Площадь радиатора для транзистора: Радиаторы и охлаждение

Как рассчитать радиатор для транзистора

Электросварка. Как рассчитать радиатор

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Сварочное оборудование

 Комментарии к статье

Во время работы полупроводникового прибора в его кристалле выделяется мощность, которая приводит к разогреву последнего. Если тепла выделяется больше, чем рассеивается в окружающем пространстве, то температура кристалла будет расти и может превысить максимально допустимую.

При этом его структура будет необратимо разрушена. Следовательно, надежность работы полупроводниковых приборов во многом определяется эффективностью их охлаждения.

Наиболее эффективным является конвективный механизм охлаждения, при котором тепло уносит поток газообразного или жидкого теплоносителя, омывающего охлаждаемую поверхность.

Чем больше охлаждаемая поверхность, тем эффективнее охлаждение, и поэтому мощные полупроводниковые приборы нужно устанавливать на металлические радиаторы, имеющие развитую охлаждаемую поверхность.

В качестве теплоносителя обычно используется окружающий воздух.

По способу перемещения теплоносителя различают:

• естественную вентиляцию;
• принудительную вентиляцию.

В случае естественной вентиляции перемещение теплоносителя осуществляется за счет тяги, возникающей возле нагретого радиатора. В случае принудительной вентиляции перемещение теплоносителя осуществляется с помощью вентилятора. Во втором случае можно получить большие скорости потока и, соответственно, лучшие условия охлаждения. Тепловые расчеты можно сильно упростить, если использовать тепловую модель охлаждения  (рис. 18.26) Здесь разница между температурой кристалла TJ и температурой среды ТA вызывает тепловой поток, движущийся от кристалла к окружающей среде, через тепловые сопротивления RJC (кристалл — корпус), RCS (корпус — радиатор) и RSA (радиатор — окружающая среда). Рис 18.26. Тепловая  модель охлаждения Тепловое сопротивление имеет размерность °С/Вт.

Суммарное максимальное тепловое сопротивление RJA на участке кристалл — окружающая среда можно найти по формуле: где РПП — мощность, рассеиваемая на кристалле полупроводникового прибора, Вт. Тепловое сопротивление RJC и RCS указывается в справочных данных на полупроводниковые приборы. Например, согласно справочным данным, на транзистор IRFP250N, его тепловое сопротивление на участке кристалл- радиатор равно RJC + RCS = 0,7 + 0,24 = 0,94 °С/ Вт. Это означает, что если на кристалле выделяется мощность 10 Вт, то его температура будет на 9,4 °С больше температуры радиатора. Тепловое сопротивление радиатора можно найти по формуле: Предлагаемая ниже методика основана на рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов серии Max Clip System™ фирмы «AAVID THERMALLOY». На рис. 18.27 приводятся графические зависимости между периметром сечения алюминиевого радиатора и его тепловым сопротивлением для естественного (красная линия) и принудительного (синяя линия) охлаждения воздушным потоком.

По умолчанию считается, что:

• радиатор имеет длину 150 мм;
• разница между температурой радиатора TS и температурой окружающей среды Та равна ;
• скорость потока принудительного охлаждения равна 2 м/с.

Если условия охлаждения отличаются от принятых по умолчанию, то необходимую поправку можно внести, воспользовавшись графиками на рис. 18.28 — рис. 18.30. Рис. 18.27. Зависимости между сечением алюминиевого радиатора и его тепловым сопротивлением Рис. 18.28. Поправочный коэффициент на разницу температуры радиатора и окружающей среды Рис. 18.29. Поправочный коэффициент на скорость воздушного потока Рис. 18.30. Поправочный коэффициент на длину радиатора Для примера рассчитаем радиатор, обеспечивающий охлаждение транзистора ЭРСТ, состоящего из 20-ти транзисторов типа IRFP250N. Расчет радиатора можно вести для одного транзистора, а затем полученный размер увеличить в 20 раз. Так как на ключевом транзисторе рассеивается суммарная мощность 528 Вт, то на каждом транзисторе IRFP250N рассеивается мощность 528/20 = 26,4 Вт. Радиатор должен обеспечивать максимальную температуру кристалла транзистора не более +110 °С при максимальной температуре окружающей среды +40 °С. Найдем

тепловое сопротивление RJA для одного транзистора IRFP250N: Теперь найдем тепловое сопротивление радиатора: Зная максимальную температуру кристалла и тепловое сопротивление на участке кристалл-радиатор, определим максимальную температуру радиатора: По графику (рис. 18.28) определим поправочный коэффициент Кт на разницу температуры радиатора и окружающей среды: Для охлаждения радиатора используется вентилятор типа 1,25ЭВ-2,8-6-3270У4, имеющий производительность 280 м3/ч. Чтобы вычислить скорость потока, нужно разделить производительность на сечение воздуховода, продуваемого вентилятором. Если воздуховод имеет площадь поперечного сечения: то скорость воздушного потока будет равна: По графику (рис. 18.29) определим поправочный коэффициент Kv на реальную скорость воздушного потока: Допустим, что в нашем распоряжении имеется большое количество готовых радиаторов, имеющих периметр сечения 1050 мм и длину 80 мм. По графику (рис. 18.30) определим поправочный коэффициент KL на длину радиатора: Чтобы найти общую поправку, перемножим все поправочные коэффициенты: С учетом поправок, радиатор должен обеспечивать тепловое сопротивление: С помощью графика (рис. 18.27) найдем, что для одного транзистора требуется радиатор с периметром сечения 200 мм. Для группы из 20-ти транзисторов IRFP250N радиатор должен иметь периметр сечения не менее 4000 мм. Так как имеющиеся в распоряжении радиаторы имеют периметр 1050 мм, то придется объединить 4 радиатора. На диоде ЭРСТ рассеивается меньшая мощность, но из конструктивных соображений для него можно использовать аналогичный радиатор. Зачастую производители охладителей указывают площадь поверхности радиатора, а не периметр и длину. Чтобы из предлагаемой методики получить площадь радиатора, достаточно умножить длину радиатора на его периметр SP = 400 • 8 = 3200 см2.

Корякин-Черняк С.Л.

• Смотрите другие статьи раздела Сварочное оборудование.
• Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Расчет радиатора транзистора

К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало.

Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.

Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод — радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.

Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.

Если корпус кремниевого транзистора полностью металлический, то типичная максимальная температура составляет примерно 200 °C, если же корпус пластиковый, то 150 °C. Данные о максимальной температуре для того или иного транзистора вы сможете легко найти в даташите. Например для FGA25N120ANTD лучше если его температура не будет превышать 125 °C.

Зная все основные тепловые параметры, несложно подобрать подходящий радиатор.

Достаточно лишь выяснить максимальную температуру окружающей среды, в которой будет работать транзистор, мощность, которую должен будет рассеивать транзистор, затем подсчитать температуру переходов транзистора с учетом тепловых сопротивлений соединений кристалл-корпус, кропус-радиатор, радиатор-окружающая среда, после чего останется выбрать радиатор, с которым температура транзистора будет хотя бы немного ниже максимально допустимой.

Важнейшим параметром при подборе и расчете радиатора является тепловое сопротивление. Оно равно отношению величины перепада температур на поверхности теплового контакта в градусах к передаваемой мощности.

• Когда тепло передается посредством процесса теплопроводности, то тепловое сопротивление остается величиной постоянной, которая не зависит от температуры, а зависит лишь от качества теплового контакта.
• Если переходов (тепловых контактов) несколько, то тепловое сопротивление перехода, состоящего из нескольких последовательных соединений, окажется равно сумме тепловых сопротивлений этих соединений.
• Так, если транзистор будет смонтирован на радиатор, то общее тепловое сопротивление при теплопередаче будет равно сумме тепловых сопротивлений: кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-окружающая среда. Соответственно температура кристалла находится в этом случае по формуле:
• Для примера рассмотрим случай, когда нам необходимо подобрать радиатор для двух транзисторов FGA25N120ANTD, которые будут работать в схеме двухтактного преобразователя (push-pull), причем на каждом транзисторе будет рассеиваться по 15 ватт тепловой мощности, которую необходимо передать в окружающую среду, то есть от кристаллов транзисторов через радиатор — воздуху.
• Поскольку транзисторов два, то сначала найдем радиатор для одного транзистора, после чего просто возьмем радиатор с вдвое большей площадью теплообмена, с вдвое меньшим тепловым сопротивлением (будем использовать изолирующие прокладки).

Пусть наше устройство будет работать при температуре окружающей среды в 45°C. Пусть температура кристалла удерживается не выше 125°C.

В даташите видим, что для встроенного диода тепловое сопротивление кристалл-корпус больше теплового сопротивления кристалл-корпус непосредственно IGBT, и оно равно 2 °C/Вт.

Это значение и будем брать в расчет в качестве теплового сопротивления кристалл-корпус.

Тепловое сопротивление силиконовой изолирующей прокладки составляет порядка 0,5 °C/Вт — это и будет тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Теперь, зная рассеиваемую мощность, максимальную температуру кристалла, максимальную температуру окружающей среды, тепловое сопротивление кристалл-корпус и тепловое сопротивление корпус-радиатор, найдем необходимое тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда.

Итак, нам необходимо подобрать такой радиатор, чтобы тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда получилось в данных условиях 2,833 °C/Вт или меньше. И до какой температуры в этом случае перегреется радиатор по сравнению с окружающей средой?

Возьмем найденное тепловое сопротивление на границе радиатор-окружающая среда, и умножим на рассеиваемую мощность, для нашего примера 15 Вт.

Перегрев составит около 43 °C, то есть температура радиатора будет около 88 °C.

Поскольку транзисторов в нашей схеме будет два, то и мощности рассеять нужно будет вдвое больше, значит необходим радиатор с тепловым сопротивлением вдвое меньшим, то есть 1,4 °C/Вт или меньше.

Если у вас нет возможности подобрать радиатор именно с найденным тепловым сопротивлением, то можно воспользоваться старым добрым эмпирическим методом — обратиться к графику из справочника.

Зная разность температур окружающая среда — радиатор (для нашего примера 43 °C), зная рассеиваемую мощность (для нашего примера для двух транзисторов — два по 15 Вт), находим необходимую площадь радиатора, то есть общую площадь контакта радиатора с окружающим воздухом (для нашего примера — два по 400 кв.см).

Смотрите также по этой теме: Дюйм*градус/ватт — что это за такой параметр радиатора?

Андрей Повный

Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров

Во время работы мощные полупроводниковые приборы выделяют в окружающую среду определенную теплоту.

Если не позаботиться об их охлаждении, транзисторы и диоды могут выйти из строя из-за перегрева рабочего кристалла. Обеспечение нормального теплового режима транзисторов (и диодов) — одна из важных задач.

Для правильного решения этой задачи нужно иметь представление о работе радиатора и технически грамотном его конструировании.

Конструкторы чаще выдумывают, чем рассчитывают, какую площадь должен иметь теплоотвод. Из-за этого либо сго­рают транзисторы, либо теплоотводы получаются более громоздкими.

Как известно, любой нагретый предмет охлаждаясь отдает тепло окружающей среде. Пока количество тепла, выделяющегося в транзисторе, больше отдаваемого им среде — температура корпуса транзистора будет непрерывно возрастать.

При некотором ее значении наступает так называемый тепловой баланс, то есть равенство количеств рассеиваемого и выделяемого тепла. Если температура теплового баланса меньше максимально допустимой для транзистора — он будет надежно работать. Если эта температура выше допустимой максимальной температуры — транзистор выйдет из строя.

Для того, чтобы тепловой баланс наступал при более низкой температуре, необходимо увеличить теплоотдачу транзистора.

Есть такой параметр, как тепловое со­противление. Он показывает, на сколь­ко градусов нагревается объект, если в нем выделяется мощность 1 Вт. К сожа­лению, в справочниках по транзисторам такой параметр приводится редко. На­пример. для транзистора в корпусе ТО-5 тепловое сопротивление равно 220°С на 1 Вт.

Это означает, что если в тран­зисторе выделяется 1 Вт мощности, то он нагреется на 220°С. Если допускать на­грев не более чем до 100°С, например, на 80°С относительно комнатной темпе­ратуры, то получим, что на транзисторе должно выделяться не более 80/220 = 0,36 Вт.

В дальнейшем будем считать до­пустимым нагрев транзистора или тири­стора не более, чем на 80°С.

1. Существует грубая формула для рас­чета теплового сопротивления теплоотвода Q = 50/ √S °С/Вт. (1)
2. где S — площадь поверхности теплоотвода, выраженная в квадратных сантиме­трах. Отсюда площадь поверхности можно рассчитать по формуле:
3. S = 2. ( 2 )

Рассмотрим в качестве примера расчет теплового сопротивления конструкции, показанной на рисунке. Конструкция теплоотвода состоит из 5 алюминиевых пластин, собранных в пакет. Предположим, W=20 см, D=10 см, а высота (на рисунке не показана) 12 см.

каждый «выступ» имеет площадь 10×12 = 120 см2, а с учетом обеих сторон 240 см2. Десять «выступов’» имеют площадь 2400 см2, а пластина две стороны х 20 х 12 = 480 см2. Итого получаем S=2880 см2. По формуле (1) рассчитываем Q=0,93°С/Вт.

При допустимом нагреве на 80°С получаем мощность рассеяния 80/0,93 = 90 Вт.

Теперь проведем обратный расчет. Предположим, нужен блок питания с выходным напряжением 12 В и током 10 А. После выпрямителя имеем 17 В. следовательно, падение напряжения на транзисторе составляет 5 В, а значит, мощность на нем 50 Вт. При допустимом нагреве на 80°С получим требуемое тепловое сопротивление Q=80/50= =1. 6°С/Вт. Тогда по формуле (2) определим S= 1000 см2.

Радиаторы и охлаждение

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон — ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы — так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.

Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.

Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни — больше, другие — меньше.

Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного.

Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.

Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки . Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь — количество секций.

Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату.

Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется.

Рассмотрим устройство транзистора.

На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3. Он подключается к выводам 4. Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5. У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.

Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха — это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.

Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу — фланец.

Фланец — это как одна-единственная секция у батареи — жарить жарит, а тепла воздуху не передается — маленькая площадь контакта.

Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще «парочку секций», то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.

Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:

Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами .

Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже.

Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.

Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I, где P — выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I — сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.

Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.

У нас появились две штуки — это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7. Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.

Расскажу о двух важных параметрах — это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора — Rпк и между корпусом транзистора и радиатором — Rкр.

Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса.

Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько — показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу.

Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт — то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов .

К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.

А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7.

У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится.

Единственная причина использовать прокладку — если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.

Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла — не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2 градуса на ватт.

Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов.

Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!

Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.

Разобрались? Поехали дальше!

Охлаждение бывает двух типов — конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение — мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется.

Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы.

Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет.

Принудительное охлаждение — это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот. Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.

Как распознать радиатор — для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.

Смотрим фотографии.

Первый радиатор — для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос — в их эффективности.

У радиаторов есть 2 параметра — это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон.

Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет .

Пример:радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.

Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.

Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт.

Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше.

А уменьшить его можно по-разному — для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе — не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска — лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!

В приложении есть небольшая программа, в которой можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.

Схема блока питания.

Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт.

Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов.

Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.

Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.

Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200.

Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла.

Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.

Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см — это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности — дольше 10часов.

Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее.

А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.

А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!

Источник: www. radiokot.ru

Список радиоэлементов

Скачать список элементов (PDF)

Расчёт радиатора для транзистора

Расчёт ребристого радиатора при естественном воздушном охлаждении для транзистора 2ТА заданной мощности 15 Вт.

Необходимо сопоставить максимальную мощность рассеяния транзистора при допустимой температуре р-п перехода Тп, температуре среды Тс и тепловом контактном сопротивлении R пк с заданной мощностью транзистора.

Если заданная мощность Р превышает Рмах, то данный транзистор на заданную мощность применять нельзя. R кр — тепловое контактное сопротивление между корпусом и радиатором. Определяем число рёбер, n , шт. Рекомендуется выбирать на одно ребро больше расчётного.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты: Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Теплоотвод 2. Алюминиевые радиаторы

Расчет радиатора для транзистора. Расчет пластинчатого (ребристого) радиатора

Она и так весёлая На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились — подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника.

А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла. Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы радиаторы.

Полный расчёт радиатора — вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом — для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Но лучше воспользоваться специальной программой. Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений. А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы — не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.

Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно — в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy.

Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Теперь давайте определимся с терминологией.

S — площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора.

Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство. Q — тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.

Q1 — тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается R thJC.

Q2 — значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия Al2O3 , нитрида алюминия AlN , или оксида бериллия BeO.

В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.

