V predošlej časti článku pod názvom "Základné vzťahy pre výpočty chladenia" sme si vysvetlili základy výpočtu chladiča pre chladenie elektronických komponentov. Teraz sa pozrieme na ich konštrukčné vyhotovenie.

Prevedenie chladičov sa líši podľa ich veľkosti a hlavne aj podľa spôsobu upevnenia. Môžeme ich zhruba rozdeliť na chladiče upevnené :

• na tranzistore (malé)
• na doske plošných spojov (stredná)
• na skrini prístroja (veľké).

Iba malé a ľahké chladiča môžu byť nasadené na tranzistor bez ďalších upevňovacích prvkov. Ale aj v tomto prípade je vhodné použiť pre zvýšenie stability tranzistoru dištančnú podložku, ktorá znemožní ohnutie prívodov. Vývody (nožičky) tranzistorov slúžia na pripojenie, nie sú navrhnuté pre mechanické namáhanie! Chladič musí byť upevnený k doske, alebo doska k chladiču vhodným mechanickým spojením (skrutky, nity, spájkovacie kolíky). Najmä u zariadení, ktoré budú podrobené chveniu alebo vibráciám, musí byť toto spojenie úplne spoľahlivé.

Príklady prevedenia chladičov

1. Malé chladiace prvky:

a) "zástavka"
b) "hviezdička", pružný plech, fosforového bronzu
c) hviezdicový Al profil
d) "hviezdička Al", zvislá

2. Chladiče stredný, upevnené na doske:

a) chladič "U"
b) chladič "U" zvisle upevnený v doske
c) dvojitý profil "U"
d) "prstový" štvorcový chladič

3. Chladiče veľké, z ťahaných hliníkových profilov:

a) doska rovnobežná s chladičom
b) doska upevnená uholníkom z plechu
c) hliníkový uholník pre prenos tepla

Vyhotovenie ťahaných profilov pre chladiče

a) tvar chladiča pre prirodzené chladenie
b) tvar chladiča, vhodný pre nútené chladenie

Poznámky ku konštrukčnému prevedeniu:

Ad 1. Malé chladiace prvky:

Používajú sa k zlepšeniu tepelného režimu malých tranzistorov, ktoré majú väčšinou valcovité puzdro. Pozor: Kovové puzdra sú väčšinou spojená s kolektorom! Je nutné vylúčiť možnosť skratu na chladič.

1. Jednoduchý chladiaci prvok možno vytvoriť z prúžku plechu. Stočený koniec má priemer trochu menší, než púzdro tranzistora. Na tranzistor sa nasadí, môže sa zaistiť lepidlom.
2. Hviezdicovitý chladič z pružinového fosforbronzového plechu umožní nasadenie s veľkým presahom, drží vlastnou pružnosťou. Je vhodné použiť dištančné podložku a vývody tranzistora zahnúť a dobre zaspájkovať.
3. Hviezdicovitý chladič z ťahaného hliníkového profilu má väčšiu hmotnosť a preto by mal byť upevnený napr. pomocou skrutky a dištančného stĺpika. Vývody sa spájkujú po namontovaní chladiča. Pre vylúčenie namáhania vývodov je možné ho prehnúť do tvaru mierneho S.
4. Niektoré profily hviezdicových chladičov majú jedno zosilnené rebro a tým je možné ich namontovať na dosku priamo. Vývody sú prístupné pre meranie.

Ad 2. Chladiče na upevnenie na dosku plošných spojov:

Používajú sa pre tranzistory s plochým puzdrom, ktoré je určené pre montáž na chladič. Zvyčajne neslúži k plnému využitiu tranzistora s maximálnym stratovým výkonom. Pri použití izolačných podložiek môžu byť
uzemnené, čo je vhodné pre prípadné zníženie elektromagnetického rušenia. Chladiče sú väčšinou vyrobené z hliníkového plechu (duralu). Pri prototypovej výrobe sa používajú súvislé profily tvaru U. Predávané chladiče
majú bočné steny delené do úzkych zástaviek, ktoré dovoľujú lepšie prúdenie vzduchu a zmenšujú rozdiely pri rôznych pracovných polohách. Chladiče U sa majú montovať tak, aby v pracovnej polohe bola ich drážka zvisle.

1. Chladič tvaru U možno montovať priamo na dosku. Jedinou skrutkou sa upevní chladič na dosku a tranzistor na chladič. Zaberá značnú plochu dosky. Vhodná montáž pre zvislo umiestnené dosky.
2. Chladič U je možné montovať kolmo k doske. Zaberá na doske menšiu plochu, je nutné jrho dobré mechanické upevnenie. To sa vykonáva pomocou plochých výstupkov, ktoré sa zasunú do obdĺžnikových otvorov v doske a ich konce sa skrútia (bezpečnejšie ako zahnutie). Predávané chladiča majú tiež kolíky pre upevnenie prispájkovaním a sú skôr vhodnejšie pre dosky s vodorovnou pracovnou polohou.
3. Dvojitý alebo viacnásobný chladič tvaru U sa používa tam, kde nie je po ruke vhodný profil. Zdvojenie hrúbky profilu pod tranzistorom zlepší prestup tepla do chladiča, je však nutné, aby styčné plochy boli rovné. Pre lepší prestup tepla je možno použiť aj tepelne vodivou pastu.
4. "Prstový" chladič je zvyčajne štvorcový, na všetkých stranách obvode sú vytvorené úzke, navzájom presadené zástavky (prsty). Pri danom objeme má dobrú účinnosť a možno ich montovať v prakticky ľubovoľnej polohe.

Ad 3. Chladiče z ťahaných hliníkových profilov:

Tieto chladiče väčšinou tvoria zadnú stenu prístroja a sú s ňou pevne mechanicky spojené. Preto je nutné montovať tranzistory s izolačnou podložkou, výnimkou sú integrované obvody a tranzistory s izolovanou plochou styku. Vývody tranzistorov neslúžia k mechanickému upevneniu a nemajú byť mechanicky namáhané. Doska musí byť preto pevne zmontovaná s chladičom a vývodmi tranzistorov majú byt tvarované tak, aby umožnili vyrovnanie tepelných dilatácií. Pri kusovej výrobe sa doska zmontuje s chladičom, tranzistory sa priskrutkujú na chladič s patrične tvarovanými vývody a v tomto usporiadaní sa zapájajú.

1. Dosku možno upevniť na chladič pomocou dištančných stĺpikov a tranzistory vyhnúť do patričnej polohy. Zostáva tak ovšem málo miesta pre ďalšie súčiastky. Ak sa tranzistor má montovať zo strany spojov, je nutné na to pamätať pri návrhu obrazca spojov. Sú skôr vhodné pre menšie dosky (stabilizátory a pod.). Je rovnako potrebné tiež pamätať na otvory pre priskrutkovanie dosky!
2. Chladené tranzistory sú vyrovnané na okraji dosky, mechanické upevnenie zaisťujú uholníky na okrajoch dosky. Toto je bežné upevnenie integrovaných výkonových zosilňovačov elektroakustických prístrojov. Doska je upevnená k chladiču pomocou uholníkov.
3. Dosku plošných spojov a uholník pre odvod tepla je možné kompletne zmontovať a potom priskrutkovať na chladič. Izolačná podložka môže byť medzi uholníkom a chladičom. Pri tomto type je náročná výroba uholníka a je nutné dodržať rovinnosť styčných plôch. Do výpočtu je preto potrebné zahrnúť aj tepelný odpor uholníka. V niektorých prípadoch môže byť toto prevedenie výhodné.

Voľba profilu

Profil chladiča má zabezpečiť dobrý prestup tepla z tranzistora do telesa chladiča a z chladiča do okolitého vzduchu. Prestup tepla z tranzistora do telesa chladiča závisí na hrúbke materiálu v mieste upevnenia chladeného komponentu. Preto sú vhodné chladiče so zosilnením v mieste styku (dvojitý plechový profil U - (1c), chladič pre nútené chladenie, prevedenie b)). Praktická poučka pre prirodzené chladenie hovorí, že drážka chladiča je účinná len do hĺbky, ktorá sa približne rovná jej šírke. U hlbokých drážok je prúdenie vzduchu brzdené tak, že sa hlbšie časti drážok na výslednej účinnosti chladiča prakticky nepodieľajú. Preto by pre prirodzené chladenie mali byť výhodnejšie chladiče sa širokými drážkami podľa prevedenia a). Z porovnania chladičov podľa údajov katalógu vyplýva, že vplyv tohto pravidla je zrejmý, ale zníženie účinnosti sa uplatní až pri väčšej dĺžke chladiča. Pri krátkych chladičoch s hlbokými drážkami, sa dosahuje nižší výsledný tepelný odpor. Takéto chladiče zaberajú väčší objem, ale zaberajú menšiu plochu. Ďalším aspektom voľby je aj cena. Pri nútenom chladení preháňa ventilátor vzduch prakticky celou plochou drážky a zväčšenie plochy vedie k zmenšeniu výsledného tepelného odporu. Pri špeciálnych profiloch vypĺňajú rebrá približne polovicu prierezu vzduchového kanála. Ventilátor preháňa vzduch celým prierezom medzery a tým sa dosiahne dobrá účinnosť chladenia. Pri návrhu núteného chladenia je nutné poznať pracovné charakteristiky ventilátora, vplyv odporu rebier pre prúdenie a ďalšie údaje. Preto sa zvyčajne používajú typové chladiace jednotky od špecializovaných firiem.

