Cara menghitung radiator pendingin. Perhitungan area heat sink yang mudah untuk transistor dan thyristor berdaya tinggi

Perangkat dan prinsip pengoperasian radiator untuk LED. Aturan untuk memilih bahan dan area bagian. Kami membuat radiator dengan tangan kami sendiri dengan cepat dan mudah.

Keyakinan umum bahwa LED tidak memanas adalah kesalahpahaman. Itu muncul karena LED berdaya rendah tidak terasa panas saat disentuh. Masalahnya adalah mereka dilengkapi dengan heat sink - radiator.

Prinsip pengoperasian unit pendingin

Konsumen utama panas yang dihasilkan oleh LED adalah udara sekitar. Partikel dinginnya mendekati permukaan penukar panas (radiator) yang dipanaskan, memanas dan bergegas ke atas, memberi ruang bagi massa dingin baru.

Ketika bertabrakan dengan molekul lain, panas didistribusikan (dihamburkan). Bagaimana lebih banyak area permukaan radiator, semakin intens akan mentransfer panas dari LED ke udara.

Baca lebih lanjut tentang prinsip pengoperasian LED.

Jumlah panas yang diserap oleh massa udara per satuan luas tidak tergantung pada bahan radiator: efisiensi "pompa panas" alami dibatasi oleh sifat fisiknya.

Bahan untuk pembuatan

Radiator untuk LED pendingin bervariasi dalam desain dan bahan.

Udara sekitar dapat mengambil tidak lebih dari 5-10 W dari satu permukaan. Saat memilih bahan untuk pembuatan radiator, kondisi berikut harus diperhitungkan: konduktivitas termalnya harus setidaknya 5-10 W. Bahan dengan parameter yang lebih kecil tidak akan dapat mentransfer semua panas yang dapat diambil oleh udara.

Konduktivitas termal di atas 10 W secara teknis akan berlebihan, yang akan memerlukan biaya keuangan yang tidak dapat dibenarkan tanpa meningkatkan efisiensi radiator.

Untuk pembuatan radiator, aluminium, tembaga atau keramik secara tradisional digunakan. Baru-baru ini, produk yang terbuat dari plastik penghilang panas telah muncul.

Aluminium

Kerugian utama radiator aluminium adalah struktur multilayer. Ini pasti mengarah pada munculnya resistansi termal transien, yang harus diatasi dengan menggunakan bahan penghantar panas tambahan:

• zat perekat;
• pelat isolasi;
• bahan yang mengisi celah udara, dll.

Radiator aluminium adalah yang paling umum: mereka ditekan dengan baik dan mengatasi pembuangan panas dengan cukup baik.

Heatsink Aluminium untuk LED 1W

Tembaga

Tembaga memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada aluminium, sehingga dalam beberapa kasus penggunaannya untuk pembuatan radiator dibenarkan. Secara keseluruhan materi yang diberikan kalah dengan aluminium dalam hal konstruksi dan kemampuan manufaktur (tembaga adalah logam yang kurang lentur).

Tidak mungkin membuat radiator tembaga dengan menekan - metode yang paling ekonomis. Dan pemotongan memberikan persentase besar pemborosan bahan mahal.

Radiator tembaga

Keramik

Salah satu opsi paling sukses untuk heat sink adalah substrat keramik, di mana jejak pembawa arus diterapkan terlebih dahulu. LED disolder langsung ke mereka. Desain ini memungkinkan Anda menghilangkan panas dua kali lebih banyak dibandingkan radiator logam.

Bohlam dengan heatsink keramik

Plastik penghilang panas

Semakin banyak, ada informasi tentang prospek untuk mengganti logam dan keramik dengan plastik disipasi termal. Ketertarikan pada bahan ini dapat dimengerti: biaya plastik jauh lebih murah daripada aluminium, dan kemampuan manufakturnya jauh lebih tinggi. Namun, konduktivitas termal plastik biasa tidak melebihi 0,1-0,2 W / m.K. Dimungkinkan untuk mencapai konduktivitas termal yang dapat diterima dari plastik melalui penggunaan berbagai pengisi.

Saat mengganti radiator aluminium dengan yang plastik (dengan ukuran yang sama), suhu di zona suplai suhu hanya meningkat 4-5%. Mengingat bahwa konduktivitas termal plastik penghilang panas jauh lebih kecil daripada aluminium (8 W/m.K versus 220-180 W/m.K), kita dapat menyimpulkan bahwa bahan plastik cukup kompetitif.

Bohlam dengan heatsink termoplastik

Fitur desain

Radiator struktural dibagi menjadi dua kelompok:

• jarum;
• bergaris.

Jenis pertama terutama digunakan untuk pendinginan alami LED, yang kedua - untuk pendinginan paksa. Dengan sama dimensi keseluruhan radiator jarum pasif 70 persen lebih efisien daripada radiator bersirip.

Heatsink tipe jarum untuk daya tinggi dan LED smd

Tetapi ini tidak berarti bahwa radiator pelat (bersirip) hanya cocok untuk bekerja bersama-sama dengan kipas. Tergantung pada dimensi geometris, mereka juga dapat digunakan untuk pendinginan pasif.