Т1 — максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора градусов. Если совсем лень — ставим 1. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.

А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод. А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С.

Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим — это нормально.

Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус.

Тут природу не обманешь — надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.

Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления.

Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский «no trademark» — воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.

С этим всё, дальше кусок из умного справочника. Это нужно знать Весь перечень знаний находится на этой странице. Весь перечень знаний находится на этой странице. Онлайн расчёт площади радиаторов для транзисторов и микросхем.

На сайте радиочипи представлены принципиальные схемы сабвуферов, собранные своими руками

Радиаторы для полупроводниковых приборов. Во время работы мощные полупроводниковые приборы выделяют в окружающую среду определенную теплоту. Если не позаботиться об их охлаждении, транзисторы и диоды могут выйти из строя из-за перегрева рабочего кристалла.

Обеспечение нормального теплового режима транзисторов и диодов — одна из важных задач. Для правильного решения этой задачи нужно иметь представление о работе радиатора и технически грамотном его конструировании.

Как известно, любой нагретый предмет охлаждаясь отдает тепло окружающей среде.

Во время своей работы интегральные стабилизаторы напряжения, особенно линейные, выделяют в окружающую среду определенное количество.

Расчет радиатора для транзистора. Расчет пластинчатого (ребристого) радиатора

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон — ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы — так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.

Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе.

Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.

3.1 Расчёт параметров радиатора для отвода тепла от транзистора

Запросить склады. Перейти к новому. Расчет радиатора ключевого транзистора. Дано: IRF работающий в ключевом режиме, линейка светодиодов шт идут сразу с резисторами ток одного 20 мА, питание 5 вольт. Каким образом расчитать радиатор для данного транзистора?

Часть 1: Расчет тепловыделения и радиатора при постоянном токе Сначала простой случай, расчет радиатора по данным тепловыделения при постоянном токе. Например, переключение производится не чаще чем с частотой 1 Гц.

Во время своей работы интегральные стабилизаторы напряжения, особенно линейные, выделяют в окружающую среду определенное количество тепла. Если заранее не позаботиться об их охлаждении, то они могут выйти из строя, из-за перегрева рабочей структуры кристалла.

Для обеспечения высокой точности и стабильности напряжения питания в современных электронных устройствах широкое распространение получили интегральные стабилизаторы напряжения ИМС серии хх78хх отечественный аналог КР которые производят многие зарубежные фирмы.

Параметры некоторых ИМС стабилизаторов напряжения согласно данным из [1], приведены в табл. При мощности нагрузки более 1 Вт, ИМС линейного стабилизатора напряжения необходимо эксплуатировать с теплоотводом, к которому они крепятся болтовым соединением.

Промышленность выпускает различные виды радиаторов на любой вкус: пластинчатые, ребристые, штыревые, игольчатые и др.

Онлайн расчёт площади радиаторов для транзисторов и микросхем

Оглавление :: Поиск Техника безопасности :: Помощь. Чтобы рассчитать отвод тепла от силового элемента, используется понятие теплового сопротивления. По определению:. Вашему вниманию подборка материалов:. П рактика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы.

Обеспечение нормального теплового режима транзисторов (и диодов) — одна из важных . Полный расчет радиатора — очень трудоемкий процесс.

Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров

Часто необходимо, как мы видели в приведенных выше схемах, использовать мощные транзисторы или другие сильноточные устройства, такие, как КУВ или силовые выпрямители, рассеивающие мощности во много ватт.

Недорогой и очень распространенный мощный транзистор 2N, правильно смонтированный, рассеивает мощность до Вт.

Все мощные устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между их металлической поверхностью и внешним радиатором.

6.04. Мощные транзисторы и отвод тепла

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Как расчитать радиатор

Пытаюсь рассчитать радиатор для полевого транзистора IRF Силовая электроника, от простого к сложному. В своей конструкции хочется добиться рассеиваемой мощности Вт на IRF Ток через транзистор до 10 А, напряжение до 30 В соответственно с корректировкой на Вт. Мощные полевики обеспечивают заявленные мощностные параметры только в режиме полного открытия. Дело в том, что они состоят из множества параллельных мелких ячеек.

Рисунок 2 — Зависимость площади радиатора от перегрева и мощности рассеяния ЭРЭ коэффициент запаса 1,5. Определим необходимое значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Как рассчитать радиатор

Радиатор расчет. Как рассчитать радиатор для полупроводниковых. May 19, — Какой простой формулой можно подсчитать площадь радиатора охлаждения, если мне известны следующие параметры: температура воздуха-до 30 град.

Сразу скажем — научно-обоснованной методики для расчета охлаждающих радиаторов не существует.

Здесь мы приведем только пару-другую эмпирических способов, которые оправдали себя на практике и годятся для того, чтобы рассчитывать пассивные то есть без обдува радиаторы для подобных усилителей или для аналоговых источников питания, о которых пойдет речь в следующей главе. Типичный пластинчатый радиатор Сначала рассмотрим, как рассчитывать площадь радиаторов, исходя из их геометрии. Для расчета его площади нужно к площади его основания прибавить суммарную площадь его ребер также с каждой стороны.

Во время работы полупроводникового прибора в его кристалле выделяется мощность, что приводит к нагреву прибора. При этом его структура будет необратимо разрушаться. Следовательно, надежность работы полупроводниковых приборов во многом определяются эффективностью их охлаждения.

Радиаторы для полупроводниковых приборов

            Радиаторы для полупроводниковых приборов

Во время работы мощные полупроводниковые приборы выделяют в окружающую среду определенную теплоту. Если не позаботиться об их охлаждении, транзисторы и диоды могут выйти из строя из-за перегрева рабочего кристалла.

  Обеспечение нормального теплового режима транзисторов (и диодов) — одна из важных задач. Для правильного решения этой задачи нужно иметь представление о работе радиатора и технически грамотном его конструировании.

Как известно, любой нагретый предмет охлаждаясь отдает тепло окружающей среде. Пока количество тепла, выделяющегося в транзисторе, больше отдаваемого им среде — температура корпуса транзистора будет непрерывно возрастать.

При некотором ее значении наступает так называемый тепловой баланс, то есть равенство количеств рассеиваемого и выделяемого тепла. Если температура теплового баланса меньше максимально допустимой для транзистора — он будет надежно работать. Если эта температура выше допустимой максимальной температуры — транзистор выйдет из строя.

Для того, чтобы тепловой баланс наступал при более низкой температуре, необходимо увеличить теплоотдачу транзистора. 

Известны три способа передачи тепла: Теплопроводность, Лучеиспускание и Конвекция. Теплопроводность воздуха обычно мала — этим значением при расчете радиатора можно пренебречь.

Доля тепла, рассеиваемая лучеиспусканием значительна лишь при высоких температурах (несколько сотен градусов по Цельсию), поэтому этой величиной при относительно низких температурах работы транзисторов (не более 60-80 градусов) также можно пренебречь.

Конвекция — это движение воздуха в зоне нагретого тела, обусловленное разностью температур воздуха и тела. Количество тепла, отдаваемого нагретым предметом, пропорционально разности температур предмета и воздуха, площади поверхности и скорости воздушного потока, омывающего тело.

В молодости я столкнулся с оригинальным решением отвода тепла от мощных выходных транзисторов. Транзисторы (тогда для построения усилителей применяли транзисторы типа П210) на длинных проводах находились вне корпуса. К корпусу были прикручены две пластиковые баночки с водой, а транзисторы лежали в них.

Таким образом было обеспечено «водяное» эффективное охлаждение. Когда вода в баночках нагревалась — ее просто заменяли на холодную… Вместо воды можно использовать минеральное (жидкое) или трансформаторное масло…

Сейчас промышленность начала серийно выпускать водяные системы охлаждения процессоров и видеокарт компьютеров — по принципу автомобильных радиаторов (но это — уже, на мой взгляд, экзотика…).

Для обеспечения эффективного отвода тепла от кристалла полупроводника применяют теплоотводы (радиаторы). Познакомимся с некоторыми из конструкций радиаторов.

На приведенных рисунках показаны четыре разновидности теплоотводов.

Простейшим из них является пластинчатый радиатор. Площадь его поверхности равна сумме площадей двух сторон. Идеальной формой такого теплоотвода является круг, далее идут квадрат и прямоугольник. Пластинчатый радиатор целесообразно применять при небольших мощностях рассеивания. Устанавливаться такой радиатор должен вертикально, в противном случае — эффективная площадь рассеяния снижается.

Усовершенствованный пластинчатый теплоотвод представляет собой набор из нескольких пластин, загнутых в разные стороны. Этот радиатор при площади поверхности равной простейшему пластинчатому имеет меньшие габариты. Устанавливается такой теплоотвод аналогично пластинчатому.

Количество пластин может быть различным — в зависимости от необходимой поверхности. Площадь рассеивания такого радиатора равна сумме площадей всех загнутых участков пластин, плюс площадь поверхности центральной части.

Это тип радиатора имеет и недостатки: пониженную эффективность отвода тепла от всех пластин, а также невозможность получения идеально прямой поверхности в местах соединения пластин между собой.

Для изготовления пластинчатых радиаторов следует использовать пластины с толщиной не менее 1,5 (лучше — 3) миллиметров.

Ребристый радиатор — обычно цельнолитой, либо фрезерованный — может быть с одно или двухсторонним оребрением. Двухстороннее оребрение позволяет увеличить площадь поверхности. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей поверхности всех пластин и сумме площади поверхности основного тела радиатора.

Самым эффективным из всех перечисленных является штыревой (или игольчатый) радиатор. При минимальном объеме такой радиатор имеет максимальную эффективную площадь рассеивания. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей каждого штырька и площади основного тела.

Также существуют теплоотводы с принудительной подачей воздуха (пример — кулер процессора в вашем компьютере).

Эти теплоотводы при небольшой площади поверхности радиатора способны рассеивать в окружающую среду значительные мощности (к примеру — процессор среднего быстродействия Р-1000 выделяет, в зависимости от загрузки 30-70 ватт тепловой энергии).

Недостаток таких теплоотводов — повышенный шум при  эксплуатации и ограниченный срок работы (механический износ вентилятора).

Материалом для радиаторов обычно служит алюминий и его сплавы. Лучшей эффективностью обладают теплоотводы, выполненные из меди, но вес и стоимость таких радиаторов выше, чем у алюминиевых.

Полупроводниковый прибор крепится на теплоотвод при помощи специальных  фланцев. Если необходимо изолировать прибор от радиатора — применяются различные изоляционные прокладки. Применение прокладок снижает эффективность передачи тепла от кристалла, поэтому, если есть возможность — лучше изолировать теплоотвод от шасси конструкции.

Для более эффективного отвода тепла поверхность, которая соприкасается с полупроводниковым прибором, должна быть ровной и гладкой. Для повышения эффективности применяют специальные термопасты (например «КПТ-8»).

Применение термопаст способствует уменьшению теплового сопротивления участка «корпус — теплоотвод» и позволяет несколько понизить температуру кристалла. В качестве прокладок используют слюду, различные пленки из пластмассы, керамику. В свое время мной было получено авторское свидетельство по способу изолирования корпуса транзистора от теплоотвода.

Суть данного метода заключается в следующем: Поверхность теплоотвода покрывается тонким слоем термопасты (например типа КПТ-8), на поверхность пасты наносится (методом насыпания) слой кварцевого песка (я использовал песок из плавкого предохранителя), далее излишек песка удаляется стряхиванием и транзистор плотно прижимается при помощи хомута, изготовленного из изоляционного материала. При заводских испытаниях данного метода «прокладка» выдерживала кратковременно подачу напряжения в 1000 вольт (от мегометра).

Некоторые зарубежные мощные транзисторы выпускаются в изолированном корпусе — такой транзистор можно крепить непосредственно к теплоотводу без применения каких либо прокладок (но это не исключает применения термопаст!).

Источником тепла в системе транзистор-радиатор-окружающая среда является коллекторный P-N переход. Весь путь тепла в этой системе можно разделить на три участка: переход — корпус транзистора, корпус транзистора — теплоотвод, теплоотвод — окружающая среда.

Вследствие неидеальности передачи тепла температуры перехода, корпуса транзистора и окружающей среды существенно отличаются. Это происходит потому, что тепло на своем пути встречает некоторое сопротивление, называемое тепловым сопротивлением. Это сопротивление равно отношению разности температур на границах участка к рассеиваемой мощности.

Сказанное можно проиллюстрировать примером: по справочнику тепловое сопротивление переход-корпус транзистора П214 равно 4 градуса Цельсия на ватт.

Это означает, что в случае рассеивания на переходе мощности в 10 ватт, переход будет «теплее» корпуса на 4*10=40 градусов! Если учесть при этом тот факт, что максимальная температура перехода равна 85 градусам, то станет ясно, что температура корпуса при указанной мощности не должна превышать 85-40= 45 градусов Цельсия.

Наличие теплового сопротивления радиатора является причиной существенного различия температуры его участков, разноудаленных от места установки транзистора. Это означает, что в активной отдаче тепла участвует не вся поверхность радиатора, а лишь часть ее, которая имеет наиболее высокую температуру и поэтому наилучшим образом омывается воздухом.

Эта часть и называется эффективной поверхностью радиатора. Она будет тем больше, чем выше теплопроводящая способность радиатора. Теплопроводящая способность радиатора зависит от свойств материала из которого изготовлен теплоотвод и его толщины. Вот поэтому для изготовления теплоотводов используют медь или алюминий.

Полный расчет радиатора — очень трудоемкий процесс. Для грубого расчета можно использовать следующие данные: Для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Рекомендуемые площади радиаторов для некоторых диодов приведены в таблице:

В журнале «Радио» была опубликована статья инженера Агеева по расчету теплоотводов для полупроводниковых приборов. Вы можете закачать скан этой статьи (приношу заранее извинения за не очень высокое качество) здесь (280 Кбайт).

В журнале «Радиоаматор-Конструктор» была опубликована статья неизвестного автора по методике упрощенного расчета радиаторов. Просмотреть статью можно здесь.

Литература по теме: Ю.Ф.Скрипников «Радиаторы для полупроводниковых приборов» (около 2 мегабайт) можно скачать здесь.

Расчет теплоотвода силового элемента

Как рассчитать систему отвода тепла от силового элемента электронной схемы (10+)

Расчет теплоотвода силового элемента

• Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
• Чтобы рассчитать отвод тепла от силового элемента, используется понятие теплового сопротивления. По определению:
• [Тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = ([Температура в горячей точке, грЦ] — [Температура в холодной точке, грЦ]) / [Рассеиваемая мощность, Вт]

Это означает, что если от горячей точки к холодной поступает тепловая мощность X Вт, а тепловое сопротивление составляет Y грЦ / Вт, то разница температур составить X * Y грЦ.

Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Формула для расчета охлаждения силового элемента

1. Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:
2. [Температура кристалла силового элемента, грЦ] = [Температура окружающей среду, грЦ] + [Рассеиваемая мощность, Вт] * [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт]
3. где [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой, грЦ / Вт] (для случая с радиатором),
4. или [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой, грЦ / Вт] (для случая без радиатора).
5. В результате расчета мы должны получить такую температуру кристалла, чтобы она была меньше максимально допустимой, указанной в справочнике.

Где взять данные для расчета?

Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом для силовых элементов обычно приводится в справочнике. И обозначается так:

Пусть Вас не смущает, что в справочнике написаны единицы измерения K/W или К/Вт. Это означает, что данная величина приведена в Кельвинах на Ватт, в грЦ на Вт она будет точно такой же, то есть X К/Вт = X грЦ/Вт.

Обычно в справочниках приведено максимально возможное значение этой величины с учетом технологического разброса. Она нам и нужно, так как мы должны проводить расчет для худшего случая. Для примера максимально возможное тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силового полевого транзистора SPW11N80C3 равно 0.8 грЦ/Вт,

Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором зависит от типа корпуса. Типичные максимальные значения приведены в таблице:

TO-3	1.56
TO-3P	1.00
TO-218	1.00
TO-218FP	3.20
TO-220	4.10
TO-225	10.00
TO-247	1.00
DPACK	8.33

Изоляционная прокладка. По нашему опыту правильно выбранная и установленная изолирующая прокладка увеличивает тепловое сопротивление в два раза.

Тепловое сопротивление между корпусом / радиатором и окружающей средой. Это тепловое сопротивление с точностью, приемлемой для большинства устройств, рассчитать довольно просто.

[Тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [120, (грЦ * кв. см) / Вт ] / [Площадь радиатора или металлической части корпуса элемента, кв. см].

Такой расчет подходит для условий, когда элементы и радиаторы установлены без создания специальных условий для естественного (конвекционного) или искусственного обдува. Сам коэффициент выбран из нашего практического опыта.

