Онлайн расчёт площади радиаторов для транзисторов и микросхем.
— На кой хрен козе баян? Она и так весёлая . — живо интересовались удмуртские радиолюбители, разглядывая диковинный теплоотвод, установленный на лампу выходного каскада.
— Только для игры на баяне, козе баян и нужен, на какой же ещё? — гордо отвечал владелец теплоотвода, весьма довольный произведённым на коллег впечатлением.
На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились — подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника. А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла.
Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы (радиаторы).
Полный расчёт радиатора — вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом — для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.
Но лучше воспользоваться специальной программой.
Существует формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:
Q=(T2-T1)/P-Q1-Q2, где
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора по справочнику,
Т1 — максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством,
P — рассеиваемая на транзисторе мощность,
Q1 — тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику,
Q2 — тепловое сопротивление корпус-радиатор.
Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений.
А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы — не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.
Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно — в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy. Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Л., за что ему большое человеческое спасибо.
Теперь давайте определимся с терминологией.
S — площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора. Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство.
Q — тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.
Q1 — тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается RthJC. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).
Q2 — значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора, обозначается Tjmax и составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С.
Т1 — максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.
ИТАК, РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ РАЧЁТА ПЛОЩАДИ РАДИАТОРА
— Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 20-30% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник. Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора 60-70 градусов.
— Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 RthJC не гадая берём из справочника. Если совсем лень — ставим 1.
— Графу теплового сопротивления корпус-радиатор Q2 можно оставить без внимания, если транзистор сидит на радиаторе без всяких прокладок, либо используются современные тонкие подложки, сдобренные специальными пастами. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.
— Так же оставляем в покое графу «скорость воздушного потока от вентилятора», если оный не предусмотрен нашей конструкцией. А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод.
Как? А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С. Л., посвящённый расчёту радиаторов, там кобыла и отыщется. Как правило, значение этой величины находится в пределах 1-5 м/сек.
Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим — это нормально. Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус. Тут природу не обманешь — надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.
Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления. Параметр этот имеет размерность дюйм*град/Вт, поэтому для пересчёта его в тепловое сопротивление всего радиатора, нам надо разделить это значение на длину в см. и умножить на 2,54.
Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский «no trademark» — воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.
Как рассчитать радиатор для микросхемы
Радиаторы и охлаждение.
Автор:
Опубликовано 28.04.2006
В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон — ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы — так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.
Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.
Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни — больше, другие — меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.
Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки . Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь — количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется .
Рассмотрим устройство транзистора.
На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3. Он подключается к выводам 4. Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5. У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.
Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха — это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.
Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу — фланец. Фланец — это как одна-единственная секция у батареи — жарить жарит, а тепла воздуху не передается — маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще «парочку секций», то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.
Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:
Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами . Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.
Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I, где P — выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I — сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.
Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.
У нас появились две штуки — это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7. Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.
Расскажу о двух важных параметрах — это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора — Rпк и между корпусом транзистора и радиатором — Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько — показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт — то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов .
К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку — если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.
Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла — не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!
Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.
Разобрались? Поехали дальше!
Охлаждение бывает двух типов — конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение — мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение — это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот . Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.
Как распознать радиатор — для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.
Смотрим фотографии.
Первый радиатор — для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос — в их эффективности.
У радиаторов есть 2 параметра — это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет .
Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.
Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному — для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе — не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска — лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!
В приложении есть маленький программчик, в котором можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.
Схема блока питания.
Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.
Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.
Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.
Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см — это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности — дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.
А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!
Удачи.
ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ
Одной из проблем при проектировании электронных устройств является управление тепловым режимом для улучшения производительности, срока службы и стоимости продукта. Чтобы справиться с отводом тепла, используют различные системы охлаждения.
Эти системы можно разделить на две основные категории: системы с активным и пассивным охлаждением. Пассивная система может быть простой, дешевой (вентиляторы не требуются), надежной (компоненты не изнашиваются) и относительно простой для анализа и расчёта (размеры постоянные). Тем не менее надо помнить о создании подходящей среды для стабильной и бесперебойной теплопередачи. Например вентиляционные отверстия и радиаторы не должны перекрываться и оставаться незагрязненными.
Пассивное охлаждение использует следующие физические явления:
- Излучение электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Примером может служить электрическая лампочка излучающая тепло. В большинстве электронных схем излучение рассеивает небольшую часть выделяемого тепла.
- Теплопроводность, когда тепло протекает через твердый материал, обычно с высокой теплопроводностью, такой как медь или алюминий.
- Конвекция, когда тепло уносится воздухом или жидкостью, такой как вода или фреон. Поскольку теплый воздух движется вверх, для этого метода обычно требуется вентиляция в верхней или боковой части корпуса.
