Comment calculer un radiateur de refroidissement. Calcul simple de la zone de dissipation thermique pour les transistors et thyristors haute puissance

Le dispositif et les principes de fonctionnement d'un radiateur pour LED. Les règles de choix du matériau et de la surface de la pièce. Nous fabriquons un radiateur de nos propres mains rapidement et facilement.

La croyance répandue selon laquelle les LED ne chauffent pas est une idée fausse. Cela est dû au fait que les LED basse consommation ne sont pas chaudes au toucher. Le fait est qu'ils sont équipés de dissipateurs de chaleur - radiateurs.

Le principe de fonctionnement du dissipateur thermique

Le principal consommateur de la chaleur générée par la LED est l'air ambiant. Ses particules froides s'approchent de la surface chauffée de l'échangeur de chaleur (radiateur), se réchauffent et se précipitent vers le haut, laissant place à de nouvelles masses froides.

Lors de la collision avec d'autres molécules, la chaleur est distribuée (dissipée). Comment plus grande surface la surface du dissipateur thermique, plus il transférera intensément la chaleur de la LED à l'air.

En savoir plus sur le fonctionnement des LED.

La quantité de chaleur absorbée par la masse d'air par unité de surface ne dépend pas du matériau du radiateur : l'efficacité d'une « pompe à chaleur » naturelle est limitée par ses propriétés physiques.

Matériaux pour la fabrication

Les radiateurs pour le refroidissement des LED varient en termes de conception et de matériau.

L'air ambiant ne peut pas recevoir plus de 5 à 10 W d'une seule surface. Lors du choix d'un matériau pour la fabrication d'un radiateur, la condition suivante doit être prise en compte : sa conductivité thermique doit être d'au moins 5 à 10 W. Les matériaux avec un paramètre inférieur ne pourront pas transférer toute la chaleur que l'air peut prendre.

Une conductivité thermique supérieure à 10 W sera techniquement excessive, ce qui entraînera des coûts financiers injustifiés sans augmenter l'efficacité du radiateur.

Pour la fabrication des radiateurs, l'aluminium, le cuivre ou la céramique sont traditionnellement utilisés. Récemment, des produits en plastique dissipateur de chaleur sont apparus.

Aluminium

Le principal inconvénient radiateur en aluminium est la conception multicouche. Ceci conduit inévitablement à l'apparition de résistances thermiques transitoires, qui doivent être surmontées en utilisant des matériaux conducteurs de chaleur supplémentaires :

• adhésifs;
• plaques isolantes;
• matériaux remplissant les entrefers, etc.

On trouve le plus souvent des radiateurs en aluminium: ils sont bien pressés et supportent assez bien la dissipation de chaleur.

Dissipateurs thermiques en aluminium 1w pour LED

Le cuivre

Le cuivre a une conductivité thermique plus élevée que l'aluminium, donc dans certains cas son utilisation pour la fabrication de radiateurs est justifiée. En général ce materiel inférieur à l'aluminium en termes de légèreté de conception et de fabrication (le cuivre est un métal moins malléable).

Fabriquer un radiateur en cuivre par pressage - le plus économique - est impossible. Et la coupe donne un grand pourcentage de déchets de matériel coûteux.

Radiateurs en cuivre

Céramique

L'une des options les plus réussies pour un dissipateur thermique est un substrat en céramique, sur lequel des routes conductrices de courant sont préalablement appliquées. Les LED y sont directement soudées. Cette conception permet d'évacuer deux fois plus de chaleur que les radiateurs métalliques.

Ampoule de radiateur en céramique

Plastiques dissipateurs de chaleur

De plus en plus d'informations sont disponibles sur les perspectives de remplacement du métal et de la céramique par du plastique dispersif thermique. L'intérêt de ce matériau est compréhensible : le plastique est bien moins cher que l'aluminium, et sa fabricabilité est bien plus élevée. Cependant, la conductivité thermique du plastique ordinaire ne dépasse pas 0,1-0,2 W / m.K. Il est possible d'obtenir une conductivité thermique acceptable du plastique grâce à l'utilisation de diverses charges.

Lors du remplacement d'un radiateur en aluminium par un radiateur en plastique (de taille égale), la température dans la zone d'alimentation en température n'augmente que de 4 à 5 %. Considérant que la conductivité thermique du plastique dissipateur de chaleur est bien inférieure à celle de l'aluminium (8 W/m.K contre 220-180 W/m.K), on peut conclure que la matière plastique est assez compétitive.

Ampoule de radiateur en thermoplastique

Caractéristiques de conception

Les radiateurs constructifs sont divisés en deux groupes:

• en forme d'aiguille;
• côtelé.

Le premier type est principalement utilisé pour le refroidissement naturel des LED, le second pour le refroidissement forcé. Avec égal dimensions hors tout un dissipateur thermique à aiguille passive est 70 % plus efficace qu'un dissipateur à ailettes.

Radiateurs à aiguille pour LED haute puissance et smd

Mais cela ne signifie pas que les radiateurs à plaques (à ailettes) ne conviennent qu'au fonctionnement en tandem avec un ventilateur. Selon leurs dimensions géométriques, ils peuvent également être utilisés pour le refroidissement passif.