Спецификация большинства радиаторов содержит тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Так что в расчете надо пользоваться именно этой величиной. Рассчитывать эту величину следует только в случае, если табличных данных по радиатору найти не удается. Мы часто для сборки отладочных образцов используем б/у радиаторы, так что эта формула нам очень помогает.

Для случая, когда отвод тепла осуществляется через контакты печатной платы, площадь контакта также можно использовать в расчете.

Для случая, когда отвод тепла через выводы электронного элемента (типично диодов и стабилитронов относительно малой мощности), площадь выводов вычисляется, исходя из диаметра и длины вывода.

[Площадь выводов, кв. см.] = Пи * ([Длина правого вывода, см.] * [Диаметр правого вывода, см.] + [Длина левого вывода, см.] * [Диаметр левого вывода, см.])

Пример расчета отвода тепла от стабилитрона без радиатора

Пусть стабилитрон имеет два вывода диаметром 1 мм и длиной 1 см. Пусть он рассеивает 0.5 Вт. Тогда:

Площадь выводов составит около 0.6 кв. см.

Тепловое сопротивление между корпусом (выводами) и окружающей средой составит 120 / 0.6 = 200.

Тепловым сопротивлением между кристаллом и корпусом (выводами) в данном случае можно пренебречь, так как оно много меньше 200.

Примем, что максимальная температура, при которой будет эксплуатироваться устройство, составит 40 грЦ. Тогда температура кристалла = 40 + 200 * 0.5 = 140 грЦ, что допустимо для большинства стабилитронов.

Онлайн расчет теплоотвода — радиатора

Обратите внимание, что у пластинчатых радиаторов нужно считать площадь обеих сторон пластины. Для дорожек печатной платы, используемых для отвода тепла, нужно брать только одну сторону, так как другая не контактирует с окружающей средой. Для игольчатых радиаторов необходимо приблизительно оценить площадь одной иголки и умножить эту площадь на количество иголок.

Онлайн расчет отвода тепла без радиатора

Несколько элементов на одном радиаторе

• Если на одном теплоотводе установлено несколько элементов, то расчет выглядит так. Сначала рассчитываем температуру радиатора по формуле:
• [Температура радиатора, грЦ] = [Температура окружающей среды, грЦ] + [Тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой, грЦ / Вт] * [Суммарная мощность, Вт]
• Далее рассчитываем для каждого элемента.
• [Температура кристалла, грЦ] = [Температура радиатора, грЦ] + ([Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом элемента, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом элемента и радиатором, грЦ / Вт]) * [Мощность, рассеиваемая элементом, Вт]

Проверяем, что температура кристалла на превышает максимально допустимую.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВОИМИ РУКАМИ. ВЫБОР РАДАИТОРА

УВЕЛИЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ВСЕ РАСЧЕТЫ УПРОЩЕНЫ И ОТ ПРАВИЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ОТЛИЧАЮТСЯ В СТОРОНУ ЗАПАСА НЕ БОЛЕЕ ЧЕМ НА 15% ОЧЕРЕДНАЯ ИСТЕРИКА НА ТЕМУ У МЕНЯ СГОРЕЛ УСИЛИТЕЛЬ! ПОСЛУЖИЛА ПОВОДОМ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭТОЙ СТРАНИЦЫ НАЧАЛО О РАДИАТОРАХ      Теплоотвод (радиатор) для усилителя мощности играет далеко не последнюю роль в его эксплутационных характеристиках, определяя прежде всего надежность усилителя и как правило имеющий свои характеристики. Основными можно назвать пару:      -тепловое сопротивление      -площадь охлаждения.      Если не вдаваться в глубокую физику, то тепловое сопротивление радиатора это есть скорость с которой точка нагрева будет отдавать свое тепло охлаждающим поверхностям – ребрам. Этот параметр учитывается довольно редко, от этого и довольно частые выходы из строя самодельных усилителей. На рисунке 18 показаны схематично процессы нагрева теплоотвода от фланца силового транзистора. Рисунок 18 Распространение тепла внутри несущего основания теплоотвода.      При толщине несущего основания 3 мм тепло от фланца довольно быстро достигает тыльной стороны и далее распространаяется довльно медленно, поскоьку толщина материала слишком мала. В результате происходит довольно большой местный нагрев, а охлаждающие плоскости (ребра) остаются холодными. При толщине несущего основания 8 мм тепло от фланца уже достигает обратной стороны радиатора гораздо медленней, поскольку необходимо прогреть участки радиатора в горизонтальной плоскости. Таким обюразом нагрев происходит более равномерно и охлаждающие плоскости начинают прогреваться более равномерно.      Можно было бы конечно выкопать кучу формул и выложить их здесь, но это слишком “тяжелая” математика, поэтому остановимся лишь на приблизительных результатах расчетов.      Толщина несущего основания радиатора для усилителй АВ должна составлять 1 мм на каждые 10 Вт выходной мощности усилителя, но не менее 2 мм. При мощностях свыше 100 Вт толщина несущего основания должна быть не менее 9 мм + 1 мм на каждые 50 Вт превышающие 100 Вт. Для усилителей мощности с многоуровневым питанием (G и H) толщину несущего основания следует расчитывать аналогичными образом, но в качестве исходной мощности следует брать мощность усилителя деленную на количество уровней питания.   МОЩНОСТЬ УСИЛИТЕЛЯ ТОЛЩИНА НЕСУЩЕГО ОСНОВАНИЯ КАК РАСЧИТАНА КЛАСС АВ 10 Вт 2 мм МИНИМУМ 40 Вт 4 мм 40 Вт / 10 = 4 мм 60 Вт 6 мм 40 Вт / 10 = 6 мм 150 Вт 10 мм 150 Вт – 100 Вт = 50 Вт превышение 100 Вт предела, следовательно 9 мм + 1 мм = 10 мм 300 Вт 13 мм 300 Вт – 100 Вт = 200 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (200 / 50) = 9 мм + 4 мм = 13 мм 600 Вт 19 мм 600 Вт – 100 Вт = 500 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (500 / 50) = 9 мм + 10 мм = 19 мм 900 Вт 25 мм 900 Вт – 100 Вт = 800 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (800 / 50) = 9 мм + 16 мм = 25 мм КЛАСС G ИЛИ H ПИТАНИЕ 2 УРОВНЯ 500 Вт 13 мм 500 / 2 = 250 Вт – максимальная мощность выделяемая одним уровнем, 250 – 100 = 150 – разница между базовыми 100Вт, 150 / 50 = 3 – дополнительная толщина к базовым 9 мм, 9 +3 = 12 мм толщина несущего основания радиатора. 1000 Вт 17 мм 1000 / 2 = 500, 500 – 100 = 400, 400 / 50 = 8, 9 + 8 = 17 мм 2000 Вт 27 мм 2000 / = 1000, 1000- 100 = 900, 900 / 50 = 18, 9 + 18 = 27 мм      Ступенчатость в расчетах при мощностях свыше 100 Вт связана с тем, что в таких усилителях уже используется по несколько соединенных параллельно транзисторах, которые рассеивают тепло равномерно в разных местах несущего основания радиатора. Для классов G и H мощность делится на 2 потому что именно из за меняющегося напряжения питани (подключение второго уровня) происходит уменьшение выделяемой мощности, кторая рассеивается только при достижении уровня исгнала определеннйо величины.      Площадь охлаждения расчитывается чисто математически, измерив основные размеры радиатора – рисунок 19 Рисунок 20 Расчет площади охлаждения теплоотвода      В данной формуле:      а – толщина несущего основания, удваивается, поскольку имеет контакт с охлаждающей средой (воздухом в данном случае) с двух сторон;      б и г – по сути высота ребра, используется обе стороны, поскольку обе имеют контакт с охлаждающей средой;      в – Ширина верхушки ребра, можно принебречь;      д -расстояние между ребрами радиатора;      е – длина обратной стороны радиатора;      n – количество ребер на радиаторе;      h – высота радиатора.      Крепежные выступы и дополнительные отливы тоже можно посчитать, но как правило их площадь ничтожно мала по отношению к основной, поэтому ею можно принебречь. В данной формуле так же не учитываются площади торцов ребер.   Площадь радиатора расчитывается исходя из мощности усилителя и опуская формулы может быть определена по таблице:   МОЩНОСТЬ УСИЛИТЕЛЯ, Вт ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРА ПРИ ХОРОШИХ УСЛОВИЯХ ОХЛАЖДЕНИЯ, кв см РАДИАТОРЫ СНАРУЖИ КОРПУСА, РЕБРА РАСПОЛОЖЕНЫ ВЕРТИКАЛЬНО ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРА ПРИ ПЛОХИХ УСЛОВИЯХ ОХЛАЖДЕНИЯ, кв см РАДИАТОРЫ ВНУТРИ КОРПУСА ИЛИ ЭТО АВТОМОБИЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАСС АВ 10 18 25 25 110 160 50 440 625 75 1000 1400 100 1750 2500 150 3900 5600 200 6950 10000 300 15600 22500 400 27800 40000 500 43400 62500 600 62500 90000 700 85100 122500 800 110000 160000 900 140500 200000 1000 173500 250000 КЛАСС G 500 13000 15600 1000 51500 62500 1500 116000 140600 2000 210000 250000 2500 325000 390000 КЛАСС H 500 15600 21600 1000 62500 86500 1500 140600 195000 2000 250000 35000 2500 390000 54000      Пугаться огромных площадей охлаждения не следует, поскольку алюминиевый лист 10 х 10 см и толщиной 0,5 см имеет суммарную площадь охлаждения 10 х 10 = 100 кв см, стороны две, следовательно 100 х 2 = 200 кв см, плюс 4 торцевых стороны с площадью 0,5 х 10 = 5 добавлляет еще 20 кв см и в результате получаем 200 + 20 = 220 см, а радиатор показанный на рисунке 27 (габариты 17 х 5,5 х 11,5 см) имеет площадь охлаждения 3900 кв см, тем более в расчеты заложен нарев радиатора до 80 градусов при воспроизведении самых жестких композиций.      Тут же следует дать ответ на вопрос А ПОЧЕМУ ДЛЯ КЛАССОВ G и H ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРОВ ПОЧТИ В ДВА РАЗА МЕНЬШЕ И ПОЧЕМУ НА G МЕНЬШЕ ЧЕМ НА H?      Для получения более понятного ответа стоит вернуться к сериалу рисунков 7-13 и еще раз перечитать – максимальная мощность рассеивается только в моменты выходной сигнал проходит амплитудногое значение равное половине напряжения питания, в остальные моменты она или растет или уменьшается. При питании двумя уровнями рассеиваемая мощность увеличитвается пока не достигнет половины величины питания первого “этажа”, затем уменьшается и дойдя до величины равной почти питанию первого “этажа” снова начинает увеличиваться до максимума, поскольку ступенчато включается второй этаж питания (класс H), а он по величине больше первого “этажа” в 2 раза. Однако после включение второго “этажа” мощность по мере роста велечины выходного сигнала уменьшается. Следовательно за один полупериод синусоидального сигнала оконечные транзисторы будут дважды рассеивать макисмальную мощность, но она превысит величину по сравнению с классом АВ лишь на несколько процентов. Для класса G процессы нагрева несколько отличаются от H, поскольку подключение второго “этажа” питания происходит не ступенчато, а плавно и рассевиваема мощность оконечных транзисторов распределяется, правда не равномерно – втрому “этажу” приходится тяжелей первого. Пока амплитуда выходного сигнала не достигла велечины включения второго этажа оконечные транзисторы работают в обычном режиме, а когда второй этаж включается в работу они мощность рассеивают, но уже не значительную, поскольку как правило закладываемая разница между первым и вторым этажом составляет 15-18 В. В при включеннии транзисторов второго этажа наибольшую мощность рассеивают именно они и происходит это в момент их включения, а по мере роста амплитуды выходного исгнала расеиваемая мощность уменьшается. Другими словами площадь охлаждения усилителей G меньше чем H как раз за счет того, что тепловыденеие происходит в разных местах радиатора – пока работает первый этаж – греются одни транзисторы, как только включается второй этаж они начинают остывать, а греются уже другие транзисторы, расположенные в другом месте радиатора.      Если радиатора с подходящей площадью охлаждения нет, то можно воспользоваться принудительным охлаждением, установив на радиаторы вентиляторы от компьтерной техники (рисунок 21). Рисунок 21 Внешний вид компьтерных вентиляторов      При покупке вентилятров следует обратить внимание на надписи на его наклейки. Кроме производителя на вентиляторах указывается напряжение и потребляемый ток, который как раз и определяет производительность вентилятора. На рисунке 22 слева безшумный тихоход (ток 0,08А), который почти не слышно, но и который дает довольно слабый охлаждающий поток, а справа – гудящий ветродув (ток потребления 0,3А). Рекомендуется для усителей мощности использовать высокопроизводительные вентиляторы, поскольку уменьшить производительность можно всегда уменьшив обороты вращения (уменьшить напряжение питания), а вот увеличить получается не всегда, а если точнее – очень редко. Нескольк вариантов управления вентиляторам можно посмотреть здесь. Рисунок 22 Слева малопроизводительный безшумный, справа высокопроизводительный гудящий.      При выборе вентилятора кроме производительности следует определиться с размерами, поскольку размеров на рынке уже достаточно много, да и наработка на отказ у всех разная, поскольку некоторые проиводители используют подшипники скольжения (вал крыльчатки вращается во вкладышах из порошковой бронзы), а некоторые используют шарико-подшипники, которые конечно же работают гораздо дольше и меньше подвержены забиванию пылью.      Вариантов обдува может быть несколько, для примера расмотрим два, самых популярных.      Первый, по сути широко используемый в компьютерной технике, вариант, когда вентилятор устанавнивается со стороны ребер, причем воздушный поток направляется как раз между ребер охлаждения (рис 23). Рисунок 23 Установка вентилятора со стороны ребер радиатора      Менее популярный среди компьютерной техники, но достаточно популярный среди промаппаратуры способ трубы. В этом варианте два радиатора разворачиваются ребрами друг к другу, а воздушный поток направляется между ребрами вентилятором расположенным с торца радиаторов (рис 24). Рисунок 24 Сборка аэротрубы из двух одинаковых радиаторов.      Этот вариант для аудиотехники несколько предпочтительней, поскольку одним вентилятором может “продуваться” довольно длинный радиатор, при расположении на одном радиаторе транзисторов n-p-n структуры, а на другом – p-n-p можно обойтись без электроизолирующих прокладок, что уменьшит тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором. Разумеется радиаторы будет необходимо изолировать от корпуса и этот способ приемлем для усилителей в качестве выходного каскада которых используются эмиттерные повторители.      Кстати сказать – используемые в компьютерах радиаторы для процессоров расчитаны на принудительное охлаждение и не смотря на то, что имеют достаточно большие площади охлаждения использование без вентиляторов не желательно. Дело в том, что расстояние между ребрами радиатора ОЧЕНЬ мало и естественная циркуляция воздуха затруднена в следствии чего теплоотдача падает практически в 2,5…3 раза. Используя же вентилятор с током потребления 0,13А один радиатор от процессора P-IV вполне справляется с теплом от двух установленных на него усилителях СТОНЕКОЛД с выходной мощностью 140 Вт каждый.            Подводя итоги всего выше сказанного можно сделать выводы:           -при выборе радиатора следует обращать внимание не только на площадь охлаждения, но и на толщину несущего основания;           -усилители мощности с двухуровневым питанием греются почти в 2 раза меньше усилителей класса АВ при одинаковых выходных мощностях;           -при недостатке площади охлаждения мощно использовать принудительное охлаждение (вентиляторы) с регулируемой производительностью. О ТРАНЗИСТОРАХ НА РАДИАТОРАХ      Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно расчитана остается еще одна проблема – правильно установить транзисторы на радиатор.      Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов или микросхем – там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской. В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.      В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок показаны на рисунках . Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности радиатора в местах удаления “не нужных ребер”, “черновой” шлифовки. Во время обработки радиатор обязательно закрепить в тисках подходящего размера.      Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для “чистовой” шлифовки, причем использование отрезной машины не желательно – аллюминий “залипает” в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень сложно – можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой – работа будет в радость.      При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и “лишние” фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер – так его будет удобней держать в руке). Затем на обе “рабочие” строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую – мелкозернистая для “чистовой”. Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше – она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на тряпочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости – начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной “нулевки”. Рисунок 27      Радиатор от “древней” телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей на TDA7293 Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см – расчетная величина для суммарной мощности 150 Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.      Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки. Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж не нужен – внутри корпуса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.      Выйти из положения можно изготовив такой крепеж самостоятельно, используюя обычные винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.      Пока клей подсыхает необходимо сделать “кондуктор” – приспособление, которое позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален, но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на глубину 1,2…1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).      Рисунок 28      Затем на винт одевается шайба и он закручивается в “кондуктор” до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст – КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.    Рисунок 29 Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.      Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно – при четырех парах оконечников надо подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.      Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще. Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.      Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить сразу – ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3…0,8 мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине корпуса.      Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:      – от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм      – от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм      – от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм      – от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.      Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить транзисторы практически в любых корпусах.      Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить в трое, при креплении корпусов ТО-247 – в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL – в пятеро. Текстолит очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства. После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.      Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию путем увеличения отверлителя не стоит – клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот – уменьшают время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет сушильного шкафа.      Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные в двое дополнительные полоски текстолита.      После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).      В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит, то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал. Рисунок 32      Небольшой технологический совет – не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала, под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).      Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор “разнокаллиберных” транзисторов” используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.      Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать значительно реже….                  Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ.                 Адрес администрации сайта: [email protected]

Как рассчитать радиатор для транзистора | Элементарно

Нередко, проектируя мощное устройство на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, а иногда и десятками ватт.

