= ([Температура у гарячій точці, грЦ] - [Температура у холодній точці, грЦ]) / [Розсіювана потужність, Вт]

Це означає, що якщо від гарячої точки до холодної надходить теплова потужність X Вт, а тепловий опір становить Y грЦ/Вт, то різниця температур скласти X*Y грЦ.

Формула для розрахунку охолодження силового елемента

Для випадку розрахунку тепловідведення електронного силового елемента те саме можна сформулювати так:

[Температура кристала силового елемента, грЦ] = [Температура навколишнього середовища, грЦ] + [Розсіювана потужність, Вт] *

де [ Повний тепловий опір, грЦ/Вт] = + [Тепловий опір між корпусом та радіатором, грЦ/Вт] + (для випадку з радіатором),

або [ Повний тепловий опір, грЦ/Вт] = [Тепловий опір між кристалом та корпусом, грЦ/Вт] + [Тепловий опір між корпусом та навколишнім середовищем, грЦ/Вт] (для випадку без радіатора).

В результаті розрахунку ми повинні отримати таку температуру кристала, щоб вона була меншою за максимально допустиму, зазначену в довіднику.

Де взяти дані до розрахунку?

Тепловий опір між кристалом та корпусомдля силових елементів зазвичай наводиться у довіднику. І позначається так:

Нехай Вас не бентежить, що в довіднику написано одиниці виміру K/W або К/Вт. Це означає, що дана величина наведена в Кельвінах на Ватт, в грЦ на Вт вона буде такою самою, тобто X К/Вт = X грЦ/Вт.

Зазвичай у довідниках наведено максимально можливе значенняцієї величини з урахуванням технологічного розкиду. Вона нам і потрібна, тому що ми повинні проводити розрахунок для гіршого випадку. Для прикладу максимально можливий тепловий опір між кристалом і силовим корпусом. польового транзистора SPW11N80C3 дорівнює 0.8 грЦ/Вт,

Тепловий опір між корпусом та радіаторомзалежить від типу корпусу. Типові максимальні значеннянаведено у таблиці:

TO-3	1.56
TO-3P	1.00
TO-218	1.00
TO-218FP	3.20
TO-220	4.10
TO-225	10.00
TO-247	1.00
DPACK	8.33

Ізоляційне прокладання.На наш досвід правильно обрана і встановлена ​​ізолююча прокладка збільшує тепловий опір вдвічі.

Тепловий опір між корпусом/радіатором та навколишнім середовищем. Це тепловий опір з точністю, прийнятною більшості пристроїв, розрахувати досить просто.

[Тепловий опір, грЦ/Вт] = [120, (грЦ * кв. см)/Вт] / [Площа радіатора чи металевої частини корпусу елемента, кв. см].

Такий розрахунок підходить для умов, коли елементи та радіатори встановлені без створення спеціальних умовдля природного (конвекційного) чи штучного обдування. Сам коефіцієнт обрано нашого практичного досвіду.

Специфікація більшості радіаторів містить тепловий опір між радіатором та навколишнім середовищем. Тож у розрахунку треба користуватися саме цією величиною. Розраховувати цю величину слід лише у випадку, якщо табличних даних по радіатору знайти не вдається. Ми часто для складання налагоджувальних зразків використовуємо б/в радіатори, тому ця формула нам дуже допомагає.

Для випадку, коли відведення тепла здійснюється через контакти друкованої плати, площу контакту можна використовувати в розрахунку.

Для випадку, коли відведення тепла через виводи електронного елемента (типово діодів та стабілітронів щодо малої потужності), площа висновків обчислюється, виходячи з діаметра та довжини виведення.

[Площа виводів, кв. див.] = Пі * ([ Довжина правого висновку, див.] * [Діаметр правого висновку, див.] + [Довжина лівого виводу, див.] * [Діаметр лівого виводу, див.])

Приклад розрахунку відведення тепла від стабілітрону без радіатора

Нехай стабілітрон має два виводи діаметром 1 мм і завдовжки 1 см. Нехай він розсіює 0.5 Вт. Тоді:

Площа висновків становитиме близько 0.6 кв. див.

Тепловий опір між корпусом (висновками) та навколишнім середовищем складе 120/0.6 = 200.

Тепловим опором між кристалом і корпусом (висновками) у разі можна знехтувати, оскільки він набагато менше 200.

Приймемо, що максимальна температура, за якої буде експлуатуватися пристрій, становитиме 40 грЦ. Тоді температура кристала = 40 + 200*0.5 = 140 грЦ, що допустимо для більшості стабілітронів.

Онлайн розрахунок тепловідведення - радіатора

Зверніть увагу, що у пластинчастих радіаторів слід вважати площу обох сторін пластини. Для доріжок друкованої плати, які використовуються для відведення тепла, потрібно брати лише одну сторону, оскільки інша не контактує з довкіллям. Для голкових радіаторів необхідно приблизно оцінити площу однієї голки та помножити цю площу на кількість голок.

Онлайн розрахунок відведення тепла без радіатора

Декілька елементів на одному радіаторі.

Якщо одному тепловідводі встановлено кілька елементів, то розрахунок виглядає так. Спочатку розраховуємо температуру радіатора за формулою:

[Температура радіатора, ГРЦ] = [Температура навколишнього середовища, ГРЦ] + [Тепловий опір між радіатором та навколишнім середовищем, грЦ/Вт] * [Сумарна потужність, Вт]

[Температура кристала, грЦ] = [Температура радіатора, ГРЦ] + ([Тепловий опір між кристалом та корпусом елемента, грЦ/Вт] + [Тепловий опір між корпусом елемента та радіатором, грЦ/Вт]) * [Потужність, що розсіюється елементом, Вт]

Всі електронні компоненти виділяють тепло, тому вміння розраховувати радіатори так, щоб не пролітати в прикидках на пару порядків дуже корисно будь-якому електроннику.

Теплові розрахункидуже прості та мають дуже багато спільного з розрахунками електронних схем. Ось подивіться на звичайне завдання теплового розрахунку, з якою я щойно зіткнувся

Завдання

Потрібно вибрати радіатор для 5-вольтового лінійного стабілізатора, який живиться від 12вольт максимум і видає 0.5А. Максимальна потужність, що виділяється виходить (12-5) * 0.5 = 3.5Вт

Занурення в теорію

Для того, щоб не плодити сутностей, люди почухали гарбуз і зрозуміли, що тепло дуже схоже на електричний струм, і для теплових розрахунків можна використовувати звичайний закон Ома, тільки

Напруга (U) замінюється температурою (T)

Струм (I) замінюється потужністю (P)

Опір замінюється тепловим опором. Звичайний опір має розмірність Вольт/Ампер, а тепловий – °C/Ват

У результаті закон Ома замінюється на свій тепловий аналог:

Невеликий зауваження – для того, щоб позначити, що мається на увазі тепловий (а не електричний) опір, до букви R, дописують букву тета: на клавіатурі у мене такої літери немає, а копіювати з таблиці символів лінь, тому я користуватимуся просто буквою R.

Продовжуємо

Тепло виділяється в кристалі стабілізатора, а наша мета – не допустити його перегріву (не допустити перегріву саме кристалу, а не корпусу, це важливо!).

До якої температури можна нагрівати кристал, написано в дататі:

Зазвичай, граничну температуру кристала називають Tj (j = junction = перехід – термочутливі начинки мікросхем в основному складаються з pn переходів. Можна вважати, що температура переходів дорівнює температурі кристала)

Без радіатора

Теплова схемавиглядає дуже просто:

Спеціально для випадків використання корпусу без радіатора, в даташитах пишуть тепловий опір кристал-атмосфера (Rj-a) (що таке j ви вже в курсі, a = ambient = довкілля)

Зауважте, що температура землі не нульова, а дорівнює температурі навколишнього повітря (Ta). Температура повітря залежить від того, в яких умовах знаходиться радіатор. відкритому повітрі, то можна покласти Ta = 40 ° C, а ось, якщо в закритій коробці, то температура може бути значно вищою!

Записуємо тепловий закон Ома: Tj = P * Rj-a + Ta. Підставляємо P = 3.5, Rj-a = 65, отримуємо Tj = 227.5 + 40 = 267.5 °C. Забагато, проте!

Чіпляємо радіатор

Теплова схема нашого прикладу зі стабілізатором на радіаторі стає такою:

• Rj-c- Опір від кристала до тепловідведення корпусу (c = case = корпус). Дається в датасіті. У нашому випадку – 5 °C/Вт – з датішиту

Rc-r- Опір корпус-радіатор. Тут не все так просто. Цей опір залежить від того, що знаходиться між корпусом та радіатором. Наприклад, силіконова прокладка має коефіцієнт теплопровідності 1-2 Вт/(м*°C), а паста КПТ-8 – 0.75Вт/(м*°C). Тепловий опір можна отримати з коефіцієнта теплопровідності за формулою:

R = товщина прокладки/(коефіцієнт теплопровідності * площа однієї сторони прокладки)

Часто Rc-r взагалі можна ігнорувати. Наприклад, у нашому випадку (використовуємо корпус TO220, з пастою КПТ-8, середня глибина пасти, взята зі стелі – 0.05мм). Отже, Rc-r = 0.5 °C/Вт. При потужності 3.5Вт, різниця температур корпусу стабілізатора та радіатора - 1.75градуса. Це небагато. Для нашого прикладу візьмемо Rc-r = 2 °C/Вт

Rr-a– тепловий опір між радіатором та атмосферою. Визначається геометрією радіатора, наявністю обдування та купою інших факторів. Цей параметр набагато простіше виміряти, ніж порахувати (див. наприкінці статті). Для прикладу - Rr-c = 12.5 ° C / Вт

Ta= 40 ° C - тут ми прикинули, що атмосферна температура рідко вище, можна взяти і 50 градусів, щоб точно було.

Підставляємо всі ці дані до закону Ома, і отримуємо Tj = 3.5*(5+2+12.5) + 40 = 108.25 °C

Це значно менше ніж граничні 150 °C. Такий радіатор можна використати. При цьому корпус радіатора грітиметься до Tc = 3.5*12.5 + 40 = 83.75 °C. Така температура вже здатна розм'якшити деякі пластики, тому потрібно бути обережним.

Вимір опору радіатор-атмосфера.

Швидше за все, у вас вже валяється купа радіаторів, які можна задіяти. Тепловий опір вимірюється дуже легко. Це цього потрібен опір та джерело живлення.

Ліпимо опір на радіатор, використовуючи термопасту:

Підключаємо джерело живлення, і виставляємо напругу так, щоб на опорі виділялася потужність. Краще, звичайно, нагрівати радіатор тієї потужністю, яку він розсіюватиме в кінцевому пристрої (і в тому положенні, в якому він перебуватиме, це важливо!). Я зазвичай залишаю таку конструкцію на півгодини, щоб вона добре прогрілася.

Після того, як виміряли температуру, можна розрахувати тепловий опір

Rr-a = (T-Ta)/P. Наприклад, у мене радіатор нагрівся до 81 градуса, а температура повітря – 31 градус. таким чином, Rr-a = 50/4 = 12.5 ° C/Вт.

Підкидання площі радіатора

У стародавньому довідникурадіоаматора наводився графік, яким можна прикинути площу радіатора. Ось він:

Працювати із ним дуже просто. Вибираємо перегрів, який хочеться отримати і дивимося, яка площа відповідає необхідної потужностіза такого перегріву.

Наприклад, при потужності 4Вт і перегріві 20 градусів, знадобиться 250см 2 радіатора. Цей графік дає підвищену оцінку площі, і не враховує купу факторів як примусове обдування, геометрія ребер, і т.п.

Заявлений термін служби світлодіодів нараховує десятки тисяч годин. Щоб досягти такого високого показника, не погіршивши при цьому оптичні характеристики, потужні світлодіоди необхідно використовувати у парі з радіатором. Ця стаття дозволить читачеві знайти відповіді на питання, пов'язані з розрахунком та вибором радіатора, їх модифікаціями та факторами, що впливають на відведення тепла.

А навіщо він потрібний?

Поряд з іншими напівпровідниковими приладами світлодіод не є ідеальним елементом зі 100% коефіцієнтом корисної дії(ККД). Більшість споживаної ним енергії розсіюється в тепло. Точне значенняККД залежить від типу випромінюючого діода та технології його виготовлення. Ефективність слаботочних світлодіодів становить 10-15%, а й у сучасних білих потужністю понад 1 Вт її значення сягає 30%, отже, інші 70% витрачаються тепло.

Яким би не був світлодіод, для стабільної та тривалої роботийому необхідне постійне відведення теплової енергії від кристала, тобто радіатор. У слаботочних led функцію радіатора виконують висновки (анод та катод). Наприклад, SMD 2835 виведення анода займає майже половину нижньої частини елемента. У потужних світлодіодах абсолютна величина потужності, що розсіюється, на кілька порядків більше. Тому нормально функціонувати без додаткового тепловідведення вони можуть. Постійне перегрів світловипромінюючого кристала в рази знижує термін служби напівпровідникового приладу, сприяє плавній втраті яскравості зі зміщенням робочої довжини хвилі.

Види

Конструктивно всі радіатори можна розділити на три великі групи: пластинчасті, стрижневі та ребристі. У всіх випадках основа може мати форму кола, квадрата чи прямокутника. Товщина основи має принципове значення при виборі, тому що саме ця ділянка несе відповідальність за прийом та рівномірний розподіл тепла по всій поверхні радіатора.

На форм-фактор радіатора впливає майбутній режим роботи:

• із природною вентиляцією;
• із примусовою вентиляцією.

Радіатор охолодження для світлодіодів, який використовуватиметься без вентилятора, повинен мати відстань між ребрами не менше 4 мм. А якщо ні, то природної конвекції не вистачить для успішного відведення тепла. Яскравим прикладомслужать системи охолодження комп'ютерних процесорів, де рахунок потужного вентиляторавідстань між ребрами зменшено до 1 мм.

При проектуванні світлодіодних світильників велике значенняприділяється їх зовнішньому вигляду, що надає величезний впливна форму тепловідведення. Наприклад, система відведення теплової енергії світлодіодної лампи не повинна виходити за межі стандартної грушоподібної форми. Цей факт змушує розробників вдаватися до різних хитрощів: використовувати друковані плати з алюмінієвою основою, з'єднуючи їх із корпусом-радіатором за допомогою термоклею.

Матеріали виготовлення радіаторів

В даний час охолодження потужних світлодіодіввиробляють переважно на радіаторах із алюмінію. Такий вибір обумовлений легкістю, низькою вартістю, податливістю в обробці та хорошими теплопровідними властивостями металу. Монтаж мідного радіатора для світлодіода виправданий у світильнику, де першорядне значення мають розміри, тому що мідь вдвічі краще розсіює тепло, ніж алюміній. Властивості матеріалів, які найчастіше використовуються для охолодження потужних світлодіодів, розглянемо детальніше.

Алюмінієві

Коефіцієнт теплопровідності алюмінію знаходиться в межах 202–236 Вт/м*К та залежить від чистоти металу. За цим показником він у 2,5 рази перевищує залізо та латунь. Крім цього, алюміній піддається різним видам механічної обробки. Для збільшення тепловідвідних властивостей алюмінієвий радіаторанодують (покривають у чорний колір).

Мідні

Теплопровідність міді становить 401 Вт/м*К, поступаючись серед інших металів лише сріблу. Проте мідні радіатори зустрічаються набагато рідше за алюмінієві, що обумовлено наявністю ряду недоліків:

• висока вартість міді;
• складна механічна обробка;
• велика маса.

Застосування мідної конструкції, що охолоджує, веде до збільшення собівартості світильника, що неприпустимо в умовах жорсткої конкуренції.

Керамічні

Новим рішенням у створенні високоефективних тепловідводів стала алюмонітридна кераміка, теплопровідність якої становить 170-230 Вт/м*К. Цей матеріал відрізняється низькою шорсткістю та високими діелектричними властивостями.

Із застосуванням термопластику

Незважаючи на те, що властивості теплопровідних пластмас (3–40 Вт/м*К) гірші, ніж у алюмінію, їх головними перевагами є низька собівартість та легкість. Багато виробників світлодіодних лампвикористовують термопластик виготовлення корпусу. Однак термопластик програє конкуренцію металевим радіаторам у проектуванні світлодіодних світильників потужністю понад 10 Вт.

Особливості охолодження потужних світлодіодів

Як зазначалося раніше, забезпечити ефективне відведення тепла від світлодіода можна за допомогою організації пасивного або активного охолодження. Світлодіоди потужністю споживання до 10 Вт доцільно встановлювати на алюмінієві (мідні) радіатори, так як їх масогабаритні показники матимуть прийнятні значення.

Застосування пасивного охолодження для світлодіодних матриць потужністю 50 Вт і більше стає скрутним; розміри радіатора становитимуть десятки сантиметрів, а маса зросте до 200-500 грам. В цьому випадку варто задуматися про застосування компактного радіатора разом із невеликим вентилятором. Цей тандем дозволить знизити масу та розміри системи охолодження, але створить додаткові труднощі. Вентилятор необхідно забезпечити відповідною напругою живлення, а також подбати про захисному відключенні світлодіодного світильникау разі поломки кулера.

Існує ще один спосіб охолодження потужних світлодіодних матриць. Він полягає у застосуванні готового модуля SynJet, що зовні нагадує кулер для відеокарти середньої продуктивності. Модуль SynJet відрізняється високою продуктивністю, тепловим опором не більше 2 °C/Вт та масою до 150 г. Його точні розміри та вага залежать від конкретної моделі. До недоліків варто віднести необхідність у джерелі живлення та високу вартість. В результаті виходить, що світлодіодну матрицю в 50 Вт потрібно кріпити або на громіздкий, але дешевий радіатор, або на маленький радіатор з вентилятором, блоком живлення та системою захисту.

Яким би не був радіатор, він здатний забезпечити добрий, але не найкращий тепловий контакт із підкладкою світлодіода. Для зниження теплового опору на поверхню, що контактується, наносять теплопровідну пасту. Ефективність її впливу доведена повсюдним застосуванням у системах охолодження комп'ютерних процесорів. Якісна термопаста стійка до затвердіння і має низьку в'язкість. При нанесенні на радіатор (підкладку) достатньо одного тонкого рівного шару по всій площі зіткнення. Після притиску та фіксації товщина шару складе близько 0,1 мм.

Розрахунок площі радіатора

Існують два методи розрахунку радіатора для світлодіода:

• проектний, суть якого полягає у визначенні геометричних розмірів конструкції при заданому температурному режимі;
• перевірочний, який передбачає діяти у зворотній послідовності, тобто за відомих параметрів радіатора можна розрахувати максимальну кількість теплоти, яку він здатний ефективно розсіювати.

Застосування тієї чи іншої варіанти залежить від наявних вихідних даних. У будь-якому випадку точний розрахунок – це складна математичне завданняз безліччю параметрів. Крім уміння користуватися довідковою літературою, брати необхідні дані з графіків та підставляти їх у відповідні формули, слід враховувати конфігурацію стрижнів або ребер радіатора, їх спрямованість, а також вплив зовнішніх факторів. Також варто враховувати і якість самих світлодіодів. Найчастіше у світлодіодах китайського виробництвареальні показники розходяться із заявленими.

Точний розрахунок

Перш ніж перейти до формул і розрахунків, необхідно ознайомитися з основними термінами у сфері поширення теплової енергії. Теплопровідність є процесом передачі теплової енергії від більш нагрітого фізичного тіла до менш нагрітого. Кількісно теплопровідність виражається як коефіцієнта, який показує, скільки теплоти здатний передати матеріал через одиницю площі при зміні температури на 1°K. У світлодіодних світильниках всі частини, задіяні в обміні енергії, повинні мати високу теплопровідність. Зокрема це стосується передачі енергії від кристала до корпусу, а потім до радіатора та повітря.

Конвекція – теж процес передачі тепла, що відбувається рахунок руху молекул рідин і газів. Стосовно світлодіодних світильників прийнято розглядати обмін енергією між радіатором і повітрям. Це може бути природна конвекція, що відбувається за рахунок природного переміщення повітряного потоку, або примусова, організована рахунок установки вентилятора.

На початку статті вказувалося, що близько 70% споживаної світлодіодом потужності витрачається в тепло. Щоб розрахувати радіатор для світлодіодів, необхідно знати точну кількість енергії, що розсіюється. Для цього скористаємося формулою:

P Т = k * U ПР * I ПР, де:

P Т - потужність, що виділяється у вигляді тепла, Вт;
k – коефіцієнт, що враховує відсоток енергії, яка переходить у тепло. Ця величина для потужних світлодіодів приймається 0,7-0,8;
U ПР - Пряме падіння напруги на світлодіоді при протіканні номінального струму, В;
I ПР - номінальний струм, А.

Настав час порахувати кількість перешкод, які розташовані на шляху проходження теплового потоку від кристала до повітря. Кожна перешкода є тепловим опором (termal resistance), що позначається символом (Rθ, градус/Вт). Для наочності всю систему охолодження представляють у вигляді схеми заміщення із послідовно-паралельного включення теплових опорів

Rθ ja = Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa де:

Rθ jc - тепловий опір p-n-перехід-корпус (junction-case);
Rθ cs – тепловий опір корпус-радіатор (case-surfase radiator);
Rθ sa – тепловий опір радіатор-повітря (surfase radiator-air).

Якщо передбачається встановлювати світлодіод на друковану платуабо використовувати термопасту, то також потрібно врахувати їх теплові опори. Насправді значення Rθsa можна визначити двома способами.

Rθ ja - опір p-n-перехід-повітря;
T j – максимальна температура p-n-переходу (довідковий параметр), ° C;
Ta – температура повітря поблизу радіатора, °C.

Rθ sa = Rθ ja -Rθ jc -Rθ cs , де Rθ jc та Rθ cs – довідкові параметри.

Знайти із графіка «залежність максимального теплового опору від прямого струму».

За відомим Rθ sa вибирають стандартний радіатор. При цьому паспортне значення теплового опору має бути трохи меншим за розрахунковий.

Приблизна формула

Багато радіоаматорів звикли використовувати у своїх саморобках радіатори, що залишилися від старої електронної апаратури. При цьому вони не бажають заглиблюватись у складні обчислення та купувати дорогі новинки імпортного виробництва. Як правило, їх цікавить лише питання: «Яку потужність може розсіяти наявний алюмінієвий радіатор для світлодіодів?»

