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.

Андрей Повный

Один из наиболее важных вопросов создания комфортных условий проживания в доме или квартире – это надежная , правильно рассчитанная и смонтированная, хорошо сбалансированная система отопления. Именно поэтому создание такой системы – главнейшая задача при организации строительства собственного дома или при проведении капитального ремонта в квартире многоэтажки.

Несмотря на современное разнообразие систем отопления различных типов, лидером по по пулярности все же остается проверенная схема: контуры труб с циркулирующим по ним теплоносителем, и приборы теплообмена – радиаторы, установленные в помещениях. Казалось бы – все просто , батареи стоят под окнами и обеспечивают т ребуемый нагрев… Однако, необходимо знать, что теплоотдача от радиаторов должна соответствовать и площади помещения, и целому ряду других специфических критериев. Теплотехнические расчеты , основанные на требованиях СНиП – достаточно сложная процедура, выполняемая специалистами. Тем не менее , можно выполнить ее и своими силами, естественно, с допустимым упрощением. В настоящей публикации будет рассказано, как самостоятельно провести расчет батарей отопления на площадь обогреваемого помещения с учетом различных нюансов.

Но, для начала, нужно хотя бы бегло ознакомиться с существующими радиаторами отопления – от их параметров во многом будут зависеть и результаты проводимых расчетов .

Кратко о существующих типах радиаторов отопления

• Стальные радиаторы панельной или трубчатой конструкции.
• Чугунные батареи.
• Алюминиевые радиаторы нескольких модификаций.
• Биметаллические радиаторы.

Стальные радиаторы

Этот тип радиаторов не снискал себе особой популярности, несмотря на то, что некоторым моделям придается весьма элегантное дизайнерское оформление. Проблема в том, что недостатки таких приборов теплообмена существенно превышают их достоинства – невысокую цену¸ относительно небольшую массу и простоту монтажа.

Тонкие стальные стенки таких радиаторов недостаточно теплоёмки – быстро нагреваются, но и столь же стремительно остывают. Могут возникнуть проблемы и при гидравлических ударах – сварные соединения листов иногда дают при этом течь . Кроме того, недорогие модели, не имеющие специального покрытия, подвержены коррозии, и срок службы таких батарей невелик – обычно производители дают им довольно небольшую по длительности эксплуатации гарантию.

В подавляющем большинстве случаев стальные радиаторы представляют собой цельную конструкцию, и варьировать теплоотдачу изменением числа секций не позволяют. Они имеют паспортную тепловую мощность, которую сразу же нужно выбирать, исходя из площади и особенностей помещения, где они планируются к установке. Исключение – некоторые трубчатые радиаторы имеют возможность изменения количества секций, но это обычно делается под заказ, при изготовлении, а не в домашних условиях.

Чугунные радиаторы

Представители этого типа батарей наверняка знакомы каждому еще с раннего детства – именно такие гармошки устанавливались ранее буквально повсеместно .

Возможно, такие батареи МС -140— 500 и не отличались особым изяществом, но зато верно служили не одному поколению жильцов. Каждая секция подобного радиатора обеспечивала теплоотдачу в 160 Вт. Радиатор сборный, и количество секций, в принципе, ничем не ограничивалось.

В настоящее время в продаже немало современных чугунных радиаторов. Их уже отличает более элегантный внешний вид, ровные гладкие наружные поверхности, которые облегчают уборку. Выпускаются и эксклюзивные варианты, с интересным рельефным рисунком чугунного литься.

При всем этом, такие модели в полной мере сохраняют основные достоинства чугунных батарей:

• Высокая теплоемкость чугуна и массивность батарей способствуют длительному сохранению и высокой отдаче тепла.
• Чугунные батареи, при правильной сборке и качественном уплотнении соединений, не боятся гидроударов, перепадов температур.
• Толстые чугунные стенки мало восприимчивы к коррозии и к абразивному износу.Может использоваться практически любой теплоноситель, так что такие батареи одинаково хороши и для автономной, и для центральной систем отопления.

Если не принимать в расчёт внешние данные старых чугунных батарей, то из недостатков можно отметить хрупкость металла (недопустимы акцентированные удары), относительную сложность монтажа, связанную в больше мере с массивностью. Кроме того, далеко не любые стеновые перегородки смогут выдержать вес таких радиаторов.

Алюминиевые радиаторы

Алюминиевые радиаторы, появившись сравнительно недавно, очень быстро завоевали популярность. Они относительно недороги, имеют современный, достаточно элегантный внешний вид, обладают отменной теплоотдачей.

Качественные алюминиевые батареи способны выдерживать давление в 15 и более атмосфер, высокую температуру теплоносителя – порядка 100 градусов. При этом тепловая отдача от одной секции у некоторых моделей достигает порой 200 Вт. Но при этом они небольшой массой (вес секции – обычно до 2 кг) и не требуют большого объема теплоносителя (емкость – не более 500 мл).

Алюминиевые радиаторы представлены в продаже как наборными батареями, с возможностью изменения количества секций, так и цельными изделиями, рассчитанными на определенную мощность.

Недостатки алюминиевых радиаторов:

• Некоторые типы весьма подвержены кислородной коррозии алюминия, с высоким риском газообразования при этом. Это предъявляет особы требования к качеству теплоносителя, поэтому такие батареи обычно устанавливают в автономных системах отопления.
• Некоторые алюминиевые радиаторы неразборной конструкции, секции которых изготавливаются по технологии экструзии, могут при определенных неблагоприятных условиях дать течь на соединениях. При этом провести ремонт – попросту невозможно, и придется менять всю батарею в целом.

Изо всех алюминиевых батарей самые качественные – изготовленные с применением анодного оксидирования металла. Этим изделиям практически не страшна кислородная коррозия.

Внешне все алюминиевые радиаторы примерно похожи, поэтому необходимо очень внимательно читать техническую документацию, делая выбор.

Биметаллические радиаторы отопления

Подобные радиаторы по своей надежности оспаривают первенство с чугунными, а по тепловой отдаче – с алюминиевыми. Причина тому заключается в их особой конструкции.

Каждая из секций состоит из двух, верхнего и нижнего, стальных горизонтальных коллекторов (поз. 1), соединенных таким же стальным вертикальным каналом (поз.2). Соединение в единую батарею производится высококачественными резьбовыми муфтами (поз. 3). Высокая теплоотдача обеспечивается наружной алюминиевой оболочкой.

Стальные внутренние трубы выполнены из металла, которые не подвержен коррозии или имеет защитное полимерное покрытие. Ну а алюминиевый теплообменник ни при каких обстоятельствах не контактирует с теплоносителем, и коррозия ему абсолютно не страшна.

Таким образом, получается сочетание высокой прочности и износоустойчивости с отличными теплотехническими показателями.

Цены на популярные радиаторы отопления

Радиаторы отопления

Такие батареи не боятся даже очень больших скачков давления, высоких температур. Они, по сути, универсальны, и подходят для любых систем отопления, правда, наилучшие эксплуатационные характеристики они все же показывают в условиях высокого давления центральной системы – для контуров с естественной циркуляцией они малопригодны.

Пожалуй, единственных их недостаток – высокая цена по сравнению с любыми другими радиаторами.

Для удобства восприятия размещена таблица, в которой приведены сравнительные характеристики радиаторов. Условные обозначения в ней:

• ТС – трубчатые стальные;
• Чг – чугунные;
• Ал – алюминиевые обычные;
• АА – алюминиевые анодированные;
• БМ – биметаллические.

	Чг	ТС	Ал	АА	БМ
Давление максимальное (атмосфер)
рабочее	6-9	6-12	10-20	15-40	35
опрессовочное	12-15	9	15-30	25-75	57
разрушения	20-25	18-25	30-50	100	75
Ограничение по рН (водородному показателю)	6,5-9	6,5-9	7-8	6,5-9	6,5-9
Подверженность коррозии под воздействием:
кислорода	нет	да	нет	нет	да
блуждающих токов	нет	да	да	нет	да
электролитических пар	нет	слабое	да	нет	слабое
Мощность секции при h=500 мм; Dt=70 ° , Вт	160	85	175-200	216,3	до 200
Гарантия, лет	10	1	3-10	30	3-10

Видео: рекомендации по выбору радиаторов отопления

Возможно, вас заинтересует информация о том, что собой представляет

Как рассчитать нужное количество секций радиатора отопления

Понятно, что установленный в помещении радиатор (один или несколько) должен обеспечить прогрев до комфортной температуры и компенсировать неизбежные теплопотери, независимо от погоды на улице.

Базовой величиной для вычислений всегда выступает площадь или объем комнаты. Сами по себе профессиональные расчеты – весьма сложны, и учитывают очень большое число критериев. Но для бытовых нужд можно воспользоваться упрощенными методиками.