Прежде чем выбрать правильное решение, надо определить есть ли проблема с нагревом отдельного компонента или всей системы. В случае с точечными источниками тепло нужно только отводить из локальной зоны и распределять по большей площади. В том случае, если вся система нагревается, тепло нужно каким-то образом передать в другое место. В большинстве конструкций используется комбинация кондуктивного и конвекционного охлаждения.
Проводимость используется для отвода тепла от локального источника, такого как микросхема или транзистор, в то время как конвекция – для рассеивания тепла, которое было перенесено от источника к радиатору. В большинстве случаев для отвода избыточного тепла используются радиаторы изготовленные из хорошего теплопровода. Медь и алюминий являются одними из наиболее широко используемых материалов для этой цели в электронных устройствах. Медь (400 Вт / (м · К) при 300 К) намного дороже алюминия (237 Вт / (м · К) при 300 К), но также вдвое эффективнее. Большим преимуществом алюминия является то, что его можно легко прессовать, что позволяет создавать сложные поперечные сечения. Алюминий также намного легче меди, что снижает механическую нагрузку на хрупкие электронные компоненты.
Для обеспечения наилучшего теплового контакта с объектом нуждающимся в охлаждении, контактная поверхность радиатора должна быть плоской и гладкой. Чтобы свести к минимуму проблему поверхностных дефектов, для улучшения теплового контакта используются прокладки или теплопроводящие пасты. В основном это силиконовые пленки, силикон GAP или наполнители без силикона, при необходимости армированные стекловолокном.
Охлаждающая способность
Эффективность радиатора зависит от материала, геометрии и коэффициента теплопередачи. Как правило, принудительный тепловой КПД конвекционного радиатора улучшается за счет увеличения теплопроводности материалов радиатора, увеличения площади поверхности (обычно за счет добавления удлиненных поверхностей, таких как ребра) и за счет увеличения общего коэффициента теплопередачи. В случае сильного точечного источника тепла может потребоваться использование тепловых трубок для охлаждения за счет испарения и конденсации двухфазной рабочей жидкости. Они позволяют передавать большое количество энергии, сохраняя при этом очень небольшую разницу температур между горячими и холодными местами.
Обычно они состоят из герметичной трубки из металла, например меди или алюминия, подключение испарителя и конденсатора. Трубка содержит как насыщенную жидкость, так и пары рабочей жидкости (например, воду, метанол или аммиак). Медные метанольные трубки используются если система должна работать при температуре ниже точки замерзания воды. Их главное преимущество – отличная эффективность при передаче энергии. Теплопроводность может достигать 100 000 Вт / мК, что недостижимо обычным металлом.
Расчеты радиатора
Чтобы определить тип и габариты системы охлаждения, необходимо произвести хотя бы базовые расчеты. Обычно это двухэтапный процесс.
Во-первых, необходимо диагностировать источники тепла, такие как микросхемы, транзисторы, диоды или резисторы. Следующим шагом является моделирование отвода тепла с помощью теплопроводящих элементов (печатной платы, металлических частей корпуса и радиатора), а также конвекции и излучения. Анализ, основанный на этих моделях покажет, достаточно ли спроектированной системы для поддержания температуры источника и системы ниже максимально допустимой. Для первоначального анализа можете, среди прочего, использовать калькуляторы.
Для более сложной геометрии рекомендуется проводить моделирование с использованием программного обеспечения для анализа динамики жидкости (CFD). Они помогут оценить тепловое сопротивление компонентов и эффективность конвекционного радиатора. Не забывайте принимать во внимание даже самые маленькие препятствия для теплового потока, такие как тепловое сопротивление полупроводникового перехода к корпусу, а затем и к радиатору.
Правильно выполненная пассивная система охлаждения обеспечивает стабильную работу устройства, повышая надежность и снижая затраты на обслуживание.
Оценка размеров радиатора для обеспечения достаточного охлаждения устройства может оказаться сложной задачей, особенно если нет большого опыта в этом вопросе. Несмотря на то, что в Интернете доступны инструменты, позволяющие выполнять этот тип вычислений, стоит изучить, по крайней мере в образовательных целях, основные правила и зависимости.
Оценка размеров радиатора основана на нескольких уравнениях и физических принципах, связанных с термодинамикой и механизмами распространения и обмена тепловой энергией в окружающей среде.
Исходные данные радиатора
Конечным результатом выполненных расчетов должны быть значения, соответствующие индивидуальным размерам радиатора. Здесь предполагается, что расчеты выполнены для ребристого радиатора, такого как на рисунке. Такие элементы обычно встречаются в пассивных системах охлаждения электронных компонентов. Показаны 6 различных размеров, необходимых для полного описания радиатора. Для упрощения дальнейших расчетов можно сделать следующие предположения:
- Размеры b и t намного меньше, чем L, W и H, так что площадь поверхности перпендикулярная направлению воздушного потока g, мала по сравнению со всей поверхностью радиатора.
- Теплопроводность материала радиатора настолько велика, что распределение температуры по всей поверхности этого элемента однородное и примерно равно температуре источника тепла.
- Источник тепла имеет те же размеры что и основание радиатора, поэтому он определяет значения параметров L и H.
- Соединение между источником тепла и радиатором идеально, то есть обеспечивает передачу тепловой энергии без потерь.
Эти предположения приведут к тому, что окончательный результат расчетов будет содержать некоторую ошибку. Но его значение в большинстве случаев должно быть достаточно незначительным, чтобы можно было использовать полученные результаты на практике.
Дальнейший анализ также предполагает что основание радиатора ориентировано вертикально, и что охлаждение осуществляется за счет процесса естественной конвекции и излучения, без принудительной циркуляции воздуха в системе и незначительного эффекта кондуктивного отвода тепла от компонента.
Расчет эффекта конвекции
Значения L и H определяются размерами источника тепла. Следовательно, значение W, то есть ширина радиатора, расстояние между ребрами и количество ребер, еще предстоит вычислить.
Области, используемые для расчета скорости теплообмена
На рисунке показаны области, для которых скорость теплообмена при конвекции и процессы будут рассчитаны. Мощность, рассеиваемая конвекцией из области QC1, может быть описана уравнением:
где: Ts – температура источника тепла, Tamb – температура окружающей среды, h1 – коэффициент теплоотдачи для площади A1. Площадь A1 можно рассчитать, зная различные размеры:
Коэффициент теплопередачи составляет:
Этот шаблон верен для процесса естественной конвекции с вертикально ориентированной поверхностью. Следующим шагом является расчет мощности, рассеиваемой конвекцией в области A2, то есть области покрывающей все ребра. Для расчета площади поверхности A2 можно использовать следующее уравнение:
Оптимальное значение расстояния между ребрами, позволяющее достичь максимальной скорости передачи тепловой энергии в случае естественной конвекции, составляет:
где: g – ускорение свободного падения, в – коэффициент теплового расширения, приблизительно.
а – коэффициент выравнивания температуры воздуха (температуропроводность) для температуры Tср, v – кинетическая вязкость воздуха для температуры Tср. Для площади ребер коэффициент теплопередачи составляет:
где k – коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Tср. Тепло, рассеиваемое в области A2, можно описать как:
Как и в случае площади А1, единое значение коэффициента теплоотдачи для всей площади допустимо из-за небольших различий в значениях этого коэффициента для поверхностей с разной ориентацией, а также небольшой доли этих областей в общем процессе теплопередачи, возникающие из-за их малой площади поверхности.
Расчет влияния излучения
Влияние излучения на общее тепловыделение радиатора может быть весьма значительным, особенно в случае пассивного охлаждения. Поэтому данный эффект следует тоже включить в анализ общей эффективности радиатора. Как и в случае передачи тепла конвекцией, радиатор можно разделить на две части – основание и ребра. Мощность тепла, рассеиваемого излучением из зоны основания, составляет:
где Е – так называемая излучательная способность поверхности радиатора, а о – постоянная Больцмана со значением 5,67 · 10 –8 Вт / м2 · K4.
Мощность теплового излучения из области ребер радиатора определяется так:
Точный расчет уровня тепловой мощности излучаемой области A2 довольно сложен, но, тем не менее, хорошим приближением является использование кажущейся площади поверхности излучения, состоящей из внешних границ области A2:
Расчет размеров радиатора
Последним шагом в процессе анализа является расчет количества ребер N, необходимого для отвода тепла, производимого источником при температуре Ts.
Зная количество ребер, можно рассчитать ширину радиатора:
Представленные здесь расчеты позволяют в упрощенном виде определить размеры радиатора, необходимые для эффективного отвода тепла от устройства с определенной температурой, работающего при известной температуре окружающей среды. Также эти уравнения позволяют осознавать влияние отдельных параметров радиатора и его окружения на конечную эффективность системы охлаждения. Более точный анализ тепловых свойств требует уже использования передовых инструментов моделирования и специализированного программного обеспечения, но для любительских целей этого вполне достаточно.
как БЫСТРО рассчитать (прикинуть) площадь радиатора (для транзистора, микросхемы и т д)?
Учтите, что радиаторная пластина имеет 2 стороны. Пластина 10*10 см имеет площадь 200 кв. см.
И рассевиаемая мощность сильнейшим образом зависит от температуры радиатора ( формально допустимой температуры электронного компонента, стоящего на нем) .
При собственных 70 градусах 100 квадратов (т. е. пластина 10*5 см) может рассеять 12 ватт.
При 30 градусах всего 4 ватта.
70°C, то оставляешь. Больше-ставишь больший радиатор. Меньше-меньший. Я так на радиатор 2 КТ315 для усилителя посадил. Выход —