Сначала простой случай, расчет радиатора по данным тепловыделения при постоянном токе.

Для примера рассмотрим расчет радиатора для MOSFET-а IRLR024N

В этом примере предполагается, что MOSFET включается и долгое время находится в полностью открытом состоянии. Например, переключение производится не чаще чем с частотой 1 Гц.

В даташите нас интересуют параметры теплового сопротивления Junction-to-Case (сопротивление переход-корпус), Junctione-to-Ambient (PCB mount) (переход-окружающая среда при монтаже на 1кв.дюйм медной заливки на плате), Junction-to-Ambient (корпус-окружающая среда).

RθJC = 3.3 К/Вт
RθJApcb= 50 К/Вт
RθJA = 110 К/Вт

(Кельвины и Цельсии не играет роли, так как речь о разницах).

Цифра 110 К/Вт означает, то при выделяемой мощности 1Вт разница температур между внешней средой и переходом будет 110 градусов. Например, если границе корпус-воздух будет 40 градусов, то это значит, что переход внутри транзистора имеет температуру 40+110=150 градусов. Если выделяется 2Вт, то внутри будет 40+110*2=260 градусов.

Предположим, что напряжение на затворе будет 3.3В. А ток будет 3А. Из графика «Typical Transfer Characteristics» находим, что при напряжении 3.5В ток составляет 8А. Т.е. сопротивление составляет 0,4375 Ом. При этом смотрим на график «Normalized On-Resistance Vs. Temperature» и видим, что при 90 градусах сопротивление растет в 1.5 раза.

Допускаем по дизайну нагрев до 90 градусов, а сопротивление считаем 0.4375*1.5= 0,6563 Ом.

Получаем, что рассеиваться на транзисторе будет P=I^2*R=3*3*0,6563=5,9067 = 6 Вт.

Предполагается, что транзистор будет работать в окружении, где температура воздуха будет до 30 градусов (что очень оптимистично, так как он греет воздух вокруг себя).

Итак, запас по температуре составляет 90-30=60 градусов. Получается что максимальное общее теплового сопротивления равно (90-30)/6Вт=10 К/Вт

При этом сопротивление переход-корпус уже съело 3.3 К/Вт. У нас остается 8.3 К/Вт.

Монтаж радиатора будет производится на силиконовый клей. Предположим, что наш клей - HC910. Проводимость его 1.7 Вт/м*К.

У нас площадь приклеивания будет 0.25д*0.24д=0.01м*0.009м=0,0000054 кв.м.

Толщина слоя нанесения 0.0001м (0.1 мм). Эта оценка подтверждена документацией на подобные клеи.

Тепловое сопротивление слоя клея равно = толщина/(площадь*проводимость)=0,53 К/Вт

Остается 7.77 К/Вт на сам радиатор. Выбираем в магазине каком-нибудь.

И это будет довольно крупный радиатор. Примерно 10х10х5 см за нормальные деньги.

Теперь решим вопрос, а какой допустимый ток, при котором можно обойтись без радиатора вообще.

Возьмем вариант, когда транзистор припаян к площадке на плате площадью 1кв. дюйм. RθJApcb= 50 К/Вт. Предположим, что все устройство работает в коробочке и воздух в ней, за счет других компонентов и этого MOSFET-а, может нагреваться до 50 градусов. Предел нагрева для выбранного транзистора 175 градусов. Но мы возьмем максимум 125. Тогда максимальная допустимая мощность будет (125К-50К) / 50К/Вт= 1,5 Вт.

Если же он не припаян к площадке, то RθJA = 110 К/Вт, и получаем максимальную мощность (125К-50К) / 110К/Вт= 0,6 Вт.

Расчет по корпусу приведенный здесь более реалистичный, чем с радиатором. Однако, если устройство должно работать в различных условиях, то требуется внесение понижающего коэффициента для высот. Например, для высоты 2000м коэффициент 0.8 (т.е. не 0.6Вт, а 0,5Вт) для высоты 3500м – 0.75.

