Онлайн расчёт площади радиаторов силовых транзисторов,
диодов и микросхем
– 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.
По большому счёту, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла обычно 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 это очень приблизительно, да и вообще полная лабуда, поэтому куда лучше воспользоваться специально сварганенной 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 RthJC. 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: Онлайн калькулятор расчёта площади радиатора
– Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 10-20% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник. Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры нагрева радиатора – не более 70. 75 градусов.
– Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 RthJC, не гадая, берём из справочника. Если совсем лень – оставляем 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 – какой-нибудь китайский «no trademark», то 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.
 |
 |
Расчет теплоотвода (радиатора охлаждения) силового элемента (транзистора, диода, тиристора, стабилитрона)
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
Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:
[Температура кристалла силового элемента, грЦ] = [Температура окружающей среду, грЦ] + [Рассеиваемая мощность, Вт] * [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт]
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),
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).
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.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.
Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.
Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.
Перемножение сигналов. Умножение, деление напряжения. Перемножить, раз.
Схемы для перемножения сигналов, деления друг на друга, извлечения корня, возвед.
Искровой запал, трансформатор розжига, поджига. Запальный блок. Источн.
Как сделать запальный блок с питанием от 12 вольт. Схема, принцип действия, инст.
Усилитель / Генератор синусоиды на тиристоре (динисторе, тринисторе, с.
Схемы усилителя и генератора синусоидального сигнала на тиристоре в нестандартно.
Простой расчет площади радиатора для транзисторов и микросхем
1-02-2014, 18:12 Софт для радиолюбителя Просмотров: 165 643
Часто в практике радиолюбителя приходиться использовать мощный транзисторы, тиристоры, диоды и микросхемы, которые необходимо прикрутить к радиатору для эфективного отвода тепла которые они рассивают. Но какого размера необходим радиатор чтоб не перегреть дорогостоящий электронный компонент? Для вас мы опубликовали таблицу по которой вы за несколько секунд подберёте необходимую площадь радиатора.
По оси X отмечена мощность в Ватах которую рассеивает ваш полупроводниковый елемент а по оси Y необходимая площать радиатора.
Важно! В таблице приведена температура при 0 градусов поетому прибавьте к данному значению тепмературу при которой у вас будет работать устройство например 20 градусов (комнатная температура).
Нажмите на картинку для увеличения
Пример! При мощности которую рассеивает транзистор в 50 Вт, при площади поверхности радиатора 500см2, температура по таблице будет 70 градусов, прибавляем к ней 20 градусов (комнатная температура) и получаем что радиатор будет разогреваться до 90 градусов. Данный расчет приведен для пасивного охлаждения тоесть без обдува радиатора с помощью куллера!
Расчёт площади радиаторов для транзисторов и микросхем (продолжение)
На предыдущей странице ссылка на страницу был приведён калькулятор для расчёта площадей радиаторов для транзисторов, микросхем и прочих полупроводников. Большая часть необходимой информации была почерпнута из методики, основанной на рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов фирмы Aavid Thermalloy, являющейся бесспорным лидером в производстве стандартных радиаторов для воздушного и жидкостного охлаждения.
А познакомиться с этой информацией можно благодаря электротехническому справочнику уважаемого автора, главу из которого я и приведу на этой странице. Для специалистов, проектирующих силовую электронику — «очень своевременная книга» (В. И. Ленин).
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК Автор: Корякин-Черняк С.Л.
18.4.4. Как рассчитать радиатор?
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.