Nútené chladenie

U prirodzeného chladenia sa predpokladá, že vzduch, ktorý sa v styku s chladičom ohrieva, stúpa hore, vzniká prirodzené prúdenie, ktorým je teplo z chladiča odvádzané. Pri nútenom chladenií je prúdenie vnútené ventilátorom. S rýchlosťou vzduchu sa zvyšuje odvádzané teplo z chladiča a jeho tepelný odpor sa tým zníži. Katalógy uvádzajú grafy tejto závislosti. Pretože ide o experimentálne určené vzťahy, pripúšťajú rôzni riešitelia iná zjednodušenie a krivky sa do určitej miery líšia.

Ako hrubé pravidlo môžeme uviesť: pri rýchlosti 1,5 m / s sa tepelný odpor zníži na polovicu, pri 3 m / s asi na tretinu, pri 6 m / s na pätinu a ďalej sa prakticky nemení.

Množstvo vzduchu, potrebné pre chladenie možno odvodiť z merného tepla vzduchu. Merné teplo plynov sa udáva pre grammolekulu (mol) plynu. Za normálnych podmienok (tlak, teplota) môžeme pre približné výpočty brať ako približnú hodnotu merného tepla 1 J / l.K. Potom môžeme napr. odhadnúť, že pre odvedenie stratového výkonom 1 kW musíme zariadením preháňať 40 l / s a ​​rozdiel teploty vstupného a výstupného vzduchu bude potom 25 ° C. Vo väčších nadmorských výškach je vzduch redší a účinnosť chladenia klesá. Preto býva v technických podmienkach zariadení uvedená aj prípustná nadmorská výška.

Príklad usporiadania jednotky núteného chladenia.

Čisto nútené chladenie.

Na zabezpečenie rovnakej rýchlosť prúdenia okolo rebier chladiča po celom ich povrchu, umiestňujú sa chladiace profily do chladiacich kanálov, ktorými ventilátor preháňa vzduch potrebnou rýchlosťou. Je jasné, že pri zastavení ventilátora by prudko stúpla teplota chladiča a došlo by k zničeniu drahých súčiastok alebo i celého zariadenia. Funkcia ventilátora musí byť preto strážená a pri zastavení sa zariadenie vypne. V priemyselných aplikáciách sú tieto strážne obvody pravidlom. V spotrebnej elektronike (počítače) sa spolieha na spoľahlivosť ventilátora. Väčšie jednotky sa obvykle montujú zvisle, aby prirodzená ventilácia podporovala ventiláciu nútenú. Pri tomto spôsobe chladenia je potrebné zabezpečiť, aby sa na chladiči zabránilo usadzovaniu nečistôt, ktoré by znemožnili odvod tepla. Preto sa pred ventilátor zaraďuje vzduchový filter, ktorý nečistoty zachytí. Ten sa však v prašnom prostredie zanáša a znižuje množstvo chladiaceho vzduchu a musí sa tiež čistiť. Zariadenie s núteným chladením teda vyžaduje pravidelnú údržbu.

Zmiešané chladenie

Najmä u zariadení s premenlivým stratovým výkonom (výkonové zosilňovače akustických zariadení) je vhodné použiť zmiešané chladenie. V tomto prípade nie je chladič úplne uzavretý, ale môže vyžarovať určitý výkon do priestoru. Potom možno použiť obvody pre kontrolu teploty chladiča, ktoré spínajú ventilátor až vtedy, keď teplota dosiahne určitú hranicu. Výhody tohto usporiadania sú zrejmé: Keď napr. výkonový akustický zosilňovač dáva len malý výkon, stačí prirodzené chladenie a šum ventilátora neruší hudobnú produkciu. Keď akustický výkon stúpne, zopne sa ventilátor, ale akustický výkon je tak veľký, že je šum ventilátora bezpečne zamaskovaný. U ventilátorov s jednosmerným napájaním možno tiež plynule regulovať otáčky v závislosti na teplote. Pomocou prepážok v skrini možno prúd vzduchu usmerniť, takže ventilátor chladí celú skriňu.

Príklad konštrukcie zmiešaného chladenia.

Ďalší diel : Príklady výpočtu chladenia