[h=2]Dobór radiatorów[/h] Wskazówki dotyczące amatorskiego doboru radiatora do chłodzenia elementów półprzewodnikowych. Zależność pomiędzy rezystancją cieplna radiatora i mocą wydzieloną na radiatorze można opisać wzorem:
Rthra + Rthjc + Rther = (Tc-To)/P
Gdzie:
Rthra - rezystancja cieplna radiatora podana przez producenta
Rthjc - rezystancja cieplna pomiędzy złączem półprzewodnikowym, a zewnętrzną stroną obudowy elementu; jest podawane przez producentów elementów półprzewodnikowych
Rther - rezystancja cieplna styku pomiędzy elementem półprzewodnikowym i radiatorem
Przykładowo:
- bezpośrednie przykręcenie tranzystora do radiatora Rther = 0,8-2°C/W
- przykręcenie z podkładką mikową 0,05mm obustronnie posmarowaną pastą silikonową Rther = 0,6-2°C/W
- przykręcenie bez podkładki ze smarem silikonowym 0,1-0,3°C/W
Tc - temperatura złącza półprzewodnika - podawana przez producenta - ok. 150°C
To - temperatura otoczenia np. 25°C
P - moc wydzielana na elemencie półprzewodnikowym
Przykład:
W BD249 przepływa 25A przy spadku napięcia 1,8V (1,8V spadek napięcia na tranzystorze, podany w karcie katalogowej) = 45W ciepła
Rthc (całkowita) = (150°C-25°C)/45W = 2,78°C/W
Dla BD249 producent podaje Rthjc = 1°C/W, zakładając że przykręcimy tranzystor bezpośrednio do radiatora z pastą silikonową i uzyskamy Rther = 0,3°C/W
Rthc = Rthra + Rther + Rthjc
znając rezystancję cieplną całkowitą i dwie składowe, wyliczamy rezystancję cieplną radiatora
Rthra = Rthc - Rther - Rthjc = 2,78°C/W - 1°C/W - 0,3°C/W = 1,48°C/W
Rthra - Rezystancja radiatora wyszła nam 1,48°C/W
Takie obliczenia należy traktować jako przybliżone, bo radiator ma podaną swoją rezystancję cieplną dla ustawienia pionowego w wolnej przestrzeni. W obudowie będzie pracował słabiej.
[h=2]Rozpraszanie ciepła od radiatora[/h] Ciepło dostarczone punktowo do radiatora rozchodzi się przez przewodzenie po całym radiatorze. Przewodzenie ciepła w uproszczonym układzie cylindrycznego pręta, izolowanego po obwodzie można opisać wzorem:
P = S x La x (T1-T2)/L
Gdzie:
P - moc przewodzonego ciepła w W
S - pole przekroju poprzecznego elementu przewodzącego w m2
La - przewodnictwo właściwe W/m°C
T1-T2 - różnica temperatur na obu końcach przewodzenia.
L- odległość na której jest przewodzone ciepło. Widać ze wzoru że przewodnictwo ciepła jest wprost proporcjonalne do pola przekroju przewodzącego i do różnicy temperatur a odwrotnie proporcjonalne do odległości na której następuje przewodzenie. Można z tego wnioskować, że należy umieszczać chłodzony element na środku radiatora, żeby skrócić drogę dla przewodzonego ciepła, i jeżeli wybierzemy radiator grubszy, będzie lepsze przewodzenie.
Poniżej przykładowe wartości przewodnictwa właściwego La:
materiał La(W/m°C)
aluminium 238,6
miedź 394
stal 48
cyna 67
srebro 408
krzem 45,2
szkło 0,8
drewno 0,2
powietrze 0,02
grafen 5000
Radiator oddaje ciepło do otoczenia przez konwekcję i promieniowanie. Konwekcja polega na oddawaniu ciepła do przepływającego powietrza, którego ruch pionowy jest wywołany unoszeniem się do góry cieplejszego powietrza, nagrzanego przez radiator.
Wydajność konwekcji wzrasta ze wzrostem:
- różnicy temperatur pomiędzy radiatorem i powietrzem
- ze wzrostem powierzchni wymiany ciepła
- ze zwiększeniem długości pionowej radiatora
Przy zastosowaniu wymuszonego przepływu powietrza można rezystancję termiczną radiatora obniżyć.
Przykład modułu chłodzącego z wentylatorem:
DY-HAW nr 27190 0,36°C/W z wentylatorem 80x80x25 97m2/h
DY-HA nr 32103 bez wentylatora Rth = 1°C/W
Radiator 6621-12 nr 27216 Rth= 0,17*C/W z wentylatorem 120x120x38 161m2/h
Radiator 6621-12 nr 26843 bez wentylatora dł. 120mm Rth= 0,6°C/W
Wypromieniowanie ciepła wzrasta:
- ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy radiatorem i otoczeniem
- ze wzrostem powierzchni, która może wypromieniować ciepło na zewnątrz; powierzchnia międzyżebrowa nie ma wpływu na wypromieniowanie ciepła,
- ze wzrostem współczynnika emisyjności:
aluminium polerowane - 0,05
aluminium chropowate - 0,06
miedź polerowana - 0,02
miedź utleniona - 0,65
aluminium czernione - 0,90
W przypadku stosowania konwekcji wymuszonej, zmniejsza się udział ilości ciepła wypromieniowanego do całkowitego ciepła oddanego przez radiator. Dla czernionych radiatorów, należy pamiętać o zwiększaniu rezystancji cieplnej radiatora, przez dodanie oporu cieplnego przejścia przez warstwę tlenków z barwnikiem. Dlatego miejsce styku radiatora z chłodzonym elementem, powinno być wyszlifowane do czystego aluminium.