Lampe LED avec radiateur à ailettes

Faites attention à la distance entre les plaques (ou aiguilles) : si elle est de 4 mm - le produit est conçu pour une dissipation naturelle de la chaleur, si l'écart entre les éléments du radiateur n'est que de 2 mm - il doit être équipé d'un ventilateur.

Les deux types de radiateurs en la Coupe transversale peut être carré, rectangulaire ou rond.

Calcul de la surface du radiateur

Les méthodes de calcul précis des paramètres d'un radiateur impliquent la prise en compte de nombreux facteurs :

• paramètres de l'air ambiant;
• zone de dispersion;
• configuration du radiateur ;
• propriétés du matériau à partir duquel l'échangeur de chaleur est fait.

Mais toutes ces subtilités sont nécessaires au concepteur développant le dissipateur thermique. Les radioamateurs utilisent le plus souvent de vieux radiateurs provenant d'équipements radio ayant fait leur vie. Tout ce qu'ils ont besoin de savoir, c'est quelle est la puissance dissipée maximale de l'échangeur de chaleur.

Ф = а х Sх (Т1 - Т2), où

• Ф - flux de chaleur (W);
• S est la surface du radiateur (la somme des surfaces de toutes les ailettes ou aiguilles et du substrat en m²). Lors du calcul de la surface, il convient de garder à l'esprit qu'une nervure ou une plaque a deux surfaces de dissipation thermique. C'est-à-dire que l'aire du dissipateur thermique d'un rectangle d'une aire de 1 cm2 sera de 2 cm2. La surface de l'aiguille est calculée comme la circonférence (π x D) multipliée par sa hauteur;
• T1 est la température du fluide caloporteur (limite), K ;
• T2 est la température de la surface chauffée, K;
• a est le coefficient de transfert de chaleur. Pour les surfaces non polies, il est pris égal à 6-8 W / (m2K).

Il existe une autre formule simplifiée obtenue expérimentalement, grâce à laquelle vous pouvez calculer la surface de radiateur requise :

S = x W, où

• S est la surface de l'échangeur de chaleur ;
• W est la puissance fournie (W);
• M est la puissance au repos de la LED.

Pour les radiateurs à ailettes en aluminium, vous pouvez utiliser les données approximatives fournies par les spécialistes taïwanais :

• 1 W - de 10 à 15 cm2;
• 3 W - de 30 à 50 cm2;
• 10 W - environ 1000 cm2;
• 60 W - de 7000 à 73000 cm2.

Cependant, il convient de garder à l'esprit que les données ci-dessus sont inexactes, car elles sont indiquées dans des plages avec un décollage assez important. De plus, ces valeurs ont été déterminées pour le climat de Taïwan. Ils ne peuvent être utilisés que pour des calculs préliminaires.

Vous pouvez obtenir la réponse la plus fiable sur la méthode optimale pour calculer la surface du radiateur dans la vidéo suivante :

Fais le toi-même

Les radioamateurs entreprennent rarement la fabrication de radiateurs, car cet élément est un élément responsable qui affecte directement la durabilité de la LED. Mais dans la vie, il existe différentes situations dans lesquelles vous devez bricoler un dissipateur thermique à partir des outils disponibles.

Option 1

Le plus construction simple un radiateur fait maison - un cercle découpé dans une feuille d'aluminium avec des encoches. Les secteurs résultants sont légèrement courbés (il s'avère que quelque chose ressemble à une turbine de ventilateur).

4 antennes sont coudées le long des axes du radiateur pour fixer la structure au corps de lampe. La LED peut être fixée avec des vis autotaraudeuses à travers de la graisse thermique.

Option 1 - radiateur en aluminium fait maison

Option 2

Un radiateur pour une LED peut être fabriqué à la main à partir d'un morceau de tuyau rectangulaire et d'un profilé en aluminium.

Matériel nécessaire :

• tuyau 30x15x1,5 ;
• rondelle à pression d'un diamètre de 16 mm;
• colle thermofusible;
• pâte thermique KTP 8;
• profil 265 (en forme de W);
• vis autotaraudeuses.

Afin d'améliorer la convection, trois trous d'un diamètre de 8 mm sont percés dans le tuyau et des trous d'un diamètre de 3,8 mm sont percés dans le profilé pour le fixer avec des vis autotaraudeuses.

Les LED sont collées sur le tuyau - la base du radiateur - avec de la colle thermofusible.

Aux joints des pièces du radiateur est appliquée une couche de pâte thermique KTP 8. Ensuite, la structure est assemblée à l'aide de vis autotaraudeuses avec rondelle pressée.

Méthodes pour fixer des LED à un radiateur

Les LED sont fixées aux radiateurs de deux manières :

• mécanique;
• par collage.

Vous pouvez coller la LED sur de la colle thermofusible. Pour cela sur surface métallique une goutte de colle est appliquée, puis une LED est posée dessus.

Pour obtenir une connexion solide, la LED doit être enfoncée avec un petit poids pendant plusieurs heures - jusqu'à ce que la colle soit complètement sèche.