Самые простые способы расчета

Принято считать, что для создания нормальных условий в стандартном жилом помещении достаточно 100 Вт на квадратный метр пл ощади. Таким образом, следует всего лишь вычислить площадь комнаты и умножить ее на 100.

Q = S × 100

Q – требуемая теплоотдача от радиаторов отопления.

S – площадь обогреваемого помещения.

Если планируется установка неразборного радиатора, то это значение и станет ориентиром для подбора необходимой модели. В случае, когда будут устанавливаться батареи, допускающие изменение количества секций, следует провести еще один подсчет :

N = Q / Qус

N – рассчитываемое количество секций.

Qус – удельная тепловая мощность одной секции. Эта величина в обязательном порядке указывается в техническом паспорте изделия.

Как видите, расчеты эти чрезвычайно просты, и не требуют каких-либо особых знаний математики – достаточно рулетки чтобы измерить комнату и листка бумаги для вычислений. Кроме того, можно воспользоваться и таблицей, расположенной ниже – там приведены уже рассчитанные значения для комнат различной площади и определённых мощностей обогревательных секций.

Таблица секции

Однако, нужно помнить, что эти значения – для стандартной высоты потолка (2,7 м ) многоэтажки. Если высота комнаты иная, то лучше просчитать количество секций батареи, исходя из объема помещения. Для этого применяется усредненный показатель – 41 В т т епловой мощности на 1 м³ объема в панельном доме, или 34 Вт – в кирпичном.

Q = S × h × 40 (34 )

где h – высота потолка над уровнем пола.

Дальнейший расчет – ничем не отличается от представленного выше.

Подробный расчет с учетом особенностей помещения

А теперь перейдем к более серьезным расчетам . Упрощенная методика вычисления, приведенная выше, может преподнести хозяевам дома или квартиры «сюрприз». Когда установленные радиаторы не будут создавать в жилых помещениях требуемого комфортного микроклимата. И причина тому – целый перечень нюансов, которых рассмотренный метод просто не учитывает. А между тем , подобные нюансы могут иметь весьма важное значение.

Итак, за основу вновь берется площадь помещения и всё те же 100 Вт на м². Но сама формула уже выглядит несколько иначе:

Q = S × 100 × А × В × С × D × Е × F × G × H × I × J

Буквами от А до J условно обозначены коэффициенты, учитывающие особенности помещения и установки в нем радиаторов. Рассмотрим их по по рядку:

А – количество внешних стен в помещении.

Понятно, что чем выше площадь контакта помещения с улицей, то есть, чем больше в комнате внешних стен, тем выше общие теплопотери. Эту зависимость учитывает коэффициент А :

• Одна внешняя стена – А = 1,0
• Две внешних стены – А = 1,2
• Три внешний стены – А = 1,3
• Все четыре стены внешние – А = 1,4

В – ориентация помещения по сторонам света.

Максимальные теплопотери всегда в комнатах, в которые не поступает прямого солнечного света. Это, безусловно, северная сторона дома, и сюда же можно отнести восточную – лучи Солнца здесь бывают только по утрам, когда светило еще «не вышло на полную мощность».

Южная и западная стороны дома всегда прогреваются Солнцем значительно сильнее.

Отсюда – значения коэффициента В :

• Комната выходит на север или восток – В = 1,1
• Южная или западная комнаты – В = 1, то есть, может не учитываться.

С – коэффициент, учитывающий степень утепленности стен.

Понятно, что теплопотери из отапливаемого помещения будут зависеть от качества термоизоляции внешних стен. Значение коэффициента С принимают равным:

• Средний уровень - стены выложены в два кирпича, или предусмотрено их поверхностное утепление другим материалом – С = 1,0
• Внешние стены не утеплены – С = 1,27
• Высокий уровень утепления на основе теплотехнических расчетов – С = 0,85.

D – особенности климатических условий региона.

Естественно, что нельзя равнять все базовые показатели требуемой мощности обогрева «под одну гребенку » — они зависят и от уровня зимних отрицательных температур, характерного для конкретной местности. Это учитывает коэффициент D. Для его выбора берутся средние температуры самой холодной декады января – обычно это значение несложно уточнить в местной гидрометеорологической службе.

• — 35 ° С и ниже – D= 1,5
• — 25÷ — 35 ° С – D= 1,3
• до – 20 ° С – D= 1,1
• не ниже – 15 ° С – D= 0,9
• не ниже – 10 ° С – D= 0,7

Е – коэффициент высоты потолков помещения.

Как уже говорилось, 100 Вт/м² — это усредненное значение для стандартной высоты потолков. Если она отличается, следует ввести поправочный коэффициент Е :

• До 2,7 м – Е = 1, 0
• 2,8 – 3, 0 м – Е = 1, 05
• 3,1 – 3, 5 м – Е = 1, 1
• 3,6 – 4, 0 м – Е = 1,15
• Более 4,1 м – Е = 1,2

F– коэффициент, учитывающий тип помещения, расположенного выше

Устраивать систему отопления в помещениях с холодным полом – бессмысленное занятие, и хозяева всегда в этом вопросе принимают меры. А вот тип помещения, расположенного выше, часто от них никак не зависит. А между тем, если сверху жилое или утепленное помещение, то общая потребность в тепловой энергии значительно снизится:

• холодный чердак или неотапливаемое помещение – F= 1,0
• утепленный чердак (в том числе – и утепленная кровля) – F= 0,9
• отапливаемое помещение – F= 0,8

G– коэффициент учета типа установленных окон.

Различные оконные конструкции подвержены теплопотерям неодинаково. Это учитывает коэффициент G :

• обычные деревянные рамы с двойным остеклением – G= 1,27
• окна оснащены однокамерным стеклопакетом (2 стекла) – G= 1,0
• однокамерный стеклопакет с аргоновым заполнением или двойной стеклопакет (3 стекла) — G= 0,85

Н – коэффициент пл ощади остекления помещения.

Общее количество теплопотерь зависит и от суммарной площади окон, установленных в помещении. Эта величина рассчитывается на основании отношения площади окон к площади помещения. В зависимости от полученного результата находим коэффициент Н :

• Отношение менее 0,1 – Н = 0, 8
• 0,11 ÷ 0,2 – Н = 0, 9
• 0,21 ÷ 0,3 – Н = 1, 0
• 0,31÷ 0,4 – Н = 1, 1
• 0,41 ÷ 0,5 – Н = 1,2

I– коэффициент, учитывающий схему подключения радиаторов.

От того, как подключены радиаторы к трубам подачи и обратки , зависит их теплоотдача. Это тоже следует учесть при планировании установки и определения нужного количества секций:

• а – диагональное подключение, подача сверху, обратка снизу – I = 1,0
• б – одностороннее подключение, подача сверху, обратка снизу – I = 1,03
• в – двустороннее подключение, и подача, и обратка снизу – I = 1,13
• г – диагональное подключение, подача снизу, обратка сверху – I = 1,25
• д – одностороннее подключение, подача снизу, обратка сверху – I = 1,28
• е – одностороннее нижнее подключение обратки и подачи – I = 1,28

J– коэффициент, учитывающий степень открытости установленных радиаторов.

Многое зависит и от того, насколько установленные батареи открыты для свободного теплообмена с воздухом помещения. Имеющиеся или искусственно созданные преграды способны существенно снизить теплоотдачу радиатора. Это учитывает коэффициент J :

а – радиатор расположен открыто на стене или не прикрыт подоконником – J= 0,9

б – радиатор прикрыт сверху подоконником или полкой – J= 1,0

в – радиатор прикрыт сверху горизонтальным выступом стеновой ниши – J= 1,07

г – радиатор сверху прикрыт подоконником, а с фронтальной стороны — части чно прикрыт декоративным кожухом – J= 1,12

д – радиатор полностью прикрыт декоративным кожухом– J= 1,2

⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰

Ну вот, наконец, и все. Теперь можно подставлять в формулу нужные значения и соответствующие условиям коэффициенты, и на выходе получится требуемая тепловая мощность для надежного обогрева помещения, с учетом все нюансов.

После этого останется или подобрать неразборный радиатор с нужной тепловой отдачей, или же разделить вычисленное значение на удельную тепловую мощность одной секции батареи выбранной модели.

Наверняка , многим такой подсчет покажется чрезмерно громоздким, в котором легко запутаться. Для облегчения проведения вычислений предлагаем воспользоваться специальным калькулятором – в него уже заложены все требуемые величины. Пользователю остается лишь ввести запрашиваемые исходные значения или выбрать из списков нужные позиции. Кнопка «рассчитать» сразу приведет к получению точного результата с округлением в большую сторону.