Lampu LED dengan heatsink bergaris

Perhatikan jarak antara pelat (atau jarum): jika 4 mm - produk dirancang untuk menghilangkan panas alami, jika celah antara elemen radiator hanya 2 mm - harus dilengkapi dengan kipas.

Kedua jenis radiator persilangan bisa persegi, persegi panjang atau bulat.

Perhitungan area radiator

Metode untuk menghitung parameter radiator secara akurat melibatkan mempertimbangkan banyak faktor:

• parameter udara ambien;
• daerah hamburan;
• konfigurasi radiator;
• sifat bahan dari mana penukar panas dibuat.

Tetapi semua seluk-beluk ini diperlukan untuk seorang desainer yang mengembangkan heat sink. Amatir radio paling sering menggunakan radiator tua yang diambil dari peralatan radio yang sudah habis masa pakainya. Yang perlu mereka ketahui hanyalah berapa disipasi daya maksimum penukar panas.

F \u003d a x Sx (T1 - T2), di mana

• – fluks panas (W);
• S adalah luas permukaan radiator (jumlah luas semua sirip atau jarum dan substrat dalam m persegi). Saat menghitung luas, harus diingat bahwa sirip atau pelat memiliki dua permukaan penghilang panas. Artinya, luas heat sink persegi panjang dengan luas 1 cm2 akan menjadi 2 cm2. Permukaan jarum dihitung sebagai keliling (π x D) dikalikan dengan tingginya;
• T1 adalah suhu media penghilang panas (batas), K;
• T2 adalah suhu permukaan yang dipanaskan, K;
• a adalah koefisien perpindahan panas. Untuk permukaan yang tidak dipoles diasumsikan 6-8 W/(m2K).

Ada rumus sederhana lain yang diperoleh secara eksperimental, yang dapat digunakan untuk menghitung luas radiator yang diperlukan:

S = x W, dimana

• S adalah area penukar panas;
• W - daya masukan (W);
• M adalah daya LED yang tidak terpakai.

Untuk radiator bersirip yang terbuat dari aluminium, Anda dapat menggunakan perkiraan data yang diberikan oleh para ahli Taiwan:

• 1 W - dari 10 hingga 15 cm2;
• 3 W - dari 30 hingga 50 cm2;
• 10 W - sekitar 1000 cm2;
• 60 W - dari 7000 hingga 73000 cm2.

Namun, perlu dicatat bahwa data di atas tidak akurat, karena ditunjukkan dalam rentang dengan rentang yang cukup besar. Selain itu, nilai-nilai ini ditentukan untuk iklim Taiwan. Mereka hanya dapat digunakan untuk perhitungan awal.

Anda bisa mendapatkan jawaban yang paling dapat diandalkan tentang cara optimal untuk menghitung luas radiator di video berikut:

buatan sendiri

Amatir radio jarang melakukan pembuatan radiator, karena elemen ini adalah hal yang bertanggung jawab yang secara langsung mempengaruhi daya tahan LED. Tetapi dalam hidup ada situasi yang berbeda ketika Anda harus membuat heat sink dari cara improvisasi.

Pilihan 1

Yang paling desain sederhana radiator buatan sendiri - potongan lingkaran dari lembaran aluminium dengan potongan dibuat di atasnya. Sektor yang dihasilkan sedikit bengkok (ternyata sesuatu yang terlihat seperti baling-baling kipas).

4 antena ditekuk di sepanjang sumbu radiator untuk mengencangkan struktur ke badan lampu. LED dapat diperbaiki melalui pasta termal dengan sekrup self-tapping.

Opsi 1 - radiator aluminium buatan sendiri

pilihan 2

Radiator untuk LED dapat dibuat dengan tangan Anda sendiri dari sepotong pipa persegi panjang dan profil aluminium.

Bahan yang diperlukan:

• pipa 30x15x1.5;
• mesin cuci tekan dengan diameter 16 mm;
• lem panas;
• pelumas termal KTP 8;
• profil 265 (berbentuk W);
• sekrup self-tapping.

Untuk meningkatkan konveksi, tiga lubang dengan diameter 8 mm dibor di dalam pipa, dan lubang dengan diameter 3,8 mm dibor di profil untuk mengencangkannya dengan sekrup self-tapping.

LED direkatkan ke pipa - dasar radiator - dengan lem panas.

Pada sambungan bagian radiator, lapisan pasta termal KTP 8. Kemudian struktur dirakit menggunakan sekrup self-tapping dengan mesin cuci tekan.

Metode untuk memasang LED ke radiator

LED dipasang ke heatsink dengan dua cara:

• mekanis;
• perekatan.

Anda dapat merekatkan LED pada lem panas. Untuk ini permukaan logam setetes massa perekat diterapkan, lalu LED duduk di atasnya.

Untuk mendapatkan sambungan yang kuat, LED harus ditekan dengan beban kecil selama beberapa jam - sampai lem benar-benar kering.

Namun, sebagian besar amatir radio lebih menyukai pemasangan LED secara mekanis. Panel khusus sekarang sedang diproduksi yang dengannya Anda dapat memasang LED dengan cepat dan andal.

Beberapa model memiliki klem untuk optik sekunder. Pemasangannya sederhana: LED dipasang di radiator, di atasnya ada soket, yang dipasang ke alas dengan sekrup self-tapping.