Пропонуємо скористатися простою емпіричною формулою, що дозволяє отримати прийнятний результат розрахунку: Rθ sa =50/√S, де S – площа поверхні радіатора см 2 .

Підставляючи в цю формулувідоме значення сумарної площі тепловідведення з урахуванням поверхні ребер (стрижнів) та бічних граней, отримуємо його тепловий опір.

Допустиму потужність розсіювання знаходимо з формули: P т = (T j -T a) / Rθ ja .

Наведений розрахунок не враховує багато нюансів, що впливають на якість роботи всієї системи охолодження (спрямованість радіатора, температурні характеристики світлодіоду тощо). Тому отриманий результат рекомендується множити коефіцієнт запасу – 0,7.

Радіатор для світлодіода своїми руками

Зробити алюмінієвий радіатор світлодіодів 1, 3 або 10 Вт своїми руками нескладно. Спочатку розглянемо просту конструкцію, на виготовлення якої потрібно близько півгодини часу та кругла пластина завтовшки 1-3 мм. По колу через кожні 5 мм роблять надрізи до центру, а сектори, що вийшли, злегка загинають, щоб готова конструкціянагадувала крильчатку. Для кріплення радіатора до корпусу у кількох секторах роблять отвори. Трохи складніше зробити саморобний радіатордля 10 ватного світлодіода. Для цього знадобиться 1 метр алюмінієвої смуги шириною 20 мм та товщиною 2 мм. Спочатку смугу розпилюють ножівкою на 8 рівних частин, які потім складають чаркою, просвердлюють наскрізь і стягують болтом із гайкою. Одну із бічних граней шліфують під кріплення світлодіодної матриці. За допомогою стамески смуги розгинають у різні боки. У місцях кріплення світлодіодного модуля свердлять отвори. На відшліфовану поверхню наносять термоклей, зверху прикладають матрицю, фіксуючи її шурупами.

Дешеві тепловідвідники для аматорських саморобок

Спеціально для радіоаматорів, які люблять експериментувати з різними матеріаламидля відведення тепла і при цьому не хочуть витрачати гроші на дорогі готові вироби, дамо кілька рекомендацій щодо пошуку та виготовлення радіаторів своїми руками. Для охолодження світлодіодних стрічокі лінійок чудово підійде меблевий профіль із алюмінію. Це можуть бути напрямні для шаф-купе або кухонна фурнітура, залишки якої можна купити за собівартістю у меблевому магазині.

Для охолодження світлодіодних матриць 3-10 Вт підійдуть радіатори з радянських магнітофонів та підсилювачів, яких більш ніж достатньо на радіоринках кожного міста. Також можна використовувати запчастини від старої оргтехніки.

Саморобне охолодження для 50 Вт світлодіода можна зробити з радіатора від несправної бензопили, газонокосарки, розпиливши на кілька частин. Купити такі запчастини можна у ремонтних майстернях за ціною брухту. Звичайно, про естетичні якості світлодіодного світильника можна забути.

Читайте також

У фізиці, електротехніці та атомній термодинаміці є відомий закон - струм, що протікає по дротах, нагріває їх. Придумали його Джоуль і Ленц, і мали рацію - так воно і є. Все, що працює від електрики, так чи інакше частина енергії, що проходить, передає в тепло.

Так уже вийшло в електроніці, що найбільш об'єктом нашого навколишнього середовища, що страждає від тепла, є повітря. Саме повітрі деталі, що нагріваються, передають тепло, а від повітря потрібно прийняти тепло і кудись подіти. Втратити, наприклад, або розсіяти собою. Процес віддачі тепла ми з вами назвемо охолодженням.

Наші електронні конструкції теж розсіюють чимало тепла, одні – більше, інші – менше. Гріються стабілізатори напруги, гріються підсилювачі, гріється транзистор, керуючий релюшкою або навіть просто дрібним світлодіодом, хіба що гріється зовсім небагато. Гаразд, якщо гріється небагато. Ну, а якщо він смажиться так, що руку тримати не можна? Давайте пошкодуємо його і спробуємо якось йому допомогти. Так би мовити, полегшити його страждання.

Згадаймо пристрій батареї опалення. Так, так, та сама звичайна батарея, що гріє кімнату взимку і на якій ми сушимо шкарпетки та футболки. Чим більша батарея, тим більше теплабуде в кімнаті, так? По батареї протікає гаряча водавона нагріває батарею. У батареї є важлива річ- Кількість секцій. Секції контактують із повітрям, передають йому тепло. Так ось, чим більше секцій, тобто чим більша площа батареї, тим більше тепла вона може нам віддати. Приваривши ще кілька секцій, ми зможемо зробити тепліше нашу кімнату. Щоправда, гаряча вода в батареї може охолонути, і сусідам нічого не залишиться.

Розглянемо пристрій транзистора.

На мідній основі (фланці) 1 на підкладці 2 закріплений кристал 3 . Він підключається до висновків 4 . Вся конструкція залита пластмасовим компаундом 5 . У фланця є отвір 6 для встановлення на радіатор.

Ось це по суті та сама батарея, подивіться! Кристал гріється, це як гаряча вода. Мідний фланець контактує із повітрям, це секції батареї. Площа контакту фланця та повітря – це місце нагрівання повітря. Повітря, що нагрівається, охолоджує кристал.

Як зробити кристал холоднішим? Влаштування транзистора ми змінити не можемо, це зрозуміло. Творці транзистора про це теж подумали і для нас, мучеників, залишили єдину доріжку до кристала – фланець. Фланець - це як одна-єдина секція у батареї - смажити смажить, а тепла повітря не передається - невелика площа контакту. Ось тут надається простір нашим діям! Ми можемо наростити фланець, припаяти до нього ще "парачку секцій", тобто велику мідну пластинку, благо фланець сам мідний, або ж закріпити фланець на металевій болванці, яка називається радіатором. Благо отвір у фланці підготовлений під болт з гайкою.

Що таке радіатор? Я тверджу вже третій абзац про нього, а до пуття так нічого й не розповів! Гаразд, дивимося:

Як бачимо, конструкція радіаторів може бути різною, це і платівки, і ребра, а ще бувають голчасті радіатори та інші, досить зайти в магазин радіодеталей і пробігтися по полиці з радіаторами. Радіатори найчастіше роблять із алюмінію та його сплавів (силумін та інші). Мідні радіатори кращі, але дорожчі. Сталеві та залізні радіатори застосовуються тільки на дуже невеликій потужності, 1-5Вт, оскільки вони повільно розсіюють тепло.

Тепло, що виділяється в кристалі, визначається за дуже простою формулоюP=U*I, де P - потужність, що виділяється в кристалі, Вт, U = напруга на кристалі, В, I - сила струму через кристал, А. Це тепло проходить через підкладку на фланець, де передається радіатору. Далі нагрітий радіатор контактує з повітрям і тепло передається йому як наступному учаснику системи охолодження.

Подивимося на повну схемуохолодження транзистора.

У нас з'явилися дві штуки – це радіатор. 8 та прокладка між радіатором та транзистором 7 . Її може і не бути, що і погано, і добре водночас. Давайте розумітися.

Розповім про два важливі параметри – це теплові опори між кристалом (або переходом, як його ще називають) і корпусом транзистора – Rпк та між корпусом транзистора та радіатором – Rкр. Перший параметр показує, як добре тепло передається від кристала до фланця транзистора. Для прикладу, Rпк, що дорівнює 1,5 градусів Цельсія на ват, пояснює, що зі збільшенням потужності на 1Вт різниця температур між фланцем і радіатором буде 1,5 градуса. Іншими словами, фланець завжди буде холоднішим за кристал, а наскільки - показує цей параметр. Чим він менший, тим краще теплопередається фланцю. Якщо ми розсіюємо 10Вт потужності, то фланець буде холодніше кристала на 1,5 * 10 = 15 градусів, а якщо ж 100Вт - то на всі 150! А оскільки максимальна температура кристала обмежена (не може він смажитись до білого гартування!), фланець треба охолоджувати. На ці ж 150 градусів.

Наприклад:
Транзистор розсіює 25Вт потужності. Його Rпк дорівнює 1,3 градуса на ват. Максимальна температура кристала 140 градусів. Отже, між фланцем і кристалом буде різниця 1,3*25=32,5градуса. А оскільки кристал неприпустимо нагрівати вище 140 градусів, від нас потрібно підтримувати температуру фланця не гарячіше, ніж 140-32,5 = 107,5 градусів. Ось так.
А параметр Rкр показує те саме, тільки втрати виходять на тій самій горезвісній прокладці 7. У неї значення Rкр може бути набагато більше, ніж Rпк, тому, якщо ми конструюємо потужний агрегат, небажано ставити транзистори на прокладки. Але все ж таки іноді доводиться. Єдина причина використовувати прокладку - якщо потрібно ізолювати радіатор від транзистора, адже фланець електрично з'єднаний із середнім виведенням корпусу транзистора.

Ось розгляньмо ще один приклад.
Транзистор смажиться на 100Вт. Як завжди, температура кристала - трохи більше 150 градусів. Rпк у нього 1градус на ват, та ще й на прокладці стоїть, у якої Rкр 2 градуси на ват. Різниця температур між кристалом і радіатором буде 100 * (1 +2) = 300 градусів. Радіатор потрібно тримати не гарячіше, ніж 150-300 = мінус 150 градусів: Так, дорогі мої, це той самий випадок, який врятує лише рідкий азот: вжес!

Набагато легше живеться на радіаторі транзисторам та мікросхемам без прокладок. Якщо їх немає, а фланці чистенькі і гладкі, і радіатор виблискує блиском, та ще й покладена теплопровідна паста, параметр Rкр настільки малий, що його просто не враховують.

Охолодження буває двох типів - конвекційне та примусове. Конвекція, якщо пам'ятаємо шкільну фізику, Це самостійне поширення тепла Так само і конвекційне охолодження – ми встановили радіатор, а він сам там якось із повітрям розбереться. Радіатори конвекційного типу встановлюються найчастіше зовні приладів, як у підсилювачах, чи бачили? З боків дві металеві пластинчасті штуковини. Зсередини до них пригвинчуються транзистори. Такі радіатори не можна накривати, закривати доступ повітря, інакше радіатору не буде куди подіти тепло, він перегріється сам і відмовиться приймати тепло у транзистора, який довго думати не буде, перегріється теж і: самі розумієте що буде. Примусове охолодження - це коли ми примушуємо повітря активніше обдувати радіатор, пробиратися його ребрами, голками і отворами. Тут ми використовуємо вентилятори, різні канали повітряного охолодженнята інші способи. Так, до речі, замість повітря легко може бути і вода, і масло, і навіть рідкий азот. Потужні генераторні радіолампи часто охолоджуються проточною водою.

Як розпізнати радіатор – для конвекційного він чи примусового охолодження? Від цього залежить його ефективність, тобто як швидко він зможе остудити гарячий кристал, який потік теплової потужності він зможе через себе пропустити.

Дивимося фотографії.