Cependant, la plupart des radioamateurs préfèrent une fixation LED mécanique. Des panneaux spéciaux sont maintenant produits, avec lesquels vous pouvez monter rapidement et de manière fiable la LED.

Certains modèles ont des pinces pour l'optique secondaire. L'installation est simple: une LED est installée sur le radiateur, sur laquelle se trouve une douille, qui est fixée à la base avec des vis autotaraudeuses.

Mais les dissipateurs thermiques à LED ne sont pas les seuls à pouvoir être fabriqués par vous-même. Pour les amoureux des plantes, nous vous recommandons de vous familiariser avec la LED.

Un refroidissement de haute qualité de la LED est la clé de la durabilité de la LED. Par conséquent, le choix d'un radiateur doit être abordé avec le plus grand sérieux. Il est préférable d'utiliser des échangeurs de chaleur prêts à l'emploi: ils sont vendus dans les magasins de radio. Les radiateurs ne sont pas bon marché, mais ils sont faciles à installer et la LED protège de manière plus fiable contre la chaleur excessive.

= ([Température du point chaud, grC] - [Température au point froid, grC]) / [Puissance dissipée, W]

Cela signifie que si d'un point chaud à un point froid vient Energie thermique X W, et la résistance thermique est Y grC / W, alors la différence de température est X * Y grC.

Formule de calcul du refroidissement d'un élément de puissance

Pour le cas du calcul de l'évacuation de la chaleur d'un élément électronique de puissance, la même chose peut être formulée comme suit :

[Température du cristal de l'élément de puissance, gTs] = [Température ambiante, grC] + [Puissance dissipée, W] *

où [ Résistance thermique totale, grC / W] = + [Résistance thermique entre le boîtier et le radiateur, gTs/W] + (pour le cas avec un radiateur),

ou [ Résistance thermique totale, grC / W] = [Résistance thermique entre cristal et boîtier, ghz/W] + [Résistance thermique entre le boîtier et l'environnement, gTs / W] (pour le cas sans radiateur).

À la suite du calcul, nous devons obtenir une température du cristal telle qu'elle soit inférieure au maximum admissible spécifié dans l'ouvrage de référence.

Où puis-je obtenir les données pour le calcul ?

Résistance thermique entre la matrice et le boîtier pour les éléments de puissance est généralement donnée dans le manuel. Et c'est indiqué comme ceci :

Ne soyez pas confus par le fait que les unités K/W ou K/W sont écrites dans le livre de référence. Cela signifie que cette valeur est donnée en Kelvin par Watt, en HHZ par W ce sera exactement la même, c'est-à-dire X K / W = X hHZ / W.

Habituellement, les ouvrages de référence donnent la valeur maximale possible de cette valeur, compte tenu de la diffusion technologique. Nous en avons besoin, car nous devons calculer pour le pire des cas. Par exemple, la résistance thermique maximale possible entre le cristal et le corps du transistor à effet de champ de puissance SPW11N80C3 est de 0,8 ghz/W,

Résistance thermique entre le boîtier et le radiateur dépend du type de cas. Les valeurs maximales typiques sont indiquées dans le tableau :

Coussin isolant. D'après notre expérience, un joint isolant correctement sélectionné et installé double la résistance thermique.

Résistance thermique entre le boîtier/le dissipateur thermique et l'environnement... Il est assez facile de calculer cette résistance thermique avec une précision acceptable pour la plupart des appareils.

[Résistance thermique, grC / W] = [120, (grC * cm²) / W] / [Surface du radiateur ou partie métallique du corps de l'élément, carré cm].

Ce calcul convient aux conditions dans lesquelles les éléments et les radiateurs sont installés sans créer conditions spéciales pour un flux d'air naturel (convection) ou artificiel. Le coefficient lui-même est choisi à partir de notre expérience pratique.

La plupart des spécifications du dissipateur thermique contiennent une résistance thermique entre le dissipateur thermique et l'environnement. Donc, dans le calcul, il est nécessaire d'utiliser cette valeur. Ne calculez cette valeur que si les données tabulaires du radiateur sont introuvables. Nous utilisons souvent des radiateurs usagés pour créer des échantillons de débogage, cette formule nous aide donc beaucoup.

Pour le cas où la chaleur est évacuée par des contacts circuit imprimé, la zone de contact peut également être utilisée dans le calcul.

Pour le cas où l'évacuation de la chaleur par les bornes de l'élément électronique (typiquement des diodes et des diodes Zener par rapport à batterie faible), la surface des fils est calculée en fonction du diamètre et de la longueur du fil.

[Surface de plomb, m² cm.] = Pi * ([ Longueur de sortie droite, voir] * [Diamètre de sortie droit, cm.] + [Longueur de sortie gauche, voir] * [Diamètre sortie gauche, cm.])

Un exemple de calcul de l'évacuation de la chaleur d'une diode Zener sans radiateur

Laissez la diode Zener avoir deux fils d'un diamètre de 1 mm et d'une longueur de 1 cm. Laissez-la dissiper 0,5 watts. Puis:

La superficie des points de vente sera d'environ 0,6 m². cm.

La résistance thermique entre le boîtier (broches) et l'environnement sera de 120 / 0,6 = 200.

Dans ce cas, la résistance thermique entre la glace et le boîtier (broches) peut être négligée, puisqu'elle est bien inférieure à 200.

Supposons que la température maximale à laquelle l'appareil sera utilisé sera de 40 degrés Celsius. Ensuite, la température du cristal = 40 + 200 * 0,5 = 140 degC, ce qui est acceptable pour la plupart des diodes Zener.

Calcul en ligne du dissipateur thermique - radiateur

Veuillez noter que pour les radiateurs à plaques, la superficie des deux côtés de la plaque doit être prise en compte. Pour les traces de PCB utilisées pour la dissipation thermique, un seul côté doit être pris, car l'autre n'est pas en contact avec l'environnement. Pour les radiateurs à aiguilles, il faut estimer grossièrement la surface d'une aiguille et multiplier cette surface par le nombre d'aiguilles.

Calcul en ligne de l'évacuation de la chaleur sans radiateur

Plusieurs éléments sur un radiateur.

Si plusieurs éléments sont installés sur un dissipateur thermique, le calcul ressemble à ceci. Tout d'abord, nous calculons la température du radiateur en utilisant la formule:

[Température du radiateur, grC] = [Température environnement, grC] + [Résistance thermique entre le radiateur et l'environnement, gTs / W] * [Puissance totale, W]

[Température du cristal, grC] = [Température du radiateur, grC] + ([Résistance thermique entre le cristal et le boîtier de l'élément, ghz/W] + [Résistance thermique entre le boîtier de l'élément et le radiateur, gTs/W]) * [Puissance dissipée par un élément, W]

En physique, en génie électrique et en thermodynamique atomique, il existe une loi bien connue - le courant circulant dans les fils les chauffe. Il a été inventé par Joule et Lenz, et ils avaient raison - tel qu'il est. Tout ce qui fonctionne à l'électricité, d'une manière ou d'une autre, transfère une partie de l'énergie qui passe en chaleur.

Il se trouve justement en électronique que l'objet le plus affecté par la chaleur dans notre environnement est l'air. C'est à l'air que les pièces chauffantes transfèrent la chaleur, et il est nécessaire de recevoir la chaleur de l'air et d'aller quelque part. Perdre, par exemple, ou dissiper tout seul. Nous appellerons le processus de refroidissement par dégagement de chaleur.

Notre constructions électroniques aussi dissiper beaucoup de chaleur, certaines plus, d'autres moins. Les stabilisateurs de tension chauffent, les amplificateurs chauffent, un transistor qui contrôle un relais ou même juste une petite LED chauffe, sauf qu'il chauffe pas mal. D'accord, s'il fait un peu chaud. Mais que se passe-t-il s'il est frit de telle manière que vous ne pouvez pas tenir votre main ? Ayons pitié de lui et essayons de l'aider d'une manière ou d'une autre. Pour ainsi dire, pour apaiser ses souffrances.

Rappelons le dispositif de la batterie chauffante. Oui, oui, la même batterie ordinaire qui chauffe la pièce en hiver et sur laquelle on fait sécher chaussettes et tee-shirts. Plus la batterie est grosse, plus la pièce aura de chaleur, n'est-ce pas ? La batterie fuit eau chaude, il chauffe la batterie. La batterie a chose importante- le nombre de sections. Les sections entrent en contact avec l'air, lui transfèrent de la chaleur. Ainsi, plus il y a de sections, c'est-à-dire plus la zone occupée de la batterie est grande, plus elle peut nous donner de chaleur. En soudant quelques sections supplémentaires, nous pouvons rendre notre pièce plus chaude. Certes, dans ce cas, l'eau chaude de la batterie peut refroidir et les voisins n'auront plus rien.

Considérons le dispositif d'un transistor.

Base en cuivre (bride) 1 sur le substrat 2 cristal fixe 3 ... Il se connecte aux broches 4 ... Toute la structure est remplie d'un composé plastique 5 ... La bride a un trou 6 pour installation sur radiateur.

C'est essentiellement la même batterie, regardez ! Le cristal chauffe, c'est comme de l'eau chaude. La bride en cuivre est en contact avec l'air, ce sont les sections de la batterie. La zone de contact bride-air est l'endroit où l'air est chauffé. L'air chauffé refroidit le cristal.

Comment rendre le cristal plus froid ? On ne peut pas changer le dispositif du transistor, c'est compréhensible. Les créateurs du transistor ont également pensé à cela, et pour nous, les martyrs, ils ont laissé le seul chemin vers le cristal - la bride. La bride est comme une seule section de la batterie - des frites et la chaleur n'est pas transférée à l'air - une petite zone de contact. C'est là que se donne le champ de nos actions ! Nous pouvons construire la bride, y souder quelques "sections", c'est-à-dire une grande plaque de cuivre, puisque la bride elle-même est en cuivre, ou nous pouvons fixer la bride sur un flan métallique appelé radiateur. Heureusement, le trou dans la bride est préparé pour un boulon et un écrou.

Qu'est-ce qu'un radiateur ? J'ai répété le troisième paragraphe à son sujet, mais je n'ai pas vraiment dit grand-chose ! Bon, voyons :

Comme vous pouvez le voir, la conception des radiateurs peut être différente, ce sont des plaques et des ailettes, et il y a aussi des radiateurs à aiguilles et divers autres, il suffit d'aller au magasin de pièces radio et de parcourir l'étagère avec des radiateurs. Les radiateurs sont le plus souvent en aluminium et ses alliages (silumin et autres). Les radiateurs en cuivre sont meilleurs, mais plus chers. Les radiateurs en acier et en fer ne sont utilisés qu'à très faible puissance, 1 à 5 W, car ils dissipent la chaleur lentement.

La chaleur dégagée dans un cristal est déterminée par une formule très simpleP = U * I, où P est la puissance libérée dans le cristal, W, U = tension sur le cristal, V, I est le courant à travers le cristal, A. Cette chaleur traverse le substrat jusqu'à la bride, où elle est transférée au radiateur. De plus, le radiateur chauffé est en contact avec l'air et la chaleur lui est transférée, en tant que membre suivant de notre système de refroidissement.

Regardons le circuit de refroidissement complet du transistor.

Nous avons deux pièces - un radiateur 8 et le joint entre le radiateur et le transistor 7 ... Il peut ne pas exister, ce qui est à la fois mauvais et bon. Trouvons-le.

Je vais vous parler de deux paramètres importants - ce sont les résistances thermiques entre le cristal (ou jonction, comme on l'appelle aussi) et le boîtier du transistor - Rpk et entre le boîtier du transistor et le radiateur - Rcr. Le premier paramètre montre à quel point la chaleur est transférée du cristal à la bride du transistor. Par exemple, Rpc, égal à 1,5 degré Celsius par watt, explique qu'avec une augmentation de puissance de 1 W, la différence de température entre la bride et le radiateur sera de 1,5 degré. En d'autres termes, la bride sera toujours plus froide que le cristal, et combien ce paramètre montre. Plus il est petit, plus mieux chaud transféré à la bride. Si on dissipe 10W de puissance, alors la bride sera 1,5 * 10 = 15 degrés plus froide que le cristal, et si on dissipe 100W, alors par tous les 150 ! Et comme la température maximale du cristal est limitée (il ne peut pas être torréfié à blanc !), la bride doit être refroidie. Au même 150 degrés.

Par example:
Le transistor dissipe 25W de puissance. Son Rpc est de 1,3 degrés par watt. La température maximale des cristaux est de 140 degrés. Cela signifie qu'il y aura une différence de 1,3 * 25 = 32,5 degrés entre la bride et le cristal. Et comme le cristal ne peut pas être chauffé au-dessus de 140 degrés, nous sommes tenus de maintenir la température de la bride à une température ne dépassant pas 140-32,5 = 107,5 degrés. Comme ça.
Et le paramètre Rcr montre la même chose, seules les pertes sont obtenues sur le même joint notoire 7. Sa valeur de Rcr peut être beaucoup plus élevée que Rpk, par conséquent, si nous concevons une unité puissante, il n'est pas souhaitable de mettre des transistors sur les joints. Mais encore, parfois vous devez. La seule raison d'utiliser une entretoise est si vous souhaitez isoler le dissipateur thermique du transistor, car la bride est électriquement connectée à la borne médiane du boîtier du transistor.

Regardons un autre exemple.
Le transistor est frit à 100W. Comme d'habitude, la température du cristal ne dépasse pas 150 degrés. Rpk il a 1 degré par watt, et même sur le joint, qui a Rcr 2 degrés par watt. La différence de température entre le cristal et le radiateur sera de 100 * (1 + 2) = 300 degrés. Le radiateur ne doit pas être maintenu plus chaud que 150-300 = moins 150 degrés : Oui, mes chéris, c'est bien le cas qui n'économisera que de l'azote liquide : horreur !

Il est beaucoup plus facile de vivre sur un radiateur pour transistors et microcircuits sans joints. S'ils ne sont pas là, que les brides sont propres et lisses, que le radiateur brille de mille feux et que même de la pâte thermoconductrice est mise en place, le paramètre Rcr est si petit qu'il n'est tout simplement pas pris en compte.

Il existe deux types de refroidissement - par convection et forcé. La convection, si l'on se souvient de la physique scolaire, est une propagation indépendante de la chaleur. De même, le refroidissement par convection - nous avons installé un radiateur et lui-même s'occupera lui-même de l'air là-bas. Les radiateurs de type convection sont le plus souvent installés à l'extérieur des appareils, comme dans les amplificateurs, avez-vous vu ? Sur les côtés se trouvent deux choses en plaque de métal. Les transistors y sont vissés de l'intérieur. De tels radiateurs ne peuvent pas être recouverts, fermez l'accès à l'air, sinon le radiateur n'aura nulle part où mettre la chaleur, il surchauffera et refusera de recevoir la chaleur du transistor, qui ne réfléchira pas longtemps, il surchauffera aussi: vous-même comprendre ce qui va se passer. Le refroidissement forcé se produit lorsque nous forçons l'air à souffler plus activement sur le radiateur, en se frayant un chemin le long de ses bords, de ses aiguilles et de ses trous. Ici, nous utilisons des ventilateurs, divers canaux de refroidissement par air et d'autres méthodes. Soit dit en passant, au lieu d'air, il peut facilement y avoir de l'eau, de l'huile et même de l'azote liquide. Les puissants tubes radio des générateurs sont souvent refroidis par l'eau courante.