К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало. Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.

Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод – радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.

Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.

Если корпус кремниевого транзистора полностью металлический, то типичная максимальная температура составляет примерно 200 °C, если же корпус пластиковый, то 150 °C. Данные о максимальной температуре для того или иного транзистора вы сможете легко найти в даташите. Например для FGA25N120ANTD лучше если его температура не будет превышать 125 °C.

Зная все основные тепловые параметры, несложно подобрать подходящий радиатор. Достаточно лишь выяснить максимальную температуру окружающей среды, в которой будет работать транзистор, мощность, которую должен будет рассеивать транзистор, затем подсчитать температуру переходов транзистора с учетом тепловых сопротивлений соединений кристалл-корпус, кропус-радиатор, радиатор-окружающая среда, после чего останется выбрать радиатор, с которым температура транзистора будет хотя бы немного ниже максимально допустимой.

Важнейшим параметром при подборе и расчете радиатора является тепловое сопротивление. Оно равно отношению величины перепада температур на поверхности теплового контакта в градусах к передаваемой мощности.

Когда тепло передается посредством процесса теплопроводности, то тепловое сопротивление остается величиной постоянной, которая не зависит от температуры, а зависит лишь от качества теплового контакта.

Если переходов (тепловых контактов) несколько, то тепловое сопротивление перехода, состоящего из нескольких последовательных соединений, окажется равно сумме тепловых сопротивлений этих соединений.

Так, если транзистор будет смонтирован на радиатор, то общее тепловое сопротивление при теплопередаче будет равно сумме тепловых сопротивлений: кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-окружающая среда. Соответственно температура кристалла находится в этом случае по формуле:

Для примера рассмотрим случай, когда нам необходимо подобрать радиатор для двух транзисторов FGA25N120ANTD, которые будут работать в схеме двухтактного преобразователя (push-pull), причем на каждом транзисторе будет рассеиваться по 15 ватт тепловой мощности, которую необходимо передать в окружающую среду, то есть от кристаллов транзисторов через радиатор — воздуху.

Поскольку транзисторов два, то сначала найдем радиатор для одного транзистора, после чего просто возьмем радиатор с вдвое большей площадью теплообмена, с вдвое меньшим тепловым сопротивлением (будем использовать изолирующие прокладки).

Пусть наше устройство будет работать при температуре окружающей среды в 45°C. Пусть температура кристалла удерживается не выше 125°C. В даташите видим, что для встроенного диода тепловое сопротивление кристалл-корпус больше теплового сопротивления кристалл-корпус непосредственно IGBT, и оно равно 2 °C/Вт. Это значение и будем брать в расчет в качестве теплового сопротивления кристалл-корпус.

Тепловое сопротивление силиконовой изолирующей прокладки составляет порядка 0,5 °C/Вт — это и будет тепловое сопротивление корпус-радиатор. Теперь, зная рассеиваемую мощность, максимальную температуру кристалла, максимальную температуру окружающей среды, тепловое сопротивление кристалл-корпус и тепловое сопротивление корпус-радиатор, найдем необходимое тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда.

Итак, нам необходимо подобрать такой радиатор, чтобы тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда получилось в данных условиях 2,833 °C/Вт или меньше. И до какой температуры в этом случае перегреется радиатор по сравнению с окружающей средой?

Возьмем найденное тепловое сопротивление на границе радиатор-окружающая среда, и умножим на рассеиваемую мощность, для нашего примера 15 Вт. Перегрев составит около 43 °C, то есть температура радиатора будет около 88 °C. Поскольку транзисторов в нашей схеме будет два, то и мощности рассеять нужно будет вдвое больше, значит необходим радиатор с тепловым сопротивлением вдвое меньшим, то есть 1,4 °C/Вт или меньше.

Если у вас нет возможности подобрать радиатор именно с найденным тепловым сопротивлением, то можно воспользоваться старым добрым эмпирическим методом — обратиться к графику из справочника. Зная разность температур окружающая среда — радиатор (для нашего примера 43 °C), зная рассеиваемую мощность (для нашего примера для двух транзисторов — два по 15 Вт), находим необходимую площадь радиатора, то есть общую площадь контакта радиатора с окружающим воздухом (для нашего примера — два по 400 кв.см).

Как рассчитать радиатор для транзистора

— На кой хрен козе баян? Она и так весёлая . — живо интересовались удмуртские радиолюбители, разглядывая диковинный теплоотвод, установленный на лампу выходного каскада.
— Только для игры на баяне, козе баян и нужен, на какой же ещё? — гордо отвечал владелец теплоотвода, весьма довольный произведённым на коллег впечатлением.

На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились — подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника. А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла.
Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы (радиаторы).
Полный расчёт радиатора — вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом — для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Но лучше воспользоваться специальной программой.

Существует формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:
Q=(T2-T1)/P-Q1-Q2, где
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора по справочнику,
Т1 — максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством,
P — рассеиваемая на транзисторе мощность,
Q1 — тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику,
Q2 — тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений.

А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы — не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.
Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно — в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy. Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Л., за что ему большое человеческое спасибо.

Теперь давайте определимся с терминологией.
S — площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора. Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство.
Q — тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.
Q1 — тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается R_thJC. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).
Q2 — значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора, обозначается Tjmax и составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С.
Т1 — максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

ИТАК, РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ РАЧЁТА ПЛОЩАДИ РАДИАТОРА

— Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 20-30% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник. Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора 60-70 градусов.
— Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 R_thJC не гадая берём из справочника. Если совсем лень — ставим 1.
— Графу теплового сопротивления корпус-радиатор Q2 можно оставить без внимания, если транзистор сидит на радиаторе без всяких прокладок, либо используются современные тонкие подложки, сдобренные специальными пастами. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.
— Так же оставляем в покое графу “скорость воздушного потока от вентилятора”, если оный не предусмотрен нашей конструкцией. А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод.
Как? А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С. Л., посвящённый расчёту радиаторов, там кобыла и отыщется. Как правило, значение этой величины находится в пределах 1-5 м/сек.

Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим — это нормально. Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус. Тут природу не обманешь — надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.

Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления. Параметр этот имеет размерность дюйм*град/Вт, поэтому для пересчёта его в тепловое сопротивление всего радиатора, нам надо разделить это значение на длину в см. и умножить на 2,54.
Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский “no trademark” — воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.

С этим всё, дальше кусок из умного справочника.

— На кой хрен козе баян? Она и так весёлая . — живо интересовались удмуртские радиолюбители, разглядывая диковинный теплоотвод, установленный на лампу выходного каскада.
— Только для игры на баяне, козе баян и нужен, на какой же ещё? — гордо отвечал владелец теплоотвода, весьма довольный произведённым на коллег впечатлением.

На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились — подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника. А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла.
Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы (радиаторы).
Полный расчёт радиатора — вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом — для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Но лучше воспользоваться специальной программой.

Существует формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:
Q=(T2-T1)/P-Q1-Q2, где
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора по справочнику,
Т1 — максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством,
P — рассеиваемая на транзисторе мощность,
Q1 — тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику,
Q2 — тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений.

А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы — не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.
Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно — в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy. Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Л., за что ему большое человеческое спасибо.

Теперь давайте определимся с терминологией.
S — площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора. Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство.
Q — тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.
Q1 — тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается R_thJC. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).
Q2 — значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора, обозначается Tjmax и составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С.
Т1 — максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

ИТАК, РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ РАЧЁТА ПЛОЩАДИ РАДИАТОРА

— Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 20-30% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник. Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора 60-70 градусов.
— Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 R_thJC не гадая берём из справочника. Если совсем лень — ставим 1.
— Графу теплового сопротивления корпус-радиатор Q2 можно оставить без внимания, если транзистор сидит на радиаторе без всяких прокладок, либо используются современные тонкие подложки, сдобренные специальными пастами. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.
— Так же оставляем в покое графу “скорость воздушного потока от вентилятора”, если оный не предусмотрен нашей конструкцией. А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод.
Как? А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С. Л., посвящённый расчёту радиаторов, там кобыла и отыщется. Как правило, значение этой величины находится в пределах 1-5 м/сек.

Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим — это нормально. Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус. Тут природу не обманешь — надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.

Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления. Параметр этот имеет размерность дюйм*град/Вт, поэтому для пересчёта его в тепловое сопротивление всего радиатора, нам надо разделить это значение на длину в см. и умножить на 2,54.
Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский “no trademark” — воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.

С этим всё, дальше кусок из умного справочника.

Радиаторы и охлаждение.

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон — ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы — так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.
Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.
Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни — больше, другие — меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.
Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки . Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь — количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется .
Рассмотрим устройство транзистора.

На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3. Он подключается к выводам 4. Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5. У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.
Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха — это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.

Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу — фланец. Фланец — это как одна-единственная секция у батареи — жарить жарит, а тепла воздуху не передается — маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще “парочку секций”, то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.

Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:

Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами . Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.
Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I, где P — выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I — сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.

Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.

У нас появились две штуки — это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7. Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.

Расскажу о двух важных параметрах — это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора — Rпк и между корпусом транзистора и радиатором — Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько — показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт — то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов .

К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку — если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.

Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла — не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!
Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.

Разобрались? Поехали дальше!

Охлаждение бывает двух типов — конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение — мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение — это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот . Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.
Как распознать радиатор — для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.
Смотрим фотографии.

Первый радиатор — для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос — в их эффективности.
У радиаторов есть 2 параметра — это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет .

Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.

Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному — для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе — не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска — лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!

В приложении есть маленький программчик, в котором можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.
Схема блока питания.

Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.
Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.
Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.
Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см — это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности — дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.
А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!
Удачи.

Радиаторы « схемопедия

10.1. Назначение радиаторов – отводить тепло от полупроводниковых приборов, что позволяет снизить температуру p-n-переходов и тем самым уменьшить ее влияние на рабочие параметры приборов. Применяют пластинчатые, ребристые и штыревые радиаторы, Для улучшения теплоотвода полу проводниковый при бор лучше всего крепить непосредственно к радиатору Если необходима электрическая изоляция прибора от шасси, радиатор крепят на шасси через изолирующие прокладки. Теплоизлучающая способность радиатора зависит от степени черноты материала (или его поверхности), из которого изготовлен радиатор:

Алюминий окисленный Силумин Дюралюминий Д16 Медь окисленная Медь шлифованная Латунь тусклая

0,2-0,3 0,2-0,3 0,37-0,4 0,57 0,03 0,22

Сталь окисленная Сталь полированная Краска алюминиевая Краска бронзовая Краски эмалевые, лаки

0,86-0,92 0,07 0,28 0,51 0,92-0,98

Чем больше степень черноты, тем теплоотвод будет эффективнее.

10.2. Штыревой радиатор-весьма эффективный теплоотвод для полупроводниковых приборов. Для изготовления его требуется листовой дюралюминий толщиной 4-6 мм и алюминиевая проволока диаметром 3-5 мм.

На поверхности предварительно обработанной пластины радиатора намечают кернером места отверстий под штыри, выводы транзисторов (или диодов) и крепежные винты. Расстояние между центрами отверстий (шаг) под штыри в ряду и между рядами должно быть равно 2- 2,5 диаметра применяемой алюминиевой проволоки. Диаметр отверстий выбирают с таким расчетом, чтобы проволока входила в них с возможно меньшим зазором. С обратной стороны отверстия зенкуют на глубину 1- 1,5мм.

Из стального стержня длиной 80-100 и диаметром В-10 мм изготовляют оправку, для чего в торце стержня сверлят отверстие диаметром, на 0,1 мм большим диаметра проволоки. Глубина отверстия должна быть равна высоте будущих штырей радиатора.

Рис. 10.1. Обжимка для штырей радиатора

Затем нарезают требуемое число заготовок штырей. Для этого кусок проволоки вставляют в отверстие оправки и откусывают кусачками так, чтобы длина выступающего из оправки конца была на 1-1,5 мм больше толщины пластины. Оправку зажимают в тиски отверстием вверх, в отверстие вводят заготовку штыря, на выступающий конец которого надевают пластину лицевой стороной и расклепывают его легкими ударами молотка, стараясь заполнить зенкованное углубление. Таким образом устанавливают все штыри.

Штыревой радиатор можно также изготовить, используя несколько иной способ установки штырей в отверстиях пластины основания. Изготовляют стальную обжимку, чертеж которой для штырей диаметром 3 и длиной до 45мм приведен на рис. 10.1. Рабочую часть обжимки следует закалить. Штырь вставляют в отверстие основания радиатора, кладут основание на наковальню, сверху на штырь надевают обжимку и ударяют по ней молотком. Вокруг штыря образуется кольцевая канавка, а сам он оказывается плотно посаженным в отверстии.

Если необходимо изготовить двусторонний радиатор, то потребуется две такие обжимки: в одну из них, установленную на наковальне отверстием вверх, вставляют штырь, нанизывают основание радиатора, а сверху надевают вторую обжимку. Ударом молотка по верхней обжимке фиксируют штырь сразу с двух сторон. Этим способом можно изготовлять радиаторы как из алюминиевых, так и из медных сплавов. И, наконец, штыри можно установить с помощью пайки. Для этого берут в качестве материала медную или латунную проволоку диаметром 2-4 мм. Один конец штыря лудят на длину, большую толщины пластины на 1-2 мм. Диаметр отверстий в пластине должен быть таким, чтобы облуженные штыри входили в них без особого усилия.

В отверстия основания вводят жидкий флюс (табл. 9.2), вставляют штыри и мощным паяльником паяют каждый из них. По окончании работы радиатор промывают ацетоном.

Рис. 10.2. Радиатор для мощного транзистора

10.3. Радиатор из листовой меди толщиной 1-2мм можно изготовить для мощных транзисторов типа П210, КТ903 и других в подобных корпусах. Для этого вырезают из меди круг диаметром 60 мм, в центре заготовки размечают отверстия для крепления транзистора и его выводов. Затем в радиальном направлении надрезают круг ножницами для металла на 20 мм, разделив по окружности на 12 частей. После установки транзистора каждый сектор разворачивают на 90° и отгибают кверху.

10.4. Радиатор для мощных транзисторов типа КТ903, KT908 и других в подобных корпусах можно изготовить из алюминиевого листа толщиной 2мм (рис. 10.2). Указанные размеры радиатора обеспечивают площадь излучающей поверхности, достаточную для рассеяния мощности на транзисторе до 16 Вт.

Рис. 10.3. Радиатор для маломощного транзистора: а-развертка; б- общий вид

10.5. Радиатор для маломощных транзисторов можно изготовить из листовой красной меди или латуни толщиной 0,5 мм в соответствии с чертежами на рис. 10.3. После выполнения всех прорезей развертку сворачивают в трубку, используя оправку соответствующего диаметра. Затем заготовку плотно надевают па корпус транзистора и прижимают пружинящим кольцом, предварительно отогнув боковые крепежные ушки. Кольцо изготовляют из стальной проволоки диаметром 0,5-1 мм. Вместо кольца можно использовать бандаж из медной проволоки. Затем загибают вниз боковые ушки, отгибают наружу на нужный угол надрезанные “перья” заготовки – и радиатор готов.