При 125 градусах Rds(on) будет составлять 1.75 * Rds(on) при 20 градусах, т.е. 0,4375 * 1,75=0,765625 Ом. P=I^2*R => I=SQRT(P/R)

Получаем, что при припайке на площадку на плате максимальный ток будет Imax=корень(1.5/0.765625)=1.4A Без площадки Imax=корень(0,6/0,765625)=0,9A

Часть 2: Расчет тепловыделения MOSFET при ШИМ

Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность в случае использования ШИМ. Пусть сигнал ШИМ на затвор поступаем напрямую с микроконтроллера. Максимальный ток 25мА. Во время ШИМ есть 4 фазы: открытие затвора, высокий уровень, закрытие затвора, низкий уровень. Выделение тепла идет во всех фазах, кроме низкого уровня. Во время высокого уровня мощность равна U*I, как обычно. Мощность в фазе открытия затвора зависит от времени открытия, которое зависит от емкости затвора и тока драйвера. Пусть в нашем примере частота пусть будет 240Гц. Коэф. заполнения: 0.5. Ток 3А. Пусть это будет управление светодиодами, транзистор включен со стороны общего провода. Напряжение питания 5В.

Рассчитать теоретически точно потери по всех фазах довольно сложная задача, так как параметры и результаты расчет зависят друг от друга и есть процессы происходящие в подложке. Но на практике такая точность и верность теории не требуется. Есть приблизительные оценки потерь в фазах открытия и закрытия, которые дают практические цифры, которые можно использоваться при вычислении тепловыделения. Для расчета эффективности (КПД) этот метод не годится.

Потери в фазе высокого уровня (фазе полного открытия) мы считали в первой части и там нет ничего сложного. Для закрытия и открытия оказывается важным вид нагрузки: резистивная или индуктивная.

Потери при переключении возникают из-за того, что в процессе переключения через транзистор проходит большой ток при большом напряжении. Можно взять идеализированную форму этого процесса и рассчитать потери с приемлемой точностью для практического расчета тепловыделения.

Для резистивной нагрузки
Psw=1/2 * Fs *Vds*Id*tsw

Для индуктивной
Psw=1/6 * Fs *Vds*Id*tsw

Где
Fs- частота
Vds – напряжение сток-исток (в закрытом состоянии)
Id- ток проходящий через транзистор (в открытом состоянии)
tsw - время переключения

Время переключения в первом приближении можно рассчитать по графику зависимости зарядка на затворе от напряжения затвор-исток.

При напряжении 3.3В по графику заряд будет не более 4nC
tsw= ЗарядЗатвора/ТокДрайвера =4nC/0.025A=160.4ns
Считаем процессы закрытия и открытия симметричными. Тогда итоговые потери переключения, например, для резистивной нагрузки:

Psw=1/2 * Fs * Vds * Id *tsw= 1/2 * 240* 20*3*160ns=1 мВт

Время во включенном состоянии намного больше времени переключения, поэтому время переключения игнорируем (для больших частот это не так). Тогда потери в проводящей фазе равны D*I^2* Rds(on), где D – коэф. заполнения
Pcond=0.5*3*3* 0,6563 = 2,95 Вт

Видно, что потери на переключение пренебрежительно малы в сравнении с потерями в открытой фазе.

Voff – напряжение сток-исток, когда mosfet выключен
, 5В Fs – частота переключения, 240 Гц
Рассчитаем
Psw2=(130*10-12)*5^2*240=0,78 мкВт

Т.е. на 3 порядка меньше основных потерь при переключении. А потери при переключении на 3 порядка меньше потерь проводимости.

Ради интереса рассчитаем потери при частоте 2МГц, D=0,8 и тоге 20 А.
Psw=10,6Вт
Pcond=210 Вт
Psw2=0.78мкВт

Видно, что даже при таких условиях потери на переключение на порядок меньше потерь проводимости. Т.е. когда вы будете искать радиатор на 210 Вт, дополнительные 10Вт просто попадут в инженерный запас, который вы обязательно должны сделать (около 20%).

Кроме этого рассчитывать надо крайний случай, которым является D=0.99, Pcond=260 Вт при этом Psw сохраняется прежним.

