Radiatory2, Elektronika, RADIATORY W SPRZĘCIE ELEKTRONICZNYM
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1
Radiatory
Autor artykułu : mgr inż Maciej Feszczuk
Przepisał i przygotował do formy elektronicznej
„AmAtoR”.
Radiatory są niezbędne do odprowadzenia nadmiaru ciepła z nagrzewających się
elementów półprzewodnikowych. Jako miarę skuteczności odprowadzenia ciepła przez radiator
przyjmuje się rezystancję termiczną radiator-otoczenie ( R
th r-a
). Między złączem elementu
półprzewodnikowego a otoczeniem występuje szereg rezystancji termicznych, które decydują o
wartości mocy strat, jaka może się wydzielić w elemencie w określonych warunkach. Na rysunku
przedstawiono schemat rezystancji termicznych występujących między złączem a otoczeniem,
Ponieważ zwykle R
th c-a
>> R
th c-r
+ R
th r-a
można tę pierwszą pominąć i wówczas
rezystancja termiczna złącze-otoczenie wyniesie:
R
th j-a
= R
th j-c
+ R
th c-r
+ R
th r-a
(1)
Rezystancja termiczna złącze-korpus jest stałą konstrukcyjną elementu, na którą
użytkownik nie ma wpływu, natomiast wartość pozostałych rezystancji można zmieniać w dość
szerokich granicach.
Rezystancja termiczna korpus-radiator jest właściwie rezystancją termiczną styku, której
wartość będzie najmniejsza w przypadku bezpośredniego zamontowania elementu na radiatorze z
dodatkiem ewentualnie smaru silikonowego i będzie wzrastać, gdy zostaaną zastosowane
podkładki izolacyjne. Rezystancja termiczna radiator-otoczenie będzie zależała od rozmiarów
powierzchni czynnej radiatora, jej barwy, kształtu, materiału z którego został wykonany radiator
oraz sposobu jego ustawienia. Ogólnie przyrost temperatury złącza elementu
półprzewodnikowego bedzie zależny od wydzielanej w nim mocy i od rezystancji termicznej
między złączem i otoczeniem zgodnie ze wzorem:
T
j
- T
a
= P
c *
R
th j-a
(2)
Uwzględniając zależność (1) i (2) można wyznaczyć niezbędną rezystancję termiczną radiatora
przy założonej mocy strat, temperaturze otoczenia i dopuszczalnej temperaturze złącza:
T
j
- T
a
R
th r-a
= ------- - R
th j-c
- R
th c-r
(3)
P
c
Jako dopuszczalną temperaturę złącza dla tranzystorów krzemowych należy przyjąć 100...160
stopni C, a dla tranzystorów germanowych 40...60 stopni C.
Rezystancję termiczną między korpusem tranzystora a radiatorem dla kilku przypadków
przedstawiono w tablicy 1; dane te dotyczą jednak małych tranzystorów z radiatorami typu
klipsowego, dla których rezystancja wzrasta do 40..60 stopni C/W.
przy czym poszczególne składowe to:
R
th j-c
- rezystancja termiczna złącze-korpus elementu,
R
th c-r
- rezystancja termiczna korpus-radiator
R
th r-a
- rezystancja termiczna radiator-otoczenie
R
th c-a
- rezystancja termiczna korpus-otoczenie
2
Wartość rezystancji termicznej złące-korpus jest podawana zwykle w katalogach, a w przypadku
braku danych może być ona wyznaczona z innych danych katologowych na podstawie wzoru:
T
jmax
- T
c
R
th j-c
= -------------
(4)
P
cmax
przy czym:
T
jmax
- maksymalna dopuszczlna temperatura złącz,
P
cmax
- maksymalna moc strat przy określonej temperaturze korpusu,
T
c
- temperatura korpusu, przy której określono maksymalną moc strat.
Rezystancje termiczne między korpusem tranzystora a radiatorem w
przypadku stosowania podkładek izolacyjnych
Tabela 1
Rodzaj styku
R
th c-r
( °C/W )
Bez podkładki
Bez podkładki z dodatkiem smaru silikonowego
Z podkładką z oksydowanego AL.
Z podkładką i smarem silikonowym
Z podkładką mikową 40 µm
Z podkładką ze smarem silikonowym
0,2...0,5
0...0,3
1,4...1,5
0...0,3
2...2,5
0,5...0,8
W przypadku stosowania radiatora płaskiego wymagana wartość powierzchni może być
wyznaczona ze wzoru:
1
S = ------------
(5)
λ
T*
R
th r-a
w którym λ
T
– współczynnik wymiany ciepła. Wartość tego współczynnika dla kilku materiałów
podano w tabeli 2:
Tabela 2
Materiał
λ
T
(W/cm
2
ºC)
Miedź
Aluminium
Stal
1,43 * 10
-3
0,75 * 10
-3
0,21 * 10
-3
Przykład 1:
Zaprojektować radiator płaski dla tranzystorów BD 137 i BD 138 sterujących tranzystorami
mocy.