10.6. Радиатор для транзисторов серии КТ315, КТ361 можно изготовить из полоски меди, алюминия или жести шириной на 2-3 мм больше ширины корпуса транзистора (рис. 10.4). Транзистор вклеивают в радиатор эпоксидным или другим клеем с хорошей теплопроводностью. Для лучшего теплового контакта корпуса транзистора с радиатором необходимо снять с корпуса лакокрасочное покрытие в местах контакта, а установку в радиатор и склеивание выполнить с минимальным возможным зазором. Устанавливают транзистор с радиатором на плату, как и обычно, при этом нижние кромки радиатора должны упираться в плату. Если ширина полоски 7 мм, а высота радиатора (из луженой жести толщиной 0,35 мм) – 22 мм, то при мощности рассеяния 500 мВт температура радиатора в месте приклеивания транзистора не превышает 55 °С.

10.7. Радиатор из “хрупкого” металла, например из листового дюралюминия, выполняют в виде набора пластин (рис. 10.5). При изготовлении прокладок и пластин радиатора необходимо следить, чтобы на кромках отверстий и на краях пластин не было заусенцев. Соприкасавшиеся поверхности прокладок и пластин тщательно [шлифуют на мелкозернистой наждачной бумаге, положив ее на ровное стекло. Если не требуется изолировать корпус транзистора от корпуса прибора, то радиатор можно крепить на стенке корпуса прибора или на внутренней перегородке без изолирующих прокладок, что обеспечивает более эффективную теплоотдачу.

                 

10.8. Крепление диодов типа Д226 на радиаторе или на теплоотводящей пластине. Диоды крепят с помощью фланца. Катодный вывод откусывают у самого основания и тщательно зачищают донышко на мелкозернистой шкурке до получения чистой ровной поверхности. Если необходимо катодный вывод оставить, то в радиаторе сверлят отверстие под вывод, ацетоном с донышка снимают лак и аккуратно опиливают бортик (ободок) диода заподлицо с донышком для лучшего теплового контакта диода с радиатором.

10.9. Улучшение теплового контакта между транзистором и радиатором позволит обеспечить большую мощность рассеяния на транзисторе.

Иногда, особенно при использовании литых радиаторов, удалить раковины и другие изъяны поверхности в месте теплового контакта (для его улучшения) бывает затруднительно, а порой и невозможно. В этом случае поможет свинцовая прокладка. Пластину свинца аккуратно раскатывают или расплющивают между двумя гладкими плоскими брусками до толщины примерно 10,5 мм и вырезают прокладку необходимых размеров и формы. Мелкозернистой шкуркой зачищают обе ее стороны, устанавливают под транзистор и туго сжимают узел винтами. Прокладка не должна быть толще 1 мм, так как теплопроводность свинца невысока.

10.10. Чернение алюминиевых радиаторов. Для повышения эффективности теплоотдачи радиатора его поверхность обычно делают матовой и темной. Доступный способ чернения-обработка радиатора в водном растворе хлорного железа.

Для приготовления раствора требуется равное по объему количество порошка хлорного железа и воды. Радиатор очищают от пыли, грязи, тщательно обезжиривают бензином или ацетоном и погружают в раствор. Выдерживают в растворе 5-10 мин. Цвет радиатора получается темно-серым. Обработку необходимо производить в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе.

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

10.11. Тепловой режим маломощных транзисторов можно облегчить, надев на металлический корпус транзистора тор (“баранку”) – спираль, свитую из медной, латунной или бронзовой проволоки диаметром 0,5-1,0 мм.

10.12. Хорошим радиатором может быть металлический корпус устройства или его внутренние перегородки.

10.13. Ровность контактной площадки радиатора проверяют, смазав основание транзистора какой-либо краской и приложив его к поверхности контактной площадки. Выступающие участки контакт. ной площадки радиатора окрасятся.

10.14. Для обеспечения хорошего теплового контакта можно поверхность транзистора, прилегающую к радиатору, смазать невысыхающей смазкой, например силиконовой. Это позволит снизить тепловое сопротивление контакта в полтора-два раза.

10.15. Для улучшения условий охлаждения радиатор нужно располагать так, чтобы не создавать помех конвекционным потокам воздуха: ребра радиатора-вертикально, а сторона, на которой расположен транзистор, должна быть сбоку, а не снизу или сверху.

Отсканировал и распознал текст: tolik777 (aka Viper).

При использовании данного материала, обязательна ссылка на сайт http://cxem.net

Как рассчитать термическое сопротивление алюминиевого плоского проката

Я знаю, что это старая ветка, но я обнаружил, что исследую эту тему, и хотел исправить / добавить пару вещей. Формула для определения требуемого теплового сопротивления радиатора, данная jluciani, в основном верна, но в ней отсутствует термин для температуры окружающей среды (Ta). Уравнение должно быть:

Tj = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd + Ta

Где Tj – максимальная целевая температура соединения.2

Ноты:

Падения давления и близость других горячих компонентов в шкафу могут снизить эффективность.

Попадание пыли может изолировать теплоотводы и привести к замедлению и отказу вентиляторов.

Радиаторы, которые намного больше, чем площадь контакта компонента, который они охлаждают, теряют эффективность из-за расстояния, которое тепло должно было пройти, чтобы распространиться к краям радиатора

Следуйте обычным рекомендациям по обеспечению хорошего контакта с охлаждаемым компонентом, используя тонкий слой подходящего теплоносителя между контактными поверхностями.

Результаты этой формулы для очень маленьких или больших радиаторов следует воспринимать с подозрением. Например, в последнем результате радиус охлаждающего вентилятора намного больше, чем у радиатора, и поэтому большая часть воздушного потока не будет течь в непосредственной близости от ребер, и поэтому результат является подозрительным. В противном случае это довольно хорошее приближение.

Вероятно, лучше всего прибавить 25 градусов к тому, что вы считаете температурой окружающего воздуха, и вычесть запас прочности в 25 градусов из максимальной целевой температуры компонента при проведении расчетов, просто чтобы быть в безопасности.

Не используйте эту формулу для проектирования охлаждения для атомной электростанции.

Расчёт радиатора для транзистора – презентация онлайн

1. Расчёт радиатора для транзистора

2. Задача 1: Определить размеры радиатора -пластины с учетом излучения

Дано: Ф=15Вт, ϑр=40
Решение: Находим на графике
площади радиаторов с учетом
излучения и без учета .
S1=270см2 S2=430см2

3. Задача 2:

Провести поверочный расчет
ребристого радиатора для транзистора, выполненного из материала
Д16, Вт/(м∙К). Температура
окружающей среды θс=313К. Скорость
воздуха в каналах радиатора υ=2 м/с.
Транзистор установлен на радиатор
через прокладку из слюды.

4. Параметры транзистора и радиатора

h=2∙10-2м
δ=2∙10-3м
b=8∙10-3м
L=0,1м
Z=12
εp=0,8
Толщина прокладки=0,06
Ф=30Вт
θmax=413К
rпк=1К/Вт
θс=313К
λ=170Вт/(м∙К)
V=2м/с

5. Расчёт:

1.Суммарная площадь сечения каналов
между ребрами
Sк=(z-1)bh=11 *16*10-5=176*10-5м2
Задаем три значения средней температуры
основания радиатора θр=313,343,353К
Определяем температуру
θ=313+30/(2*2*1,76*10-31,005*10-5*1,28)=316К
Расчет величин критериев Рейнольдса и
Нуссельта:
Re L 1.18 10
4
Nu 0.032 Re 0.8 58.3
Коэффициент конвективного теплообмена
ребер:
к Nu L 16.2 Вт/ м К .
2
Определяем вспомогательные величины:
т 2 16,2 / 170 2 10 3 9,75
mh 9.75 2 10 2 0.195
th mh 0.2
S p L 0.2 10 м
Количество тепла, отдаваемое конвекцией
с ребер радиатора:
3
2
рк z * m * S р * р * th(mh) 12 *170 * 0.2 *10 * 30 * 0.2 2.45
3
Определяем среднюю температуру
радиатора:
cp p 2 1 1 / ch(mh) 329,7 K , ch(mh) 1.02
Определяем лучистый коэффициент
теплообмена:
л P * f ( ср , с ) *
f ( ср , с ) 0,23 5 *10 ( ср с ) 2,37
3
b /(b 2h) 0.16
л 0,8 * 2,37 * 0,16 0.3
3
Площадь поверхности, излучающей
тепловой поток:
S л 2 L ( z 1) * (b ) 2 H * L * z 7 *10 м
2
Количество тепла, отдаваемое через
излучание:
рл л S л ( ср с ) 18,9 Вт
Общее количество тепла, отдаваемое
радиатором при заданной температуре
радиатора 333К:
Ф рк Фл 21,35 Вт
2
Повторяем вычисления для остальных
температур и строим тепловую
характеристику радиатора:
Θр, К
Фр, Вт
333
21,35
343
32,61
353
43,85
Тепловая характеристика
Θр, К
355
350
345
340
335
330
325
θр, К
21,35
30
32,61
Фр, Вт
43,85
По тепловой характеристике определяем,
что заданная мощность транзистора
Ф=20Вт отводится радиатором при
θр=341К.
Находим перегрев радиатора
относительно температуры окружающей
среды:
р 28К
pдоп ( пер с Ф(rпк rкр )) К 65,68
pдоп р
Спасибо за внимание

Радиаторы для транзисторов

Радиаторы для транзисторов Главная | Конденсатор | Разъем | Диод | IC | Лампа | LED | Реле | Резистор | Переключатель | Транзистор | Переменный резистор | Другой

---

Радиаторы необходимы для транзисторов, пропускающих большие токи.

Зачем нужен радиатор?

Из-за протекающего через них тока в транзисторах выделяется лишнее тепло.Если вы обнаружите, что транзистор становится слишком горячим, чтобы к нему прикасаться, безусловно, необходимо радиатор! Радиатор помогает рассеивать (отводить) тепло, передавая это в окружающий воздух.

Скорость производства отходящего тепла называется тепловой мощностью P. Обычно базовый ток I _B слишком мал, чтобы выделять много тепла, поэтому тепловой мощность определяется током коллектора I _C и напряжением V _CE через транзистор:

P = I _C × V _CE (см. Диаграмму ниже)

Нагрев не является проблемой, если I _C маленький или если транзистор используется в качестве переключение, потому что при “полном включении” V _CE почти ноль.Однако силовые транзисторы, используемые в таких схемах, как аудиоусилитель или регулятор скорости двигателя будет частично работать большую часть времени, и V _CE может быть около половина напряжения питания. Эти силовые транзисторы почти наверняка потребуют радиатора. чтобы предотвратить их перегрев.

Силовые транзисторы обычно имеют отверстия под болты для крепления радиаторы, но также доступны прикрепляемые радиаторы. Убедитесь, что вы используете правильный типа для вашего транзистора. Многие транзисторы имеют металлические корпуса, которые подключены к одному из их выводов, поэтому может потребоваться изолировать радиатор от транзистора.Комплекты изоляционные доступны с листом слюды и пластиковой втулкой для болта. Теплопроводящая паста может использоваться для улучшения теплового потока от транзистора к радиатор, это особенно важно, если используется изоляционный комплект.

Мощность радиатора

Радиаторы оцениваются по их термическому сопротивлению. (Rth) в ° C / Вт. Например, 2 ° C / Вт означает теплоотвод (и, следовательно, компонент приложенный к нему) будет на 2 ° C горячее, чем окружающий воздух на каждый 1 Вт тепла он рассеивается.Обратите внимание, что более низкое тепловое сопротивление означает, что радиатор лучше .

Вот как вы рассчитываете требуемый рейтинг радиатора:

1. Рассчитайте рассеиваемую тепловую мощность, P = I _C × V _CE
   В случае сомнений используйте наибольшее вероятное значение для I _C и предположите что V _CE составляет половину напряжения питания.
   Например, если силовой транзистор пропускает 1 А и подключен к Питание 12В, мощность Р около 1 × ½ × 12 = 6 Вт.
2. Найдите максимальную рабочую температуру (Tmax) для транзистора, если можете, в противном случае предположим, что Tmax = 100 ° C.
3. Оцените максимальную температуру окружающей среды (окружающего воздуха) (Tair). Если радиатор будет находиться вне корпуса Tair = 25 ° C разумно, но внутри будет выше (возможно 40 ° C) позволяя всему прогреваться в работе.
4. Рассчитайте максимальное тепловое сопротивление (Rth) радиатора, используя: Rth = (Tmax – Таир) / P
   В приведенных выше примерах значений: Rth = (100-25) / 6 = 12.5 ° C / Вт.
5. Выберите радиатор с тепловым сопротивлением на меньше, чем на значение, рассчитанное выше (помните, что меньшее значение означает лучший теплоотвод!) например, 5 ° C / Вт было бы разумным выбором для обеспечения запаса прочности. Радиатор 5 ° C / Вт, рассеивающий 6 Вт, будет иметь разницу температур 5 × 6 = 30 ° C, поэтому температура транзистора поднимется до 25 + 30 = 55 ° C (безопасно менее чем максимум 100 ° C).
6. Все вышесказанное предполагает, что транзистор имеет ту же температуру, что и радиатор.Это разумное предположение, если они надежно закреплены болтами или зажимами. все вместе. Однако вам, возможно, придется положить лист слюды или аналогичный материал между их обеспечить электроизоляцию, тогда транзистор будет горячее чем радиатор, и расчет становится сложнее. Для типичных листов слюды следует вычесть 2 ° C / Вт из термической значение сопротивления (Rth), рассчитанное на шаге 4 выше.

Если все это кажется слишком сложным , вы можете попробовать прикрепить умеренно большой радиатор и надежда на лучшее.Осторожно следите за температурой транзистора с помощью пальцем, если он станет очень горячим, немедленно выключите его и используйте радиатор большего размера!

Почему термическое сопротивление?

Термин « термическое сопротивление » используется, потому что он аналогичен электрическое сопротивление:

• Разница температур на радиаторе (между транзистором и воздух) похож на напряжение (разность потенциалов) на резисторе.
• Тепловая мощность (скорость нагрева), протекающая через радиатор от транзистора. к воздуху подобен току, протекающему через резистор.
• Итак, R = V / I становится Rth = (Tmax – Tair) / P
• Так же, как вам нужна разница напряжений для протекания тока, вам понадобится разность температур для создания теплового потока.

---

Главная | Конденсатор | Разъем | Диод | IC | Лампа | LED | Реле | Резистор | Переключатель | Транзистор | Переменный резистор | Другой

---

---

© Джон Хьюс 2007, Клуб электроники, www.kpsec.freeuk.com
Этот сайт был взломан с использованием ПРОБНОЙ версии WebWhacker. Это сообщение не появляется на лицензированной копии WebWhacker.

Как выбрать радиатор

Радиаторы являются важным элементом схемотехники, поскольку они обеспечивают эффективный путь передачи тепла в окружающий воздух и от электронных устройств (например, BJT, MOSFET, линейных регуляторов и т. Д.). Общая теория радиатора заключается в увеличении площади поверхности выделяющего тепло устройства, что позволяет более эффективно передавать тепло в окружающую среду.Этот улучшенный тепловой путь снижает повышение температуры в соединении электронного устройства. Следующий пост предназначен для предоставления общего руководства по выбору радиатора с использованием тепловых данных из вашего приложения и спецификаций от поставщика радиатора.

Требуется ли радиатор?

В оставшейся части этого поста предположим, что приложение разрабатывается с использованием транзистора, размещенного в корпусе TO-220, коммутационные потери и потери проводимости транзистора равны рассеиваемой мощности 2.78 Вт, и ожидается, что рабочая температура окружающей среды этого приложения не превысит 50 ° C. Потребуется ли радиатор для этого транзистора?

Чертежи спереди и сбоку типичного корпуса TO-220 с радиатором

Первый шаг – собрать и понять все тепловые сопротивления, которые препятствуют рассеиванию 2,78 Вт в окружающий воздух. Если эти ватты не могут эффективно рассеиваться, температура перехода внутри корпуса TO-220 вырастет за пределы рекомендуемых рабочих условий (обычно 125 ° C для кремния).

Большинство поставщиков транзисторов документируют термическое сопротивление «переход-окружающая среда», обозначенное символом R _{θ J-A} , которое измеряется в градусах Цельсия / Вт. Это значение показывает, насколько температура перехода превысит температуру окружающей среды, окружающей корпус TO-220, на каждый ватт мощности, рассеиваемой внутри устройства.

Например, если поставщик транзистора заявляет, что тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде составляет 62 ° C / Вт, это означает, что 2,78 Вт, рассеиваемые внутри корпуса TO-220, вызовут повышение температуры перехода на 172 ° C. выше температуры окружающей среды (рассчитывается как 2.78 Вт x 62 ° C / Вт). Если предположить, что наихудшая температура окружающей среды для этого применения составляет 50 ° C, температура перехода достигнет 222 ° C (рассчитывается как 50 ° C + 172 ° C). Это намного превышает номинальную температуру кремния 125 ° C и приведет к необратимому повреждению транзистора. Следовательно, требуется радиатор. Установка радиатора значительно снизит тепловое сопротивление перехода к окружающей среде. Следующим шагом будет определение того, насколько низким должен быть путь теплового сопротивления для безопасной и надежной работы.

Определение путей теплового импеданса

Для этого начните с максимально допустимого повышения температуры.Если максимальная рабочая температура окружающей среды составляет 50 ° C, а кремниевый переход должен оставаться на уровне 125 ° C или ниже, максимальное допустимое повышение температуры составляет 75 ° C (рассчитывается как 125 ° C – 50 ° C).

Затем рассчитайте максимально допустимое тепловое сопротивление между переходом и окружающим воздухом. Если максимально допустимое повышение температуры составляет 75 ° C, а мощность, рассеиваемая в корпусе TO-220, составляет 2,78 Вт, наибольшее допустимое тепловое сопротивление будет 27 ° C / Вт (рассчитано как 75 ° C ÷ 2.78 Вт).

Наконец, сложите все пути теплового сопротивления от кремниевого перехода до окружающего воздуха и убедитесь, что их сумма меньше максимально допустимого теплового сопротивления; 27 ° C / Вт в этом примере.

Графическая иллюстрация тепловых сопротивлений, которые должны быть рассчитаны и сложены между переходом и окружающим воздухом в типичном применении TO-220

Из рисунка выше первое необходимое тепловое сопротивление – это «переход от корпуса к корпусу», обозначенное символом R _{θ JC} .Это показатель того, насколько легко тепло может передаваться от соединения, где оно генерируется, на поверхность (корпус) устройства (в данном примере TO-220). Большинство производителей укажут этот импеданс в своих таблицах вместе с метрикой соединения с окружающей средой. В этом примере предполагаемое тепловое сопротивление между переходом и корпусом составляет 0,5 ° C / Вт.

Второе необходимое тепловое сопротивление – это «корпус-сток», обозначенное символом R _{θ CS} Это мера того, насколько легко тепло может передаваться от поверхности (корпуса) устройства к поверхности радиатора. .Из-за неровностей поверхностей корпуса TO-220 и основания радиатора, как правило, рекомендуется использовать термоинтерфейсный материал (TIM или «термопаста») между двумя поверхностями, чтобы обеспечить их полное сцепление с точки зрения теплового режима . Это значительно улучшает передачу тепла от корпуса TO-220 к радиатору, но имеет связанный с ним термический импеданс, который необходимо учитывать.

Увеличенный чертеж поверхности к поверхности, показывающий необходимость в материале для термоинтерфейса (TIM)

Учет материалов для термоинтерфейса

Термоинтерфейсные материалы (TIM) обычно характеризуются своей теплопроводностью в ваттах на метр-градус Цельсия (Вт / (м ° C)) или ватт на метр-кельвин (Вт / (м · К)).В этом примере градусы Цельсия и Кельвина являются взаимозаменяемыми, поскольку они оба используют одно и то же приращение измерения температуры, и рассчитывается повышение / понижение температуры (например, повышение температуры на 45 ° C эквивалентно повышению температуры на 45 K). ). Единица измерения метры присутствует, потому что импеданс TIM зависит от соотношения толщины (толщины материала TIM в метрах) по площади (площадь, на которую распространяется TIM в метрах ² ) , что дает 1 / м (рассчитывается как м / м ² = 1 / м).В этом примере тонкий слой TIM будет нанесен на область металлических выступов корпуса TO-220. Вот конкретные свойства TIM и сведения о приложении, использованные в этом примере:

Теплопроводность

TIM («K»): 0,79 Вт / (м ° C) = 0,79 Вт / (м · K)

Область применения

TIM: 112 мм ² = 0,000112 м ²

Толщина покрытия ТИМ: 0,04 мм = 0,00004 м

Тепловой импеданс TIM может быть рассчитан на основе свойств, перечисленных выше, с использованием следующего уравнения (обратите внимание на использование измерителей для согласованности единиц измерения):

R _{θ C-S} = ( Толщина / Площадь ) x (1/ Электропроводность )

R _{θ C-S} = (0.00004 / 0,000112) х (1 / 0,79)

R _{θ C-S} = 0,45 C / W или 0,45 K / W

Выбор радиатора

Окончательный требуемый тепловой импеданс – это «сток-окружающая среда», обозначенный символом R _{θ S-A} . Это показатель того, насколько легко тепло может передаваться от основания радиатора к окружающему воздуху. Поставщики радиаторов, такие как устройства CUI, обычно предоставляют графики, подобные приведенному ниже, или точки данных, чтобы проиллюстрировать, насколько легко тепло может передаваться от радиатора в окружающий воздух при различных условиях воздушного потока и нагрузках.

График, показывающий типичное превышение температуры монтажной поверхности радиатора выше

окружающей среды. В этом примере предполагается, что установка работает в условиях естественной конвекции без какого-либо воздушного потока. Приведенный выше график можно использовать для расчета окончательного теплового сопротивления (от стока к окружающей среде) для этого конкретного радиатора. Повышение температуры поверхности выше температуры окружающей среды, деленное на рассеиваемое тепло, обеспечивает тепловое сопротивление в этих конкретных рабочих условиях. В этом примере количество рассеиваемого тепла равно 2.78 Вт, что приводит к повышению температуры поверхности выше 53 ° C. Разделив 53 ° C на 2,78 Вт, получаем тепловое сопротивление между стоком и окружающей средой 19,1 ° C / Вт (рассчитано как 53 ° C ÷ 2,78 Вт).

В предыдущих расчетах максимальное допустимое сопротивление между переходом и окружающим воздухом составляло 27 ° C / Вт. За вычетом импеданса переход-корпус (0,5 ° C / Вт) и импеданса корпуса-приемника (0,45 ° C / Вт) максимальный запас для радиатора составляет 26,05 ° C / Вт. (рассчитано как 27 ° C / Вт – 0,5 ° C / Вт – 0.45 ° C / Вт). Тепловое сопротивление 19,1 ° C / Вт для этого радиатора при предполагаемых условиях значительно ниже рассчитанного ранее допуска 26,05 ° C / Вт. Это приводит к более низкой температуре кремниевого перехода внутри корпуса TO-220 и большему запасу тепла в конструкции. Максимальную температуру перехода можно оценить, сложив все тепловые сопротивления, умножив их на количество Вт, рассеиваемых в переходе, и прибавив результат к максимальной температуре окружающей среды:

Расчетная температура перехода. = T _{Окружающая среда} + Вт x (R _θJ-C + R _{θ C-S} + R _{θ S-A} )

Расчетная температура перехода. = 50 + 2,78 х (0,5 + 0,45 + 19,1)

Расчетная температура перехода. = 105,7 ° С

Важность радиаторов

Радиаторы являются важным элементом управления температурным режимом, как показано в этом примере. Без радиатора температура кремниевого перехода внутри корпуса TO-220 значительно превысила бы номинальный предел в 125 ° C.Процесс, используемый в этом примере, можно легко изменить и повторить, чтобы помочь разработчикам выбрать радиаторы надлежащего размера для множества различных приложений.

Основные выводы

• Радиаторы являются важным элементом схемотехники, поскольку они обеспечивают эффективный путь передачи тепла в окружающий воздух и от электронных устройств.
• Определение максимальной температуры окружающей среды и мощности, рассеиваемой внутри приложения, поможет оптимизировать выбор радиатора; не слишком мелкие, вызывающие выгорание, и не слишком большие траты денег.
• Термоинтерфейсные материалы (TIM) играют важную роль в более эффективной и равномерной передаче тепла между двумя поверхностями.
• После того, как параметры приложения определены (например, температура окружающей среды, рассеиваемая мощность, пути теплового сопротивления и т. Д.), Функция Parametric Search от CUI Devices может помочь в поиске подходящего радиатора для работы.

электронная книга

Загрузите бесплатное полное руководство по управлению температурным режимом

Доступ сейчас

Дополнительные ресурсы

---

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights @ cuidevices.ком

радиатор в транзисторе | Цепь термического сопротивления

Радиатор в транзисторе:

Когда мощность рассеивается в транзисторе, выделяемое тепло должно течь от перехода коллектор-база к корпусу, а затем в окружающую атмосферу. Когда задействовано только очень небольшое количество энергии, как в малосигнальном транзисторе, площадь поверхности корпуса транзистора обычно достаточно велика, чтобы все тепло могло уйти.Для большой рассеиваемой мощности, которая может иметь место в мощных транзисторах, площадь поверхности транзистора недостаточно велика. Радиатор в транзисторе необходимо использовать для увеличения площади контакта с атмосферой. Для небольших транзисторов можно использовать теплоотводы звездообразного типа, показанные на рис. 8-28 (a). Для более мощных транзисторов доступны радиаторы из листового металла и алюминия, как показано на рис. 8-28 (b) и (c).

На рис. 8-29 (а) показано поперечное сечение транзистора, прикрепленного к радиатору транзистора.Тепло, генерируемое в переходе коллектор-база, должно течь от перехода к корпусу транзистора, затем от корпуса к радиатору и, наконец, от радиатора к окружающему воздуху. Во многих случаях для электрической изоляции между корпусом транзистора и радиатором вставляется слюдяная прокладка [см. Рис. 8-29 (a)]. Каждая часть пути, по которой должно проходить тепло, имеет тепловое сопротивление. Это:

θ _JC – термическое сопротивление переход-корпус

θ _CS – термическое сопротивление корпус-раковина

θ _SA – термическое сопротивление погружению в воздух

На рис. 8-29 (b) показана тепловая эквивалентная схема для транзистора и радиатора.Он состоит из трех последовательно соединенных тепловых сопротивлений. Размер радиатора, необходимого для транзистора с заданной рассеиваемой мощностью, может быть определен из тепловой эквивалентной схемы.

Разница температур между коллекторно-базовым переходом транзистора и воздухом, окружающим радиатор (T _J – T _A ), заставляет рассеиваемую мощность (Q) течь через каждое из тепловых сопротивлений по очереди. Последовательная цепь с тепловым сопротивлением аналогична последовательной резистивной электрической цепи.Поток мощности в тепловой цепи аналогичен потоку тока в электрической цепи. Кроме того, падение температуры на каждом тепловом сопротивлении аналогично падению напряжения на каждом электрическом сопротивлении [см. Рис. 8-29 (b)]. Закон Ома может применяться к последовательной тепловой цепи точно так же, как и к последовательной электрической цепи.

Для последовательной резистивной цепи, I = E / R, или

Для последовательной цепи термического сопротивления,

При температурах.в градусах Цельсия (° C), а тепловое сопротивление выражается в градусах Цельсия на ватт (° C / Вт), Q – рассеиваемая мощность в ваттах (Вт).

Значение θ _JC зависит от типа корпуса транзистора и обычно указывается в технических данных. См. Часть спецификации 2N3055 на рис. 8-30. θ _CS зависит от корпуса транзистора и от механического контакта между корпусом и радиатором в транзисторе. Контакт может быть сухим, иметь слой теплопроводящего компаунда или иметь изоляционную прокладку.В таблице 8-1 показаны типичные значения θ _CS для трех типов корпуса и трех условий контакта. θ _SA определяется размером и стилем радиатора (см. Таблицу 8-2).

Уравнение 8-21 может использоваться для вычисления θ _SA , когда известны все другие величины. Затем выбирается наименьший радиатор с тепловым сопротивлением, равным или меньшим расчетного значения. В качестве альтернативы, когда используется данный радиатор, уравнение. 8-20 может применяться для расчета температуры перехода транзистора.

Другой метод, используемый для определения теплового сопротивления радиатора, показан в Таблице 8-2. Для радиатора Wakefield 621 θ _SA указано как 75 ° C при 15 Вт для естественной конвекции. Это означает, что максимальная разница температур между корпусом и окружающим воздухом будет 75 ° C, когда теплоотвод в транзисторе рассеивает 15 Вт. Это можно переопределить как

.

Практическое руководство: Введение в выбор и установку радиатора

---

«Ой!» – воскликнул я, рассматривая почти идеальный круг, окружающий стилизованную букву «М» (для Motorola), которая была заклейменна на конце моего указательного пальца после прикосновения к корпусу силового транзистора, чтобы убедиться, что он «теплый».«Это было мое введение в« выбор радиатора для силовых полупроводников », которое я получил, будучи молодым экспериментатором, занимающимся созданием источника питания, – урок, который я не забыл через несколько десятилетий после этого события. Цель этого руководства – познакомить вас с основными концепциями выбора и установки радиаторов для силовых полупроводников, а также, возможно, сэкономить вам несколько обгоревших пальцев и сгоревших устройств.

Силовые полупроводники (как транзисторы, так и интегральные схемы) могут потенциально рассеивать большое количество электроэнергии в виде тепловой энергии или тепла, когда устройства работают с большими токами.Чтобы найти тепловую нагрузку в ваттах, которую устройство должно рассеивать, просто умножьте падение напряжения на устройстве на ток через него. Например, устройство будет рассеивать 20 Вт, если ток устройства составляет 4 А при падении напряжения 5 В. Внутри устройства тепло генерируется через полупроводниковый переход (, то есть , то место, где внутри устройства соединяются полупроводниковые материалы типа n и p ). Если тепло не отводится, температура в полупроводниковом переходе, называемая температурой перехода ( T _j ), будет повышаться до тех пор, пока не превысит максимальную температуру перехода ( T _jmax ), что обычно приводит к разрушение устройства.

Не менее важно, чтобы значение T _j было как можно ниже, чтобы обеспечить надежность, срок службы и производительность полупроводникового прибора. Типичные значения максимальной температуры перехода, указанные производителями полупроводников, находятся в диапазоне от 125 ° C до 150 ° C, хотя некоторые устройства – например, транзистор 2N3035 NPN – рассчитаны на работу при температуре до 200 ° C. Приблизительное эмпирическое правило состоит в том, что срок службы полупроводниковых устройств уменьшается вдвое на каждые 10 ° C повышения температуры выше 100 ° C, что эквивалентно экспоненциальному сокращению срока службы при повышении температуры. ¹

РИСУНОК 1. Радиаторы для корпусов TO-39 и TO-220.

---

Радиатор – это металлическая масса, которая отводит тепло, выделяемое силовыми полупроводниковыми приборами, в место с более низкой температурой – обычно это окружающий воздух – откуда оно удаляется естественной конвекцией. Правильно спроектированный радиатор будет поддерживать температуру перехода полупроводниковых устройств значительно ниже максимальной рабочей температуры, сводя к минимуму влияние на бюджет проекта. На рис. 1 показано несколько небольших радиаторов, предназначенных для корпусов TO-39 и TO-220, которые подходят для рассеивания нескольких ватт мощности и достаточно компактны, чтобы их можно было установить на самой печатной плате. Более высокая рассеиваемая мощность в несколько десятков ватт достигается за счет установки большого радиатора на задней части корпуса, который максимизирует рассеивание тепла за счет естественной конвекции (см. , рис. 2, ).

РИСУНОК 2. Силовой полупроводник с корпусом типа TO-3, установленный на радиаторе, прикрепленном к задней части шасси.

---

Повышенное тепловыделение сверх того, что дает естественная конвекция – доступное, конечно, по более высокой цене – может быть получено либо с помощью принудительной конвекции, создаваемой механическим вентилятором, либо путем циркуляции некоторого типа жидкого хладагента через радиатор для отвода избыточного тепла. На боковой панели обсуждается концепция тепловой цепи с целью определения некоторых общих терминов и вводится математическое описание проблемы передачи тепла от полупроводникового перехода в окружающую среду.

В качестве примера мы применим эту информацию к проблеме выбора радиатора, подходящего для обеспечения адекватного рассеивания тепла для пятивольтового регулятора LM309, используемого в типичном блоке питания.

Теория конструкции радиатора (боковая панель)

Электрические системы		Тепловые системы
Кол-во	Блок	Кол-во	Блок
Стоимость: Q c	Кулоны	Тепло: Q D	Джоули
Ток: I	Ампер	Рассеиваемая мощность: P D	Вт
Потенциал: В	Вольт	Температура: T	° С
Сопротивление: R	Ом	Сопротивление: θ	° C / Вт

ТАБЛИЦА 1. Аналогия между электрическими величинами и тепловыми величинами.

---

Обычно используют аналогию с электрической схемой, чтобы ввести базовую модель устойчивого теплового сопротивления, которая связывает величины рассеивания тепла, повышения температуры и теплового сопротивления. Таблица 1 показывает, что электрические величины заряда, тока, потенциала и омического сопротивления аналогичны тепловым величинам тепла, мощности, температуры и теплового сопротивления соответственно.Из-за этой аналогии закон Ома, который описывает взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи, также описывает соответствующую взаимосвязь между рассеиваемой мощностью, температурой и тепловым сопротивлением в тепловой системе или «цепи».

РИСУНОК 3. Применение закона Ома к электрическим (слева) и тепловым (справа) системам.

---

Рисунок 3 иллюстрирует эту идею и показывает, что точно так же, как электрический ток I в резисторе возникает из разности потенциалов Δ В на сопротивлении R в электрической цепи, поток тепловой энергии P _D создает разность температур Δ T на тепловом сопротивлении в тепловом контуре.Решение теплового уравнения, приведенного на рисунке, дает T ₁ = P _D • θ + T ₂ . Для проблемы конструкции радиатора T ₁ – желаемая рабочая температура перехода T _j ; T ₂ – температура окружающего воздуха T _A ; P _D – мощность, рассеиваемая полупроводниковым устройством, а θ – полное тепловое сопротивление между полупроводниковым переходом и окружающей средой; путем подстановки получается тепловое уравнение T _j = P _D • θ + T _A .

Тепловое уравнение показывает, что два члена вносят вклад в температуру перехода T _j . Первый вклад обусловлен рассеиваемой мощностью полупроводникового устройства, умноженной на тепловое сопротивление между полупроводниковым переходом и окружающим воздухом. Второй вклад обусловлен температурой окружающего воздуха. Чтобы поддерживать температуру перехода T _j на постоянном значении, по мере увеличения рассеиваемой мощности P _D разработчик радиатора должен либо применить кондиционер, чтобы снизить температуру окружающей среды T _A , или уменьшить тепловое сопротивление между полупроводниковым переходом и окружающим воздухом.Обычно наиболее экономичным подходом является установка радиатора с достаточно малым тепловым сопротивлением, чтобы поддерживать температуру перехода ниже некоторого желаемого значения, например 100 ° C.

РИСУНОК 4. Корпус TO-220, прикрепленный к радиатору (левая сторона) и эквивалентная тепловая цепь (правая сторона) .1

---

Можно ли проверить исправность радиатора? Правая часть Рис. 4 предлагает метод применения теплового уравнения, чтобы убедиться, что радиатор имеет надлежащие размеры.Если рассеиваемая мощность P _D и температура корпуса T _C известны (возможно, путем закрепления датчика температуры на корпусе после нанесения небольшого количества термопасты), тепловое уравнение принимает вид T _J = P _D • θ _JC + T _C . Это соотношение показывает, что температуру в полупроводниковом переходе можно найти, добавив температуру корпуса T _C к произведению рассеиваемой мощности P _D и теплового сопротивления перехода к корпусу θ _JC .

Установка радиатора

Типичная установка радиатора показана на левой стороне Рис. 4 , на котором показано поперечное сечение силового полупроводника; в данном случае – с пакетом ТО-220. Когда устройство работает, температура полупроводникового перехода повышается, в результате чего тепло течет от полупроводникового кристалла через металлический корпус и слюдяной изолятор к металлическому радиатору, где оно рассеивается в атмосферу. Металлический радиатор обычно крепится болтами к металлическому шасси, поэтому необходимо электрически – но не термически – изолировать силовой полупроводник от радиатора, разделив их с помощью электрического изолятора, такого как слюдяная шайба или силиконовая прокладка.

Обычно обе стороны изолятора покрыты силиконовой термопастой. Цель смазки – заполнить микроскопические воздушные карманы, которые в противном случае могли бы существовать между материалами, потому что воздух – очень хороший изолятор. Это позволяет создавать безвоздушные соединения, которые сводят к минимуму тепловое сопротивление, через которое должно проходить тепло, и снижает повышение температуры в местах соединения различных материалов. Важно использовать достаточно смазки, чтобы заполнить пустоты, но не более того, иначе дополнительная смазка сама по себе будет служить теплоизолятором, увеличивая тепловое сопротивление.

Правая сторона На рисунке 4 показана эквивалентная тепловая схема. В этой схеме полное тепловое сопротивление θ между температурой полупроводникового кристалла и температурой окружающего воздуха, выраженное как ° C / Вт, является суммой теплового сопротивления между переходом и корпусом корпуса, θ _JC , тепловое сопротивление между корпусом корпуса и радиатором, θ _CS , и тепловое сопротивление между радиатором и окружающим воздухом θ _SA или θ = θ _JC + θ _CS + θ _SA .Значения для каждого из этих термических сопротивлений обычно находятся в таблице данных производителя полупроводникового устройства и перечислены в информации производителя для каждого радиатора. Приблизительные значения сопротивления переход-корпус, θ _JC , составляют 0,5–2,5 ° C / Вт, для сопротивления корпуса θ _CS , 0,5–1,5 ° C / Вт , и приблизительно 4 ° C / Вт и выше для радиатора с окружающим воздухом, θ _SA , в зависимости от формы, материала, массы и конструкции радиатора.

Пример конструкции радиатора

Давайте проиллюстрируем эти концепции, разработав радиатор, который позволит нам извлечь максимальную производительность из пятивольтовой ИС регулятора напряжения LM309, которая имеет максимальную рассеиваемую мощность 20 Вт ² . LM309 был выбран потому, что производитель предоставляет данные, которые связывают рассеиваемую мощность устройства, требуемое тепловое сопротивление радиатора и температуру окружающей среды, что позволит нам проверить наши расчеты.

Во-первых, интересно отметить, что условия тестирования электрических характеристик, указанных для устройства, были взяты при температуре перехода, T _j , 25 ° C, что подразумевает, что устройство установлено на бесконечном радиаторе. или температура окружающей среды во время испытания была снижена за счет кондиционирования воздуха. В техническом описании также указано, что максимальная рабочая температура перехода для этого устройства составляет всего 125 ° C, поэтому мы спроектируем радиатор так, чтобы температура устройства не превышала это значение, хотя в более консервативной конструкции будет использоваться более низкое значение, например 100 ° C. С.

Подставляя эти значения в преобразованное тепловое уравнение в Рисунок 3 дает

– максимальное значение термического сопротивления между полупроводниковым переходом и окружающим воздухом, которое наша конструкция может выдерживать без перегрева. Согласно примечанию 3 в техническом описании, тепловое сопротивление между переходом и корпусом корпуса, θ _JC , составляет 2,5 ° C / Вт. Кроме того, типичные значения теплового сопротивления между корпусом корпуса и радиатором, θ _CS , составляют около 0.4-0,6 ° C / Вт при использовании слюдяной шайбы, покрытой силиконовой смазкой, поэтому мы будем использовать среднее значение 0,5 ° C / Вт. Таким образом, тепловое сопротивление между радиатором и окружающим воздухом, θ _SA , должно быть меньше 5,0 – 2,5 – 0,5 = 2,0 ° C / Вт. Этот результат точно согласуется с показателем максимальной средней рассеиваемой мощности для LM309K, представленной в Рисунок 5 , который показывает, что радиатор с сопротивлением 2,0 ° C / Вт способен рассеивать 20 Вт мощности при температуре окружающей среды 25 ^o С.

Обзор радиаторов, произведенных одним производителем (Wakefield Engineering), показывает, что тепловое сопротивление радиатора 2,0 ° C / Вт просто выходит за рамки того, что возможно без принудительного охлаждения. Например, сверхмощный радиатор Wakefield 641A имеет тепловое сопротивление при естественном охлаждении 2,4 ° C / Вт по сравнению с тепловым сопротивлением при принудительном охлаждении 0,9 ° C / Вт при потоке воздуха 250 лф / мин. Таким образом, разработчик должен либо ограничить максимальную рассеиваемую мощность регулятора напряжения до 18,5 Вт (100 ° C / 5.4 ° C / Вт) или предусмотреть принудительное охлаждение радиатора с механической вентиляцией, чтобы не допустить превышения номинальных значений устройства.

Наконец, для сравнения, в примечании 3 к таблице данных LM309K также указано, что тепловое сопротивление корпуса TO-3 окружающему воздуху, θ _CA , составляет примерно 35 ° C / Вт. Таким образом, без радиатора рассеиваемая мощность ограничивается менее 2,9 Вт, что также хорошо согласуется с результатом, показанным на , рис. 5, .

РИСУНОК 5. Максимальная средняя рассеиваемая мощность (LM309K) ² . Стрелка указывает на точку на рисунке, которая демонстрирует, что радиатор с сопротивлением 2,0 ° C / Вт способен рассеивать 20 Вт мощности при температуре окружающей среды 25 ° C, что согласуется с приведенным здесь расчетом образца.

---

Заключение

Важно поддерживать температуру перехода полупроводниковых устройств ниже их рабочих пределов, чтобы обеспечить надежность, срок службы и производительность устройства.Обычно наиболее экономически эффективным подходом к достижению этого является физическое подключение устройства к радиатору посредством токопроводящей дорожки с низким тепловым сопротивлением.

В этой статье показано, как определить минимальное общее тепловое сопротивление путем деления разницы температур между полупроводниковым переходом и окружающей средой на требуемую рассеиваемую мощность. Затем можно – после вычитания теплового сопротивления перехода к корпусу и корпуса к радиатору из общего теплового сопротивления выбрать радиатор с достаточно малым тепловым сопротивлением, чтобы обеспечить рассеяние мощности, достаточное для предлагаемого применения. NV

---

Список литературы

www.aavidthermalloy.com/technical/papers/pdfs/select.pdf
www.newark.com/pdfs/techarticles/mro/howToVerifyTheProperHeatSink.pdf
www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf
www.smoke.com.au/~ic/ham/heatsink.html
www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AN1083-D.PDF
www.wakefield.com/PDF/thermal_tutorial.pdf

---

Сноски

1. Motorola Semiconductor Technical Data Sheet AN1083, Базовое управление температурным режимом силовых полупроводников, 1990.
Технические характеристики 5-вольтового регулятора
2. National Semiconductor LM109 / LM309.

Выбор радиатора | Журнал Nuts & Volts

---

Посмотрим правде в глаза – если бы эта статья называлась «Термический анализ», вы могли бы отложить ее чтение! Но выбирая радиатор? Все понимают, в чем дело, правда? Чтобы сделать этот выбор, вам нужно провести небольшой термический анализ (понятно!), Но если вы можете выполнить закон Ома, вы уже знаете, как это сделать!

Введение

Каждый раз, когда ток течет по проводнику, энергия должна рассеиваться в виде тепла с мощностью – P _d = I ² R.(Для сверхпроводников R = 0.) Также верно и то, что когда падение напряжения и протекание тока существуют одновременно – P _d = V x I. Нагревание от протекания тока присутствует везде в электрической цепи, но значительно. большая часть тепла генерируется внутри электронных компонентов.

Электрический компонент отводит тепло, передавая его в окружающий воздух. Тепло может передаваться непосредственно воздуху от поверхности компонента или может использоваться радиатор. В любом случае, если накопится слишком много тепла, компонент может быть поврежден.В большинстве случаев только несколько компонентов имеют большую тепловую нагрузку – проходные транзисторы, микросхемы драйверов, соленоиды. Тем не менее, вы – разработчик схем, поэтому вы несете ответственность за выяснение того, какие компоненты необходимо охлаждать и как это сделать.

Теплопередача = закон Ома

Поток тепла подчиняется правилам, которые очень похожи на те, которые регулируют поток электрического тока. Как показано на рис. 1 , разность температур (ΔT) заменяет напряжение, а тепловой поток (P) заменяет ток.

РИСУНОК 1. Основная теплопередача очень похожа на закон Ома для сопротивления.

---

Новый символ θ – обозначает термическое сопротивление, аналогичное электрическому сопротивлению; то, с чем вы уже хорошо знакомы. Основное уравнение теплопередачи выглядит точно так же, как закон Ома:

.

ΔT = T _a – T _b = T _ab = P x θ _ab

T действует как «тепловое напряжение», P как «тепловой ток» и θ _ab как «тепловое сопротивление.”T обычно указывается в ° C, а P – в ваттах. θ указывается в градусах Цельсия / Вт, что выглядит немного странно, пока вы не поймете, что сопротивление действительно составляет «вольт на ампер». Чем больше мощности проходит через тепловое сопротивление, тем выше перепад температуры; «A» и «b» – это два физических местоположения, и между ними возникает тепловой поток.

Что произойдет, если тепловой поток встретит несколько различных термических сопротивлений? Как и электрическое сопротивление, тепловые сопротивления суммируются последовательно.Общее термическое сопротивление составляет θ = θ ₁ + θ ₂ + … + θ _n . Температуры на стыке термических сопротивлений можно рассчитать так же, как напряжения в делителе напряжения, как показано на , рис. 2, . (Да, есть и параллельные контуры отопления.)

РИСУНОК 2. Если тепло должно проходить через последовательность материалов, тогда тепловое сопротивление каждого материала суммируется, как это делают электрические резисторы, соединенные последовательно.

---

Последовательные дискретные термические сопротивления представляют собой поток тепла через ряд материалов. Например, зимой тепло в вашем доме течет сначала через воздух внутри, затем через внутреннюю стену, через изоляцию и через внешнюю стену в окружающий воздух снаружи. Чем больше общее тепловое сопротивление, тем меньше тепла теряется при любой комбинации температуры внутри и снаружи. И наоборот, если вам нравится высокая температура или на улице становится холоднее, вы теряете больше тепла, потому что ΔT больше.

Сколько тепла выделяет компонент?

Рассеивание мощности в резисторах вычислить довольно просто, но как насчет полупроводников и микросхем? Для компонентов, сопротивление которых неизвестно или изменяется – например, для полевого транзистора – вы не можете легко использовать I ² R. В этих случаях используйте V x I. И это также работает для резисторов! Таблица 1 показывает список уравнений для тепловыделения в некоторых распространенных электронных компонентах.

• Резистор – P _d = I ² x R = V ² / R = V x I
• Диод, SCR или TRIAC – P _d = V _f x I _avg , где Vf – прямое падение напряжения, а Iavg – средний прямой ток
• Транзистор – P _d = V _CE x I _C (биполярный) P _d = V _GS x I _D (FET)
• Индуктор, конденсатор, трансформатор – P _d = I ² x R _ПОТЕРЯ
• Соленоид или реле – P _d = I ² x R _COIL

ТАБЛИЦА 1. Выработка тепла в обычных электронных компонентах.

---

Если через резистор протекает переменный ток, используйте среднеквадратичные значения напряжения и тока. Для прерывистого постоянного или переменного тока умножьте P _d на коэффициент заполнения тока. Например, если резистор передает ток только импульсами, которые составляют одну десятую времени, умножьте P _d на 0,1.

Для полупроводников необходимо вычислить средний ток и напряжение. Это может показаться сложным в цепях переменного тока, но есть способ, позволяющий завышать тепловую нагрузку, что приводит к консервативному дизайну.Например, давайте оценим тепловыделение выпрямителя, который включен в течение одного полупериода и выключен в течение другого полупериода. Умножьте пиковый ток на максимальное прямое напряжение – это предполагает полное тепловыделение всякий раз, когда диод проводит ток, – затем разделите на два, чтобы учесть коэффициент заполнения 50%.

Это завышает фактическое количество выделяемого тепла, которое достигает максимального значения на пике тока, но меньше в другое время. Если вы рассчитываете расчетную тепловую нагрузку, ваши компоненты будут работать намного холоднее.Аналогичным образом можно оценить нагрев в других цепях переменного тока.

Для оценки рассеиваемой мощности ИС, суммируйте рассеиваемую мощность от каждого значительного источника тепла – обычно от выходных цепей. Рассчитайте мощность, предполагая, что выход IC является транзистором. Не забудьте включить мощность, рассеиваемую другими схемами ИС – умножьте напряжение источника питания на ток, потребляемый ИС.

Нужен ли вашему устройству радиатор?

Резисторы и конденсаторы выделяют тепло по всему телу или вдоль него.Они рассчитаны на некоторую максимальную длительную рассеиваемую мощность (P _dmax ), например, для полуваттного резистора. P _dmax также указывается при определенной температуре окружающей среды, поскольку она определяет температуру на одном конце строки термического сопротивления компонента.

Диоды и транзисторы выделяют тепло в очень небольшом объеме переходов или каналов, по которым проходит ток. Обычно это называют «переходом» и обозначают сокращенно «j». Тепловое сопротивление в этих компонентах от теплогенерирующего перехода до окружающей среды – или условий окружающей среды – обозначается как θ _ja .

Иногда его называют тепловым сопротивлением на открытом воздухе, поскольку оно представляет собой полное тепловое сопротивление между переходом и окружающим воздухом, включая всю промежуточную упаковку и монтажный материал.