Из приведенных формул можно сделать интересные выводы:

1. Чтобы сократить потери на переключение, надо сократить время переключения. Для этого надо иметь мощный драйвер, который может отдавать большой ток в затвор.
2. Малый ток затвора ограничивает скорость переключения. В нашем примере время включения и выключения было в районе 160 нс. Т.е. даже если только открывать и закрывать затвор минимальный период будет равен 320нс, т.е. максимальная частота, с которой можно открывать и закрывать затвор током драйвера в 25мА составит примерно 3МГц.
3. Вклад частоты в потери линейный, а общий вклад потерь при переключении не существенный.
4. При частотах до 1МГц и при токах до 20А вклад потерь при переключении составляет 1-2% от общих потерь и может быть смело проигнорирован. В этом случае потери на mosfet-е можно просто считать как Iout^2*Rdn(on)*D
5. Выходное сопротивление управляющего сигнала и емкость затвора представляющий собой ФНЧ с частотой 1/Rout*Cgs,где Cgs=Ciss-Crss, но из фактических значений для любого разумного случая это сотни мегагерц минимум.

Дополнительное чтение с более сложными расчетами, дающими примерно такой же результат по тепловыделению, но правильные для расчета КПД.

Микросхема УМЗЧ обязательно должна быть установлена на радиаторе – ведь даже в состоянии покоя на ней рассеивается мощность, равная P0=UпI0=(2 25) 0,07=3,5 Вт. Чтобы рассчитать необходимую площадь радиатора, вычислим максимальную рассеиваемую мощность для случая работы в идеальном классе В:
где Uп – полное напряжение источника питания, Rн – сопротивление нагрузки, Р0 – мощность, рассеиваемая в режиме покоя.
При полном напряжении источника питания Uп =50 В, Rн =8 Ом на корпусе микросхемы должна рассеиваться мощность около 19,3 Вт. Ясно, что температура кристалла при работе всегда должна быть ниже 150ºС. Примем температуру окружающего воздуха 53 ºС, тогда тепловое сопротивление переход – окружающая среда должно быть меньше, чем: (150-53)/19,3=5,0 ºС/Вт.

Обычно сумма тепловых сопротивлений корпус – радиатор и радиатор – окружающая среда оказываются меньше, чем 2,0 ºС/Вт. Тепловое сопротивление корпус – радиатор зависит от способа установки микросхемы. Если использовано непосредственное соединение металл – металл, тепловое сопротивление будет примерно 1,0 ºС/Вт при использовании теплопроводной пасты и 1,2 ºС/Вт при ее отсутствии.

При наличии слюдяной прокладки между корпусом и радиатором тепловое сопротивление можно считать равным 1,6 ºС/Вт и 3,4 ºС/Вт соответственно при применении теплопроводной пасты и без нее. Рассмотрим для примера крепление микросхемы к радиатору через слюдяную прокладку с применением теплопроводной пасты. Тепловое сопротивление радиатора должно быть меньше чем 5,0 – 2,0 - 1,6 = 1,4 ºС/Вт. Это рекомендуемое тепловое сопротивление радиатора для данной конструкции.

Полезно оценить результаты расчетов радиатора с помощью какой-нибудь программы, например, . Самый прикидочный расчет площади охлаждающей поверхности радиатора: 20 квадратных сантиметров на каждый ватт рассеиваемой микросхемой мощности.
Для радиаторов, выполненных из алюминиевых сплавов с ребрами не тоньше 3 мм при шаге ребер не менее 10 мм и свободном потоке воздуха площадь радиатора можно оценить следующей приближенной формулой: S[кв см]≈600/Rθр-с[ºС/Вт]=600/1,4=430 кв см.
Как уже указывалось, микросхема LM1875 снабжена эффективной схемой тепловой защиты. Когда температура кристалла микросхемы достигнет 170 ºС, схема тепловой защиты срабатывает, и усилитель выключается. Включение происходит после понижения температуры кристалла до 145 ºС. Однако, если температура кристалла снова начнет повышаться, то теперь отключение произойдет уже при 150 ºС.

http://proacustic.ru/teplootvod.html

ОУ, выходная мощность которых превышает 1 Вт, обычно требуют установки теплоотвода (радиатора) для охлаждения кристалла. Напомню, что усилитель, работающий в режиме AB, имеет КПД около 50%. Это означает, что он выделяет столько же мощности в виде тепла, сколько отдает в нагрузку. Поэтому для охлаждения кристалла микросхемы (транзистора) необходимо использовать теплоотвод.