Радиаторы для полупроводниковых приборов

Во время работы мощные полупроводниковые приборы выделяют в окружающую среду определенную теплоту. Если не позаботиться об их охлаждении, транзисторы и диоды могут выйти из строя из-за перегрева рабочего кристалла. Обеспечение нормального теплового режима транзисторов (и диодов) - одна из важных задач. Для правильного решения этой задачи нужно иметь представление о работе радиатора и технически грамотном его конструировании.

Как известно, любой нагретый предмет охлаждаясь отдает тепло окружающей среде. Пока количество тепла, выделяющегося в транзисторе, больше отдаваемого им среде - температура корпуса транзистора будет непрерывно возрастать. При некотором ее значении наступает так называемый тепловой баланс, то есть равенство количеств рассеиваемого и выделяемого тепла. Если температура теплового баланса меньше максимально допустимой для транзистора - он будет надежно работать. Если эта температура выше допустимой максимальной температуры - транзистор выйдет из строя. Для того, чтобы тепловой баланс наступал при более низкой температуре, необходимо увеличить теплоотдачу транзистора.

Известны три способа передачи тепла: Теплопроводность, Лучеиспускание и Конвекция. Теплопроводность воздуха обычно мала - этим значением при расчете радиатора можно пренебречь. Доля тепла, рассеиваемая лучеиспусканием значительна лишь при высоких температурах (несколько сотен градусов по Цельсию), поэтому этой величиной при относительно низких температурах работы транзисторов (не более 60-80 градусов) также можно пренебречь. Конвекция - это движение воздуха в зоне нагретого тела, обусловленное разностью температур воздуха и тела. Количество тепла, отдаваемого нагретым предметом, пропорционально разности температур предмета и воздуха, площади поверхности и скорости воздушного потока, омывающего тело.

В молодости я столкнулся с оригинальным решением отвода тепла от мощных выходных транзисторов. Транзисторы (тогда для построения усилителей применяли транзисторы типа П210) на длинных проводах находились вне корпуса. К корпусу были прикручены две пластиковые баночки с водой, а транзисторы лежали в них. Таким образом было обеспечено "водяное" эффективное охлаждение. Когда вода в баночках нагревалась - ее просто заменяли на холодную... Вместо воды можно использовать минеральное (жидкое) или трансформаторное масло... Сейчас промышленность начала серийно выпускать водяные системы охлаждения процессоров и видеокарт компьютеров - по принципу автомобильных радиаторов (но это - уже, на мой взгляд, экзотика...).

Для обеспечения эффективного отвода тепла от кристалла полупроводника применяют теплоотводы (радиаторы). Познакомимся с некоторыми из конструкций радиаторов.

На приведенных рисунках показаны четыре разновидности теплоотводов.

Простейшим из них является пластинчатый радиатор. Площадь его поверхности равна сумме площадей двух сторон. Идеальной формой такого теплоотвода является круг, далее идут квадрат и прямоугольник. Пластинчатый радиатор целесообразно применять при небольших мощностях рассеивания. Устанавливаться такой радиатор должен вертикально, в противном случае - эффективная площадь рассеяния снижается.

Усовершенствованный пластинчатый теплоотвод представляет собой набор из нескольких пластин, загнутых в разные стороны. Этот радиатор при площади поверхности равной простейшему пластинчатому имеет меньшие габариты. Устанавливается такой теплоотвод аналогично пластинчатому. Количество пластин может быть различным - в зависимости от необходимой поверхности. Площадь рассеивания такого радиатора равна сумме площадей всех загнутых участков пластин, плюс площадь поверхности центральной части. Это тип радиатора имеет и недостатки: пониженную эффективность отвода тепла от всех пластин, а также невозможность получения идеально прямой поверхности в местах соединения пластин между собой.

Для изготовления пластинчатых радиаторов следует использовать пластины с толщиной не менее 1,5 (лучше - 3) миллиметров.

Ребристый радиатор - обычно цельнолитой, либо фрезерованный - может быть с одно или двухсторонним оребрением. Двухстороннее оребрение позволяет увеличить площадь поверхности. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей поверхности всех пластин и сумме площади поверхности основного тела радиатора.

Самым эффективным из всех перечисленных является штыревой (или игольчатый) радиатор. При минимальном объеме такой радиатор имеет максимальную эффективную площадь рассеивания. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей каждого штырька и площади основного тела.

