Aušinimo radiatoriai
kaip ir su kuo jie valgomi

   Tikriausiai visi, kurie kažką pakonstruoja yra susidūrę su šilumos išsklaidymo problema. Kartais ta problema tampa rimta, jeigu sklaidomos šilumos kiekis didelis. Elektronikos detales ar puslaidininkius prisukame prie aušinimo radiatorių - aliuminių profilių, metalinių korpuso detalių, varinių plokštelių ir pan. Taip šilumą sklaidančio šaltinio kaistantis plotas, arba jo sąlytis su oru stipriai padidėja. Apskaičiuoti reikalingą pasyvų aušintuvą nėra labai sunku. Straipsnelyje skaičiavimai supaprastinti, bet jeigu konstruojate ne kosminį laivą - puikiai tiks. Šis straipsnelis - apie pasyvių aušinimo radiatorių parinkimą.

Terminė varža:

   Terminė varža žymima Rth (thermal resistance. ang.), arba fi ir gali būti išreikšta kaip Rth=deltaT/deltaP. Čia Rth naudojame kaip terminius omus. Temperatūrą T matuojam Kelvinais K, o galingumą P - vatais. Vienas kelvinas (toliau K) tai tas pats kaip laipsnis (toliau °C).
   Terminės varžos idėja yra paprasta ir bus labiau suprantama jeigu įsivaizduosite uždarą kambarį, kuriame yra šildymo elementas ir kambarį sušildo iki temperatūros T1. Už kambario ribų, arba lauke yra lauko temperatūra T2. Sienos turi savo terminę varžą Rth. Jeigu mes žinome sienų Rth, tuomet galime paskaičiuoti kiek šilumos prarandame iš kambario į lauką. Gerai izoliuota siena turi aukštą terminę varžą, tad mažai kambario šilumos patenka į lauką. DeltaP=deltaT/Rth. Šilumos neprarandame visai, jeigu deltaT=0. Šiais laikais dauguma pastatų turi, sakykim, dvigubas sienas, o tarpas tarp jų yra pripildytas kažkokia tai izoliacija. Tokios sienos konstrukcijos terminė varža Rth yra keletas terminių varžų Rth sujungtų nuosekliai:

Nuosekli varža:

   Tokiu pat būdu susideda ir terminė varža puslaidininkiuose (tranzistoriai, diodai, mikroschemos etc.). Paveikslėlyje pavaizduotas galingas tranzistorius sumontuotas ant aušinimo radiatoriaus.

   Pirmoji terminė varža yra Rth.j-mb. Skirtingos raidės žymi tam tikrą atskaitos tašką. Šiuo atveju j-junction (sandūra, arba dar vadinama kristalu), mb-mounting base (montavimo padas, tranzistoriaus padas). Parašymą Rth.j-mb skaitome kaip "šiluminė varža tarp kristalo ir montavimo pado". Sekanti varža Rth.mb-h (mounting base - heatsink, arba montavimo padas - aušinimo radiatorius). Kaip matote paveikslėlyje, į šią reikšmę įskaičiuojame izoliacinės tarpinės, ir pavyzdžiui, termo pastos šilumines varžas. Toliau seka terminė varža Rth.h-a (heatsink - ambient, arba aušinimo radiatorius - aplinka). Taigi šios šiluminės varžos jungiamos nuosekliai ir rodo vieną varžą - Rth.j-a (junction - ambient, arba kristalas - aplinka), kurią galime parodyti schematiškai:

Kaip pradėti:

   Prieš imantis skaičiuoti, ieškome karščiausio taško mūsų aušinimo grandinėje. Tai bus, aišku, tranzistoriaus kristalas. Jo maksimalią darbo temperatūrą galime surasti datasheet'uose internete.

   Pavyzdžiui galios tranzistoriaus 2SC5200 Tj (temperature junction, arba kristalo temperatūra) yra 150°C (Operating junction temperature). Termo varža junction - case (case - tranzistoriaus korpusas. Mes naudojame junction - mounting base, bet tai tas pats) yra Rth.j-c "Thermal resistance junction-case" max 0.83 °C/W. Ši varža yra didžiausia ir maksimali skaičiuojant kaip tranzistorius sklaido šilumą su aušinimo radiatoriumi (Rth.j-mb (arba Rth.j-c), bet ne Rth.j-a (aušinimas į aplinką be radiatoriaus).

   Taigi Rth.j-a yra kristalo šiluminė varža į aplinką be aušinimo radiatoriaus.
Rth.j-mb, arba kaip jau pastebėjote, nurodoma ir kaip Rth.j-c yra kristalo šiluminė varža į korpusą / tranzistoriaus padą naudojant jį su aušinimo radiatoriumi. Šis parametras dažniausiai nurodomas datasheet'uose. Keletas populiarių tranzistorių korpusų ir termo varžų:

   TO-18 / Rth.j-a - 500 / Rth.j-mb - 200
   TO-92 / Rth.j-a - 300 / Rth.j-mb - 150
   TO-39 / Rth.j-a - 200 / Rth.j-mb - 12,5
   TO-126 / Rth.j-a - 100 / Rth.j-mb - 5
   TO-220 / Rth.j-a - 70 / Rth.j-mb - 2
   TO-3 / Rth.j-a - 40 / Rth.j-mb - 1,5
   TO-218, SOT-93 / Rth.j-a - 40 / Rth.j-mb - 1,3
   TO-264 / Rth.j-a - ??? / Rth.j-mb - 0,9

   Šiluminės varžos dydis-  K/W arba °C/W.