Максимальная температура, при которой кристалл близок к разрушению, но еще сохраняет работоспособность, составляет 150 °С. При этом температура корпуса ниже в связи с тепловыми потерями при переходе от кристалла к корпусу и, как правило, не превышает 100 °С. Нормальная температура кристалла составляет 75 °С, а радиатора -50-60 °С. Такая температура соответствует болевому порогу кожи человека, поэтому есть очень простое правило: если вы не обжигаетесь, коснувшись радиатора рукой, его температура находится в норме (конечно, при условии хорошего контакта между радиатором и тепловыделяющим элементом).

Стоит также отметить, что срок службы микросхемы напрямую зависит от ее температуры. Существует правило, гласящее, что при увеличении температуры кристалла на 10 °С срок его службы падает вдвое. Это значит, что при увеличении температуры кристалла с 60 до
100 °С срок его службы снизится уже в 1 б раз! Поэтому эффективное.охлаждение - залог надежной и долгой работы устройства.

Радиаторы, используемые для охлаждения радиоэлементов, классифицируются по строению на:

Ребристые (рис. 2.17, а);

Игольчатые (рис. 2.17, б).
По типу вентиляции:

С естественной вентиляцией;

С принудительной вентиляцией.

Эти типы радиаторов отличаются плотностью расположения ребер или игл. Для радиаторов с естественной вентиляцией расстояние между ребрами (иглами) должно быть не менее 4 мм. К тому же такие радиаторы рассчитаны для работы только в вертикальном положении, когда воздух под действием естественных сил движется между ребрами. Если расстояние между ребрами (иглами) составляет около 2 мм, то такой радиатор рассчитан на принудительную вентиляцию и требует установки вентилятора.

По применяемым материалам:

Цельные алюминиевые;

Цельные медные;

Алюминиевые с медным основанием.

Существуют методики точного расчета радиаторов, учитывающие рассеиваемую мощность, параметры окружающей среды, конфигурацию, материал радиатора и т.д. Однако эти методики нужны на этапе проектирования теплоотвода. Радиолюбители редко самостоятельно изготавливают радиаторы, чаще используя готовые, взятые из старой радиоаппаратуры. В конечном итоге нас интересует только один параметр - максимальная рассеиваемая мощность для этого радиатора. Чтобы определить его, достаточно знать всего две характеристики: тип
вентиляции и площадь рассеивающей поверхности (проще говоря, площадь радиатора).

Площадь ребристого радиатора вычисляется как сумма площадей всех его ребер и площади основания. Заметьте, что у одного ребра две излучающие поверхности. Это значит, что ребро размером 1×1 см имеет площадь 2 см2. Площадь игольчатого радиатора вычисляется как сумма площадей всех его игл и площади основания. Площадь одной иглы можно вычислить по формуле:

S= π (r 1 + r 2 ) l

(r 1 - радиус нижнего основания усеченного конуса; r 2 - радиус верхнего основания усеченного конуса; l - образующая усеченного конуса (длина боковой стороны))

После этого допустимая рассеиваемая мощность может быть оценена по формуле:

где Р - допустимая рассеваемая мощность, Вт; S - площадь радиатора, см2; к - коэффициент, учитывающий тип вентиляции. Для естественной вентиляции к = 33, для принудительной вентиляции к = 11.

Тепловое сопротивление радиатора может быть оценено по формулеRth=(51*k)/S , описанной здесь: http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=32031

Размерность теплового сопротивления - градус/Ватт. То есть насколько температура кристалла будет выше температуры корпуса при выделении 1 Вт тепла.
Тепловое сопротивление перехода корпус - окружающая среда можно посчитать по приблизительной формуле: Rth=(51*k)/S , где Rth – тепловое сопротивление радиатора в C/W, S – площадь радиатора (в данном случае - площадь детали) в см2, k – коэффициент, учитывающий тип вентиляции (Для естественной вентиляции k = 33, для принудительной вентиляции k = 11).
Тепловые сопротивления детали и радиатора нужно сложить, задать температуру окружающей среды и выделяемую мощность, чтобы получить температуру кристалла.
Чтобы не ломать сильно голову по поводу теплопроводности материалов, скажу что тепловое сопротивление перехода кристалл - корпус обычно находится в пределах от 1 C/W для мощных ИС, и до 3 C/W для маломощных.

В последние годы в радиолюбительской практике все чаще применяются системы охлаждения для процессоров персональных компьютеров (cooler - кулеры). Кулеры современных процессоров рассчитаны на рассеивание мощности около 100 Вт даже при небольшой вентиляции.

Для крепления микросхемы к основанию радиатора можно использовать шурупы с плоской шляпкой либо, при наличии метчика, нарезать резьбу в радиаторе и закрепить микросхему винтом. Между основанием радиатора и корпусом микросхемы обязательно должен быть слой термопасты для улучшения теплопроводности. Наилучшие показатели теплопроводности показывают пасты типа КПТ-81 или «Алсил-3». Их можно купить в любом компьютерном магазине или магазине радиодеталей. Теплопроводность термопаст составляет при-
мерно 0,7- с учетом того, что площадь контакта - 1 -2 см2, тепловое сопротивление термопасты - примерно 10~4 °С/Вт (несоизмеримо мало по сравнению с тепловым сопротивлением перехода кристалл-подложка либо радиатора и окружающей среды), поэтому при тепловом расчете системы охлаждения этой потерей можно пренебречь.

http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=32031

Что бы совсем разобратся нужно на конкретном примере. К примеру есть ИМС длина 2см ширина 1см толщина 0,5 см Мощность 535 мВт Температура воздуха 22 по цельсию. Как считать?

1. Определяем излучающую площадь микросхемы. Учтем, что она брюхом скорее всего будет прилегать к плате, так что там конвекции не будет. Возьмем эквивалентную площадь брюха как ½ от геометрической площади:
   2(2*0,5)+2(1*0,5)+1*2+1*1=2+1+2+1=6 см2 – полная излучающая площадь микросхемы
   2. Подсчитаем тепловое сопротивление перехода корпус – воздух:
   Rth=(51*k)/S=(51*33)/6=280,5 C/W
   3. Микросхема судя по всему маломощная, прими её тепловое сопротивление равным 3 C/W (или можно рассчитать точно, если знаете как)
   4. Общее тепловое сопротивление равно 280,5+3=283,5 C/W Это значит что температура кристалла будет на 283,5 градуса выше температуры окр. среды при выделении 1 Вт. тепла.
   5. Определяем температуру кристалла: 283,5*0,535+22=173 =)
   6. Определяем температуру корпуса: 280,5*0,535+22=172

   Резонный вопрос – есть ли здесь ошибка? Ошибка может быть в определении Rth корпуса микросхемы... эта формула используется для определения теплового сопротивления ребристых радиаторов, по этому в области малых значений площади может давать не верный результат. Еще недостатком методики является то, что мы не учитываем охлаждения микросхемы через саму плату.

   P.S. хотя если предположить, что микросхема обдувается (k=11). то получается вполне вменяемый результат - 93 C/W

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 T J и температурой среды Т A вызывает тепловой поток, движущийся от кристалла к окружающей среде, через тепловые сопротивления R JC (кристалл - корпус), R CS (корпус - радиатор) и R SA (радиатор - окружающая среда).

Рис 18.26. Тепловая модель охлаждения

Тепловое сопротивление имеет размерность °С/Вт. Суммарное максимальное тепловое сопротивление R JA на участке кристалл - окружающая среда можно найти по формуле:

где Р ПП - мощность, рассеиваемая на кристалле полупроводникового прибора, Вт.

Тепловое сопротивление R JC и R CS указывается в справочных данных на полупроводниковые приборы. Например, согласно справочным данным, на транзистор IRFP250N, его тепловое сопротивление на участке кристалл- радиатор равно R JC + R CS = 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:

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 :

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 R JA 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 K v 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 K L 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 S P = 400 8 = 3200 см2.

Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитывать радиаторы так, чтобы не пролетать в прикидках на пару порядков очень полезно любому электронщику.

Тепловые расчеты очень просты и имеют очень много общего с расчетами электронных схем. Вот, посмотрите на обычную задачу теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для 5-вольтового линейного стабилизатора, который питается от 12вольт максимум и выдает 0.5А. Максимальная выделяемая мощность получается (12-5)*0.5 = 3.5Вт

Погружение в теорию

Для того, чтобы не плодить сущностей, люди почесали тыковку и поняли, что тепло очень похоже на электрической ток, и для тепловых расчетов можно использовать обычный закон Ома, только

Напряжение (U) заменяется температурой (T)

Ток (I) заменяется мощностью (P)

Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением. Обычное сопротивление имеет размерность Вольт/Ампер, а тепловое – °C/Ватт

В итоге, закон Ома заменяется на свой тепловой аналог:

Небольшой замечание – для того, чтобы обозначить, что имеется ввиду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R, дописывают букву тэта:на клавиатуре у меня такой буквы нет, а копировать из таблицы символов лень, поэтому я буду пользоваться просто буквой R.

Продолжаем

Тепло выделяется в кристалле стабилизатора, а наша цель – не допустить его перегрева (не допустить перегрева именно кристалла, а не корпуса, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно, предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = переход – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура переходов равна температуре кристалла)

Без радиатора

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора, в даташитах пишут тепловое сопротивление кристалл-атмосфера (Rj-a) (что такое j вы уже в курсе, a = ambient = окружающая среда)

Заметьте, что температура “земли” не нулевая, а равняется температуре окружающего воздуха (Ta). Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор Если стоит на открытом воздухе, то можно положить Ta = 40 °C, а вот, если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Записываем тепловой закон Ома: Tj = P*Rj-a + Ta. Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 267.5 °C. Многовато, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе становится вот такой:

• Rj-c – сопротивление от кристалла до теплоотвода корпуса (c = case = корпус). Дается в даташите. В нашем случае – 5 °C/Вт – из даташита

Rc-r – сопротивление корпус-радиатор. Тут не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. К примеру, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт/(м*°C), а паста КПТ-8 – 0.75Вт/(м*°C). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

R = толщина прокладки/(коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

Часто Rc-r вообще можно игнорировать. К примеру, в нашем случае (используем корпус TO220, с пастой КПТ-8, средняя глубина пасты, взятая с потолка – 0.05мм). Итого, Rc-r = 0.5 °C/Вт. При мощности 3.5вт, разница температур корпуса стабилизатора и радиатора — 1.75градуса. Это – не много. Для нашего примера, возьмем Rc-r = 2 °C/Вт

Rr-a – тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува, и кучей других факторов. Этот параметр намного проще измерить, чем посчитать (см в конце статьи). Для примера — Rr-c = 12.5 °C/Вт

Ta = 40°C – тут мы прикинули, что атмосферная температура редко выше, можно взять и 50 градусов, чтобы уж точно было.

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3.5*(5+2+12.5) + 40 = 108.25 °C

Это значительно меньше, чем предельные 150 °C. Такой радиатор можно использовать. При этом, корпус радиатора будет греться до Tc = 3.5*12.5 + 40 = 83.75 °C. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее-всего, у вас уже валяется куча радиаторов, которые можно задействовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это этого нужно сопротивление и источник питания.

Лепим сопротивление на радиатор, используя термопасту:

Подключаем источник питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некая мощность. Лучше, конечно, нагревать радиатор той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Я обычно оставляю такую конструкцию на пол часа, чтобы она хорошо прогрелась.

После того, как измерили температуру, можно рассчитать тепловое сопротивление

Rr-a = (T-Ta)/P. К примеру, у меня радиатор нагрелся до 81 градуса, а температура воздуха – 31 градус. таким образом, Rr-a = 50/4 = 12.5 °C/Вт.

Прикидка площади радиатора

В древнем справочнике радиолюбителя приводился график, по которому можно прикинуть площадь радиатора. Вот он:

Работать с ним очень просто. Выбираем перегрев, который хочется получить и смотрим, какая площадь соответствует необходимой мощности при таком перегреве.

К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 250см^2 радиатора. Этот график дает завышенную оценку площади, и не учитывает кучу факторов как то принудительный обдув, геометрия ребер, итп.

В малосигнальных схемах транзисторы редко рассеивают мощность более 100 мВт. Распространение тепла вдоль проводников и конвекция от корпуса транзистора в окружающий воздух оказываются достаточными, чтобы избежать перегрева /?-и-перехода.

