Радіатори і охолодження

1. список радіоелементів

Наша сеть партнеров Banwar

У фізиці, електротехніці і атомної термодинаміки є відомий закон - струм, що протікає по дротах, нагріває їх. Придумали його Джоуль і Ленц, і мали рацію - так воно і є. Все, що працює від електрики, так чи інакше частина проходить енергії передає в тепло.

Так вже вийшло в електроніці, що самим страждають від тепла об'єктом нашого навколишнього середовища є повітря. Саме повітрю нагріваються деталі передають тепло, а від повітря потрібно прийняти тепло і куди-небудь подіти. Втратити, наприклад, або розсіяти по собі. Процес віддачі тепла ми з вами назвемо охолодженням.

Наші електронні конструкції теж розсіюють чимало тепла, одні - більше, інші - менше. Гріються стабілізатори напруги, гріються підсилювачі, гріється транзистор, керуючий релюшкой або навіть просто дрібним світлодіодом, хіба що гріється ну зовсім трохи. Гаразд, якщо гріється трохи. Ну а якщо він смажиться так, що руку тримати не можна? Давайте пошкодуємо його і спробуємо якось йому допомогти. Так би мовити, полегшити його страждання.

Згадаймо пристрій батареї опалення. Так, так, та сама звичайна батарея, що гріє кімнату взимку і на якій ми сушимо шкарпетки і футболки. Чим більше батарея, тим більше тепла буде в кімнаті, так адже? За батареї протікає гаряча вода, вона нагріває батарею. У батареї є важлива річ - кількість секцій. Секції контактують з повітрям, передають йому тепло. Так ось, чим більше секцій, тобто чим більше займана площа батареї, тим більше тепла вона може нам віддати. Приваривши ще парочку секцій, ми зможемо зробити тепліше нашу кімнату. Правда, при цьому гаряча вода в батареї може охолонути, і сусідам нічого не залишиться.

Розглянемо пристрій транзистора.

На мідній основі (фланці) 1 на підкладці 2 закріплений кристал 3. Він підключається до висновків 4. Вся конструкція залита пластмасовим компаундом 5. У фланця є отвір 6 для установки на радіатор.

Ось це по суті та ж сама батарея, подивіться! Кристал гріється, це як гаряча вода. Мідний фланець контактує з повітрям, це секції батареї. Площа контакту фланця і повітря - це місце нагрівання повітря. Нагрівається повітря охолоджує кристал.

Як зробити кристал холодніше? Пристрій транзистора ми змінити не можемо, це зрозуміло. Творці транзистора про це теж подумали і для нас, мучеників, залишили єдину доріжку до кристалу - фланець. Фланець - це як одна-єдина секція у батареї - смажити смажить, а тепла повітрю не передається - маленька площа контакту. Ось тут надається простір нашим діям! Ми можемо наростити фланець, припаяти до нього ще "парочку секцій", чи то пак велику мідну пластинку, благо фланець сам мідний, або ж закріпити фланець на металевій болванці, званої радіатором. Благо отвір у фланці приготовлено під болт з гайкою.

Що ж таке радіатор? Я кажу вже третій абзац про нього, а толком так нічого і не розповів! Гаразд, дивимося:

Як бачимо, конструкція радіаторів може бути різною, це і пластинки, і ребра, а ще бувають голчасті радіатори і різні інші, досить зайти в магазин радіодеталей і пробігтися по полиці з радіаторами. Радіатори найчастіше роблять з алюмінію і його сплавів (силумін та інші). Мідні радіатори краще, але дорожче. Сталеві і залізні радіатори застосовуються тільки на дуже невеликої потужності, 1-5Вт, так як вони повільно розсіюють тепло.

Тепло, що виділяється в кристалі, визначається по дуже простій формулі P = U * I, де P - виділяється в кристалі потужність, Вт, U = напруга на кристалі, В, I - сила струму через кристал, А. Це тепло проходить через підкладку на фланець, де передається радіатора. Далі нагріте радіатор контактує з повітрям і тепло передається йому, як наступного учасника нашої системи охолодження.

Подивимося на повну схему охолодження транзистора.

У нас з'явилися дві штуки - це радіатор 8 і прокладка між радіатором і транзистором 7. Її може і не бути, що і погано, і добре одночасно. Давайте розбиратися.