Перший радіатор – для конвекційного охолодження. Велика відстаньміж ребрами забезпечує вільний потік повітря та хорошу тепловіддачу. На другий радіатор згори одягається вентилятор і продуває повітря крізь ребра. Це примусове охолодження. Зрозуміло, використати скрізь можна і ті, й ті радіатори, але все питання – у їхній ефективності.
У радіаторів є 2 параметри – це його площа (у квадратних сантиметрах) та коефіцієнт теплового опору радіатор-середовище Rрс (у Ваттах на градус Цельсія). Площа вважається як сума площ всіх його елементів: площа основи з обох сторін + площа пластин з обох сторін. Площа торців основи не враховується, то там квадратних сантиметрівну зовсім небагато буде.

Приклад:
радіатор з прикладу вище конвекційного охолодження.
Розміри основи: 70х80мм
Розмір ребра: 30х80мм
Кількість ребер: 8
Площа основи: 2х7х8=112кв.см
Площа ребра: 2х3х8 = 48 кв.см.
Загальна площа: 112 +8 х48 = 496 кв.см.

Коефіцієнт теплового опору радіатор-середовище Rрс показує, на скільки збільшиться температура повітря, що виходить з радіатора, при збільшенні потужності на 1Вт. Наприклад, Rрс, що дорівнює 0,5 градуса Цельсія на Ватт, говорить нам, що температура збільшиться на півградуса при нагріванні на 1Вт. Цей параметр вважається триповерховими формулами і нашим котячим розумам ну ніяк не під силу: Rрс, як і будь-який тепловий опір у нашій системі, чим менше, тим краще. А зменшити його можна по-різному - для цього радіатори чорнять хімічним шляхом (наприклад, алюміній добре затемнюється в хлорному залозі- не експериментуйте вдома, виділяється хлор!), Ще є ефект орієнтувати радіатор у повітрі для кращого проходження його вздовж пластин (вертикальний радіатор краще охолоджується, ніж лежачий). Не рекомендується фарбувати радіатор фарбою: фарба – зайвий тепловий опір. Якщо тільки трохи, щоб темно було, але не товстим шаром!

У додатку є невелика програма, в якій можна порахувати приблизну площу радіатора для мікросхеми або транзистора. За допомогою нього розрахуємо радіатор для якого-небудь блоку живлення.

Схема блоку живлення

Блок живлення видає на виході 12Вольт при струмі 1А. Такий самий струм протікає через транзистор. На вході транзистора 18В, на виході 12В, значить, на ньому падає напруга 18-12 = 6В. З кристала транзистора розсіюється потужність 6В * 1А = 6Вт. Максимальна температура кристала у 2SC2335 150 градусів. Давайте не експлуатуватимемо його на граничних режимах, виберемо температуру менше, для прикладу, 120 градусів. Тепловий опір перехід-корпус Rпк у цього транзистора 1,5 градусів Цельсія на ват.

Оскільки фланець транзистора з'єднаний з колектором, давайте забезпечимо електричну ізоляціюрадіатора. Для цього між транзистором та радіатором покладемо ізолюючу прокладку з теплопровідної гуми. Тепловий опір прокладки 2градус Цельсія на ват.

Для хорошого теплового контакту капнемо трохи силіконової олії ПМС-200. Це густе масло з максимальною температурою+180градусів, воно заповнить повітряні проміжки, які обов'язково утворюються через нерівність фланця і радіатора і покращить передачу тепла. Багато хто використовують пасту КПТ-8, але й багато хто вважає її не найкращим провідником тепла.
Радіатор виведемо на задню стінкублоку живлення, де він охолоджуватиметься кімнатним повітрям+25градусів.

Всі ці значення підставимо в програму і порахуємо площу радіатора. Отримана площа 113 кв.см – це площа радіатора, розрахована на тривалу роботублоку живлення в режимі повної потужності- Довше 10годин. Якщо нам не потрібно стільки часу ганяти блок живлення, можна обійтися меншим, але помассивним радіатором. А якщо ми встановимо радіатор усередині блоку живлення, то відпадає потреба в ізолюючій прокладці, без неї радіатор можна зменшити до 100 кв.

А взагалі, дорогі мої, запас кишеню не тягне, чи всі згодні? Давайте думати про запас, щоб він був і в площині радіатора, і в граничних температурах транзисторів. Адже ремонтувати апарати та міняти пересмажені транзистори доведеться не комусь, а вам самим! Пам'ятайте про це!

Відразу скажемо - науково-обґрунтованої методики для розрахунку радіаторів, що охолоджують, не існує. З цього приводу можна написати не одну дисертацію або монографію (і написані, і багато), але варто змінити конфігурацію охолодних ребер або стрижнів, розташувати радіатор не вертикально, а горизонтально, наблизити до нього будь-яку іншу поверхню знизу, зверху або збоку - все зміниться, та іноді кардинально. Саме тому виробники мікропроцесорів або процесорів для відеокарт воліють не ризикувати, а постачати свої вироби радіаторами з вентилятором - примусове обдування, навіть слабеньке, підвищує ефективність тепловідведення в десятки разів, хоча здебільшогоце зовсім не потрібно (але вони чинять за законом «краще перебдіти, ніж недомогти», і це правильно). Тут ми наведемо лише кілька емпіричних способів, які виправдали себе на практиці і годяться для того, щоб розраховувати пасивні (тобто без обдування) радіатори для подібних підсилювачів або для аналогових джерел живлення, про які йтиметься в наступному розділі.

Мал. 8.4. Типовий пластинчастий радіатор

Спочатку розглянемо, як розраховувати площу радіаторів, виходячи з їхньої геометрії. На рис. 8.4 схематично показаний типовий пластинчастий радіатор. Для розрахунку його площі потрібно до площі його підстави додати сумарну площу його ребер (також з кожного боку). Якщо нижньою стороною радіатор притискається до плати, то краще вважати робочою тільки один бік основи, але ми припустимо, що радіатор «висить» у повітрі (як часто буває) і тому площа основи подвоюється: Socn-'^-LyLi. Площа одного ребра (теж із двох сторін) Sp = 2-Lyh, але до цієї величини потрібно ще додати бічні поверхні ребра, площа яких дорівнює SQoK = 2'hd. Ребер всього 6, тому загальна площарадіатора дорівнюватиме S = Soctt + 6-5р + б-б'бок. Нехай L1 = 3 см, I2 = 5 см, Л = 3 см, 5 = 0,2 см, тоді загальна площа такого радіатора буде 145 см. Зрозуміло, це наближений розрахунок (МЦ не врахували, скажімо, бічну поверхнюоснови), але для наших цілей точність і не потрібна.

Ось два емпіричні способи для розрахунку розсіюваної потужності в залежності від площі поверхні, і нехай мене не надто суворо засудять за те, що жодних особливих наукових викладок ви тут не побачите.

Спосіб перший і найпростіший: площа охолоджуючого радіатора повинна становити Юсм на кожен ват потужності, що виділяється. Так що радіатор із наведеними на рис. 8.4 розмірами, згідно з цим правилом може розсіяти 14,5 Вт потужності-якраз під наш підсилювач з деяким запасом. І якщо вас не тиснуть розміри корпусу, то ви можете обмежитися цим прикидним розрахунком.

Мал. 8.5. Ефективний коефіцієнт тепловіддачі ребристого радіатора за умов вільної конвекції за різної довжини ребра: 1 - /7 = 32 мм; 2 - / 7 = 20 мм; 3 - / 7 = 12,5 мм

Для оцінки теплової потужності радіатора можна використовувати формулу Ж = азфф-е.5, де:

W-потужність, що розсіюється радіатором, Вт;

Аэфф- ефективний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м^°С (див. графік на рис. 8.5);

0 - величина перегріву поверхні, що тепловіддає, °С, Q = Т^- Tq^ (Гс- середня температура поверхні радіатора, Держ - температура навколишнього середовища);

S- повна площатепловіддаючої поверхні радіатора, м1

Зверніть увагу, що площа в цю формулу підставляється в квадратних метрах, а не сантиметрів.

Отже, приступимо: спочатку задамося бажаним перегріванням поверхні, вибравши невелику величину, рівну 30 °С. Грубо кажучи, можна вважати, що за температури навколишнього середовища 30 °С, температура поверхні радіатора складе 60 °С. Якщо врахувати, що різниця між температурою радіатора і температурою кристала транзистора або мікросхеми при хорошому тепловому контакті (про який нижче) може становити приблизно 5 °С, це прийнятно для практично всіх напівпровідникових приладів. Висота ребер h у нас становить 30 мм, тому користуємося верхньою кривою на графіку рис. 8.5 звідки дізнаємося, що величина коефіцієнта тепловіддачі складе приблизно 50 Вт/м^°С. Після обчислень отримаємо, що W = 22 Вт. За найпростішим правилом ми отримали 14,5 Вт, тобто, провівши більш точні розрахунки, ми можемо дещо зменшити площу, тим самим заощадивши місце в корпусі. Однак повторимо, якщо місце нас не тисне, то краще завжди мати запас.

Радіатор слід розташовувати вертикально, і ребра також повинні бути вертикально (як на малюнку), а поверхню його слід пофарбувати в чорний колір. Я ще раз хочу нагадати, що всі ці розрахунки дуже приблизні, і навіть сама методика може змінитися, якщо ви поставите радіатор не вертикально, а горизонтально або забезпечте голчастими радіаторами ребрами замість пластинчастих. До того ж, ми ніяк не враховуємо тут тепловий опір переходів кристал-корпус і корпус-радіатор (просто припустивши, що різниця температур становитиме 5 °С).

Тим не менш, зазначені методи дають хороше наближення до істини, але якщо ми не забезпечимо хороший тепловий контакт, всі наші розрахунки можуть піти нанівець. Просто щільно притиснути гвинтом транзистор до радіатора, конемно можна, але тільки в тому випадку, якщо поверхня радіатора в місці притиску ідеально плоска і добре відшліфована. Майже цього ніколи не буває, тому радіатор у місці притиску змащують спеціальною теплопровідною пастою. Її можна купити в магазинах, а іноді тюбик з такою пастою прикладають до кулерів для мікропроцесорів. Змащувати треба тонким, але рівномірним шаром, не переборщувати у кількості. Якщо на один радіатор ставляться два прилади, у яких колектори знаходяться під різною напругою^ то під корпус потрібно прокласти ізолюючу прокладку, під гвинти кріплення - ізолюючі пластикові шайби, а на самі гвинти надіти відрізок ізолюючої кембрикової трубки довжиною, що дорівнює товщині радіатора в місці отвору ( рис. 8.6).

Мал. 8.6. Кріплення транзистора в корпусі ТО-220 до радіатора при необхідності ізоляції: 1 - радіатор; 2 - отвір у радіаторі; 3 - ізолюючі шайби; 4 - гвинт, що стягує; 5 – гайка; 6 - ізолююча трубка; 7 - слюдяне прокладання; 8 – пластмасова частина корпусу транзистора; 9 – металева частина корпусу транзистора; 10 - висновки транзистора

Найзручніші ізолюючі прокладки - слюдяні, дуже хороші прокладки з анодованого алюмінію (але за ними треба уважно стежити, щоб не подряпати тонкий шар ізолюючого оксиду) і з кераміки (які, втім, досить крихкі і можуть тріснути при дуже сильному натиску). До речі, через відсутність фірмових прокладок можна використовувати тонку фторопластову (але не поліетиленову, зрозуміло!) плівку, стежачи за тим, щоб її не прорвати. При встановленні на прокладку теплопровідна паста наноситься тонким шаромна обидві поверхні - і транзистор, і радіатор.