Также существуют теплоотводы с принудительной подачей воздуха (пример - кулер процессора в вашем компьютере). Эти теплоотводы при небольшой площади поверхности радиатора способны рассеивать в окружающую среду значительные мощности (к примеру - процессор среднего быстродействия Р-1000 выделяет, в зависимости от загрузки 30-70 ватт тепловой энергии). Недостаток таких теплоотводов - повышенный шум при эксплуатации и ограниченный срок работы (механический износ вентилятора).

Материалом для радиаторов обычно служит алюминий и его сплавы. Лучшей эффективностью обладают теплоотводы, выполненные из меди, но вес и стоимость таких радиаторов выше, чем у алюминиевых.

Полупроводниковый прибор крепится на теплоотвод при помощи специальных фланцев. Если необходимо изолировать прибор от радиатора - применяются различные изоляционные прокладки. Применение прокладок снижает эффективность передачи тепла от кристалла, поэтому, если есть возможность - лучше изолировать теплоотвод от шасси конструкции. Для более эффективного отвода тепла поверхность, которая соприкасается с полупроводниковым прибором, должна быть ровной и гладкой. Для повышения эффективности применяют специальные термопасты (например "КПТ-8"). Применение термопаст способствует уменьшению теплового сопротивления участка "корпус - теплоотвод" и позволяет несколько понизить температуру кристалла. В качестве прокладок используют слюду, различные пленки из пластмассы, керамику. В свое время мной было получено авторское свидетельство по способу изолирования корпуса транзистора от теплоотвода. Суть данного метода заключается в следующем: Поверхность теплоотвода покрывается тонким слоем термопасты (например типа КПТ-8), на поверхность пасты наносится (методом насыпания) слой кварцевого песка (я использовал песок из плавкого предохранителя), далее излишек песка удаляется стряхиванием и транзистор плотно прижимается при помощи хомута, изготовленного из изоляционного материала. При заводских испытаниях данного метода "прокладка" выдерживала кратковременно подачу напряжения в 1000 вольт (от мегометра).

Некоторые зарубежные мощные транзисторы выпускаются в изолированном корпусе - такой транзистор можно крепить непосредственно к теплоотводу без применения каких либо прокладок (но это не исключает применения термопаст!).

Источником тепла в системе транзистор-радиатор-окружающая среда является коллекторный P-N переход. Весь путь тепла в этой системе можно разделить на три участка: переход - корпус транзистора, корпус транзистора - теплоотвод, теплоотвод - окружающая среда. Вследствие неидеальности передачи тепла температуры перехода, корпуса транзистора и окружающей среды существенно отличаются. Это происходит потому, что тепло на своем пути встречает некоторое сопротивление, называемое тепловым сопротивлением. Это сопротивление равно отношению разности температур на границах участка к рассеиваемой мощности. Сказанное можно проиллюстрировать примером: по справочнику тепловое сопротивление переход-корпус транзистора П214 равно 4 градуса Цельсия на ватт. Это означает, что в случае рассеивания на переходе мощности в 10 ватт, переход будет "теплее" корпуса на 4*10=40 градусов! Если учесть при этом тот факт, что максимальная температура перехода равна 85 градусам, то станет ясно, что температура корпуса при указанной мощности не должна превышать 85-40= 45 градусов Цельсия. Наличие теплового сопротивления радиатора является причиной существенного различия температуры его участков, разноудаленных от места установки транзистора. Это означает, что в активной отдаче тепла участвует не вся поверхность радиатора, а лишь часть ее, которая имеет наиболее высокую температуру и поэтому наилучшим образом омывается воздухом. Эта часть и называется эффективной поверхностью радиатора. Она будет тем больше, чем выше теплопроводящая способность радиатора. Теплопроводящая способность радиатора зависит от свойств материала из которого изготовлен теплоотвод и его толщины. Вот поэтому для изготовления теплоотводов используют медь или алюминий.

Полный расчет радиатора - очень трудоемкий процесс. Для грубого расчета можно использовать следующие данные: Для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Обозначение диода		Макс. темпер. окр. среды	Площадь радиатора
КД202А,КД202В			БЕЗ РАДИАТОРА
КД202Д,КД202Ж
КД202К,КД202М
КД202Б,КД202Г
КД202Е,КД202И
КД202Л,КД202Н

В журнале "Радиоаматор-Конструктор" была опубликована статья неизвестного автора по методике упрощенного расчета радиаторов. .

Литература

Есть такой параметр, как тепловое сопротивление. Он показывает, на сколько градусов нагревается объект, если в нем выделяется мощность 1 Вт. К сожалению, в справочниках по транзисторам такой параметр приводится редко. Например, для транзистора в корпусе ТО-5 тепловое сопротивление равно 220°С на 1 Вт. Это означает, что если в транзисторе выделяется 1 Вт мощности, то он нагреется на 220°С. Если допускать нагрев не более чем до 100°С, например, на 80°С относительно комнатной температуры, то получим, что на транзисторе должно выделяться не более 80/220 = 0,36 Вт. В дальнейшем будем считать допустимым нагрев транзистора или тиристора не более, чем на 80°С.

Существует грубая формула для расчета теплового сопротивления теплоотвода Q = 50/ VS °С/Вт, (1) где S — площадь поверхности теплоотвода, выраженная в квадратных сантиметрах. Отсюда площадь поверхности можно рассчитать по формуле S = 2.
Рассмотрим в качестве примера расчет теплового сопротивления конструкции, показанной на рисунке. Конструкция теплоотвода состоит из 5 алюминиевых пластин, собранных в пакет. Предположим, W=20 см, D=10 см, а высота (на рисунке не показана) 12 см, каждый «выступ» имеет площадь 10х12 = 120 см2, а с учетом обеих сторон 240 см2. Десять «выступов» имеют площадь 2400 см2, а пластина две стороны х 20 х 12 = 480 см2. Итого получаем S=2880 см2. По формуле (1) рассчитываем Q=0,93°С/Вт. При допустимом нагреве на 80°С получаем мощность рассеяния 80/0,93 = 90 Вт.

Теперь проведем обратный расчет.
Предположим, нужен блок питания с выходным напряжением 12 В и током 10 А. После выпрямителя имеем 17 В, следовательно, падение напряжения на транзисторе составляет 5 В, а значит, мощность на нем 50 Вт. При допустимом нагреве на 80°С получим требуемое тепловое сопротивление Q=80/50=1,6°C/Вт. Тогда по формуле (2) определим S= 1000 cм2.

Литература
Конструктор № 4/2000

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 20.09.2014

  Общие сведения об электропроводках Электропроводкой называется совокупность проводов и кабелей с относящимися к ним креплениями, поддерживающими и защитными конструкциями. Скрытая электропроводка имеет ряд преимуществ перед открытой: она более безопасна и долговечна, защищена от механических повреждений, гигиенична, не загромождает стен и потолков. Но она дороже, и ее труднее заменить при необходимости. …

• 27.09.2014

  На основе К174УН7 можно собрать не сложный генератор с 3 под диапазонами: 20…200, 200…2000 и 2000…20000Гц. ПОС определяет частоту генерируемых колебаний, она построена на элементах R1-R4 и С1-С6. Цепь отрицательной ОС уменьшающая нелинейные искажения сигнала и стабилизирующая его амплитуду образована резистором R6 и лампой накаливания Н1. При указных номиналах схемы …

Во время работы полупроводникового прибора в его кристалле выделяется мощность, которая приводит к разогреву последнего. Если тепла выделяется больше, чем рассеивается в окружающем пространстве, то температура кристалла будет расти и может превысить максимально допустимую. При этом его структура будет необратимо разрушена.

Следовательно, надежность работы полупроводниковых приборов во многом определяется эффективностью их охлаждения . Наиболее эффективным является конвективный механизм охлаждения, при котором тепло уносит поток газообразного или жидкого теплоносителя, омывающего охлаждаемую поверхность.

Чем больше охлаждаемая поверхность, тем эффективнее охлаждение, и поэтому мощные полупроводниковые приборы нужно устанавливать на металлические радиаторы, имеющие развитую охлаждаемую поверхность. В качестве теплоносителя обычно используется окружающий воздух.

По способу перемещения теплоносителя различают :

• естественную вентиляцию;
• принудительную вентиляцию.

В случае естественной вентиляции перемещение теплоносителя осуществляется за счет тяги, возникающей возле нагретого радиатора. В случае принудительной вентиляции перемещение теплоносителя осуществляется с помощью вентилятора. Во втором случае можно получить большие скорости потока и, соответственно, лучшие условия охлаждения.