Tetapi tidak hanya radiator untuk LED yang dapat dibuat secara mandiri. Penggemar tanaman disarankan untuk membiasakan diri dengan LED.

Pendinginan LED berkualitas tinggi adalah kunci ketahanan LED. Karena itu, pemilihan radiator harus didekati dengan sangat serius. Yang terbaik adalah menggunakan penukar panas yang sudah jadi: mereka dijual di toko radio. Radiator tidak murah, tetapi mudah dipasang dan LED melindungi lebih andal dari panas berlebih.

= ([Suhu di titik panas, °C] - [Suhu pada titik dingin, °C]) / [Daya yang hilang, W]

Artinya, jika dari tempat yang panas ke tempat yang dingin mengalir daya termal X W, dan hambatan termal adalah Y Hz / W, maka perbedaan suhu adalah X * Y Hz.

Rumus untuk menghitung pendinginan elemen gaya

Untuk kasus penghitungan perpindahan panas elemen daya elektronik, hal yang sama dapat dirumuskan sebagai berikut:

[Suhu kristal elemen daya, GC] = [Suhu sekitar, °C] + [Daya yang hilang, W] *

di mana [ Tahanan termal total, Hz / W] = + [Resistansi termal antara casing dan radiator, Hz / W] + (untuk kasus dengan radiator),

atau [ Tahanan termal total, Hz / W] = [Resistansi termal antara kristal dan kasing, Hz / W] + [Resistansi termal antara casing dan lingkungan, Hz / W] (untuk casing tanpa heatsink).

Sebagai hasil dari perhitungan, kita harus mendapatkan suhu kristal sedemikian rupa sehingga kurang dari nilai maksimum yang diijinkan yang ditunjukkan dalam buku referensi.

Di mana saya bisa mendapatkan data untuk perhitungan?

Resistansi termal antara die dan case untuk elemen daya biasanya diberikan dalam buku referensi. Dan itu ditandai seperti ini:

Jangan bingung dengan fakta bahwa satuan pengukuran K / W atau K / W ditulis dalam buku referensi. Ini berarti bahwa nilai ini diberikan dalam Kelvin per Watt, dalam Hz per W akan sama persis, yaitu, X K / W \u003d X Hz / W.

Biasanya, buku referensi memberikan nilai maksimum yang mungkin dari nilai ini, dengan mempertimbangkan penyebaran teknologi. Kami membutuhkannya, karena kami harus melakukan perhitungan untuk kasus terburuk. Misalnya, resistansi termal maksimum yang mungkin antara kristal dan casing transistor efek medan daya SPW11N80C3 adalah 0,8 c/W,

Resistansi termal antara casing dan heatsink tergantung pada jenis kasus. Nilai maksimum tipikal ditunjukkan dalam tabel:

Bantalan isolasi. Dalam pengalaman kami, bantalan isolasi yang dipilih dan dipasang dengan benar menggandakan ketahanan termal.

Ketahanan termal antara casing/heatsink dan lingkungan. Resistansi termal ini, dengan akurasi yang dapat diterima untuk sebagian besar perangkat, cukup sederhana untuk dihitung.

[Resistansi termal, Hz / W] = [120, (gC * cm persegi) / W] / [Luas radiator atau bagian logam dari badan elemen, sq. cm].

Perhitungan ini cocok untuk kondisi di mana elemen dan radiator dipasang tanpa membuat kondisi khusus untuk aliran udara alami (konveksi) atau buatan. Koefisien itu sendiri dipilih dari pengalaman praktis kami.

Spesifikasi sebagian besar heatsink berisi resistansi termal antara heatsink dan lingkungan. Jadi dalam perhitungan perlu menggunakan nilai ini. Nilai ini harus dihitung hanya jika data tabular pada radiator tidak dapat ditemukan. Kami sering menggunakan heatsink bekas untuk mengumpulkan sampel debug, jadi rumus ini sangat membantu kami.

Untuk kasus ketika panas dihilangkan melalui kontak papan sirkuit tercetak, area kontak juga dapat digunakan dalam perhitungan.

Untuk kasus ketika perpindahan panas melalui terminal elemen elektronik (biasanya dioda dan dioda zener relatif daya rendah), luas lead dihitung dari diameter dan panjang lead.

[Area timah, persegi. cm.] = Pi * ([ Panjang output yang tepat, lihat] * [Diameter outlet kanan, lihat] + [Panjang output kiri, lihat] * [Diameter outlet kiri, lihat])

Contoh penghitungan perpindahan panas dari dioda zener tanpa radiator

Biarkan dioda zener memiliki dua terminal dengan diameter 1 mm dan panjang 1 cm, biarkan menghilang 0,5 watt. Kemudian:

Area keluaran akan menjadi sekitar 0,6 sq. cm.

Resistansi termal antara kasing (terminal) dan lingkungan akan menjadi 120 / 0,6 = 200.

Resistansi termal antara kristal dan kasing (terminal) dalam hal ini dapat diabaikan, karena jauh lebih kecil dari 200.

Mari kita asumsikan bahwa suhu maksimum di mana perangkat akan dioperasikan adalah 40 °C. Kemudian suhu kristal = 40 + 200 * 0,5 = 140 °C, yang dapat diterima untuk sebagian besar dioda zener.

Perhitungan online heat sink - radiator

Harap dicatat bahwa untuk radiator pelat, luas kedua sisi pelat harus dihitung. Untuk trek PCB yang digunakan untuk pembuangan panas, hanya satu sisi yang perlu diambil, karena yang lain tidak bersentuhan dengan lingkungan. Untuk radiator jarum, perlu kira-kira memperkirakan luas satu jarum dan mengalikan area ini dengan jumlah jarum.

Perhitungan online pembuangan panas tanpa radiator

Beberapa elemen pada satu radiator.

Jika beberapa elemen dipasang pada satu heat sink, maka perhitungannya terlihat seperti ini. Pertama, kami menghitung suhu radiator menggunakan rumus:

[Suhu radiator, gc] = [Suhu lingkungan, grTs] + [Resistansi termal antara radiator dan lingkungan, Hz / W] * [Daya total, W]

[Suhu kristal, c] = [Suhu radiator, gc] + ([Tahanan termal antara kristal dan badan elemen, Hz / W] + [Tahanan termal antara badan elemen dan radiator, Hz / W]) * [Daya yang dihamburkan oleh elemen, W]

Ada hukum terkenal dalam fisika, teknik listrik, dan termodinamika atom - arus yang mengalir melalui kabel memanaskannya. Joule dan Lenz datang dengan itu, dan mereka ternyata benar - memang begitu. Segala sesuatu yang berjalan dengan listrik, dengan satu atau lain cara, bagian dari transfer energi menjadi panas.

Kebetulan dalam elektronik bahwa objek yang paling terpengaruh panas di lingkungan kita adalah udara. Ke udaralah bagian pemanas mentransfer panas, dan dari udara diperlukan untuk menerima panas dan meletakkannya di suatu tempat. Kalah, misalnya, atau berserakan sendiri. Kami menyebutnya proses pendinginan perpindahan panas.

Kita desain elektronik juga menghilangkan banyak panas, beberapa - lebih, yang lain - lebih sedikit. Stabilisator tegangan dipanaskan, amplifier dipanaskan, transistor yang mengontrol relai atau bahkan hanya LED kecil dipanaskan, kecuali agak memanas. Oke, jika itu menjadi sedikit hangat. Nah, kalau digoreng jadi nggak bisa pegang tangan? Mari kita mengasihani dia dan mencoba membantunya entah bagaimana. Bisa dikatakan, untuk meringankan penderitaannya.

Ingat perangkat baterai pemanas. Ya, ya, baterai biasa yang sama yang memanaskan ruangan di musim dingin dan tempat kami mengeringkan kaus kaki dan kaos. Semakin besar baterai, semakin banyak panas di dalam ruangan, bukan? Baterainya bocor air panas, itu memanaskan baterai. Baterai memiliki hal penting- jumlah bagian. Bagian bersentuhan dengan udara, mentransfer panas ke sana. Jadi, semakin banyak bagian, yaitu, semakin besar area yang ditempati oleh baterai, semakin banyak panas yang dapat diberikannya kepada kita. Dengan mengelas beberapa bagian lagi, kita bisa membuat ruangan kita lebih hangat. Benar, pada saat yang sama, air panas dalam baterai dapat menjadi dingin, dan tidak akan ada yang tersisa untuk tetangga.

Pertimbangkan perangkat transistor.

Pada dasar tembaga (flange) 1 di atas substrat 2 kristal tetap 3 . Ini terhubung ke output 4 . Seluruh struktur diisi dengan senyawa plastik 5 . Flensa memiliki lubang 6 untuk pemasangan pada radiator.

Ini pada dasarnya adalah baterai yang sama, lihat! Kristal memanas, seperti air panas. Flensa tembaga bersentuhan dengan udara, ini adalah bagian baterai. Area kontak flensa dan udara adalah tempat di mana udara dipanaskan. Udara panas mendinginkan kristal.

Bagaimana cara membuat kristal lebih dingin? Kami tidak dapat mengubah perangkat transistor, ini dapat dimengerti. Pencipta transistor juga memikirkan hal ini, dan bagi kami, para martir, mereka meninggalkan satu-satunya jalan menuju kristal - flensa. Flensa seperti satu bagian baterai - menggoreng adalah menggoreng, tetapi panas tidak ditransfer ke udara - area kontak kecil. Di sinilah ruang lingkup tindakan kita diberikan! Kita dapat membangun flensa, menyolder beberapa bagian lagi, yaitu pelat tembaga besar, karena flensa itu sendiri adalah tembaga, atau memasang flensa pada logam kosong yang disebut radiator. Untungnya, lubang di flensa disiapkan untuk baut dengan mur.

Apa itu radiator? Saya telah mengulangi untuk paragraf ketiga tentang dia, tetapi saya belum benar-benar mengatakan apa-apa! Oke, mari kita lihat:

Seperti yang Anda lihat, desain radiator bisa berbeda, ini adalah pelat, dan sirip, dan ada juga radiator berbentuk jarum dan berbagai lainnya, cukup pergi ke toko suku cadang radio dan jalankan melalui rak dengan radiator. Radiator paling sering terbuat dari aluminium dan paduannya (silumin dan lainnya). Radiator tembaga lebih baik, tetapi lebih mahal. Radiator baja dan besi hanya digunakan pada daya yang sangat rendah, 1-5W, karena secara perlahan menghilangkan panas.

Panas yang dilepaskan dalam kristal ditentukan oleh rumus yang sangat sederhanaP=U*I, di mana P adalah daya yang dihamburkan dalam kristal, W, U = tegangan pada kristal, V, I adalah arus yang melalui kristal, A. Panas ini melewati substrat ke flensa, di mana ia ditransfer ke radiator. Selanjutnya, radiator yang dipanaskan bersentuhan dengan udara dan panas ditransfer ke sana, sebagai peserta berikutnya dalam sistem pendingin kami.

Mari kita lihat rangkaian pendingin transistor selengkapnya.

Kami memiliki dua bagian - ini adalah radiator 8 dan paking antara heatsink dan transistor 7 . Mungkin tidak, yang buruk dan baik pada saat yang sama. Mari kita cari tahu.

Saya akan memberi tahu Anda tentang dua parameter penting - ini adalah resistansi termal antara kristal (atau persimpangan, demikian juga disebut) dan kasing transistor - Rpc dan antara kasing transistor dan radiator - Rcr. Parameter pertama menunjukkan seberapa baik panas ditransfer dari kristal ke flensa transistor. Misalnya, Rpc, sama dengan 1,5 derajat Celcius per watt, menjelaskan bahwa dengan peningkatan daya sebesar 1 W, perbedaan suhu antara flensa dan radiator akan menjadi 1,5 derajat. Dengan kata lain, flensa akan selalu lebih dingin daripada kristal, dan parameter ini menunjukkan seberapa banyak. Semakin kecil, semakin lebih baik hangat dipindahkan ke flens. Jika kita menghilangkan daya 10W, maka flensa akan lebih dingin dari kristal sebesar 1,5 * 10 = 15 derajat, dan jika 100W, maka semuanya 150! Dan karena suhu maksimum kristal terbatas (tidak dapat digoreng dengan api putih!), Flensa harus didinginkan. Pada 150 derajat yang sama.

Contohnya:
Transistor menghilangkan daya 25W. Rpc-nya adalah 1,3 derajat per watt. Suhu maksimum kristal adalah 140 derajat. Ini berarti akan ada perbedaan 1,3 * 25 = 32,5 derajat antara flensa dan kristal. Dan karena kristal tidak dapat dipanaskan di atas 140 derajat, kita diharuskan menjaga suhu flensa tidak lebih panas dari 140-32,5=107,5 derajat. Seperti ini.
Dan parameter Rcr menunjukkan hal yang sama, hanya kerugian yang diperoleh pada gasket terkenal yang sama 7. Nilai Rcr-nya bisa jauh lebih besar dari Rpc, oleh karena itu, jika kita mendesain unit yang kuat, tidak diinginkan untuk memasang transistor pada gasket. Tapi tetap saja, terkadang Anda harus melakukannya. Satu-satunya alasan untuk menggunakan spacer adalah jika Anda perlu mengisolasi unit pendingin dari transistor, karena flensa terhubung secara elektrik ke terminal tengah paket transistor.

Mari kita lihat contoh lain di sini.
Transistor digoreng pada 100W. Seperti biasa, suhu kristal tidak lebih dari 150 derajat. Rpk itu memiliki 1 derajat per watt, dan bahkan pada paking, yang memiliki Rkr 2 derajat per watt. Perbedaan suhu antara kristal dan radiator adalah 100*(1+2)=300 derajat. Radiator harus dijaga tidak lebih panas dari 150-300 = minus 150 derajat: Ya, sayangku, ini adalah kasus yang hanya akan menghemat nitrogen cair: horor!

Jauh lebih mudah untuk hidup di radiator untuk transistor dan sirkuit mikro tanpa gasket. Jika tidak ada, dan flensa bersih dan halus, dan radiator berkilau dengan cemerlang, dan bahkan pasta penghantar panas diletakkan, maka parameter Rcr sangat kecil sehingga tidak diperhitungkan.

Ada dua jenis pendinginan - konveksi dan paksa. Konveksi, jika kita ingat fisika sekolah, adalah distribusi panas yang independen. Hal yang sama berlaku untuk pendinginan konveksi - kami memasang radiator, dan dia sendiri entah bagaimana akan memilah udara di sana. Radiator tipe konveksi paling sering dipasang di luar perangkat, seperti di amplifier, pernahkah Anda melihatnya? Di sisinya ada dua alat pelat logam. Dari dalam, transistor disekrup ke mereka. Radiator semacam itu tidak dapat ditutup, akses udara ditutup, jika tidak, radiator tidak akan memiliki tempat untuk meletakkan panas, ia akan menjadi terlalu panas dengan sendirinya dan menolak menerima panas dari transistor, yang tidak akan berpikir untuk waktu yang lama, ia juga akan menjadi terlalu panas dan: Anda sendiri mengerti apa yang akan terjadi. Pendinginan paksa adalah saat kita memaksa udara untuk bertiup lebih aktif di sekitar radiator, berjalan di sepanjang rusuk, jarum, dan lubangnya. Di sini kami menggunakan kipas angin, berbagai saluran pendingin udara, dan metode lainnya. Ya, ngomong-ngomong, alih-alih udara, bisa dengan mudah ada air, minyak, dan bahkan nitrogen cair. Tabung generator yang kuat sering didinginkan dengan air mengalir.

