Jak obliczyć opór cieplny płaskiego aluminium

Wiele obwodów zasilających jest często przykręcanych do płaskiego kawałka aluminium. Jak duży musi być zapas?

Powiedz, że montuję tip122. Najgorszym przypadkiem jest spadek napięcia 24 V przy 3 A i 50% cyklu pracy. Więc rozprasza 36 W.

Patrząc na arkusz danych, przy 35 W, maksymalna temperatura obudowy wynosi ~ 80 ° C. Załóż temperaturę otoczenia 25 stopni.

Spadek temperatury = 35 W * Tr = 55 delta lub 1,57 C / W dla płytki.

Ile potrzebuję powierzchni, aby to osiągnąć?

Czy podszedłem do niego poprawnie?

Możesz użyć tego kalkulatora do uruchomienia niektórych liczb dla płaskiej płyty (twój projekt powinien mieć płetwy). Strzeż się, że masz ograniczoną liczbę prób i że wymaga parametru prędkości powietrza. Podaj żądaną temperaturę obudowy z krzywych obniżania wartości znamionowych, do której przejdę później.

Utknąłeś z TIP122? Co powiesz na pakiet TO-220? Zarówno TIP122, jak i TO-220 są przeznaczone tylko do zastosowań o średniej mocy. Tego rodzaju aplikacje lepiej służy tranzystor dużej mocy i metalowa puszka.

Różnica między tranzystorem wysokiej mocy, średniej mocy lub małosygnałowym leży nie tylko w ich pakietach, ale także w konstrukcji urządzenia. Tabela maksymalnych ocen dla arkusza danych [TIP122] pokazują, że ma on maksymalne rozproszenie mocy kolektora Pc 2 W w powietrzu o temperaturze 25 ° C lub 65 W przy Tc = 25 ° C. Druga statystyka zakłada, że ​​możesz mieć nieskończony radiator połączony z ostatecznym związkiem radiatora z zakładką (technicznie jest to skrzynka, ale wszystko jest ważne) na TO-220, tak że zakładka radiatora ma 25 ° C. Nawet w takim przypadku złącze tranzystorowe, o które się martwisz, przekroczy 150 ° C. Pomiędzy złączem a zakładką występuje opór cieplny. (Sidenote: Zgodziłbym się z jluciani - lubię mój krzem w temperaturze 125 ° C lub chłodnicy). (Sidenote 2: Metalowe radiatory na BJT są zwykle podłączone do kolektora, więc będziesz mieć źródło 3A podłączone do obudowy, przy napięciu wyższym niż emiter / ziemia, i nie chcesz, aby było gdzieś, gdzie może być zwarte na zewnątrz.)

Spójrz na krzywe obniżania wartości znamionowych (Rysunek 5 w arkuszu danych TIP122):

Jeśli potrzebujesz rozproszyć 72 W, po prostu nie możesz tego zrobić. Jeśli potrzebujesz 36 W, musisz utrzymać radiator poniżej 50 ° C powyżej temperatury otoczenia (25 ° C. Ten gradient temperatury o 50 stopni zapewnia rozpraszanie mocy). Porównaj tę krzywą z tranzystorem dużej mocy, takim jak MJ11022 [arkusz danych] :

Twój radiator może teraz stanowić zagrożenie poparzeniem na długo przed uszkodzeniem tranzystora. 72 W odpowiada prawie 100 ° C powyżej temperatury otoczenia, a 36 W absolutnej temperaturze roboczej prawie 150 ° C. Uważaj na cykliczne zmiany temperatury, jeśli chcesz uruchomić go naprawdę gorąco.

Zdecydowanie sugeruję użycie tranzystora TO-3 lub TO-204 o dużej mocy zamiast TIP122.

Prawdopodobnie będziesz potrzebować bardzo dużej płyty lub sporej ilości poruszającego się powietrza.

