Radiatory 1.pdf

Radiatory Autor artykułu : mgr inż Maciej Feszczuk

Przepisał i przygotował do formy elektronicznej „AmAtoR”.

Radiatory są niezbędne do odprowadzenia nadmiaru ciepła z nagrzewających się

elementów półprzewodnikowych. Jako miarę skuteczności odprowadzenia ciepła przez radiator

przyjmuje się rezystancję termiczną radiator-otoczenie ( R th r-a ). Między złączem elementu

półprzewodnikowego a otoczeniem występuje szereg rezystancji termicznych, które decydują o

wartości mocy strat, jaka może się wydzielić w elemencie w określonych warunkach. Na rysunku

przedstawiono schemat rezystancji termicznych występujących między złączem a otoczeniem,

Ponieważ zwykle R th c-a >> R th c-r + R th r-a można tę pierwszą pominąć i wówczas

rezystancja termiczna złącze-otoczenie wyniesie:

R th j-a = R th j-c + R th c-r + R th r-a (1)

Rezystancja termiczna złącze-korpus jest stałą konstrukcyjną elementu, na którą

użytkownik nie ma wpływu, natomiast wartość pozostałych rezystancji można zmieniać w dość

szerokich granicach.

Rezystancja termiczna korpus-radiator jest właściwie rezystancją termiczną styku, której

wartość będzie najmniejsza w przypadku bezpośredniego zamontowania elementu na radiatorze z

dodatkiem ewentualnie smaru silikonowego i będzie wzrastać, gdy zostaaną zastosowane

podkładki izolacyjne. Rezystancja termiczna radiator-otoczenie będzie zależała od rozmiarów

powierzchni czynnej radiatora, jej barwy, kształtu, materiału z którego został wykonany radiator

oraz sposobu jego ustawienia. Ogólnie przyrost temperatury złącza elementu

półprzewodnikowego bedzie zależny od wydzielanej w nim mocy i od rezystancji termicznej

między złączem i otoczeniem zgodnie ze wzorem:

T j - T a = P c * R th j-a (2)

Uwzględniając zależność (1) i (2) można wyznaczyć niezbędną rezystancję termiczną radiatora

przy założonej mocy strat, temperaturze otoczenia i dopuszczalnej temperaturze złącza:

T j - T a

R th r-a = ------- - R th j-c - R th c-r

(3)

P c

Jako dopuszczalną temperaturę złącza dla tranzystorów krzemowych należy przyjąć 100...160

stopni C, a dla tranzystorów germanowych 40...60 stopni C.

Rezystancję termiczną między korpusem tranzystora a radiatorem dla kilku przypadków

przedstawiono w tablicy 1; dane te dotyczą jednak małych tranzystorów z radiatorami typu

klipsowego, dla których rezystancja wzrasta do 40..60 stopni C/W.

przy czym poszczególne składowe to:

R th j-c - rezystancja termiczna złącze-korpus elementu,

R th c-r - rezystancja termiczna korpus-radiator

R th r-a - rezystancja termiczna radiator-otoczenie

R th c-a - rezystancja termiczna korpus-otoczenie

Wartość rezystancji termicznej złące-korpus jest podawana zwykle w katalogach, a w przypadku

braku danych może być ona wyznaczona z innych danych katologowych na podstawie wzoru:

T jmax - T c

R th j-c = -------------

(4)

P cmax

przy czym:

T jmax - maksymalna dopuszczlna temperatura złącz,

P cmax - maksymalna moc strat przy określonej temperaturze korpusu,

T c - temperatura korpusu, przy której określono maksymalną moc strat.

Rezystancje termiczne między korpusem tranzystora a radiatorem w

przypadku stosowania podkładek izolacyjnych

Tabela 1

Rodzaj styku

R th c-r ( °C/W )

Bez podkładki

Bez podkładki z dodatkiem smaru silikonowego

Z podkładką z oksydowanego AL.

Z podkładką i smarem silikonowym

Z podkładką mikową 40 µm

Z podkładką ze smarem silikonowym

0,2...0,5

0...0,3

1,4...1,5

0...0,3

2...2,5

0,5...0,8

W przypadku stosowania radiatora płaskiego wymagana wartość powierzchni może być

wyznaczona ze wzoru:

S = ------------

(5)

λ T* R th r-a

w którym λ T – współczynnik wymiany ciepła. Wartość tego współczynnika dla kilku materiałów

podano w tabeli 2:

Tabela 2

Materiał

λ T (W/cm 2 ºC)

Miedź

Aluminium

Stal

1,43 * 10 -3

0,75 * 10 -3

0,21 * 10 -3

Przykład 1:

Zaprojektować radiator płaski dla tranzystorów BD 137 i BD 138 sterujących tranzystorami

mocy.