Comment reconnaître un radiateur - pour convection ou refroidissement forcé ? Son efficacité dépend de cela, c'est-à-dire de la rapidité avec laquelle il peut refroidir le cristal chaud, du flux de puissance thermique qu'il peut traverser lui-même.

On regarde les photos.

Le premier radiateur est destiné au refroidissement par convection. La grande distance entre les ailettes assure une circulation d'air libre et une bonne dissipation de la chaleur. Un ventilateur est placé sur le deuxième radiateur par le haut et souffle de l'air à travers les ailettes. Il s'agit d'un refroidissement forcé. Bien sûr, vous pouvez utiliser ces radiateurs partout, mais toute la question est dans leur efficacité.
Les radiateurs ont 2 paramètres - c'est sa surface (en centimètres carrés) et le coefficient de résistance thermique de l'environnement du radiateur Rрс (en watts par degré Celsius). L'aire est calculée comme la somme des aires de tous ses éléments : l'aire de la base des deux côtés + l'aire des plaques des deux côtés. La superficie des extrémités de la base n'est pas prise en compte, il y aura donc très peu de centimètres carrés.

Exemple:
le radiateur de l'exemple ci-dessus pour le refroidissement par convection.
Dimensions du socle : 70x80mm
Taille d'aileron: 30x80mm
Nombre de côtes : 8
Surface de base : 2x7x8 = 112sq.cm
Surface des côtes : 2x3x8 = 48sq.cm.
Superficie totale : 112 + 8x48 = 496 cm².

Le coefficient de résistance thermique du radiateur-environnement Rрс montre de combien la température de l'air sortant du radiateur augmentera avec une augmentation de puissance de 1W. Par exemple, un Rpc égal à 0,5 degré Celsius par watt nous indique que la température augmentera d'un demi-degré lorsqu'elle sera chauffée de 1W. Ce paramètre est considéré comme des formules à trois étages et nos esprits félins ne sont en aucun cas capables de le faire : Rрс, comme toute résistance thermique dans notre système, le moins est le mieux. Et vous pouvez le réduire de différentes manières - pour cela, les radiateurs sont noircis chimiquement (par exemple, l'aluminium est bien noirci dans le chlorure ferrique - n'expérimentez pas chez vous, du chlore se dégage !), il y a aussi l'effet d'orienter le radiateur dans l'air pour mieux passer le long des ailettes (un radiateur vertical refroidit mieux qu'un radiateur couché). Il est déconseillé de peindre le radiateur avec de la peinture : peinture - excès de résistance thermique. Ne serait-ce que légèrement, pour qu'il fasse sombre, mais pas en couche épaisse !

L'annexe contient un petit programme dans lequel vous pouvez calculer la surface approximative du radiateur pour un microcircuit ou un transistor. À l'aide de celui-ci, calculons un radiateur pour une alimentation électrique.

Circuit d'alimentation.

L'alimentation délivre 12V en sortie à un courant de 1A. Le même courant circule dans le transistor. A l'entrée du transistor est de 18V, à la sortie de 12V, ce qui signifie qu'une tension de 18-12 = 6V tombe à ses bornes. La puissance dissipée par le cristal du transistor est de 6V * 1A = 6W. La température maximale du cristal pour 2SC2335 est de 150 degrés. Ne l'exploitons pas dans des conditions extrêmes, choisissez une température plus basse, par exemple 120 degrés. La résistance thermique du boîtier de jonction Rpk pour ce transistor est de 1,5 degrés Celsius par watt.

Puisque la bride du transistor est connectée au collecteur, isolons électriquement le radiateur. Pour ce faire, nous mettons un joint isolant en caoutchouc conducteur de chaleur entre le transistor et le radiateur. La résistance thermique de la bande est de 2 degrés Celsius par watt.

Pour un bon contact thermique, ajoutez une goutte d'huile de silicone PMS-200. C'est une huile épaisse avec une température maximale de + 180 degrés, elle comblera les entrefers qui se forment nécessairement du fait des irrégularités de la bride et du radiateur et améliorera le transfert de chaleur. De nombreuses personnes utilisent la pâte KPT-8, mais beaucoup la considèrent également comme n'étant pas le meilleur conducteur de chaleur.
Nous plaçons le radiateur sur la paroi arrière de l'alimentation, où il sera refroidi air ambiant+ 25 degrés.

Nous substituons toutes ces valeurs dans le programme et calculons la surface du radiateur. La surface résultante de 113 cm² est la surface du radiateur, conçue pour long travail alimentation en mode pleine puissance - plus de 10 heures. Si nous n'avons pas besoin de tant de temps pour piloter l'alimentation, nous pouvons nous débrouiller avec un radiateur plus petit mais plus massif. Et si nous installons un radiateur à l'intérieur de l'alimentation, alors il n'y a pas besoin de joint isolant, sans lui, le radiateur peut être réduit à 100 cm².

