температурните контури; повърхностни и въртеливи траектории и въздушна струя, предизвикани от вентилатор.

eoa_watermann1_305 estesvena konvekcia
Охлаждане на ПП елемент или друг тип електронен елемент чрез охладителен радиатор

Може да се каже, че за охлаждането на даден елемент трябва да се осъществи пренос (отдаване) на топлинна енергия от едно тяло към друго чрез топлообмен. За осъществяване на най-добър пренос на топлина най-важният параметър на материала е неговото топлинно съпротивление. То наподобява електрическото съпротивление, съответно колкото е по-ниско топлинното съпротивление на даден материал, то той толкова по-бързо ще може да топлопредава.  Термичното съпротивление е реципрочното на термичната проводимост. Мерната единица в система SI е градус келвин на ват [K/W], както всички знаете изменението на температурата с 1К е равно на изменението с 1˚С, Δ1 K = Δ1 °C, следователно записваме еквивалентната мерна единица [C˚/W]. При всички полупроводникови прибори, излъчващи топлина е от изключително значение правилното им охлаждане, при липсата на такова, настъпват необратими промени във кристалната му структура. Максималната температура на полупроводника Tj се дава от производителя, както термичното съпротивление ПП кристал-корпус Rthj-c  и абсолютното топлинно съпротивление Rth. На базата на тази информация проектантът на крайното устройство трябва да изчисли площта и големината на необходимия охладителен радиатор за правилно функциониране на устройството. Изчислението на охладителен радиатор трябва да гарантира работна температура по-малка от дадената максимална от производителя.

Tj – температура на ПП кристал
Tc – температура на корпуса на ПП
Tf – температура на радиатора
Ta – температура на въздуха
Rthj-c  – термично съпротивление на ПП кристал-корпус(транзистор)
Rthc-r   – термично съпротивление на изолаторната подложка и силиконова паста
Rthr-a – термично съпротивление на радиатора

Сравнителна таблица за възможността на даден ПП елемент да отдава топлинна мощност в зависимост от околната температура. Както сами ще се убедим при повишаване на околната температура (температурата на помещението), възможността на системата да разсейва топлинна енергия намалява.

За даден транзистор или полупроводников елемент е дадена графика от производителя за възможността му, да разсее топлинна енергия равна на 75W при околна температура 25˚С. Вижда се много добре на графиката, че при увеличаване на околната температура на 100˚С, ПП елемент може да разсее топлина не повече от 30 W. По същата аналогия може да направим извод, че колкото по-ниска е околната температура, то охладителния радиатор би топлообменял много по-интензивно, следователно температурата на полупроводника ще бъде по-ниска и ще увеличим неговият живот, съответно една и съща големина, радиатор, би могъл да разсейва по-голяма мощност. Живота на ПП елемент е силно зависим от температурата на неговия преход, отнася се за абсолютно всички полупроводници: транзистори, диоди, тиристори, триаци, интегрални схеми,  SSR релета, Led светодиоди, които се произвеждат с все по-голяма мощност, както и за всеки друг тип електронни елементи, имащи нужда от допълнително охлаждане чрез радиатор. Примерният транзистор, който разглеждаме е с термично съпротивление преход-корпус 1.67˚C/W, така температурата на ПП кристал, би била по-висока от температурата на неговия корпус.
Първото ни изчисление ще бъде, каква ще е температурата на прехода при температура на корпуса 25˚С и разсейвана мощност 75 W. Термичното съпротивление е равно на 1.67, мощността 75 W, следователно температурата на прехода 1.67х75=125 ˚С
С цел най ефективно ползване на мощни транзистори, светодиоди (LED), SSR релета, диоди, тиристори и други видове полупроводникови елементи, имащи нужда от допълнително охлаждане, е възможно само при добре изчислено топлоотдаване в околната среда. С цел по-опростено обяснение, надолу ще бъде споменавано за полупроводников елемент – транзистор, като аналогичните сметки могат да бъдат използвани и за други полупроводникови елементи. Топлинните съпротивления в това топлопредаване са:
–    топлинно съпротивление между колекторния преход на транзистора и корпуса му Rthj-c  което може да се набави от каталожните данни (datasheet catalog) за съответните полупроводникови елементи;
–    топлинно съпротивление между корпуса и радиатора Rthc-r   което зависи главно от добрия топлинен контакт между двете повърхности ( гладкост на повърхностите, приложената сила на стягане, наличие на топлопроводима силиконова паста, материал и дебелина на изолационната подложка и др.);
–    топлинно съпротивление между радиатора и околната среда  Rthr-a , което зависи от повърхността на радиатора и нейното състояние (цвят, покритие, гладкост) разположение на радиатора (хоризонтално, вертикално, дължина и разстояние на ребрата);
Общото резултатно съпротивление е: Rth = Rthj-c  + Rthc-r  + Rthr-a , всички тези топлинни съпротивления се измерват в C˚/W.
В резултат на охлаждането температурата на прехода tj преход (˚C) ще бъде получена като сума от всички отделни топлинни съпротивления на транзистора (или друг ПП елемент) и радиатора, умножена по колекторната мощност Pc (W), която трябва да се разсее (или необходимата мощност за разсейване от ПП елемент). Всичко това събрано с температурата на околния въздух tа. Тук може да подчертаем, че при сметки се взима максималната околна температура, която е възможно да бъде достигната, т.е.:

формула (1)

 