Założenia:
1. Maksymalna moc strat P
c
= 1,5W
2. Maksymalna temperatura otoczenia T
a
= 35ºC
3. Dopuszczalna temperatura złącza T
j
= 120ºC
4. Tranzystory będą mocowane na podkładkę mikową z dodatkiem smaru
silikonowego (R
th c-r
=
0,5ºC/W)
5. Rezystancja termiczna złącze-korpus dla tranzystorów typu BD137 i138 wynosi 10ºC/W
6. Radiator będzie wykonany z płytki miedzianej λ
T
=1,43 * 10
-3
3
Zgodnie ze wzorem (3) wymagana rezystancja termiczna radiator-otoczenie wynosi:
T
j
– T
a
120-35
R
th r-a
= ------- - R
th j-c
- R
th c-r
=------------ - 10 – 0,5 = 46ºC/W
P
c
1,5
Wymagana wartość powierzchni na podstawie zależności (5) wynosi:
1 1
S = ------------ = -------------------- = 15 cm
2
λ
T*
R
th r-a
1,43 * 10
-3
* 46
W przypadku odprowadzenia większych mocy stosuje się zwykle radiatory żebrowane,
ponieważ obliczenie takiego radiatora jest dość skomplikowane z uwagi na konieczność
uwzględnienia wielu czynników wpływających na skuteczność odprowadzenia ciepła, podano
przykłady wyznaczania potrzebnych parametrów na podstawie gotowych wykresów.
Ostatnio rozpowszechniły się radiatory będące odcinkami profili hutniczych.
Uwzględniając tę tendencję przedstawiono na rysunku 2 kilka profili, z których wykonuje się
radiatory o odpowiedniej długości w zależności od wymaganej rezystancji termicznej i założonej
mocy strat na podstawie załączonych wykresów (rys 3a,b,c).
Każdy z wykresów ma postać krzywych izorezystancyjnych, naniesionych na zbiór
koncentrycznych okręgów i wiążę ze sobą trzy wielkości: rezystancję termiczną radiatora,
długość profilu i moc wydzielaną w radiatorze.
Długość radiatora z danego profilu odczytuje się na osiach układu współrzędnych wykresu,
natomiast moc została podana jako liniowa funkcja kąta zawartego między osią rzędnych bądź
odciętych, a prostą przechodzącą przez środek okręgu i dowolny punkt na wykresie.
Z wykresów należy korzystać następująco. Dla wymaganej rezystancji radiatora,
wyznaczonej ze wzoru (3) oraz określonej mocy strat należy wybrać profil kształtki, następnie na
odpowiednim wykresie, przez punkt przecięcia krzywej izorezystancyjnej odpowiadającej
wyznaczonej rezystancji termicznej z półprostą wyznaczającą moc strat, należy poprowadzić
okrąg koncentryczny z pozostałymi. Punkt przecięcia okręgu z osiami współrzędnych wyznacza
wymaganą długość radiatora z danego profilu.
Uwaga-
wykresy z rys 3a,b,c wykonano dla profili aluminiowych, ustawionych pionowo,
poczernionych przez utlenianie anodowe i przy temperaturze otoczenia 25 ºC. Dlatego jeśli
zakładane warunki odbiegają od podanych należy przyjąć pewien współczynnik bezpieczeństwa
zwiększając długość radiatora o 30..50%.
Przykład:
Zaprojektować radiator żebrowany dla tranzystorów wyjściowych wzmacniacza mocy.
Założenia:
1. Maksymalna moc strat P
c
= 17W
2. Maksymalna temperatura otoczenia T
a
= 35ºC
3. Dopuszczalna temperatura złącza T
j
= 160ºC
4. Tranzystory będą mocowane na podkładkę mikową z dodatkiem smaru
silikonowego (R
th c-r
=
0,8ºC/W)
5. Rezystancja termiczna złącze-korpus dla tranzystorów typu 2N3055 wynosi 1,5ºC/W
6. Radiator będzie wykonany z płytki miedzianej λ
T
=1,43 * 10
-3
Zgodnie ze wzorem (3) wymagana rezystancja termiczna radiator-otoczenie wynosi:
4
T
j
– T
a
160-35
R
th r-a
= ------- - R
th j-c
- R
th c-r
=------------ - 1,5 – 0,8 = 5 ºC/W
P
c
17
Jako radiator wykorzystano kształtkę o profilu P6 której długość wyznaczono z rys. 3b.
Wymagana długość kształtki wynosi według wykresu około 4,5cm. Uwzględniając uwagę
odnośnie warunków pracy przyjęto długość kształtki równą 6cm.
W razie konieczności stosowania radiatorów na tranzystory w obudowach okrągłych
TO18, lub TO39 przedstawiono na rysunku 6 podobny wykres z tym, że dla określonej
rezystancji termicznej i określonej mocy strat wybiera się typ radiatora z podanych na rysunku 4 i
5.
W przypadku radiatorów o innych niż podano kształtach i wymiarach można korzystać z
podanych wykresów wybierając radiator najbardziej podobny do posiadanego i stosując
odpowiedni zapas w celu zapewnienia wystarczającego chłodzenia.
Dołożyłem wiele starań aby rysunki zajmowały jak najmniejszą objętość, dlatego też po
wielu próbach doszedłem do wniosku że format BMP spakowany np. „Zipem” daje najmniejsze
pliki wynikowe, i w tym formacie są przedstawione wszystkie rysunki i wykresy.
AmAtoR
.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]