Fórum
Prihláste sa k svojmu účtu, pokiaľ ho máte. Alebo kliknite tu pokiaľ ho ešte nemáte a prajete si ho vytvoriť - je to jednoduché a získate mnoho výhod.

1. Základné vzťahy pre výpočty chladenia

1. Základné vzťahy pre výpočty chladenia

Táto päťdielna séria článkov vznikla zo snahy o vytvorenie praktického vodítka pre návrh chladenia elektronických súčiastok. Technika vedenia tepla je samostatný odbor s rozsiahlym a komplikovaným matematickým aparátom. Elektronické súčiastky však väčšinou pracujú v obmedzenom rozsahu teplôt, preto sú prípustné značné zjednodušenia pre riešenie ich chladenia sa vžil súbor jednoduchých postupov, ktoré používajú linearizované prvky (tepelné odpory).
Tieto hodnoty výrobcovia chladičov uvádzajú v katalógoch svojich výrobkov. Postup výpočtu je analogický s princípmi riešení elektrických obvodov.

V základnej časti (1 - 3) sú používané tieto vzorce a hodnoty. Pretože otázky chladenia prinášajú ďalšie záludnosti pri posudzovaní výsledkov, sú v nasledujúcej časti uvedené niektoré podrobnosti a príklady ich použitia v praktických prípadoch chladenia (4 - 5).

Obsah jednotlivých častí

  • 1. Základné vzťahy pre výpočty chladenia

Obsahuje definíciu tepelného odporu a kapacity, vymedzenie a vplyvy jednotlivých prvkov náhradného obvodu, postup jednoduchého výpočtu chladenie s jedným zdrojom tepla, zložitejšie výpočty s niekoľkými zdrojmi tepla
a tiež vplyv tepelnej kapacity.

  • 2. Konštrukčné vyhotovenie chladičov

Uvádza príklady prevedenie chladičov pre rôzne výkony, účely a umiestnenia, pokyny pre montáž a upevnenie súčiastok, základné usporiadanie pre nútené chladenie.

  • 3. Príklady výpočtu chladenia

Rôzne aspekty pri výpočte chladenia sa dajú najlepšie vysvetliť na príkladoch. Sú zvolené príklady s rôznym stratovým výkonom, s rozličnými typmi chladičov a zdrojmi tepla. Je uvedený postup určenia tepelného zaťaženia
tranzistorov s malým výkonom, stabilizačných prvkov a integrovaných koncových stupňov pre elektroakustické zariadenia. Príklady sú riešené pre prirodzené chladenie. V príkladoch sú riešené podmienky ako pre normálny
pracovný stav, tak stratový výkon a tepelné podmienky pri skrate na výstupe. Jednotlivé problémy sú v príkladoch uvedené ako otázky a po príslušných výpočtoch je vždy uvedená odpoveď.

  • 4. Obmedzenia stratového výkonu pri skrate

Z riešenia skratových podmienok vyplynulo, že je potrebné bližšie opísať metódy ochrany elektronických súčiastok pred preťažením pri skrate. Sú uvedené metódy s obmedzením výstupného prúdu, s vnútorným obmedzením
výkonu integrovaného obvodu a so spätným zahnutím výstupné charakteristiky (foldback) a príklady výpočtu.

  • 5. Podrobnejšie súvahy o chladení

Obsahujú vzťahy pre šírenie tepla vedením, sálaním a prúdením, vrátane aplikácií pri chladení elektronických prvkov. Podrobnejšie vzťahy pre nútené chladenie a použitie údajov k chladiacim jednotkám a ventilátorom.
Príklady šírenia tepla medzi konštrukčnými prvkami a doskou. Tabuľka tepelných hodnôt vybraných materiálov.

Základné vzťahy pre výpočty chladenie

Pri každom reálnom prenose a transformácii energie dochádza k stratám, časť energie sa mení na energiu tepelnú. Výnimkou nie sú ani elektronické súčiastky. Vznikom tepla stúpa teplota, so zmenou teploty sa menia
parametre súčiastky a pri prekročení určitej medze dôjde k nezvratným zmenám. Z katalógov možno získať údaje o maximálnej prípustnej teplote alebo o dovolenom stratovom výkone. Táto časťsa bude zaoberať významom
týchto medzných parametrov a popíše postupy, ktoré vedú k ich dodržaniu. Správna činnosť polovodičových výkonových prvkov je zaručená len vtedy, keď nie je prekročená maximálna teplota prechodu. Povolený stratový výkon súčiastky je udávaný pre ideálne chladenie a určitú teplotu okolia.

Súčiastka však zvyčajne musí pracovať pri vyššej teplote okolia a s reálnym chladením, ktoré môže byť podstatne nižšie ako ideálne. Pre tieto podmienky je nutné určiť prípustný stratový výkon, pri ktorom nebude prekročená
teplota prechodu ani v najhoršom prípade. Keď sa tento výkon ďalej zníži, je súčiastka menej namáhaná a zvyšuje sa jej spoľahlivosť a tým aj spoľahlivosť celého zariadenia. Dodržanie tepelných režimov má teda v elektronických výrobkoch zásadný význam.

Výkon, teplo, teplota.

Keď sa v hmotnom telese stráca výkon, zvyšuje sa tepelná energia v jeho objeme a stúpa jeho teplota. Keby bolo teleso dokonale izolované (kalorimeter), stúpala by jeho teplota lineárne. Rýchlosť zvyšovanie teploty závisí
na dodávanom výkone, hmotnosti telesa a špecifickom teple materiálu. Z neizolovaného telesa prechádza teplo do okolia, je odvádzané buď do ďalšieho pevného telesa (chladič), alebo do okolitého priestoru (vzduch). Prenos tepelnej energie sa zvyšuje s rozdielom teploty medzi telesom a okolím. Pri určitej teplote telesá sa odvádzaný výkon rovná výkonu privádzanému, teplota ďalej nestúpa a je dosiahnutý ustálený stav. Pomocou odvádzaného výkonu a rozdielu teplôt je definovaný tepelný odpor.

kde:

ϑa teplota okolia [K (°C)]
ϑm teplota telesa [K (°C)]
P odvádzaný výkon [W]
tepelný odpor [K /W (°C/W)]

Pri dodaní energie A do telesa s hmotnosťou m, z látky so špecifickým teplom c, vzrastie jeho teplota o Δϑ. Pri dodávanom výkone P bude rýchlosť zmeny:

kde:

c merná energia látky [J/kg]
m hmotnost telesa [kg]

Súčin c.m sa nazýva tepelná kapacita telesa. Staršia jednotkou množstva tepla je kalória.  Je definovaná ako množstvo tepla pre zvýšenie teploty 1 g vody o 1 °C pri 15 °C (1 cal15). Okrem toho bola definovaná medzinárodnou jednotkou kalórie: 1 calIT = 1/860 Wh (medzinárodná Wh - Watthodina). V niektorých prameňoch sú staršie jednotky kalórie a kilokalórie stále používané. Prevod: 1 calIT = 4,1868 J.

Postup pri riešení tepelných pomerov elektronických súčiastok

Výpočet vychádza zo stratového výkonu, ktorý vzniká v systéme polovodičovej súčiastky (PN prechod diódy, stabilizačné diódy, bipolárneho alebo unipolárneho tranzistora, v systéme integrovaného obvodu). Vzniknuté teplo
sa musí zo systému odviesť do puzdra, z ktorého sa cez vhodnú styčnú plochu prevádza do chladiča. Chladič musí byť navrhnutý tak, aby všetok výkon vyžiaril do okolitého priestoru. Pre bežné výpočty sa predpokladá, že
sme schopní charakterizovať každý z týchto úsekov zjednodušeným spôsobom. Používame analógia s elektrickými obvodmi tým, že uvažujeme ako náhradnými lineárnymi prvkami tepelných odporov jednotlivých úsekov.
Zdrojom tepelného toku je stratový výkon, ktorý na tepelnom odpore vyvolá rozdiel teplôt. Pripočítaním všetkých rozdielov teplôt k teplote okolia dostaneme predpokladanú teplotu prechodu pri zaťažení daným výkonom. Zvyčajne
sa používajú skratky a indexy z anglicky alebo nemecky písaných katalógov.