Mais en général, mes chéris, la poche ne tire pas sur le stock, tout le monde est d'accord ? Pensons à la marge, pour que ce soit dans la zone du radiateur et dans les températures limites des transistors. Après tout, ce n'est pas seulement quelqu'un d'autre qui devra réparer les appareils et changer les transistors trop cuits, mais vous-même ! Souviens-toi de ça !

Tous les composants électroniques génèrent de la chaleur, donc la capacité de calculer les radiateurs afin de ne pas voler de quelques ordres de grandeur est très utile pour tout ingénieur en électronique.

Calculs thermiques très simple et ont beaucoup en commun avec les calculs circuits électroniques... Ici, jetez un œil à un problème de calcul thermique courant que je viens de rencontrer.

Tâche

Vous devez choisir un radiateur pour un régulateur linéaire de 5 volts, qui est alimenté par un maximum de 12 volts et produit 0,5 A. La puissance maximale dissipée est (12-5) * 0,5 = 3,5 W

Immersion dans la théorie

Afin de ne pas produire d'entités, les gens ont gratté la citrouille et se sont rendu compte que la chaleur est très similaire à courant électrique, et pour les calculs thermiques, vous pouvez utiliser la loi d'Ohm habituelle, seulement

La tension (U) est remplacée par la température (T)

Le courant (I) est remplacé par la puissance (P)

La résistance est remplacée par la résistance thermique. La résistance typique est Volt / Ampère, et la résistance thermique est ° C / Watt.

En conséquence, la loi d'Ohm est remplacée par son analogue thermique :

Une petite remarque - afin d'indiquer qu'il s'agit de résistance thermique (et non électrique), la lettre thêta est ajoutée à la lettre R : Je n'ai pas une telle lettre sur le clavier, mais c'est trop paresseux pour copier à partir de la table des symboles, donc je vais juste utiliser la lettre R.

Nous continuons

De la chaleur est libérée dans le cristal stabilisateur, et notre objectif est de l'empêcher de surchauffer (pour éviter la surchauffe du cristal lui-même, ce n'est pas le cas, c'est important !).

À quelle température le cristal peut-il être chauffé, il est écrit dans la fiche technique:

Habituellement, la température limite du cristal est appelée Tj (j = jonction = jonction - les composants internes sensibles à la température des microcircuits sont principalement composés de jonctions pn. Vous pouvez supposer que la température de jonction est égale à la température du cristal)

Sans radiateur

Circuit thermiqueça a l'air très simple :

Surtout pour les cas d'utilisation d'un boîtier sans dissipateur thermique, les fiches techniques écrivent la résistance thermique du cristal-atmosphère (Rj-a) (ce que vous savez déjà, a = ambiant = environnement)

A noter que la température du sol n'est pas nulle, mais la température ambiante (Ta). La température de l'air dépend des conditions dans lesquelles se trouve le radiateur. en plein air, alors vous pouvez mettre Ta = 40°C, mais si dans une boite fermée, alors la température peut être bien plus élevée !

On écrit la loi de la chaleur d'Ohm : Tj = P * Rj-a + Ta. En substituant P = 3,5, Rj-a = 65, on obtient Tj = 227,5 + 40 = 267,5 °C. Trop pourtant !

On s'accroche au radiateur

Le circuit thermique de notre exemple avec un stabilisateur sur un radiateur devient ainsi :

• Rj-c- résistance du cristal au radiateur du boîtier (c = boîtier = boîtier). C'est indiqué dans la fiche technique. Dans notre cas - 5°C/W - de la fiche technique

Rc-r- résistance du boîtier-radiateur. Tout n'est pas si simple. Cette résistance dépend de ce qui se trouve entre le boîtier et le radiateur. Par exemple, un joint en silicone a un coefficient de conductivité thermique de 1-2 W / (m * ° C) et la pâte KPT-8 - 0,75 W / (m * ° C). La résistance thermique peut être obtenue à partir du coefficient de conductivité thermique par la formule :

R = épaisseur du plot / (coefficient de conductivité thermique * aire d'un côté du plot)

Rc-r peut souvent être complètement ignoré. Par exemple, dans notre cas (nous utilisons le boîtier TO220, avec de la pâte KPT-8, la profondeur moyenne de pâte prise au plafond est de 0,05 mm). Rc-r total = 0,5°C/W. Avec une puissance de 3,5W, la différence de température entre le corps du stabilisateur et le radiateur est de 1,75 degrés. Ce n'est pas beaucoup. Pour notre exemple, prenons Rc-r = 2°C/W

Rr-a- résistance thermique entre le radiateur et l'atmosphère. Il est déterminé par la géométrie du radiateur, la présence de flux d'air et un tas d'autres facteurs. Ce paramètre est beaucoup plus facile à mesurer qu'à calculer (voir en fin d'article). Par exemple - Rr-c = 12,5 °C / W

Ta= 40 ° C - ici, nous avons pensé que la température atmosphérique est rarement plus élevée, vous pouvez prendre 50 degrés, ce qui sera certainement le cas.