Изчислението по формула (1) се прави в случаите когато се разполага с готов радиатор и трябва да се провери неговата ефикастност. Чрез същата формула може да се изчисли максимално допустимата мощност на разсейване:

Формула (2)

 

Където  tj max е максимално допустимата температура на преходите на транзистора, посочена в каталожните данни на производителя (C˚). В повечето случаи, грубо може да се приеме, че tj max е 70 C˚ за германиевите транзистори и 150 C˚ за силициевите ПП елементи. С цел по добро предпазване и дълготрайна работа на ПП проводниковите елементи, тези температури могат да се занижат с 10-15%.
Топлинното съпротивление на радиатора който трябва да се монтира , за да не се надвиши максимално допустимата мощност  Pc max ще бъде:

Формула (3)

Ако плоскостите на корпуса на транзистора и леглото му в радиатора не са достатъчно плътно прилепнали и гладкостта на допиращите се повърхности не е висока, топлинното съпротивление Rthc-r   може да нарастне с 2-3(C˚/W). Запълването на тези неравности с термопроводима силиконова паста понижава Rthc-r   до 0.5(C˚/W). Много често се налага използването на изолационна подложка между корпуса на полупроводника и охладителя. Това увеличава топлинното съпротивление в зависимост от дебелината и материала на подложката. В следната таблица може да се види зависимостта при някои типове подложки с различни дебелини:

 

 

Материал на подложката

Дебелина на подложката в µm

Топлинно съпротивление Rthc-r

(C˚/W)

Полиетиленова или тефлонова лента

10

1,1

Слюда

60

0,6

Слюда

140

2

Слюда

400

2,7

Слюда със силиконова паста

40

0,5

Анодирана повърхност

–––

1

 

 

Пример: имаме транзистор с топлинно съпротивление Rthj-c  = 1.5 (C˚/W), трябва да разсее топлинна мощност 15 W, монтиран е на радиатор с топлинно съпротивление Rthr-a = 1.8 (C˚/W),  и е изолиран от него чрез слюдена пластина с Rthc-r  = 0.5(C˚/W), околната температура е 25 C˚.
Температурата на прехода на ПП ще достигне до: tj = 15(1.5+0.5+1.8)+25 = 82 C˚
Чрез формули (1), (2) и (3) могат да се изчисляват различни характеристики в удобни варианти.

Плоски радиатори

Плоските радиатори са най-прости по конструкция радиатори – плоска алуминиева плоча с квадратна или правоъгълна форма. Необходимата площ S (cm2) може да се определи по формулата:

Формула (4)

Където Rthr-a е вече споменатото топлинно съпротивление на радиатора а А е коефициент, зависещ от състоянието на повърхността и условията за топлообмен:
А=2200 при необработена алуминиева плочка със затруднен въздухообмен (хоризонтално разположение);
А= 1600 при необработена алуминиева плочка с улеснен въздухообмен (вертикално разположение);
А= 1200 при обработена (чрез пясъкоструя) алуминиева плочка и вертикално разположение.
Формула (4) може да се използва и за П-образни радиатори, стига да е осигурено обтичане на въздух от двете страни
Пример: транзисторът ……..трябва да разсее мощност 6 W. Трябва да се направи оразмеряване за плосък радиатор, така че температурата на прехода tj max да не надвиши 150 C˚ при температура на околния въздух tа = 35 C˚. Разположението на радиатора ще е вертикално.
Температурата на радиатора ще се определи от:

В случая ще изберем транзистора да не се нуждае от изолационна подложка следователно Rthc-r=0 , Rthj-c  = 10 C˚/W,

От тук заместваме в , поради вертикалното разположение на охладителният радиатор се получава двустранно обтичане с въздух и изчислителната стойност на S може да се намали 2 пъти.

Таблица за оразмеряване на плосък алуминиев радиатор , необработен, при вертикален монтаж (в случаите на хоризонтален, площта трябва да е с 20% по голяма)

 

Топлинно съпротивление Rthr-a(C˚/W)

Необходима

охладителна площ в cm2,при дебелина на листа 1mm

Необходима охладителна площ в cm2,при дебелина на листа 2mm

Необходима охладителна площ в cm2 , при дебелина на листа 3mm

2

––––-

700

550

3

600

350

280

4

280

220

190

5

180

160

140

6

135

125

120

7

120

100

95

8

90

82

80

9

80

72

70

10

70

65

63

50

55

52

50

100

42

40

40

200

30

30

30

300

20

20

20

Радиатори с ребра

В случаи на изчислени радиатори, когато за площа S се получат големи и неудобни размери – трябва да се премине към ребрести радиатори. Съществуват най различни форми на ребрести радиатори. За тях важат правилата за монтаж изброени по горе в настоящата статия.

Forced_convection_heat_sink_using_CFD_v1

Принудително охлаждане чрез вентилатор

Чрез графиките по-долу, проектант може лесно и бързо да се ориентира за избор на дължина на радиатор, в зависимост от необходимата мощност, която трябва да разсеем, чрез охладителен радиатор. Необходимо е да се съобразим не само с мощността, която искаме да разсеем, но и каква температурна разлика желаем да поддържаме. Графиките са за някои типове радиатори:

Автор: Емил Браянов

Източници:

1. Novel Concepts, Inc

2. Наръчник по опростено проектиране на схеми с полупроводникови елементи. Джон Ленк, ДИ „Техника“ 1981г.

3. Справочник на радиолюбителя. Димитър Рачев, ДИ „Техника“ 1984г.

Коментари от Google+

 Leave a Reply

(required)

(required)


You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>