0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Радиатор для маломощных транзисторов

Как рассчитать радиатор для транзистора

Нередко, проектируя мощное устройство на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, а иногда и десятками ватт.

К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало. Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.

Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод — радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.

Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.

Если корпус кремниевого транзистора полностью металлический, то типичная максимальная температура составляет примерно 200 °C, если же корпус пластиковый, то 150 °C. Данные о максимальной температуре для того или иного транзистора вы сможете легко найти в даташите. Например для FGA25N120ANTD лучше если его температура не будет превышать 125 °C.

Зная все основные тепловые параметры, несложно подобрать подходящий радиатор. Достаточно лишь выяснить максимальную температуру окружающей среды, в которой будет работать транзистор, мощность, которую должен будет рассеивать транзистор, затем подсчитать температуру переходов транзистора с учетом тепловых сопротивлений соединений кристалл-корпус, кропус-радиатор, радиатор-окружающая среда, после чего останется выбрать радиатор, с которым температура транзистора будет хотя бы немного ниже максимально допустимой.

Важнейшим параметром при подборе и расчете радиатора является тепловое сопротивление. Оно равно отношению величины перепада температур на поверхности теплового контакта в градусах к передаваемой мощности.

Когда тепло передается посредством процесса теплопроводности, то тепловое сопротивление остается величиной постоянной, которая не зависит от температуры, а зависит лишь от качества теплового контакта.

Если переходов (тепловых контактов) несколько, то тепловое сопротивление перехода, состоящего из нескольких последовательных соединений, окажется равно сумме тепловых сопротивлений этих соединений.

Так, если транзистор будет смонтирован на радиатор, то общее тепловое сопротивление при теплопередаче будет равно сумме тепловых сопротивлений: кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-окружающая среда. Соответственно температура кристалла находится в этом случае по формуле:

Для примера рассмотрим случай, когда нам необходимо подобрать радиатор для двух транзисторов FGA25N120ANTD, которые будут работать в схеме двухтактного преобразователя (push-pull), причем на каждом транзисторе будет рассеиваться по 15 ватт тепловой мощности, которую необходимо передать в окружающую среду, то есть от кристаллов транзисторов через радиатор — воздуху.

Поскольку транзисторов два, то сначала найдем радиатор для одного транзистора, после чего просто возьмем радиатор с вдвое большей площадью теплообмена, с вдвое меньшим тепловым сопротивлением (будем использовать изолирующие прокладки).

Пусть наше устройство будет работать при температуре окружающей среды в 45°C. Пусть температура кристалла удерживается не выше 125°C. В даташите видим, что для встроенного диода тепловое сопротивление кристалл-корпус больше теплового сопротивления кристалл-корпус непосредственно IGBT, и оно равно 2 °C/Вт. Это значение и будем брать в расчет в качестве теплового сопротивления кристалл-корпус.

Тепловое сопротивление силиконовой изолирующей прокладки составляет порядка 0,5 °C/Вт — это и будет тепловое сопротивление корпус-радиатор. Теперь, зная рассеиваемую мощность, максимальную температуру кристалла, максимальную температуру окружающей среды, тепловое сопротивление кристалл-корпус и тепловое сопротивление корпус-радиатор, найдем необходимое тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда.

Итак, нам необходимо подобрать такой радиатор, чтобы тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда получилось в данных условиях 2,833 °C/Вт или меньше. И до какой температуры в этом случае перегреется радиатор по сравнению с окружающей средой?

Возьмем найденное тепловое сопротивление на границе радиатор-окружающая среда, и умножим на рассеиваемую мощность, для нашего примера 15 Вт. Перегрев составит около 43 °C, то есть температура радиатора будет около 88 °C. Поскольку транзисторов в нашей схеме будет два, то и мощности рассеять нужно будет вдвое больше, значит необходим радиатор с тепловым сопротивлением вдвое меньшим, то есть 1,4 °C/Вт или меньше.

Если у вас нет возможности подобрать радиатор именно с найденным тепловым сопротивлением, то можно воспользоваться старым добрым эмпирическим методом — обратиться к графику из справочника. Зная разность температур окружающая среда — радиатор (для нашего примера 43 °C), зная рассеиваемую мощность (для нашего примера для двух транзисторов — два по 15 Вт), находим необходимую площадь радиатора, то есть общую площадь контакта радиатора с окружающим воздухом (для нашего примера — два по 400 кв.см).

Читать еще:  Мастер-класс по вязанию украшения для летней шапочки

Как изолировать транзисторы от радиатора

Здравствуйте, друзья! Многие радиолюбители сталкивались с проблемой изоляции группы транзисторов на одном радиаторе. Обычно для изоляции транзисторов на теплоотводе применяются специальные теплопроводящие прокладки вырезанные из прокладочной слюды. Крепежные винты изолируются специальной пластиковой втулкой. В компьютерных блоках питания для изоляции транзисторов используются силиконовые прокладки смазанные белой теплопроводящей пастой. Но, к сожалению, купить эти прокладки и втулки в магазинах очень сложно, не все продавцы хотят торговать такой мелочью. А компьютерные блоки питания не у каждого радиолюбителя имеются под рукой. По этому, я открою вам большой секрет и расскажу, как изолировать транзисторы от радиатора.

В радиаторе просверлите отверстия для крепления транзисторов. Чтобы транзистор плотно прилегал к радиатору обязательно снимите фаску сверлом большего диаметра и нарежьте резьбу М3. Так же обратите внимание на поверхность радиатора, сильную шероховатость отшлифуйте мелкозернистой наждачной бумагой.

Если у вас нет пластиковых втулок для изоляции транзисторов и нет возможности купить, тогда придется изготовить их своими руками из кусочка текстолита. Отрежьте пластинку нужного размера, просверлите отверстия диаметром 3 мм.

Как изолировать винты от радиатора?
На каждый винт оденьте колечко из термоусадочной трубки и прогрейте зажигалкой. Колечко примет форму винта и будет служить хорошим изолятором.

Из чего добыть слюду в домашних условиях?
Слюда это теплостойкий диэлектрик, который широко применяется в современной бытовой технике. В микроволновой печи имеется пластина из листовой слюды, она вполне подойдет для изоляции транзисторов на радиаторе. В старом сгоревшем паяльнике тоже находится слюда свернутая в трубочку, она изолирует нихромовую обмотку.

А еще в термопоте и слюдяных конденсаторах. Что же делать, если в вашем доме нет старой бытовой техники и слюдяных конденсаторов?
Тогда в качестве диэлектрика можно использовать рукав для запекания, он очень теплостойкий и не проводит ток.

Отрежьте небольшой кусочек от рукава и сложите в двое для надежности.

Приложите отрезанный кусочек рукава к радиатору на место установки группы транзисторов.

Прижмите транзисторы к теплоотводу и проколите шилом отверстия для крепежных винтов. Для большей теплопроводности желательно смазать теплоотвод и транзисторы термопастой.

Вставьте изолированные винты в отверстия и затяните.

Прикрутите радиатор к плате.

Проверьте мультиметром отсутствие замыкания коллектора с теплоотводом.

На этом установка транзисторов на радиатор окончена. Осталось провести тепловые испытания при максимальной нагрузке на транзисторы. Как показала практика такой способ изоляции транзисторов не очень простой, но зато надежный.

Желаю всем удачи! До встречи в новых статьях!

Радиатор для маломощных транзисторов

Радиаторы и охлаждение.

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

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.

Читать еще:  Теплый пол в ванной комнате

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.

Читать еще:  Картина «Подсолнухи» в технике ниткография

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.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector