Je potřebný chladič?
Pro účely tohoto článku, předpokládáme, že daná aplikace má tranzistor v pouzdře TO-220, kde ztráty odpovídají výkonu 2,78 W. Kromě toho okolní provozní teplota nepřekročí 50 °C. Je potřebný chladič pro tento tranzistor?
Obrázek 1: Přední a boční pohled na tranzistor v pouzdru TO-220 s chladičem (zdroj obrazu: CUI Inc.)
Za prvé, je třeba najít a spočítat všechny tepelné impedance, které brání tomu, aby se 2,78 W odvedly do okolního vzduchu. Pokud se teplota účinně neodvede do okolního vzduchu, pak teplota uvnitř pouzdra TO-220 se zvýší nad doporučené provozní podmínky, což pro polovodičový přechod obecně činí 125 °C.
Obecně platí, že dodavatelé tranzistorů uvádějí tepelnou impedanci (přechod - okolí) symbolem Rθ J-A (junction to ambient) vyjádřenou v jednotkách °C / W. Jednotka znamená o kolik se zvýší teplota přechodu nad okolní teplotu pro každý watt ztrátového výkonu.
Když dodavatel tranzistoru dokládá, že tepelná impedance je je 62 °C / W, pak při ztrátě 2.78 W se zvýší teplota přechodu o teplotu 172 °C nad teplotu okolí. Vypočteno jako 2,78 W x 62 °C / W. Pokud se předpokládá, že nejhorší okolní teplota pro toto zařízení je 50 °C, pak teplota přechodu dosáhne 222 °C, vypočtená jako 50 ° C + 172 °C. Vzhledem k tomu, že tato hodnota je výrazně vyšší, než je doporučená teplota pro přechod a to 125 °C, může dojít k trvalému poškození tranzistoru. Chladič je proto rozhodně vyžadován.
Připojení chladiče výrazně sníží tepelnou impedanci – dojde k lepšímu odvodu tepla do okolí. V další fázi musíme určit jaký chladič je nutný použít, abychom zajistili bezpečný a spolehlivý provoz.
Stanovení tepelné impedance
Nejprve si vypočteme největší přijatelné zvýšení teploty. Pokud je největší provozní teplota zařízení 50 °C, a již jsme zjistili, že teplota přechodu musí zůstat pod 125 °C, pak nejvyšší přípustný nárůst teploty činí 75 °C; vypočteno jako 125 °C - 50 °C.
Dalším krokem je vypočítat největší přijatelnou tepelnou impedanci mezi samotným přechodem a okolním vzduchem. Pokud je nejvyšší přípustné zvýšení teploty 75 °C a hodnota ztrát v pouzdru TO-220 je 2,78 W, pak největší přípustná tepelná impedance je 27 °C / W; vypočteno jako 75 °C ÷ 2,78 W.
Nakonec započítáme všechny cesty tepelné impedance, od přechodu k okolnímu vzduchu, a ověříme si, že jejich součet je menší než největší přípustná tepelná impedance; což je 27 °C / W, jak bylo vypočítáno výše.
Obrázek 2: Grafické znázornění tepelných impedancí, které by měly být vypočítány a přidány mezi přechod a okolní vzduch v typické aplikaci TO-220. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Na obr. 2, je zřejmé, že první tepelná impedance je "přechod-povrch pouzdra", reprezentovaná symbolem Rθ J-C(junction to case). To znamená, jak snadné je přenášet teplo z přechodu, kde vzniká teplo, ven z povrchu přístroje, označeného jako pouzdro TO-220 v tomto příkladu. Tato hodnota je uvedena ve specifikaci. V tomto případě je předpokládaná tepelná impedance přechod-povrch pouzdra 0,5 °C / W.
Symbolem Rθ C-S je druhá tepelná impedance "pouzdro-chladič". Představuje, jak snadno může být teplo přenášeno z vnějšího pouzdra na povrch chladiče. Vzhledem k tomu, že na obou površích se někdy vyskytují nerovnosti, doporučuje se běžně používat teplo-vodivého materiálu – TIM, aby se z tepelného hlediska docílilo úplného spojení. Použitím materiálu TIM se výrazně zlepší přenos tepla z povrchu TO-220 na chladič, ačkoli je třeba vzít v úvahu jeho vlastní tepelnou impedanci.
Obr. 3: Zvětšené zobrazení spojení dvou ploch(pouzdro-chladič) pomocí teplo-vodivého materiálu (TIM) (zdroj obrazu: CUI Inc.)
Materiály pro teplo-vodivé spojení (TIM)
Obecně řečeno, TIM jsou charakterizovány svou tepelnou vodivostí v jednotkách W / (m°C) nebo ve wattech na metr-kelvin (W / (m K)). V tomto příkladu jsou Celsius a Kelvin zaměnitelné, protože se jedná o nárůst či pokles teploty. Například zvýšení teploty o 45 °C je stejné jako zvýšení teploty o 45 K.
Jednotka metr je tam proto, že impedance TIM závisí na poměru tloušťky (tloušťka TIM v metrech) a celé plochy TIM (plocha, kterou TIM pokrývá v m2). Výsledkem je 1 / m (vypočteno jako m / m2 = 1 / m). V tomto příkladu se na kovovou plochu povrchu TO-220 nanese tenká vrstva TIM, která má specifické vlastnosti:
Pomocí výše uvedených vlastností lze tepelnou impedanci TIM vypočítat pomocí následující rovnice:
Výběr chladiče
Poslední tepelná impedance je "chladič-okolní protředí", což je symbol Rθ S-A(sink to ambient). Tato hodnota ukazuje, jak snadno může být teplo přenášeno z chladiče na okolní vzduch. Výrobce elektronických součástí CUI je dodavatelem chladičů a poskytuje grafy, uvedené na obrázku 4. Demonstruje, jak snadno může být teplo přenášeno z chladiče do okolního vzduchu při různých zatíženích a podmínek proudění vzduchu.
Obrázek 4: Graf znázorňuje typický nárůst teploty chladiče nad okolní teplotu, při různém zatížení (zdroj obrazu: CUI Inc.)
V tomto příkladu se předpokládá, že zařízení pracuje v normálním prostředí bez proudění vzduchu. Graf lze použít pro výpočet konečné tepelné impedance. Hodnota teploty nad okolní teplotou, děleno odváděným teplem, dává výsledek tepelné impedance při daném specifickém provozním stavu. Zde je rozptýlené teplo 2,78 W, což má za následek zvýšení teploty povrchu nad okolní teplotu o 53 °C. Podělíme-li 53 °C hodnotou 2,78 W vyjde nám tepelná impedance 19,1 °C / W.
Při předchozích výpočtech byla maximální povolená impedance mezi přechodem a okolním vzduchem 27 °C / W. Odpočítáme impedanci „přechod-pouzdro“ (0,5 °C / W) a impedancí kyslíku (0,45 °C / W) dojdeme k maximální povolené odchylce chladiče, vypočtené jako 26,05 °C / W. Čili 27 °C / W - 0,5 °C / W - 0,45 °C / W.
V tomto příkladu je tepelná impedance 19,1 °C / W pod vypočtenou hodnotou povolené impedance 26,05 °C / W. Maximální teplota přechodu může být odhadnuta jako součet všech tepelných impedancí a jejich vynásobením počtem wattů a nakonec přičtením výsledku k maximální teplotě okolí takto:
Pokud by byl chladič vynechán, teplota přechodu uvnitř pouzdra TO-220 by značně překročila jmenovitý limit 125 °C. Postup , který je zde uveden, lze jednoduše použít pro správný výběr chladiče.
Závěr
Chladiče hrají významnou roli v konstrukci obvodů, protože poskytují účinnou cestu k odvodu tepla mimo el. zařízení do okolního vzduchu. Při určení maximální teploty okolního prostředí společně s výkonem, který se v zařízení zpracovává v teplo, může být dosaženo optimálního výběru chladiče. Ani příliš malý, aby způsobil tepelné problémy, ani příliš velký na to, aby se utrácely zbytečné finance a zabíral drahocenné místo v zařízení. Důležitou úlohu plní teplo-vodivé materiály označované TIM, které zaručují dokonalý teplo-vodivý kontakt mezi dvěma povrchy(součástka - chladič).
A konečně, jakmile budou definovány parametry aplikace - teplota prostředí, výkon a cesty tepelné impedance - prohlédněte si portfolio CUI s chladiči, kde snadno naleznete vhodný model pro chlazení ve vašem projektu.
Článek vyšel v originále "Heat Sinks: A Step-by-Step Guide to Getting the Heat Out of Your Design" na webu DigiKey.com, autorem je Aaron Yarnell