Index     Veličina Názov
j junction prechod (PN) ϑj teplota prechodu
c case púzdro ϑc teplota púzdra
s heatsink chladič ϑs teplota chladiča
a ambient okolie ϑa teplota okolia
      Rϑjc tepelný odpor vnútorný
      Rϑcs tepelný odpor styku s chladičom
G Gehäuse púzdro Rϑsa tepelný odpor chladiča
K Kühlkörper chladič celkový tepelný odpor (= Rϑjc+ Rϑcs+ Rϑsa)
U Umgebung okolie Cϑs tepelná kapacita púzdra
      Cϑc tepelná kapacita chladiča

 

Náhradná schéma tepelného okruhu pre ustálený stav (neuplatnia sa kapacity):

 

Z tohto obvodu možno pre ustálený stav dosadiť do vyššie uvedeného vzorca známej hodnoty ϑj, ϑa a P a dostaneme hodnotu výsledného tepelného odporu. Podľa katalógových hodnôt vyberieme súčasti, ktoré spĺňajú rovnicu:

Rϑjc+ Rϑcs+ Rϑsa ≤ Rϑ

Ak môžeme použiť katalógovej hodnoty polovodičového prvku a chladiča, je návrh ukončený. Pretože však údaje nebývajú vždy dostupné a pri technickom návrhu je vhodné pokryť ďalšie súvislosti, budú jednotlivé časti okruhu prebrané podrobnejšie.
U súčiastok s malým stratovým výkonom nie je zvyčajne potrebné používať chladič (c). Udávaný tepelný odpor predstavuje celkový tepelný odpor medzi prechodom a okolím Rϑja.

Popis častí náhradného tepelného okruhu

Tepelný odpor vnútorný (Rϑjc)
V katalógu môže byť u danej súčiastky uvedený priamo vnútorný tepelný odpor, alebo býva uvádzaný jeho maximálny stratový výkon pri ideálnom chladení, pri určitej teplote puzdra (zvyčajne 25 °C) a tiež maximálna teplota
prechodu ϑj max. Vnútorný tepelný odpor sa potom vypočíta zo vzťahu:

Rϑjc = (ϑj max - ϑa) / Ptot

Pri zvýšenej teplote okolia sa musí stratový výkon znížiť. Väčšinou je zníženie predpísané grafom, ktorého príklad je na nasledujúcom obrázku:

Pre tranzistor je udaný dovolený stratový výkon 20 W pri teplote puzdra 25 °C. Maximálna teplota prechodu je 125 °C. Keď sa pri zaťažení zvýši teplota puzdra na 50 °C, môže byť stratový výkon už len 15W. Pri tejto teplote puzdra totiž teplota prechodu dosiahne práve 125 °C. Táto priama redukcia stratového výkone platia pre prevedenie c) (Bez chladiča). Pre vyhotovenie s chladičom (b) sa z týchto hodnôt vypočíta vnútorný tepelný odpor a použije sa pre návrh chladiča.
Poznámka:
Hodnota Ptot bez údaje o medznej teplote okolia, pre ktorú platí, je pre výpočty bezcenná.

Tepelný odpor styku s chladičom (Rϑcs)

Hodnota tohto tepelného odporu závisí na veľkosti plochy styku, kvalite opracovanie styčných plôch, použitia izolačných podložiek a teplovodivých pást. Pri priamej montáži na rovnú plochu chladiča možno počítať s hodnotou
niekoľkých desatín K / W, izolačné podložky ju trochu zvyšujú. Hodnoty tepelného odporu podložiek udávajú niektorí výrobcovia v katalógu. Podložky sa vyrábajú zo sľudy alebo z umelých hmôt. Pre obzvlášť náročná použitie sa
vyrábajú špeciálne podložky z keramiky Al2O3,, ktoré sa vyznačujú vyššou tepelnou vodivosťou. Niektoré súčiastky majú plochu pre montáž na chladič izolovanú od systému a montujú sa na chladič priamo.
Pre zlepšenie tepelného styku sa na styčné plochy nanáša silikónová vazelína, alebo špeciálne pasty, ktoré majú prísady pre zlepšenie tepelnej vodivosti. Smerné hodnoty tepelných odporov styku puzdra s chladičom sú v nasledujúcej tabuľke (podľa katalógu chladičov Fischer):

Prevedenie  Tepelný odpor [K / W]

priamy styk, bez tepelne vodivé pasty

0,05 ÷ 0,2

priamy styk, s tepelne vodivou pastou

0,005 ÷ 0,1

podložka z keramiky Al2O3, s pastou

0,2 ÷ 0,6

silikónová guma, s pastou (puzdro TO3)

0,34 ÷ 0,45

sľuda 0,05 mm, s pastou

0,4 ÷ 0,9

 

Tepelný odpor podložky závisí aj na ploche puzdra (podľa katalógu tranzistorov ECA):

Púzdro + podložka (sľuda 0,1 mm) Suchý styk S pastou
TO-3, TO-41 1,5 K/W 0,6 K/W
TO-66, SOT-9 3 K/W 1,5 K/W
TO-126, SOT-32 10 K/W 6 K/W

 

Tepelný odpor chladiča (Rϑsa)

Okrem výpočtov v predchádzajúcej časti je nutné mať pri návrhu chladiča na zreteli ešte ďalšie vplyvy. Pri konštrukcii zariadenia sú to aj obvykle údaje maximálnych pracovných teplôt. Pre normálne podmienky v miernom pásme sa počíta s teplotou okolia maximálne 35 °C. Táto teplota bude platiť pre chladiče, umiestnené na vonkajších stenách prístroja (Väčšinou na zadnej stene). Malé chladiča, umiestnené priamo na doskách plošných spojov, budú pracovať vo vnútri skrine, teda v prostredí, ktorého teplota môže byť zreteľne vyššia. Tu môžeme počítať s teplotou 40 °C, záleží na prevedenie skrine a na prípadnom vetraní.
Podľa bezpečnostných predpisov nemá teplota častí, prístupných dotyku, presiahnúť 60 °C. Z toho vyplýva, že tepelný spád na vonkajšom chladiči by nemal byť vyšší ako 25 °C. Tiež súčiastky vo vnútri prístroja, ktorých teplota presiahne bezpečnú hranicu, sú označované výstražnými štítkami (napr. hlavy ihličkových tlačiarní).
Návrh by mal byť vedený tak, aby tepelný odpor chladiča nebol značne menší ako vnútorný tepelný odpor, pretože potom vychádza chladič neúnosne veľký. Potom je vhodnejšie voliť prvok (tranzistor) s menším vnútorným tepelným odporom alebo zapojiť niekoľko tranzistorov paralelne. Chladič sa preto navrhuje podľa celkového výkonu. Keď sú na chladiči upevnené dva zdroje tepla, výpočet je potrebné vykonávať podľa rozšíreného náhradného zapojenia:

 


Zo zapojenia je zrejmé, že pri rovnakých tranzistoroch s rovnakým stratovým výkonom budú rovnaké aj teploty prechodov. Vnútorný tepelný odpor sa javí ako paralelný a pri rovnako veľkom chladiči je možné dosiahnuť
výhodnejších tepelných pomerov. Tranzistory by však mali byť umiestnené na chladiči symetricky. Pri väčšom počte zdrojov (tranzistorov, stabilizátorov) sa náhradné zapojenie patrične rozšíri a rieši sa známymi metódami pre
elektrické obvody.

V uvedenom postupe výpočtu sa s tepelným odporom zaobchádza ako s lineárnou veličinou. V skutočnosti však hodnota tepelného odporu závisí od podmienok, v ktorých chladič pracuje. Je ovplyvnená polohou chladiča,
možnosťou prúdenie vzduchu, alebo tiež rozdielom teploty medzi chladičom a okolím. Katalógové hodnoty sú uvádzané pre použitie podľa bežnej konštrukčnej praxe. Výrobca tieto hodnoty uvádza s istou bezpečnosťou a navyše odporúča zachovať určitý odstup od medzných hodnôt. Pri prehnanrj bezpečnosti vyjde chladič zbytočne veľký. Skutočné pracovné podmienky je možné overiť meraním. Je však nutné, aby umiestnenie snímače teploty
neovplyvnilo meranie. Pretože postup na meranie tepelného odporu nie je normalizovaný, namerané hodnoty sa preto môžu líšiť od katalógových údajov.

  • Tepelná kapacita puzdra (Cϑs)

Uplatní sa len u veľkých puzdier a pri malej hmote chladiča. Možno s ňou tiež uvažovať pri použití súčiastok bez chladiča. Prejaví sa tiež pri meraní na priebehu krivky otepľovania.

  • Tepelná kapacita chladiča (Cϑs)

Chladič je vyrobený z materiálu, ktorý má schopnosť akumulovať teplo. Táto skutočnosť má dva dôsledky:

  1. Pri návrhu zariadení s trvalým zaťažením a pri meraní tepelného odporu je potrebné brať do úvahy, že teplota stúpa podľa exponenciálny krivky. Preto je nutné voliť dostatočne dlhý čas merania, aby hodnoty boli určené po spoľahlivom dosiahnutí rovnovážneho stavu.
  2. Túto skutočnosti možno využiť pri zariadení, ktoré nie je zaťažované nepretržite plným výkonom. Pri plnom zaťaženie teplota postupne stúpa, než ale teplota chladiča vystúpi na ustálenú hodnotu, zaťaženie klesne. Pri známom spôsobe zaťažovaní potom nie je nutné vykonávať návrh pre ustálený stav, chladič vychádza menší.

Obvod môžeme riešiť známymi metódami pre riešenie elektrických obvodov. Keď zanedbáme tepelnú kapacitu púzdra, dostaneme prostý integračný článok. Pretože v našom obvode funguje zdroj výkonu P ako zdroj prúdu
v elektrickom obvode, bude časovú konštantu určovať len tepelná kapacita chladiča a jeho tepelný odpor. Tieto vedomosti môžeme využiť pri vyhodnotení otepľovacia krivky a pri návrhu chladiča pre prerušované zaťaženie.
Pri známom tepelnom odpore chladiča, známej hmotnosti a materiálu možno ľahko vypočítať časovú konštantu pre otepľovanie.

Príklad:
Chladič z hliníkovej zliatiny váži 420 g. Pri výkone 18 W bolo dosiahnuté ustáleného oteplenia 30 °C. Merné teplo hliníka je 895 J / kg. °C.

tepelný odpor: Rϑ = Δϑ / P = 30 / 18 = 1,67 °C/W
tepelná kapacita: Cϑ = c . m = 895 . 0,42 = 376 J/°C
časová konštanta: τϑ = Rϑ . Cϑ = 376 . 1,67 = 627 s = 10,5 min.

Zo známych vzťahov možno odvodiť, že podľa požadovanej presnosti bude ustálený tepelný stav chladiča dosiahnutý za 30 až 50 min. Tepelná kapacita styku puzdra a chladiča je tu zanedbaná. Zjednodušený je tiež model vnútornej tepelnej štruktúry púzdra. V technických údajoch výkonových prvkov možno nájsť náhradné zapojenie z niekoľkých sériovo spojených paralelných kombinácií RC, ktoré slúži na vyšetrovanie tepelných režimov v impulznom prevádzke.

 

Ďalší diel : Konštrukčné vyhotovenie chladičov



     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.
Webwiki Button Seo servis Diallix.net VN-Experimenty