On substitue toutes ces données dans la loi d'Ohm, et on obtient Tj = 3,5 * (5 + 2 + 12,5) + 40 = 108,25 °C

C'est nettement inférieur à la limite de 150 °C. Un tel radiateur peut être utilisé. Dans le même temps, le boîtier du radiateur chauffera jusqu'à Tc = 3,5 * 12,5 + 40 = 83,75 ° C. Cette température est déjà capable de ramollir certains plastiques, il faut donc faire attention.

Mesure de la résistance du radiateur à l'atmosphère.

Très probablement, vous avez déjà un tas de radiateurs que vous pouvez utiliser. La résistance thermique est très facile à mesurer. Il a besoin d'une résistance et d'une alimentation.

Nous modelons la résistance au radiateur à l'aide de pâte thermique :

Nous connectons la source d'alimentation et réglons la tension de sorte qu'une certaine puissance soit libérée sur la résistance. Il vaut mieux, bien entendu, chauffer le radiateur avec la puissance qu'il dissipera dans l'appareil final (et dans la position dans laquelle il sera, c'est important !). Je laisse généralement une telle structure pendant une demi-heure pour qu'elle se réchauffe bien.

Une fois la température mesurée, la résistance thermique peut être calculée

Rr-a = (T-Ta) / P. Par exemple, mon radiateur s'est réchauffé à 81 degrés et la température de l'air était de 31 degrés. donc Rr-a = 50/4 = 12,5 °C/W.

Estimation de la surface du radiateur

Dans l'ancien manuel du radioamateur, il y avait un graphique grâce auquel vous pouvez estimer la surface du radiateur. C'est ici:

C'est très facile de travailler avec lui. Nous sélectionnons la surchauffe que nous voulons obtenir et voyons à quelle zone correspond puissance requise avec une telle surchauffe.

Par exemple, avec une puissance de 4W et une surchauffe de 20 degrés, il vous faudra un radiateur de 250cm^2. Ce graphique surestime la zone et ne prend pas en compte de nombreux facteurs tels que le flux d'air forcé, la géométrie des nervures, etc.

Radiateurs pour dispositifs semi-conducteurs

Les dispositifs semi-conducteurs puissants génèrent une certaine quantité de chaleur dans l'environnement pendant le fonctionnement. Si vous ne prenez pas soin de leur refroidissement, les transistors et les diodes peuvent tomber en panne en raison de la surchauffe du cristal de travail. Assurer le régime thermique normal des transistors (et des diodes) est l'une des tâches importantes. Pour bonne décision Pour cette tâche, vous devez avoir une idée du fonctionnement du radiateur et de sa conception techniquement compétente.

Comme vous le savez, tout objet chauffé, lorsqu'il est refroidi, dégage de la chaleur dans l'environnement. Tant que la quantité de chaleur libérée dans le transistor est supérieure à celle émise dans l'environnement, la température du boîtier du transistor augmentera continuellement. À une partie de sa valeur, se produit ce que l'on appelle le bilan thermique, c'est-à-dire l'égalité des quantités de chaleur dissipée et libérée. Si la température du bilan thermique est inférieure au maximum autorisé pour le transistor, il fonctionnera de manière fiable. Si cette température est supérieure à la température maximale admissible, le transistor échouera. Pour que l'équilibre thermique se produise à une température plus basse, il est nécessaire d'augmenter le transfert de chaleur du transistor.

Il existe trois méthodes connues de transfert de chaleur : la conduction, le rayonnement et la convection. La conductivité thermique de l'air est généralement faible - cette valeur peut être négligée lors du calcul d'un radiateur. La part de chaleur dissipée par rayonnement n'est significative qu'à des températures élevées (plusieurs centaines de degrés Celsius), par conséquent, cette valeur peut également être négligée à des températures de fonctionnement relativement basses des transistors (pas plus de 60-80 degrés). La convection est le mouvement de l'air dans la zone d'un corps chauffé, causé par la différence de température entre l'air et le corps. La quantité de chaleur dégagée par un objet chauffé est proportionnelle à la différence de température entre l'objet et l'air, la surface et la vitesse du flux d'air qui balaie le corps.

Quand j'étais jeune, j'ai fait face décision initialeévacuation de la chaleur des puissants transistors de sortie. Les transistors (alors des transistors de type P210 ont été utilisés pour construire des amplificateurs) sur de longs fils étaient hors du boîtier. Deux pots d'eau en plastique étaient vissés au corps, et les transistors s'y trouvaient. Ainsi, un refroidissement "à eau" efficace a été assuré. Lorsque l'eau dans les bocaux était chauffée, elle était simplement remplacée par du froid... Au lieu de l'eau, vous pouvez utiliser de l'huile minérale (liquide) ou de l'huile de transformateur... Maintenant, l'industrie a commencé à produire en série des systèmes de refroidissement par eau pour les processeurs et cartes vidéo d'ordinateurs - sur le principe des radiateurs de voiture (mais c'est déjà, à mon avis, exotique ...).

Pour assurer une évacuation efficace de la chaleur du cristal semi-conducteur, des dissipateurs thermiques (radiateurs) sont utilisés. Faisons connaissance avec certains des modèles de radiateurs.