Транзисторы, на которых рассеиваются большие мощности, - в эмиттерных повторителях мощных источников питания и в выходных каскадах усилителей мощности - требуют специальных средств для отвода тепла. Обычно теплоотводы (радиаторы) используются с транзисторами, которые приспособлены для работы с радиаторами. На рис. 9.35, а изображен гофрированный металлический радиатор, который удваивает рассеяние тепла транзистором в корпусе Т05, например, транзистором BFY50. Мощный транзистор (рис. 9.35, б) в корпусе ТОЗ монтируется на массивном ребристом радиаторе. Установленный таким образом транзистор допускает рассеяние мощности 30 Вт; без теплоотвода рассеиваемая мощность ограничена 3 Вт.

Рис. 9.35. Радиаторы.

Электрическая изоляция

Корпус радиатора обычно привинчивается непосредственно к заземленному металлическому шасси или к корпусу прибора, или в некоторых случаях шасси само может служить теплоотводом. Во всех этих случаях необходимо помнить, что корпус транзистора обычно соединен с коллектором, и поэтому необходима электрическая изоляция между корпусом транзистора и радиатором. Слюдяные или лавсановые шайбы обеспечивают изоляцию без значительного уменьшения теплопроводности. Силиконовая смазка, нанесенная на каждую сторону шайбы, гарантирует хороший тепловой контакт.

Тепловое сопротивление

Качество теплоотвода обычно выражается величиной теплового сопротивления, которое учитывает тот факт, что скорость распространения тепла пропорциональна разности температур между источником тепла и внешней средой (сравните с электрическим сопротивлением, в котором скорость движения заряда пропорциональна разности потенциалов. [Только с очень большой натяжкой можно уподобить электрический ток скорости движения зарядов. - Примеч. перев.]).

Как это часто бывает с физическими понятиями, единица теплового сопротивления (градусы Цельсия на ватт) подает хорошую идею для его формального определения, которое выглядит так:

Другими словами, корпус теплоотвода, имеющий тепловое сопротивление 3 °С/Вт, при рассеиваемой мощности 30 Вт будет нагреваться до температуры на 3 х 30 °С = 90 °С выше температуры окружающей среды.

Полную картину установившегося теплового равновесия между транзистором и окружающей средой дает тепловая схема, приведенная на рис. 9.36. Тепловая мощность Р, выделяемая транзистором, рассматривается как «генератор теплового тока», который создает разность температур на различных тепловых сопротивлениях в системе.

Максимально допустимая температура р-n-перехода обычно составляет 150 °С, а температуру окружающей среды можно принять равной 50 °С - это температура, при которой допускается работа электронной аппаратуры общего назначения.

Производители транзисторов указывают безопасную максимальную температуру корпуса для своих транзисторов (часто 125 °С), в этом случае в, с

Рис. 9.36. Тепловая схема транзистора и его окружения.

исключается из наших вычислений, и мы спускаемся на одну ступеньку вниз по лестнице из резисторов на рис. 9.36. Кроме того, теплопроводность от корпуса транзистора к радиатору обычно столь хороша, что 6 CS 6 SA , так что тепловое сопротивление между радиатором и воздухом 6 SA является доминирующим фактором в большинстве вычислений. Зная мощность Р, рассеиваемую транзистором, легко найти температуру корпуса T casc , предполагая, что температура окружающей среды равна 50 °С:

Сверяясь с данными производителя, теперь можно сказать, может ли этот транзистор рассеивать требуемую мощность при найденной температуре корпуса. Если это не так, то тепловое сопротивление 6 SA должно быть уменьшено путем применения большего радиатора.

Большие ребристые радиаторы для мощных транзисторов обычно имеют температурное сопротивление от 2 до 4 °С/Вт, которое можно уменьшить до 1 °С/Вт путем принудительного охлаждения. С другой стороны, у небольших радиаторов, рассчитанных на транзисторы в корпусе Т05, среднее значение теплового сопротивления около 50 °С/Вт, и с их помощью допустимую мощность рассеяния у таких транзисторов средней мощности, как BFY50 или 2N3053, увеличивают с 0,8 до 1,5 Вт.