Bagaimana cara mengenali radiator - apakah itu untuk konveksi atau pendinginan paksa? Efisiensinya tergantung pada ini, yaitu, seberapa cepat ia dapat mendinginkan kristal panas, aliran daya termal apa yang dapat dilaluinya sendiri.

Kami melihat foto-fotonya.

Radiator pertama untuk pendinginan konveksi. Jarak sirip yang besar memastikan aliran udara bebas dan pembuangan panas yang baik. Sebuah kipas diletakkan di atas radiator kedua dan meniupkan udara melalui sirip. Ini adalah pendinginan paksa. Tentu saja, Anda dapat menggunakan radiator itu dan radiator itu di mana saja, tetapi seluruh pertanyaannya adalah efisiensinya.
Radiator memiliki 2 parameter - ini adalah luasnya (dalam sentimeter persegi) dan koefisien ketahanan termal lingkungan radiator Rrs (dalam Watt per derajat Celcius). Luas dihitung sebagai jumlah luas semua elemennya: luas alas di kedua sisi + luas pelat di kedua sisi. Luas ujung alas tidak diperhitungkan, jadi akan ada sangat sedikit sentimeter persegi di sana.

Contoh:
radiator dari contoh di atas untuk pendinginan konveksi.
Dimensi dasar: 70x80mm
Ukuran sirip: 30x80mm
Jumlah tulang rusuk: 8
Luas dasar: 2х7х8=112 sq.cm
Luas sirip: 2х3х8=48 sq.cm.
Luas total: 112+8x48=496 cm persegi.

Koefisien tahanan termal radiator-lingkungan Rpc menunjukkan seberapa besar suhu udara yang meninggalkan radiator akan meningkat dengan peningkatan daya sebesar 1W. Misalnya, Rpc 0,5 derajat Celcius per watt memberi tahu kita bahwa suhu akan meningkat setengah derajat untuk 1W panas. Parameter ini dianggap sebagai formula tiga tingkat dan pikiran kucing kami sama sekali tidak berdaya: Rpc, seperti resistansi termal apa pun di sistem kami, semakin kecil semakin baik. Dan Anda dapat menguranginya dengan cara yang berbeda - untuk ini, radiator menghitam secara kimia (misalnya, aluminium digelapkan dengan baik dalam besi klorida - jangan bereksperimen di rumah, klorin dilepaskan!), Masih ada efek mengarahkan radiator ke udara untuk passing yang lebih baik itu di sepanjang pelat (radiator vertikal lebih baik didinginkan daripada yang berbaring). Tidak disarankan untuk mengecat radiator dengan cat: cat adalah ketahanan termal yang berlebihan. Jika hanya sedikit, sehingga menjadi gelap, tetapi bukan lapisan yang tebal!

Aplikasi ini memiliki program kecil di mana Anda dapat menghitung perkiraan luas radiator untuk beberapa sirkuit mikro atau transistor. Dengan itu, mari kita hitung radiator untuk beberapa catu daya.

Sirkuit catu daya.

Catu daya menghasilkan 12 volt pada arus 1A. Arus yang sama mengalir melalui transistor. Pada input transistor adalah 18V, pada output adalah 12V, yang berarti bahwa tegangan 18-12 \u003d 6V turun di atasnya. Daya yang dihamburkan dari kristal transistor adalah 6V * 1A \u003d 6W. Suhu maksimum kristal di 2SC2335 adalah 150 derajat. Biar tidak digunakan dalam kondisi ekstrim, mari kita pilih suhu yang lebih rendah, misalnya 120 derajat. Tahanan termal dari junction-case Rpc untuk transistor ini adalah 1,5 derajat Celcius per watt.

Karena flensa transistor terhubung ke kolektor, mari kita berikan insulasi listrik ke heatsink. Untuk melakukan ini, kami memasang paking isolasi yang terbuat dari karet penghantar panas antara transistor dan radiator. Tahanan termal gasket adalah 2 derajat Celcius per watt.

Untuk kontak termal yang baik, mari kita teteskan sedikit minyak silikon PMS-200. Ini adalah oli kental dengan suhu maksimum +180 derajat, itu akan mengisi celah udara yang tentu terbentuk karena ketidakrataan flensa dan radiator dan meningkatkan perpindahan panas. Banyak yang menggunakan pasta KPT-8, tetapi banyak yang menganggapnya bukan konduktor panas terbaik.
Kami akan membawa radiator ke dinding belakang catu daya, di mana ia akan didinginkan udara ruangan+25 derajat.

Kami akan mengganti semua nilai ini ke dalam program dan menghitung luas radiator. Luas yang dihasilkan dari 113 cm persegi adalah luas radiator, yang dirancang untuk kerja panjang catu daya dalam mode daya penuh - lebih dari 10 jam. Jika kita tidak membutuhkan banyak waktu untuk menggerakkan catu daya, kita bisa menggunakan radiator yang lebih kecil, tetapi lebih besar. Dan jika kita memasang radiator di dalam catu daya, maka tidak perlu paking isolasi, tanpanya radiator dapat dikurangi hingga 100 cm persegi.

Secara umum, sayangku, stok tidak menarik saku, apakah Anda semua setuju? Mari kita pikirkan marginnya, sehingga baik di area radiator maupun di suhu pembatas transistor. Lagi pula, bukan sembarang orang, tetapi Anda sendiri harus memperbaiki perangkat dan mengganti transistor yang terlalu matang! Ingat ini!

Semua komponen elektronik menghasilkan panas, sehingga kemampuan menghitung heatsink agar tidak terbang beberapa kali lipat sangat berguna bagi setiap insinyur elektronik.

Perhitungan termal sangat sederhana dan memiliki banyak kesamaan dengan perhitungan sirkuit elektronik. Di sini, lihat masalah desain termal khas yang baru saja saya alami.

Sebuah tugas

Anda harus memilih radiator untuk regulator linier 5 volt, yang ditenagai oleh maksimum 12 volt dan menghasilkan 0,5A. Daya maksimum yang dialokasikan adalah (12-5) * 0,5 = 3,5W

Menyelam ke dalam teori

Agar tidak menghasilkan entitas, orang menggaruk labu dan menyadari bahwa panas sangat mirip dengan arus listrik, dan untuk perhitungan termal, Anda hanya dapat menggunakan hukum Ohm biasa

Tegangan (U) diganti dengan suhu (T)

Arus (I) diganti dengan daya (P)

Resistansi diganti dengan resistansi termal. Resistansi konvensional diukur dalam Volt/Amp, sedangkan resistansi termal diukur dalam °C/Watt.

Akibatnya, hukum Ohm digantikan oleh pasangan termalnya:

Catatan kecil - untuk menunjukkan bahwa resistansi termal (bukan listrik) yang dimaksud, huruf theta ditambahkan ke huruf R: Saya tidak memiliki huruf seperti itu di keyboard, dan saya terlalu malas untuk menyalin dari tabel simbol, jadi saya akan menggunakan huruf R saja.

Kita lanjutkan

Panas dihasilkan di kristal stabilizer, dan tujuan kami adalah mencegahnya dari panas berlebih (untuk mencegah kristal terlalu panas, bukan itu masalahnya, ini penting!).

Sampai suhu berapa kristal dapat dipanaskan, ada tertulis di lembar data:

Biasanya, suhu pembatas kristal disebut Tj (j = sambungan = sambungan - bagian dalam sirkuit mikro yang peka terhadap suhu terutama terdiri dari sambungan pn. Kita dapat mengasumsikan bahwa suhu sambungan sama dengan suhu kristal)

tanpa heatsink

skema termal terlihat sangat sederhana:

Khusus untuk kasus penggunaan casing tanpa radiator, datasheet menuliskan hambatan termal dari kristal-atmosfer (Rj-a) (Anda sudah tahu apa itu j, a = ambient = environment)

Perhatikan bahwa suhu "tanah" tidak nol, tetapi sama dengan suhu udara di sekitarnya (Ta). Suhu udara tergantung pada kondisi di mana radiator berada. di luar rumah, maka Anda dapat menempatkan Ta = 40 °C, tetapi jika dalam kotak tertutup, maka suhunya bisa jauh lebih tinggi!

Kami menulis hukum termal Ohm: Tj = P*Rj-a + Ta. Kami mengganti P = 3,5, Rj-a = 65, kami mendapatkan Tj = 227,5 + 40 = 267,5 °C. Terlalu banyak, meskipun!

Kami berpegang teguh pada radiator

Skema termal dari contoh kami dengan stabilizer pada radiator menjadi seperti ini:

• Rj-c– resistansi dari die ke case heatsink (c = case = case). Diberikan dalam lembar data. Dalam kasus kami - 5 °C / W - dari lembar data

Rc-r- ketahanan tubuh-radiator. Ini tidak sesederhana itu. Resistansi ini tergantung pada apa yang ada di antara kasing dan heatsink. Misalnya, gasket silikon memiliki koefisien konduktivitas termal 1-2 W/(m*°C), dan pasta KPT-8 memiliki 0,75 W/(m*°C). Resistansi termal dapat diperoleh dari koefisien konduktivitas termal dengan rumus:

R = ketebalan paking / (konduktivitas termal * luas satu sisi paking)

Seringkali Rc-r dapat diabaikan sama sekali. Misalnya, dalam kasus kami (kami menggunakan kotak TO220, dengan pasta KPT-8, kedalaman rata-rata pasta yang diambil dari langit-langit adalah 0,05 mm). Total, Rc-r = 0,5 °C/W. Dengan daya 3,5W, perbedaan suhu antara bodi stabilizer dan radiator adalah 1,75 derajat. Itu tidak banyak. Sebagai contoh kita, mari kita ambil Rc-r = 2 °C/W

Rr-a- tahanan termal antara radiator dan atmosfer. Itu ditentukan oleh geometri radiator, keberadaan aliran udara, dan banyak faktor lainnya. Parameter ini jauh lebih mudah diukur daripada dihitung (lihat di akhir artikel). Misalnya - Rr-c = 12,5 °C / W

Ta\u003d 40 ° C - di sini kami memperkirakan bahwa suhu atmosfer jarang lebih tinggi, Anda dapat mengambil 50 derajat untuk memastikan.

Kami mengganti semua data ini ke dalam hukum Ohm, dan kami mendapatkan Tj = 3,5*(5+2+12,5) + 40 = 108,25 °C

Ini secara signifikan kurang dari batas 150 °C. Radiator semacam itu dapat digunakan. Dalam hal ini, casing radiator akan memanas hingga Tc = 3,5*12,5 + 40 = 83,75 °C. Suhu ini sudah dapat melunakkan beberapa plastik, jadi Anda harus berhati-hati.

Pengukuran resistansi radiator-atmosfer.

Kemungkinan besar, Anda sudah memiliki banyak radiator tergeletak di sekitar yang dapat digunakan. Resistansi termal sangat mudah diukur. Ini membutuhkan resistensi dan catu daya.

Kami memahat resistansi pada radiator menggunakan pasta termal:

Kami menghubungkan sumber daya, dan mengatur tegangan sehingga beberapa daya dilepaskan pada resistansi. Lebih baik, tentu saja, untuk memanaskan radiator dengan kekuatan yang akan hilang di perangkat akhir (dan di posisi yang akan digunakan, ini penting!). Saya biasanya meninggalkan desain ini selama setengah jam agar menghangat dengan baik.

Setelah suhu diukur, resistansi termal dapat dihitung.

Rr-a = (T-Ta)/P. Misalnya, radiator saya memanas hingga 81 derajat, dan suhu udara 31 derajat. jadi Rr-a = 50/4 = 12,5 °C/W.

Perkiraan luas radiator

Dalam buku pegangan kuno seorang amatir radio, grafik diberikan di mana Anda dapat memperkirakan luas radiator. Ini dia:

Sangat mudah untuk bekerja dengannya. Kami memilih panas berlebih yang ingin kami dapatkan dan melihat area apa yang sesuai daya yang dibutuhkan dengan panas berlebih ini.

Misalnya, dengan daya 4W dan panas berlebih 20 derajat, Anda membutuhkan radiator 250 cm ^ 2. Grafik ini memberikan perkiraan area yang terlalu tinggi, dan tidak memperhitungkan banyak faktor seperti aliran udara paksa, geometri sirip, dll.

Radiator untuk perangkat semikonduktor

Selama operasi, perangkat semikonduktor yang kuat memancarkan sejumlah panas ke lingkungan. Jika Anda tidak menjaga pendinginannya, transistor dan dioda dapat gagal karena kristal yang bekerja terlalu panas. Memastikan rezim termal normal transistor (dan dioda) adalah salah satu tugas penting. Untuk keputusan tepat Untuk tugas ini, Anda perlu memiliki gagasan tentang pengoperasian radiator dan desain yang kompeten secara teknis.

Seperti yang Anda ketahui, setiap benda yang dipanaskan, didinginkan, melepaskan panas ke lingkungan. Selama jumlah panas yang dilepaskan dalam transistor lebih besar daripada yang dilepaskan olehnya ke lingkungan, suhu wadah transistor akan terus meningkat. Pada nilai tertentu, yang disebut keseimbangan termal terjadi, yaitu kesetaraan jumlah panas yang hilang dan yang dilepaskan. Jika suhu keseimbangan panas kurang dari maksimum yang diizinkan untuk transistor, itu akan bekerja dengan andal. Jika suhu ini lebih tinggi dari suhu maksimum yang diizinkan, transistor akan gagal. Agar keseimbangan panas terjadi pada suhu yang lebih rendah, perlu untuk meningkatkan perpindahan panas transistor.

Tiga metode perpindahan panas dikenal: Konduksi termal, Radiasi dan Konveksi. Konduktivitas termal udara biasanya rendah - nilai ini dapat diabaikan saat menghitung radiator. Proporsi panas yang hilang oleh radiasi hanya signifikan pada suhu tinggi (beberapa ratus derajat Celcius), sehingga nilai ini juga dapat diabaikan pada suhu operasi transistor yang relatif rendah (tidak lebih dari 60-80 derajat). Konveksi adalah pergerakan udara di zona tubuh yang dipanaskan, karena perbedaan suhu antara udara dan tubuh. Jumlah panas yang dilepaskan oleh benda yang dipanaskan sebanding dengan perbedaan suhu antara benda dan udara, luas permukaan dan kecepatan aliran udara yang mencuci tubuh.

Ketika saya masih muda, saya bertemu solusi asli pembuangan panas dari transistor keluaran yang kuat. Transistor (kemudian transistor tipe P210 digunakan untuk membangun amplifier) ​​pada kabel panjang berada di luar kasing. Dua toples air plastik disekrup ke kasing, dan transistor ada di dalamnya. Dengan demikian, pendinginan efektif "air" disediakan. Ketika air dalam toples dipanaskan, itu hanya diganti dengan air dingin ... Alih-alih air, Anda dapat menggunakan mineral (cair) atau minyak transformator ... Sekarang industri telah mulai memproduksi secara massal sistem pendingin air untuk prosesor dan kartu video komputer - berdasarkan prinsip radiator mobil (tapi ini sudah , menurut saya, eksotis ...).

Untuk memastikan pembuangan panas yang efisien dari kristal semikonduktor, heat sink (radiator) digunakan. Mari berkenalan dengan beberapa desain radiator.