Założenia:

1. Maksymalna moc strat P c = 1,5W

2. Maksymalna temperatura otoczenia T a = 35ºC

3. Dopuszczalna temperatura złącza T j = 120ºC

4. Tranzystory będą mocowane na podkładkę mikową z dodatkiem smaru

silikonowego (R th c-r = 0,5ºC/W)

5. Rezystancja termiczna złącze-korpus dla tranzystorów typu BD137 i138 wynosi 10ºC/W

6. Radiator będzie wykonany z płytki miedzianej λ T =1,43 * 10 -3

Zgodnie ze wzorem (3) wymagana rezystancja termiczna radiator-otoczenie wynosi:

T j – T a 120-35

R th r-a = ------- - R th j-c - R th c-r =------------ - 10 – 0,5 = 46ºC/W

P c 1,5

Wymagana wartość powierzchni na podstawie zależności (5) wynosi:

1 1

S = ------------ = -------------------- = 15 cm 2

λ T* R th r-a 1,43 * 10 -3 * 46

W przypadku odprowadzenia większych mocy stosuje się zwykle radiatory żebrowane,

ponieważ obliczenie takiego radiatora jest dość skomplikowane z uwagi na konieczność

uwzględnienia wielu czynników wpływających na skuteczność odprowadzenia ciepła, podano

przykłady wyznaczania potrzebnych parametrów na podstawie gotowych wykresów.

Ostatnio rozpowszechniły się radiatory będące odcinkami profili hutniczych.

Uwzględniając tę tendencję przedstawiono na rysunku 2 kilka profili, z których wykonuje się

radiatory o odpowiedniej długości w zależności od wymaganej rezystancji termicznej i założonej

mocy strat na podstawie załączonych wykresów (rys 3a,b,c).

Każdy z wykresów ma postać krzywych izorezystancyjnych, naniesionych na zbiór

koncentrycznych okręgów i wiążę ze sobą trzy wielkości: rezystancję termiczną radiatora,

długość profilu i moc wydzielaną w radiatorze.

Długość radiatora z danego profilu odczytuje się na osiach układu współrzędnych wykresu,

natomiast moc została podana jako liniowa funkcja kąta zawartego między osią rzędnych bądź

odciętych, a prostą przechodzącą przez środek okręgu i dowolny punkt na wykresie.

Z wykresów należy korzystać następująco. Dla wymaganej rezystancji radiatora,

wyznaczonej ze wzoru (3) oraz określonej mocy strat należy wybrać profil kształtki, następnie na

odpowiednim wykresie, przez punkt przecięcia krzywej izorezystancyjnej odpowiadającej

wyznaczonej rezystancji termicznej z półprostą wyznaczającą moc strat, należy poprowadzić

okrąg koncentryczny z pozostałymi. Punkt przecięcia okręgu z osiami współrzędnych wyznacza

wymaganą długość radiatora z danego profilu.

Uwaga- wykresy z rys 3a,b,c wykonano dla profili aluminiowych, ustawionych pionowo,

poczernionych przez utlenianie anodowe i przy temperaturze otoczenia 25 ºC. Dlatego jeśli

zakładane warunki odbiegają od podanych należy przyjąć pewien współczynnik bezpieczeństwa

zwiększając długość radiatora o 30..50%.

Przykład:

Zaprojektować radiator żebrowany dla tranzystorów wyjściowych wzmacniacza mocy.

Założenia:

1. Maksymalna moc strat P c = 17W

2. Maksymalna temperatura otoczenia T a = 35ºC

3. Dopuszczalna temperatura złącza T j = 160ºC

4. Tranzystory będą mocowane na podkładkę mikową z dodatkiem smaru

silikonowego (R th c-r = 0,8ºC/W)

5. Rezystancja termiczna złącze-korpus dla tranzystorów typu 2N3055 wynosi 1,5ºC/W

6. Radiator będzie wykonany z płytki miedzianej λ T =1,43 * 10 -3

Zgodnie ze wzorem (3) wymagana rezystancja termiczna radiator-otoczenie wynosi:

T j – T a 160-35

R th r-a = ------- - R th j-c - R th c-r =------------ - 1,5 – 0,8 = 5 ºC/W

P c

Jako radiator wykorzystano kształtkę o profilu P6 której długość wyznaczono z rys. 3b.

Wymagana długość kształtki wynosi według wykresu około 4,5cm. Uwzględniając uwagę

odnośnie warunków pracy przyjęto długość kształtki równą 6cm.

W razie konieczności stosowania radiatorów na tranzystory w obudowach okrągłych

TO18, lub TO39 przedstawiono na rysunku 6 podobny wykres z tym, że dla określonej

rezystancji termicznej i określonej mocy strat wybiera się typ radiatora z podanych na rysunku 4 i

W przypadku radiatorów o innych niż podano kształtach i wymiarach można korzystać z

podanych wykresów wybierając radiator najbardziej podobny do posiadanego i stosując

odpowiedni zapas w celu zapewnienia wystarczającego chłodzenia.

Dołożyłem wiele starań aby rysunki zajmowały jak najmniejszą objętość, dlatego też po

wielu próbach doszedłem do wniosku że format BMP spakowany np. „Zipem” daje najmniejsze

pliki wynikowe, i w tym formacie są przedstawione wszystkie rysunki i wykresy. AmAtoR .

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: