Оцінка площі охолоджувальної поверхні радіатора

Мікросхема УМЗЧ обов'язково повинна бути встановлена ​​на радіаторі - адже навіть у стані спокою на ній розсіюється потужність, рівна P0 = UпI0 = (2 • 25) • 0,07 = 3,5 Вт. Щоб розрахувати необхідну площу радіатора, обчислимо максимальну рассеиваемую потужність для випадку роботи в ідеальному класі В:
де Uп - повне напруга джерела живлення, Rн - опір навантаження, Р0 - потужність, що розсіюється в режимі спокою.
При повному напрузі джерела живлення Uп = 50 В, Rн = 8 Ом на корпусі мікросхеми повинна розсіюватися потужність близько 19,3 Вт. Ясно, що температура кристала при роботі завжди повинна бути нижче 150ºС. Приймемо температуру навколишнього повітря 53 ºС, тоді теплове опір перехід - навколишнє середовище повинно бути менше, ніж: (150-53) / 19,3 = 5,0 ºС / Вт.

Зазвичай сума теплових опорів корпус - радіатор і радіатор - навколишнє середовище виявляються менше, ніж 2,0 ºС / Вт. Тепловий опір корпус - радіатор залежить від способу установки мікросхеми. Якщо використано безпосереднє з'єднання метал - метал, тепловий опір буде приблизно 1,0 ºС / Вт при використанні теплопровідної пасти і 1,2 ºС / Вт при її відсутності.

Корисно оцінити результати розрахунків радіатора за допомогою якої-небудь програми, наприклад, [4]. Самий приблизний розрахунок площі охолоджувальної поверхні радіатора: 20 квадратних сантиметрів на кожен ват розсіюваною мікросхемою потужності.
Для радіаторів, виконаних з алюмінієвих сплавів з ребрами не тонше 3 мм при кроці ребер не менше 10 мм і вільному потоці повітря площа радіатора можна оцінити такою наближеною формулою: S [кв см] ≈600 / R # 952; р-з [ºС / Вт] = 600 / 1,4 = 430 кв см.
Як уже зазначалося, мікросхема LM1875 забезпечена ефективною схемою теплового захисту. Коли температура кристала мікросхеми досягне 170 ºС, схема теплового захисту спрацьовує, і підсилювач вимикається. Включення відбувається після зниження температури кристала до 145 ºС. Однак, якщо температура кристала знову почне підвищуватися, то тепер відключення відбудеться вже при 150 ºС.

ОУ, вихідна потужність яких перевищує 1 Вт, зазвичай вимагають установки тепловідведення (радіатора) для охолодження кристала. Нагадаю, що підсилювач, що працює в режимі AB, має ККД близько 50%. Це означає, що він виділяє стільки ж потужності у вигляді тепла, скільки віддає в навантаження. Тому для охолодження кристала мікросхеми (транзистора) необхідно використовувати тепловідвід.

Максимальна температура, при якій кристал близький до руйнування, але ще зберігає працездатність, становить 150 ° С. При цьому температура корпусу нижче в зв'язку з тепловими втратами при переході від кристала до корпусу і, як правило, не перевищує 100 ° С. Нормальна температура кристала становить 75 ° С, а радіатора -50-60 ° С. Така температура відповідає больового порогу шкіри людини, тому є дуже просте правило: якщо ви не обпалює, торкнувшись радіатора рукою, його температура знаходиться в нормі (звичайно, за умови хорошого контакту між радіатором і тепловиділяючим елементом).

Варто також відзначити, що термін служби мікросхеми безпосередньо залежить від її температури. Існує правило, з якого випливає, що при збільшенні температури кристала на 10 ° С термін його служби падає вдвічі. Це означає, що при збільшенні температури кристала з 60 до
100 ° С термін його служби знизиться вже в 1 б раз! Тому ефективне .охлажденіе - запорука надійної і тривалої роботи пристрою.

Радіатори, використовувані для охолодження радіоелементів, класифікуються за будовою на:

• ребристі (рис. 2.17, а);

• голчасті (рис. 2.17, б).
За типом вентиляції:

• з природною вентиляцією;

• з примусовою вентиляцією.

Ці типи радіаторів відрізняються високою щільністю ребер або голок. Для радіаторів з природною вентиляцією відстань між ребрами (голками) має бути не менше 4 мм. До того ж такі радіатори розраховані для роботи тільки в вертикальному положенні, коли повітря під дією природних сил рухається між ребрами. Якщо відстань між ребрами (голками) становить близько 2 мм, то такий радіатор розрахований на примусову вентиляцію і вимагає установки вентилятора.

По застосовуваних матеріалах:

• алюмінієві з мідною основою.

Існують методики точного розрахунку радіаторів, що враховують рассеиваемую потужність, параметри навколишнього середовища, конфігурацію, матеріал радіатора і т.д. Однак ці методики потрібні на етапі проектування тепловідведення. Радіоаматори рідко самостійно виготовляють радіатори, частіше використовуючи готові, взяті зі старої радіоапаратури. В кінцевому підсумку нас цікавить тільки один параметр - максимальна розсіює потужність для цього радіатора. Щоб визначити його, досить знати всього дві характеристики: тип
вентиляції та площа поверхні, що розсіює (простіше кажучи, площа радіатора).

Площа ребристого радіатора обчислюється як сума площ всіх його ребер і площі підстави. Зауважте, що у одного ребра дві випромінюючі поверхні. Це означає, що ребро розміром 1 × 1 см має площу 2 см2. Площа голчастого радіатора обчислюється як сума площ всіх його голок і площі підстави. Площа однієї голки можна обчислити за формулою:

(R1 - радіус нижньої основи усіченого конуса; r2 - радіус верхнього підстави усіченого конуса; l - утворює усіченого конуса (довжина бокової сторони))

Після цього допустима розсіює потужність може бути оцінена за формулою:

де Р - допустима розсіюється потужність, Вт; S - площа радіатора, см2; до - коефіцієнт, що враховує тип вентиляції. Для природної вентиляції к = 33, для примусової вентиляції к = 11.

Розмірність теплового опору - градус / Ватт. Тобто наскільки температура кристала буде вище температури корпусу при виділенні 1 Вт тепла.
Тепловий опір переходу корпус - навколишнє середовище можна порахувати за приблизною формулою: Rth = (51 * k) / S, де Rth - тепловий опір радіатора в C / W, S - площа радіатора (в даному випадку - площа деталі) в см2, k - коефіцієнт, що враховує тип вентиляції (для природної вентиляції k = 33, для примусової вентиляції k = 11).
Теплові опору деталі і радіатора потрібно скласти, задати температуру навколишнього середовища і виділяється потужність, щоб отримати температуру кристала.
Щоб не ламати сильно голову з приводу теплопровідності матеріалів, скажу що тепловий опір переходу кристал - корпус зазвичай знаходиться в межах від 1 C / W для потужних ІС, і до 3 C / W для малопотужних.

В останні роки в радіоаматорського практиці все частіше застосовуються системи охолодження для процесорів персональних комп'ютерів (cooler - кулери). Кулери сучасних процесорів розраховані на розсіювання потужності близько 100 Вт навіть при невеликій вентиляції.

Для кріплення мікросхеми до основи радіатора можна використовувати шурупи з плоскою головкою або, при наявності мітчика, нарізати різьбу в радіаторі і закріпити мікросхему гвинтом. Між підставою радіатора і корпусом мікросхеми обов'язково повинен бути шар термопасти для поліпшення теплопровідності. Найкращі показники теплопровідності показують пасти типу КПТ-81 або «АлСіл-3». Їх можна купити в будь-якому комп'ютерному магазині або магазині радіодеталей. Теплопровідність термопаст становить при-
мірно 0,7 з урахуванням того, що площа контакту - 1 -2 см2, тепловий опір термопасти - приблизно 10

4 ° С / Вт (незрівнянно мало в порівнянні з тепловим опором переходу кристал-підкладка або радіатора і навколишнього середовища), тому при тепловому розрахунку системи охолодження цією втратою можна знехтувати.

Що б зовсім разобратся потрібно на конкретному прикладі. Наприклад є ІМС довжина 2см ширина 1см товщина 0,5 см Потужність 535 мВт Температура повітря 22 за Цельсієм. Як рахувати?

1. Визначаємо випромінює площа мікросхеми. Врахуємо, що вона черевом швидше за все буде прилягати до плати, так що там конвекції не буде. Візьмемо еквівалентну площа черева як ½ від геометричної площі:
   2 (2 * 0,5) +2 (1 * 0,5) + 1 * 2 + 1 * 1 = 2 + 1 + 2 + 1 = 6 см2 - повна випромінює площа мікросхеми
   2. Підрахуємо тепловий опір переходу корпус - повітря:
   Rth = (51 * k) / S = (51 * 33) / 6 = 280,5 C / W
   3. Мікросхема судячи з усього малопотужна, прийми її тепловий опір рівним 3 C / W (або можна розрахувати точно, якщо знаєте як)
   4. Загальна тепловий опір одно 280,5 + 3 = 283,5 C / W Це означає що температура кристала буде на 283,5 градуси вища за температуру окр. середовища при виділенні 1 Вт. тепла.
   5. Визначаємо температуру кристала: 283,5 * 0,535 + 22 = 173 =)
   6. Визначаємо температуру корпусу: 280,5 * 0,535 + 22 = 172

Резонне питання - чи є тут помилка? Помилка може бути у визначенні Rth корпусу мікросхеми. ця формула використовується для визначення теплового опору ребристих радіаторів, завдяки чому в області малих значень площі може давати хибний результат. Ще недоліком методики є те, що ми не враховуємо охолодження мікросхеми через саму плату.

P.S. хоча якщо припустити, що мікросхема обдувається (k = 11). то виходить цілком нормальний результат - 93 C / W