Jaki jest czas TIP122? Jeśli czas włączenia jest większy niż 100 ms, rozpraszasz 72 W, a nie 36 W. Musisz spojrzeć na przejściowe krzywe reakcji termicznej, aby określić obniżenie wartości znamionowej.

Musisz pozwolić na pewien opór cieplny dla interfejsu między obudową tranzystora a zlewem (lub płytką).

Zakładając, że twój czas pracy jest krótszy niż 1 ms rozpraszasz 36 W. Przeglądanie arkusza danych On-Semi -

Rjc = 1,92 degC / W maks. Bezwzględna maksymalna temperatura złącza = 150 stopni C (nie przekroczyłbym 125 stopni C)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36

Rsa = 1,05 ° C / W (co zgadza się z obliczeniami po odjęciu Rcs)

Jeśli spojrzysz na arkusze danych dostawców radiatorów, możesz dowiedzieć się, jakie są rozmiary. Zamówienie http://www.aavidthermalloy.com/

Aby obliczyć rozproszenie mocy lub zmiany Rθjc lub Rθja w środowisku dynamicznym (tj. Prąd impulsowy), nie jest to tak prosty proces. Musisz zobaczyć tak zwaną krzywą „typowej reakcji termicznej” podaną przez producenta. Z tej krzywej można uzyskać „przejściową rezystancję termiczną” (znormalizowaną lub rzeczywistą Ζθ). W każdym razie nie mogę teraz wykonać szczegółowych obliczeń. Z grubsza, w środowisku 35oC, jeśli chcesz rozproszyć 35W z obudowy TO-3 i utrzymać temperaturę radiatora około 55oC przy użyciu naturalnego chłodzenia, potrzebujesz szarej aluminiowej płyty o grubości 3 mm z krawędzią 16 cm (tj. 210 gr). Płyta ta powinna swobodnie promieniować z obu stron w układzie pionowym, z szczelnym zamocowaniem urządzenia na środku płyty. Nie zapomnij uwzględnić w swoich obliczeniach strat ciepła spowodowanych kontaktem dwóch metali. W praktyce 35 W jest bliskie maksymalnej mocy, którą można rozproszyć za pomocą metalowych płyt i naturalnego chłodzenia (tj. Metalowa płyta Al 400 cm2, grubość 5 mm, 0,5 kg, w układzie pionowym z jednej strony wolna lub 50 W z obu stron). Ponad tymi mocami musisz użyć żeberkowego radiatora (naturalnego lub wymuszonego), co nie jest trudne do obliczenia i skonstruowania

To moja droga do projektowania termicznego. Nigdy nie rozumiem koncepcji odporności termicznej. Jest pełen założeń !! W każdym razie, jeśli chcesz kontynuować obliczenia przy użyciu oporu cieplnego, konieczne jest posiadanie miar rzeczywistej temperatury obudowy w funkcji czasu przy pełnym lub połowicznym obciążeniu.

Wiem, że to stary wątek, ale odkryłem, że badam ten temat i chciałem poprawić / dodać kilka rzeczy. Formuła znalezienia wymaganej odporności termicznej radiatora podana przez jluciani jest zasadniczo poprawna, ale brakuje jej określenia temperatury otoczenia (Ta). Równanie powinno być:

Tj = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd + Ta

Gdzie Tj jest maksymalną docelową temperaturą skrzyżowania. Jako maksymalną temperaturę złącza zastosuję 125 ° C, aby zapewnić margines bezpieczeństwa w przypadku, gdy temperatura otoczenia przekroczy standardowe 25 ° C. To daje:

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36 +25

Rsa = (125-25) / 36 - 1,92 - 0,5 = 0,3577 degC / W

Następna część, aby znaleźć rozmiar aluminiowej płyty wymaganej do osiągnięcia tego niskiego oporu cieplnego, jest znacznie bardziej skomplikowana, ale ten blog https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-equation / daje bardzo prostą zasadę aproksymacji kciuka podaną przez:

