Калькулятор радиатора для электроники

Какой радиатор укладывается в температурный запас

Силовой полупроводниковый корпус закреплён на ребристом радиаторе, рука касается его основания температурным щупом

Тепловое сопротивление θsa показывает, насколько радиатор нагреется относительно воздуха при отводе тепла. При 2 К/Вт и 20 Вт расчётный подъём температуры равен 40 К. Металлический профиль выглядит убедительно, но размеры сами по себе такого числа не сообщают.

Калькулятор находит верхнюю границу θsa, которая оставляет переход полупроводника не горячее выбранной температуры. С ней сравнивают паспортную характеристику радиатора при соответствующих условиях охлаждения. Например, результат 2,25 К/Вт означает, что 2 К/Вт укладывается в расчётный бюджет, а 2,5 К/Вт уже не укладывается. Меньшее тепловое сопротивление здесь лучше отводит тепло.

Температура перехода относится к нагревающейся области кристалла внутри прибора. Поверхность корпуса имеет другую температуру. Между переходом и воздухом находятся корпус, контактный слой и радиатор; каждый участок добавляет свой перепад температуры.

Какие значения нужны для последовательного теплового пути

В поле P вводится рассеиваемая мощность прибора, которая может отличаться от мощности нагрузки. Для резистивного участка потери определяют через мощность электрического тока. Для переключающего прибора учитывают также существенные потери при переключении.

Ta обозначает температуру воздуха у радиатора, которая в закрытом корпусе может быть выше комнатной. Допустимую Tj выбирают по документации конкретного прибора и проектному ограничению. Начальные 125 °C относятся только к примеру; это не универсальный предел для электроники.

θjc описывает путь от перехода до выбранной поверхности корпуса. В документации могут отдельно указываться сопротивления к верхней и нижней поверхностям; нужен показатель для реального направления отвода тепла. θcs относится к сборке между корпусом и радиатором: материалу интерфейса, поверхностям и креплению. Тонкая прослойка не означает нулевого сопротивления.

T_j=T_a+P(\theta_{jc}+\theta_{cs}+\theta_{sa})

\theta_{sa,\max}=\frac{T_j-T_a}{P}-\theta_{jc}-\theta_{cs}

Разность температур в градусах Цельсия численно равна разности в кельвинах. Поэтому К/Вт и °C/Вт для теплового сопротивления означают одно и то же; прибавлять 273,15 к сопротивлению не нужно. Температурный запас задают разностью, например 125−40 = 85 К. Процент от самого числа 125 °C зависел бы от выбранного нуля шкалы.

Выбор радиатора, контакта и рабочей температуры

Корпус и контакт расходуют часть температурного запаса до радиатора. Поэтому одинаковый профиль может подходить при одной нагрузке или сборке и перестать подходить после изменения условий.

Сравнение двух паспортных номиналов

При P = 20 Вт, Ta = 40 °C, выбранной Tj = 125 °C, θjc = 1,5 и θcs = 0,5 К/Вт получается θsa не более 2,25 К/Вт. Радиатор 2 К/Вт даёт Tj = 120 °C, а вариант 2,5 К/Вт даёт 130 °C. Разница всего в половину К/Вт становится разницей в 10 °C при такой мощности. Сравнение действительно, если паспортные условия радиатора соответствуют установке.

Рост потерь при другой нагрузке

Если в той же цепи потери увеличатся до 40 Вт, расчёт потребует θsa не более 0,125 К/Вт. Из общего бюджета 85/40 = 2,125 К/Вт корпус и контакт забирают 2 К/Вт. Требование ужесточается сильнее, чем простое деление прежних 2,25 пополам: уже существующие сопротивления никуда не исчезают. Старый радиатор 2 К/Вт дал бы 200 °C в этой модели.

Замена контактного слоя

Для P = 15 Вт, Ta = 30 °C и Tj = 110 °C возьмём θjc = 1 К/Вт. При θcs = 0,2 допустимый радиатор имеет до 4,13333 К/Вт. После замены интерфейса на сборку с θcs = 0,8 остаётся 3,53333 К/Вт. Радиатор 4 К/Вт подходит первому варианту и не подходит второму. При выборе интерфейса также учитывают необходимую электрическую изоляцию и крепление.

Воздух внутри корпуса

При P = 10 Вт, Tj = 100 °C, θjc = 2 и θcs = 0,5 К/Вт комнатные 25 °C дают предел 5 К/Вт. Если рядом с радиатором в работающем корпусе воздух достигает 50 °C, предел уменьшается до 2,5 К/Вт. Радиатор с паспортными 4 К/Вт нельзя оценивать по комнатной температуре, если в устройстве он получает уже подогретый воздух.

Когда радиатору не остаётся бюджета

При P = 50 Вт, Ta = 40 °C, Tj = 125 °C и сопротивлениях 1,5 плюс 0,5 К/Вт остаток равен −0,3 К/Вт. Отрицательный радиатор не существует в этой модели. Даже идеальный участок θsa = 0 дал бы 140 °C. Нужно пересмотреть потери, температуру воздуха или сопротивления предшествующих участков. Если остаток ровно нулевой, положительного допустимого θsa тоже нет.

Более низкая выбранная температура перехода

Вернём начальные 20 Вт, 40 °C и сопротивления 1,5 плюс 0,5 К/Вт, но выберем рабочую Tj = 110 °C. Максимальное θsa станет 1,5 К/Вт вместо 2,25. Это конкретное изменение условия на 15 К. Оно понятнее, чем множитель «запаса» для температуры Цельсия, и позволяет сразу сравнить варианты охлаждения с новой целью.

Где стационарной цепи недостаточно

Расчёт предполагает, что основной поток тепла проходит через выбранную поверхность корпуса к радиатору. Если значительная часть уходит через плату, нужны параллельные тепловые пути. Отдельный участок можно оценить через тепловое сопротивление металлизированных отверстий. Температуры основания и корпуса также могут быть неоднородны. Одно число θsa не описывает любую точку сложной сборки.

Сопротивления берутся для конкретных условий. Воздушный поток, ориентация рёбер, крепление и температура меняют теплообмен. Ответ с шестью значащими цифрами не делает приблизительные исходные характеристики настолько же точными. При выборе реального изделия учитывают условия его паспортного измерения и неопределённость исходных данных.

Модель не показывает время нагрева. Теплоёмкость связывает энергию с изменением температуры, но сама по себе не задаёт весь переходный процесс устройства. При проверке сборки дождитесь установления условий и учитывайте время отклика температурного датчика: раннее показание может отставать от температуры измеряемой поверхности.

Вопросы о потерях, измерениях и общих радиаторах

Несколько источников тепла, импульсная нагрузка и разные паспортные метрики меняют задачу. Их нельзя учесть простой заменой названия сопротивления в последовательной цепи.

Можно ли использовать один радиатор для нескольких приборов?

В приближении общей равномерной температуры основания радиатор принимает сумму потерь, а корпус и контакт каждого прибора проводят его собственные потери. Для 10 и 5 Вт, Ta = 30 °C и θsa = 2 К/Вт основание имеет 60 °C. Если у каждого θjc + θcs = 1,5 К/Вт, переходы будут около 75 и 67,5 °C. Подстановка только 10 Вт для общего радиатора занизит нагрев. Реальные расстояния между приборами и неоднородность основания требуют отдельного рассмотрения.

Чем θjc отличается от θja и Ψjt?

θjc относится к пути до определённой поверхности корпуса. θja характеризует систему перехода к воздуху при заданных плате и условиях измерения; это не дополнительный корпусной участок. Ψjt является параметром связи температуры перехода с температурой верха корпуса в определённых условиях, а не обычным сопротивлением всей тепловой цепи. Эти величины нельзя складывать или взаимно заменять только потому, что у них одинаковая размерность.

Как оценить потери линейного стабилизатора?

В простом расчёте нагрузочного участка P = (Vin−Vout)·I. При 12 В на входе, 5 В на выходе и 0,2 А это 1,4 Вт, тогда как нагрузка получает 1 Вт. При необходимости добавляют потери, связанные с собственным потреблением конкретной схемы. Для импульсного преобразователя такая разность напряжений, умноженная на ток нагрузки, не является общим правилом расчёта потерь.

Достаточно ли средней мощности для коротких импульсов?

Она помогает оценить длительный нагрев радиатора, но не гарантирует допустимую пиковую температуру перехода. Для длительности и повторения импульсов используют переходное тепловое сопротивление Zθ(t) и условия, указанные для прибора. Кроме теплового ограничения могут действовать другие ограничения импульсного режима. Постоянное θjc в стационарной форме не заменяет эту проверку.

Можно ли перевести К/Вт в площадь радиатора?

Универсального перевода нет. Одинаковая площадь при разных форме рёбер, расстоянии между ними, материале и воздушном потоке отдаёт тепло по-разному. Требуемое θsa сравнивают с характеристиками выбранного профиля или проверенной тепловой моделью его установки. Размеры без условий охлаждения не определяют единственное сопротивление.

Подойдёт ли паспортный номинал с вентилятором без вентилятора?

Число для принудительного потока нельзя переносить на неподвижный воздух. Нужна характеристика для соответствующей скорости потока либо естественной конвекции и ориентации. Универсальный множитель не учитывает различия профилей и установок. Отказ вентилятора также меняет тепловую задачу.

Можно ли по температуре радиатора узнать температуру перехода?

При основном отводе всего P через выбранную цепь и известной температуре основания у контакта можно приближённо прибавить P(θjc + θcs). Для основания 60 °C, P = 10 Вт и суммы 2 К/Вт получится около 80 °C. Температура конца ребра или произвольной точки корпуса не равна температуре этого узла. Если тепло заметно уходит через плату, такое восстановление по полной мощности требует иной модели.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.