Тепловые расчеты можно сильно упростить, если использовать тепловую модель охлаждения (рис. 18.26) Здесь разница между температурой кристалла T J и температурой среды Т A вызывает тепловой поток, движущийся от кристалла к окружающей среде, через тепловые сопротивления R JC (кристалл - корпус), R CS (корпус - радиатор) и R SA (радиатор - окружающая среда).

Рис 18.26. Тепловая модель охлаждения

Тепловое сопротивление имеет размерность °С/Вт. Суммарное максимальное тепловое сопротивление R JA на участке кристалл - окружающая среда можно найти по формуле:

где Р ПП - мощность, рассеиваемая на кристалле полупроводникового прибора, Вт.

Тепловое сопротивление R JC и R CS указывается в справочных данных на полупроводниковые приборы. Например, согласно справочным данным, на транзистор IRFP250N, его тепловое сопротивление на участке кристалл- радиатор равно R JC + R CS = 0,7 + 0,24 = 0,94 °С/ Вт.

Это означает, что если на кристалле выделяется мощность 10 Вт, то его температура будет на 9,4 °С больше температуры радиатора.

Тепловое сопротивление радиатора можно найти по формуле:

На рис. 18.27 приводятся графические зависимости между периметром сечения алюминиевого радиатора и его тепловым сопротивлением для естественного (красная линия) и принудительного (синяя линия) охлаждения воздушным потоком.

По умолчанию считается, что :

Если условия охлаждения отличаются от принятых по умолчанию, то необходимую поправку можно внести, воспользовавшись графиками на рис. 18.28 - рис. 18.30.

Рис. 18.27. Зависимости между сечением алюминиевого радиатора и его тепловым сопротивлением

Рис. 18.28. Поправочный коэффициент на разницу температуры радиатора и окружающей среды

Рис. 18.29. Поправочный коэффициент на скорость воздушного потока

Рис. 18.30. Поправочный коэффициент на длину радиатора

Для примера рассчитаем радиатор, обеспечивающий охлаждение транзистора ЭРСТ, состоящего из 20-ти транзисторов типа IRFP250N. Расчет радиатора можно вести для одного транзистора, а затем полученный размер увеличить в 20 раз.

Так как на ключевом транзисторе рассеивается суммарная мощность 528 Вт, то на каждом транзисторе IRFP250N рассеивается мощность 528/20 = 26,4 Вт. Радиатор должен обеспечивать максимальную температуру кристалла транзистора не более +110 °С при максимальной температуре окружающей среды +40 °С.

Найдем тепловое сопротивление R JA для одного транзистора IRFP250N:

Теперь найдем тепловое сопротивление радиатора :

Зная максимальную температуру кристалла и тепловое сопротивление на участке кристалл-радиатор, определим максимальную температуру радиатора:

По графику (рис. 18.28) определим поправочный коэффициент Кт на разницу температуры радиатора и окружающей среды:

Для охлаждения радиатора используется вентилятор типа 1,25ЭВ-2,8-6-3270У4, имеющий производительность 280 м3/ч. Чтобы вычислить скорость потока, нужно разделить производительность на сечение воздуховода, продуваемого вентилятором.

Если воздуховод имеет площадь поперечного сечения:

то скорость воздушного потока будет равна:

По графику (рис. 18.29) определим поправочный коэффициент K v на реальную скорость воздушного потока:

Допустим, что в нашем распоряжении имеется большое количество готовых радиаторов, имеющих периметр сечения 1050 мм и длину 80 мм. По графику (рис. 18.30) определим поправочный коэффициент K L на длину радиатора:

Чтобы найти общую поправку, перемножим все поправочные коэффициенты:

С учетом поправок, радиатор должен обеспечивать тепловое сопротивление :

С помощью графика (рис. 18.27) найдем, что для одного транзистора требуется радиатор с периметром сечения 200 мм. Для группы из 20-ти транзисторов IRFP250N радиатор должен иметь периметр сечения не менее 4000 мм. Так как имеющиеся в распоряжении радиаторы имеют периметр 1050 мм, то придется объединить 4 радиатора.

На диоде ЭРСТ рассеивается меньшая мощность, но из конструктивных соображений для него можно использовать аналогичный радиатор.

Зачастую производители охладителей указывают площадь поверхности радиатора, а не периметр и длину.

Чтобы из предлагаемой методики получить площадь радиатора, достаточно умножить длину радиатора на его периметр S P = 400 8 = 3200 см2.