Компоненты, изготовленные из полупроводников, таких как кремний или арсенид галлия, должны храниться ниже некоторой максимальной температуры (T _jmax ), иначе устройство будет разрушено в результате плавления или повреждено из-за перегрева внутренних структур и диффузии или миграции.Для устройств из кремния максимальная температура составляет 125–150 ° C.

Чтобы определить максимальную температуру внутри устройства, начните с поиска θ _ja в технических характеристиках устройства и подсчитайте, сколько энергии оно будет рассеивать во время использования. Температура перехода будет:

T _j = T _{окружающая среда} + P x θ _ja

Если вы обнаружите, что T _j будет меньше T _jmax , то радиатор не нужен.Будьте осторожны при выборе температуры окружающей среды. Внутри кожуха оборудования фактическая температура окружающей среды на поверхности компонента может быть немного выше комнатной. Вы также должны включить коэффициент безопасности – часто используется 25 процентов или 35 ° C.

Допустим, вы считаете, что T _j вашего устройства слишком близки к пределу. Либо P, либо θ _и должны быть уменьшены. Чтобы уменьшить P, вам придется изменить схему. Если вы решите уменьшить θ _и , вам нужно будет выяснить, как более эффективно передавать тепло через внешнюю поверхность компонента.

Теперь вы должны разделить θ _и последовательно на два тепловых сопротивления: θ _jc – тепловое сопротивление от стыка до внешней поверхности (которое вы не можете изменить) и θ _ca – от корпуса до окружающей среды. (который вы можете изменить). θ _jc – тепловое сопротивление от перехода к корпусу транзистора, который может быть металлическим язычком или просто внешней пластиковой поверхностью. Это проиллюстрировано на рис. 3 .

РИСУНОК 3. Общее тепловое сопротивление устройства включает внутреннее и внешнее сопротивление.

---

Выбор радиатора

Одним из способов охлаждения компонента является перемещение воздуха по его поверхности с поддержанием низкой температуры окружающей среды T . Вы можете использовать вентилятор или даже сориентировать компонент так, чтобы естественная конвекция поддерживала движение воздуха по горячей поверхности. Этот метод ограничен рассеянием мощности около одного ватта или меньше, особенно в небольших компонентах с малой поверхностью.

Для большего количества тепла требуется радиатор для уменьшения θ _~ .Радиаторы могут быть достаточно массивными и теплопроводными, чтобы отводить тепло от компонента. В качестве радиатора можно использовать практически любой металлический объект, в том числе заземляющие поверхности печатных плат и шасси оборудования. Необязательно использовать радиатор собственного производства!

Полупроводники, предназначенные для отвода тепла, имеют корпуса, предназначенные для использования с радиатором. Например, в корпусе TO-220 полупроводник находится непосредственно на металлическом выступе, который электрически подключен к устройству.Корпус ТО-3 полностью металлический и также имеет электрическое соединение с устройством внутри. Почему электрически подключен? Чтобы избежать промежуточного слоя материала, который может увеличить термическое сопротивление. Ухудшение, связанное с неизолированным корпусом, стоит повышения эффективности теплопередачи.

Тепловое сопротивление радиатора в ° C / Вт показывает, насколько повысится температура поверхности (а не температура перехода) присоединенного компонента на ватт тепла. Предположим, что это значение основано на значении естественной конвекции.Использование вентилятора снижает тепловое сопротивление радиатора. Радиаторы высокой мощности будут иметь значения θ _~ , которые указаны для различных объемов воздушного потока.

Чтобы выбрать радиатор, сначала укажите максимальную температуру перехода. Рассчитайте количество мощности, рассеиваемой компонентом. Поскольку θ _jc фиксировано, рассчитайте максимальную температуру корпуса:

T _cmax = T _jmax – P x θ _jc

Оценить температуру окружающей среды.Требуемое тепловое сопротивление радиатора тогда:

θ _ок. = (T _cmax – T _{окружающей среды} ) / P

Из каталогов или веб-сайтов производителей радиаторов теперь вы можете выбрать радиатор, который имеет как правильный θ _ca , так и подходит для вашего корпуса.

Пример выбора радиатора

Обычное применение радиатора – это рассеивание тепла от проходного транзистора или регулятора напряжения, такого как общий 7805.(Загрузите техническое описание 7805 с веб-сайта www.datasheetarchive.com ) Допустим, 7805 снизит входное напряжение с 12 В до 5 В на выходе с пиковой устойчивой токовой нагрузкой 0,5 А. Мы также предполагаем, что температура внутри корпуса электроники будет на 33 ° C или на 10 ° C выше, чем комнатная температура, равная 23 ° C.

• Начнем с расчета общего тепловыделения: P _D = (V _IN – V _OUT ) x I = 7 В x 0,5 A = 3,5 Вт. Без радиатора этот регулятор станет очень жарким!
• Найдите термическое сопротивление соединения 7805 и корпуса: Codi Electronics определяет его как R _j-c = 5 ° C / Вт.
• Если установить максимальную температуру перехода равной 80 ° C, то T _cmax = T _jmax – P x θ _jc = 80 – 3,5 x 5 = 62,5 ° C.
• Тепловое сопротивление радиатора не должно превышать θ _ca = (T _cmax – T _{окружающего воздуха} ) / P = (62,5 – 33) / 3,5 = 8,4 ° C / Вт.
• Просматривая подборку радиаторов Digi-Key ( www.digikey.com ), я обнаружил, что IERC 7-340-2PP-BA – хороший выбор с рейтингом 7 ° C / Вт.Запас в 1,4 ° C / Вт также обеспечивает небольшое дополнительное тепловое сопротивление в изоляционной прокладке, необходимой между ИС и радиатором.

Вы можете решить, что радиатор слишком большой (около кубического дюйма) или слишком дорогой (единичное количество составляет 1,75 доллара США). В этом случае вы должны позволить более высокую температуру перехода или выяснить, как уменьшить рассеиваемую мощность в регуляторе. Вы также можете снизить температуру окружающей среды. Любой из этих трех вариантов позволит вам использовать радиатор с более высоким тепловым сопротивлением.Если вам нужна дополнительная информация о выборе радиатора, производитель радиаторов Aavid-Thermalloy опубликовал краткое руководство по выбору радиаторов по адресу www.aavidthermalloy.com/technical/papers/semisize.shtml

Сводка

Это основной процесс: рассчитайте тепловую нагрузку, укажите максимальную температуру, определите тепловое сопротивление и отправляйтесь за покупками! Со временем вы научитесь управлять теплом – как уменьшать его образование, так и избавляться от него.И все это можно списать на термический анализ. NV

---

Тепловой бюджет: транзисторы и радиаторы

Проект выпуска 14 от 2017_01_01

РАБОТА В ПРОЦЕССЕ

ВВЕДЕНИЕ
В этой статье описывается основная процедура выбора силовых транзисторов: BJT, MOSFET и IGBT для силовых цепей: например, усилителей мощности звука, инверторов, линейных и импульсных источников питания.Чтобы упростить объяснение, будет описан только силовой транзистор с биполярным переходом (BJT), если не указано иное, но эта информация в равной степени применима к другим силовым устройствам.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Тепло – это форма энергии, которая может перемещаться из одного места в другое за счет теплопроводности и излучения.

Теплопроводность можно сравнить с потоком воды. Подобно тому, как вода течет от высокого давления к более низкому, тепло течет от высокой температуры к более низкой температуре.И точно так же, как маленькая трубка ограничивает поток воды, материалы обладают термическим сопротивлением и ограничивают поток тепла.

В терминологии тепловых расчетов сопротивление тепловому потоку измеряется в градусах Цельсия, Ваттах (DCW). Также используются градусы Кельвина-Ватта (DKW), но это одно и то же.

Радиация – это способ, которым солнечное тепло распространяется в космосе и нагревает землю. Не может быть проводимости через вакуум (свободное пространство), но, как и радиоволны, тепло может излучаться через вакуум.Фактически, вакуумные лампы (клапаны) в значительной степени полагаются на излучение для отвода тепла от своих электродов.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ТРАНЗИСТОРА
Очень заманчиво думать, что все, что вам нужно сделать, это выбрать транзистор с более высокой номинальной мощностью, чем он будет рассеивать в вашей схеме, но это не так. Фактически, номинальная мощность транзистора предназначена в основном для маркетинга и не имеет большого практического значения.

Два основных соображения – это максимальная температура перехода транзистора (TJmax) и безопасная рабочая зона (SOA).

МАКСИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЕРЕДАЧИ
Нельзя превышать TJmax даже на мгновение. Типичные максимальные температуры перехода составляют 150 ° C и 175 ° C, но широко распространенные 2N3055 и MJ2955 имеют исключительно высокую максимальную температуру перехода 200 ° C.

БЕЗОПАСНАЯ РАБОЧАЯ ОБЛАСТЬ
Другой проблемой является безопасность транзистора рабочая зона (SOA), которая зависит от температуры. SOA определяет максимальный ток, который транзистор может проводить во всем диапазоне напряжений через его C / E.Например, 2N3055 может проводить ток 15 А при 7,5 Вольт C / E, но только 3 А при 40 Вольт C / E.

SOA также зависит от времени, поэтому транзистор может выдерживать более высокий ток в течение короткого промежутка времени.

ТЕПЛОВЫЕ МОЩНИКИ
Функции радиатора заключаются в том, чтобы,
(1) Отвод тепла от области установки транзистора с помощью теплопроводящего материала (союзник или медь, но придерживайтесь союзника для объяснения) с низким тепловое сопротивление. Это значит толстый лист алюминия.
(2) После того, как тепло будет отведено от области установки транзистора, предоставьте воздуху большую площадь поверхности для эффективной передачи тепла воздуху путем конвекции. Обычно это делают ласты. Лучше всего расположить ребра вертикально, потому что нагретый воздух поднимается вверх, но должен быть свободный поток воздуха через ребра (открытые сверху и снизу).
(3) Поверхность радиатора должна находиться в свободном потоке воздуха, насколько это возможно. Передача тепла от радиатора воздуху пропорциональна разнице между площадью поверхности радиатора, температурой радиатора и температурой воздуха.

Например, если температура поверхности радиатора составляет 60 ° C, а температура воздуха в области радиатора также составляет 60 ° C, то конвекция и охлаждение радиатора не будет. 60 ° C – обычное явление для внутреннего оборудования.

Если бы температура воздуха была 70 ° C, что тоже не редкость в шкафу с оборудованием, воздух фактически нагревает радиатор, а не охлаждает его!

В сети и в других местах имеется множество данных о радиаторах, а также о изготовлении радиаторов

Радиаторы определяются по их тепловому сопротивлению в градусах / CW свободному воздуху. Это измерение того, сколько тепла может рассеять радиатор. в воздух Маленький радиатор обычно имеет температуру 10 град / CW, а большой – 0.5 град / по часовой стрелке

http://www.wakefield-vette.com/resource-center/downloads/brochures/extruded-heat-sink-wakefield.pdf

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ ШАЙБЫ
Хотя есть несколько силовых транзисторов, где корпус электрически изолирован, обычно коллектор силового транзистора соединен с металлической частью корпуса, поэтому, если радиатор не будет находиться под напряжением, требуется электрически изолирующая, но теплопроводящая шайба между корпус транзистора и радиатор.

Глинозем, за которым следует слюда, имеют самое низкое термическое сопротивление из свободно доступной и недорогой группы изоляционных шайб. Слюда имеет лучшую и наиболее стабильную диалектику, за ней следует глинозем.

Оксид алюминия имеет еще более низкое термическое сопротивление, но стоит дорого, в то время как оксид бериллия имеет самое низкое термическое сопротивление, но он очень дорог и токсичен, поэтому сейчас он запрещен. Алмаз имеет самое низкое термическое сопротивление, но, очевидно, не используется для изоляционных шайб.

ТЕПЛОВОЙ БЮДЖЕТ
Возьмем пример:

Транзистор имеет максимальную температуру перехода 170 ° C, как показано в техническом паспорте. Эту температуру нельзя превышать, иначе транзистор выйдет из строя.

Транзистор рассеивает 50Вт. Максимальная температура воздуха вблизи радиатора составляет 50 градусов Цельсия.

Таким образом, разница температур между максимальной температурой перехода транзистора и воздуха составляет:

170-50 = 120 градусов Цельсия

Рассеиваемая мощность транзистора составляет 50 Вт. Таким образом, максимальное тепловое сопротивление радиатора составляет 120/50 = 2.4 градуса по Цельсию, вполне достижимая цифра.

Было бы неразумно эксплуатировать транзистор с максимальной температурой перехода. Вы делаете это только в том случае, если у вас нет выбора.

Разумная максимальная расчетная температура перехода должна составлять 90% от Tjmax в техническом паспорте.

Итак, Tjmax_design = 0,9 * Tjmax_data_sheet = 0,9 * 170 = 153 градуса C. Это максимальная расчетная температура перехода.

Выполнение расчетов радиатора снова:

Tjmax_design- Tamb = 153-50 = 103 градуса

Теперь тепловое сопротивление радиатора составляет 103 градуса Цельсия / 50 Вт = 2.06 ° C W, вы заметите более низкую цифру.

Для реальной конструкции расчет теплового бюджета осуществляется по тому же принципу, за исключением того, что вам также придется принимать во внимание тепловые сопротивления между переходом и корпусом, а также между корпусом и радиатором. Когда вы включаете эти термические сопротивления, ситуация становится гораздо более критической.

Типичное тепловое сопротивление от перехода к корпусу для высокомощного транзистора TO-3 составляет около 0,8 ° C Вт, а при использовании слюдяной шайбы между корпусом и радиатором тепловое сопротивление между корпусом и радиатором составляет 1.1 градус З.д.

Наконец, общее тепловое сопротивление между спаем и воздухом составляет 0,8 + 1,1 + тепловое сопротивление радиатора.

ССЫЛКИ
(1) 2N3055 / MJ2955, техническое описание: http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2N3055-D.PDF
(2) Технический паспорт TIP35 / TIP36: http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TIP35A-D.PDF

spec

MOSFET: как определить, нужен ли радиатор?

как мне узнать, какой ток он выдержит без радиатора?

Посмотрев в таблицу, а затем выполнив математические вычисления.Это действительно должно быть очевидно.

В любом компетентном техническом описании указано тепловое сопротивление от кристалла к корпусу и максимально допустимая температура кристалла. Исходя из этого, вы вычисляете, насколько горячее будет кристалл, чем в случае конкретного рассеивания мощности. С этой частью ничего не поделаешь. Вычтите это из максимально допустимой температуры кристалла, и это максимальная температура, которую вы можете позволить корпусу достичь. Разница между этой температурой и максимальной температурой окружающей среды, при которой устройство должно работать, – это максимальная температура, которую может упасть радиатор.Теперь вы найдете радиатор с меньшим тепловым сопротивлением окружающей среде.

Опять же, это простая арифметика.

Пример

Я только что взял таблицу данных по случайному силовому транзистору, которая оказалась для транзистора TIP42 PNP. На первой странице в разделе «Абсолютный максимум» указано, что максимальная температура перехода составляет 150 ° C, а максимальное рассеивание с корпусом при 25 ° C составляет 65 Вт. Это не говорит вам прямо, но подразумевает, что соединение температура составляет 150 ° C с корпусом при 25 ° C и рассеиваемой мощностью 65 Вт.Это означает, что тепловое сопротивление от перехода к корпусу составляет (125 ° C) / (65 Вт) = 1,92 ° C / Вт.

Допустим, в худшем случае рассеиваемая мощность составит 35 Вт, а максимальная температура окружающей среды, при которой он должен работать, составляет 30 ° C.

При 35 Вт температура перехода будет на 67,3 ° C выше температуры корпуса. Соединение должно оставаться при температуре 150 ° C или ниже, поэтому температура корпуса должна оставаться на уровне 82,7 ° C или ниже. Это оставляет запас на 52,7 ° C выше температуры окружающей среды в худшем случае. Поэтому радиатор не может допускать повышения температуры более 52,7 ° C от корпуса к температуре окружающей среды при 35 Вт через него или 1.51 ° C / Вт.

Итак, в этом случае вам нужен радиатор, который может работать на 1,5 ° C / Вт или меньше. Обратите внимание, что это предполагает, что открытый конец радиатора находится при температуре окружающей среды. Если он находится в ящике, то необходимо учитывать повышение температуры в ящике. Также внимательно посмотрите на техническое описание радиатора. Вероятно, это предполагает некоторый минимальный воздушный поток из-за конвекции. Он также будет иметь значительно меньшее тепловое сопротивление при принудительном воздушном охлаждении (иными словами, вентилятор).

.