Obszar = (50 / Rsa) ^ 2 cm2

Niestety ta formuła dotyczy pasywnych radiatorów z płetwami i uważam, że autor napisał literówkę i oznaczał obszar = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Płetwy robią dużą różnicę. Po zapoznaniu się z wynikami tego kalkulatora internetowego https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html i arkuszami danych wielu pasywnych producentów ciepła zrobiłem trochę dopasowania krzywej i wymyślił tę bardziej kompleksową formułę ball park:

Obszar = (20 * 1 / (1 + przepływ) * 1 / (0,25 + h) * 1 / Rsa) ^ 2 cm2

Gdzie przepływ oznacza jakikolwiek przepływ z wentylatora chłodzącego w cfm, a h jest wysokością żeber.

Dla sytuacji w PO nie ma wymuszonego chłodzenia, więc przepływ = 0 i nie ma żeber, więc h = 0, a formuła upraszcza:

Obszar = (80 / Rsa) ^ 2

Biorąc pod uwagę, że wymagamy oporu cieplnego <= 0,3577, rozmiar płytki niezbędnej do schłodzenia tranzystora w OP wynosi:

Obszar = (80 / 0,3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Jest to prawdopodobnie zbyt duże, aby było praktyczne.

Jak zauważył Kevin Vermeer, ten konkretny tranzystor w tym serwisie nie jest tak naprawdę odpowiedni do chłodzenia pasywnego. Jednak dramatyczny spadek wielkości radiatora można uzyskać, dodając żeberka i dość skromny wentylator chłodzący, jak pokazano w tabeli na dole tego linku https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -suitable-radiator / # _

Pozostając z płaską płytą i dodając dość dobry wentylator chłodzący PC o przepływie powietrza 100 cfm, rozmiar płyty można zmniejszyć do:

Obszar = (80 / (0,3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

Wytłaczane aluminium można kupić w długich listwach z żebrami i przy użyciu takiej żebrowanej płyty z żebrami 3 cm i żaden wentylator chłodzący nie wymagałby radiatora o wielkości:

Obszar = (20 * 1 / (0,25 + 3) * 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Wreszcie, połączenie wymuszonego chłodzenia żeber 100 cm i 3 cm zapewnia:

Obszar = (17,2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Uwagi:

Spadki ciśnienia i bliskość innych gorących elementów w szafce mogą obniżyć wydajność.

Wnikanie pyłu może izolować radiatory i powodować spowolnienie wentylatorów chłodzących i awarię.

Radiatory, które są znacznie większe niż powierzchnia styku elementu, chłodzą luźną sprawność z powodu odległości, jaką musiało przebyć ciepło, aby rozprzestrzenić się na krańce radiatora

Postępuj zgodnie ze zwykłymi wytycznymi dotyczącymi zapewnienia dobrego kontaktu z chłodzonym komponentem za pomocą cienkiej warstwy odpowiedniego związku przenoszącego ciepło między powierzchniami kontaktowymi.

Wyniki tej formuły dla bardzo małych lub dużych radiatorów należy traktować podejrzliwie. Na przykład w ostatnim wyniku promień wentylatora chłodzącego jest znacznie większy niż radiator, więc większość przepływu powietrza nie przepływałaby w pobliżu żeber, a więc wynik jest podejrzany. W przeciwnym razie jest to całkiem dobre przybliżenie.

Prawdopodobnie najlepiej jest dodać 25 stopni do dowolnej temperatury otoczenia i odjąć 25 stopni marginesu bezpieczeństwa od maksymalnej docelowej temperatury elementu podczas wykonywania obliczeń, aby zachować bezpieczeństwo.

Nie używaj tej formuły do ​​projektowania chłodzenia dla elektrowni jądrowej.

Świetny artykuł na blogu znajduje się na stronie http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/, który zawiera szczegółowe wyjaśnienie obliczeń potrzebnych do ustalenia płaskiej płyty do wykorzystania jako radiator. Dostarczają również arkusz kalkulacyjny z obliczeniami, jednak będziesz musiał podać swój adres e-mail, aby uzyskać link do pobrania.