Розповім про два важливі параметри - це теплові опору між кристалом (або переходом, як його ще називають) і корпусом транзистора - Rпк і між корпусом транзистора і радіатором - Rкр. Перший параметр показує, наскільки добре тепло передається від кристала до фланця транзистора. Для прикладу, Rпк, рівне 1,5градуса Цельсія на ват, пояснює, що зі збільшенням потужності на 1Вт різниця температур між фланцем і радіатором буде 1,5градуса. Іншими словами, фланець завжди буде холодніше кристала, а наскільки - показує цей параметр. Чим він менше, тим краще тепло передається фланця. Якщо ми розсіюємо 10Вт потужності, то фланець буде холодніше кристала на 1,5 * 10 = 15градусов, а якщо ж 100Вт - то на всі 150! А оскільки максимальна температура кристала обмежена (не може ж він смажитися до сказу!), Фланець треба охолоджувати. На ці ж 150 градусів.

Наприклад:
Транзистор розсіює 25Вт потужності. Його Rпк одно 1,3градуса на ват. Максимальна температура кристала 140градусов. Значить, між фланцем і кристалом буде різниця в 1,3 * 25 = 32,5градуса. А оскільки кристал неприпустимо нагрівати вище 140градусов, від нас вимагається підтримувати температуру фланця не гарячою, ніж 140-32,5 = 107,5градусов. Ось так.
А параметр Rкр показує те ж саме, тільки втрати виходять на тій самій горезвісної прокладці 7. У неї значення Rкр може бути набагато більше, ніж Rпк, тому, якщо ми конструюємо потужний агрегат, небажано ставити транзистори на прокладки. Але все ж іноді доводиться. Єдина причина використовувати прокладку - якщо потрібно ізолювати радіатор від транзистора, адже фланець електрично з'єднаний із середнім висновком корпусу транзистора.

Ось давайте розглянемо ще один приклад.
Транзистор смажиться на 100Вт. Як завжди, температура кристала - не більше 150градусов. Rпк у нього 1градус на ват, та ще й на прокладці варто, у якій Rкр 2 градуси на ват. Різниця температур між кристалом і радіатором буде 100 * (1 + 2) = 300градусов. Радіатор потрібно тримати не гаряче, ніж 150-300 = мінус 150 градусів: Так, дорогі мої, це той самий випадок, який врятує тільки рідкий азот: ужос!

Набагато легше живеться на радіаторі транзисторів і мікросхем без прокладок. Якщо їх немає, а фланці чистенькі і гладкі, і радіатор виблискує блиском, та ще й покладена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настільки малий, що його просто не враховують.

Розібралися? Поїхали далі!

Охолодження буває двох типів - конвекційне і примусове. Конвекція, якщо пам'ятаємо шкільну фізику, це самостійне розповсюдження тепла. Так само і конвекційне охолодження - ми встановили радіатор, а він сам там як-небудь з повітрям розбереться. Радіатори конвекційного типу встановлюються найчастіше зовні приладів, як в підсилювачах, бачили? З боків дві металеві пластинчасті штуковини. Зсередини до них пригвинчуються транзистори. Такі радіатори можна накривати, закривати доступ повітря, інакше радіатора нікуди буде дівати тепло, він перегріється сам і відмовиться приймати тепло у транзистора, який довго думати не буде, перегріється теж і: самі розумієте що буде. Примусове охолодження - це коли ми змушуємо повітря активніше обдувати радіатор, пробиратися по його ребрах, голок і отворів. Тут ми використовуємо вентилятори, різні канали повітряного охолодження і інші способи. Так, до речі, замість повітря запросто може бути і вода, і масло, і навіть рідкий азот. Потужні генераторні радіолампи частенько охолоджуються проточною водою.

Як розпізнати радіатор - для конвекційного він або примусового охолодження? Від цього залежить його ефективність, тобто наскільки швидко він зможе остудити гарячий кристал, який потік теплової потужності він зможе через себе пропустити.

Дивимося фотографії.

Перший радіатор - для конвекційного охолодження. Велика відстань між ребрами забезпечує вільний потік повітря і хорошу тепловіддачу. На другий радіатор зверху одягається вентилятор і продуває повітря крізь ребра. Це примусове охолодження. Зрозуміло, використовувати скрізь можна і ті, і ті радіатори, але все питання - в їх ефективності.
У радіаторів є 2 параметри - це його площа (у квадратних сантиметрах) і коефіцієнт теплового опору радіатор-середовище Rрс (в Ватах на градус Цельсія). Площа вважається як сума площ всіх його елементів: площа підстави по обидва боки + площа пластин з обох сторін. Площа торців підстави не враховується, так там квадратних сантиметрів ну зовсім трохи буде.

приклад:
радіатор з прикладу вище для конвекційного охолодження.
Розміри основи: 70х80мм
Розмір ребра: 30х80мм
Кількість ребер: 8
Площа підстави: 2х7х8 = 112кв.см
Площа ребра: 2х3х8 = 48кв.см.
Загальна площа: 112 + 8х48 = 496кв.см.

Коефіцієнт теплового опору радіатор-середовище Rрс показує, на скільки збільшиться температура виходить з радіатора повітря при збільшенні потужності на 1Вт. Для прикладу, Rрс, рівне 0,5 градуса Цельсія на Ватт, говорить нам, що температура збільшиться на півградуса при нагріванні на 1 Вт. Цей параметр вважається триповерховими формулами і нашим котячим умам ну ніяк не під силу: Rрс, як і будь-який тепловий опір в нашій системі, чим менше, тим краще. А зменшити його можна по-різному - для цього радіатори чорнять хімічним шляхом (наприклад алюміній добре затемнюється в хлорному залозі - не експериментуйте будинку, виділяється хлор!), Ще є ефект орієнтувати радіатор в повітрі для кращого проходження його вздовж пластин (вертикальний радіатор краще охолоджується , ніж лежачий). Не рекомендується фарбувати радіатор фарбою: фарба - зайве тепловий опір. Якщо тільки злегка, щоб темненько було, але не товстим шаром!

У додатку є невелика програма , В якій можна порахувати приблизну площу радіатора для будь-якої мікросхеми або транзистора. За допомогою нього давайте розрахуємо радіатор для якого-небудь блоку живлення.

Схема блоку живлення.

Блок живлення видає на виході 12Вольт при струмі 1А. Такий же струм протікає через транзистор. На вході транзистора 18Вольт, на виході 12Вольт, значить, на ньому падає напруга 18-12 = 6Вольт. З кристала транзистора розсіюється потужність 6В * 1А = 6Вт. Максимальна температура кристала у 2SC2335 150градусов. Давайте не будемо експлуатувати його на граничних режимах, виберемо температуру поменше, для прикладу, 120градусов. Тепловий опір перехід-корпус Rпк у цього транзистора 1,5градуса Цельсія на ват.

Оскільки фланець транзистора з'єднаний з колектором, давайте забезпечимо електричну ізоляцію радіатора. Для цього між транзистором і радіатором покладемо ізолюючу прокладку з теплопроводящей гуми. Тепловий опір прокладки 2градуса Цельсія на ват.

Для хорошого теплового контакту крапни трохи силіконового масла ПМС-200. Це густе масло з максимальною температурою + 180 градусів, воно заповнить повітряні проміжки, які обов'язково утворюються через нерівності фланця і радіатора і поліпшить передачу тепла. Багато хто використовує пасту КПТ-8, але і багато хто вважає її не найкращим провідником тепла.
Радіатор виведемо на задню стінку блоку живлення, де він буде охолоджуватися кімнатним повітрям + 25градусов.

Всі ці значення підставимо в програмку і порахуємо площу радіатора. Отримана площа 113кв.см - це площа радіатора, розрахована на тривалу роботу блоку живлення в режимі повної потужності - довше 10 годин. Якщо нам не потрібно стільки часу ганяти блок живлення, можна обійтися радіатором поменше, але помассивнее. А якщо ми встановимо радіатор всередині блоку живлення, то відпадає необхідність в ізолюючої прокладки, без неї радіатор можна зменшити до 100кв.см.

А взагалі, дорогі мої, запас кишеню не тягне, все згодні? Давайте думати про запас, щоб він був і в площі радіатора, і в граничних температурах транзисторів. Адже ремонтувати апарати і міняти пережарені транзистори доведеться не кому-небудь, а вам самим! Пам'ятайте про це!

джерело: www.radiokot.ru

список радіоелементів

Завантажити список елементів (PDF)