   Šiluminė varža Rth.mb-h priklauso nuo to ar yra kas nors tarp tranzistoriaus pado ir radiatoriaus. Tai gali būti izoliacinė tarpinė, termo pasta ir pan. Populiariausios tarpinės būtų šios:

   Jokios tarpinės / Rth.mb-h - 0.05-0.2 °C/W
   Termo pasta / Rth.mb-h - 0.005-0.1 °C/W
   Aliuminio oksido tarpinė su termo pasta / Rth.mb-h - 0.2-0.6 °C/W
   Žėrutis (0.05 mm) su termo pasta / Rth.mb-h - 0.4-0.9 °C/W
   Silikoninė tarpinė be termo pastos / Rth.mb-h - 0.84-0.88 °C/W

   (Skaičiai yra bendri ir gali skirtis priklausomai nuo informacinio šaltinio, arba gamintojo)

   Tepdami termo pastą nepersistenkite. Nereikia tepti kaip sviestą ant sumuštinio. Termo pasta skirta užpildyti mikro griovelius, tad beveik permatomas užtepimas tiks puikiai. Perkant tarpinę, šiais laikais dažnai galima gauti gamintojo informacijos apie konkretų tipą. Jeigu informacijos nėra - vadovaujamės anksčiau paminėtomis termo varžomis. Žėrutis nebrangus ir lengvai skyla į dalis. Iš vienos plokštelės galima atskelti net keletą plonesnių tarpinių. Aš visuomet skeliu. Taip daro ir dauguma kitų elektronikos mėgėjų. Pasitreniruokit ir pavyks.

   Aušinimo radiatorių šiluminė varža būna nurodyta gamintojo ir ji paprastai apskaičiuota radiatoriui vertikaliai (sparneliai vertikalūs) kabant ore ir esant juodai anoduotam. Tai reiškia, kad radiatorius ne ant stalo padėtas, o ir jo padas yra atviras aplikai. Konstruojant tas padas paprastai atsiduria korpuso viduje, o korpusas padėtas ant stalo, apribojant orą iš apačios. O jeigu mes dar radiatorių pakreipiam horizontaliai? Taigi visuomet sekame gamintojo rekomendacijas, arba:

   Toks pats radiatorius, tik natūralaus aliuminio / Rth.h-a + 10-15%
   Horizontaliai montuojamas radiatorius / Rth.h-a + 15-20% 

   Grįžkime šiek tiek prie kristalo temperatūros. Mano, kaip už pavyzdį imto, tranzistoriaus kristalo darbo temperatūra - 150°C. Atkreipkit dėmesį, jog tai darbo temperatūra, bet ne maksimali kristalo temperatūra. O tranzistoriaus 2N3055 datasheet'e randame tokį parašymą: "Operating and Storage Junction Temperature Range Tj, Tstg − 65 to +200°C. Šis gali dirbti iki 200 laipsnių kristalo temperatūros. Vis dėl to rekomenduoju pasirinkti saugesnę ribą, kuri būtų 100-150°C. Nenaudokite ir neskaičiuokite ties maksimaliomis ribomis.

Praktinis pavyzdėlis:

• Mano tranzistoriukas turi išsklaidyti 15W galingumą į šilumą. Namuose radau Fisher SK 04/50/SA aušinimo radiatorių, kurio šiluminė varža  2.5 K/W. Taigi ar planuodamas prisukti tranzistorių prie šio anoduoto aliuminio radiatoriaus ir naudodamas žėrutį su termo pasta kaip tarpinę galiu jį pasirinkti? Radiatoriaus maksimali temperatūra pakils (Rth.h-a+Rth.tarpinė)*15W. (2.5+0.9)*15=51°C plius kambario temperatūra: 51°C+25°C=76°C. Tranzistoriaus kristalo temperatūra pakils (Rth.h-a+Rth.tarpinė+Rth.j-mb)*15W. (2.5+0.9+2)*15=81°C plius kambario temperatūra: 81°C+25°C=106°C. Taigi radiatorius įkais iki 76 laipsnių, ir pats tranzistoriaus kristalas iki 106 laipsnių.
   

• Kitoks skaičiavimas: Mes jau žinome formulę: Tj-Ta=deltaP*(Rth.j-mb+Rth.mb-h+Rth.h-a). Tranzistoriaus MJE3055, TO-220 korpuse "absolute maximum junction temperature - 150°C" randame datasheet'e.  Imu grubiai ir junction temperature sumažinu iki man saugesnės ribos - 105°C. Taip tikiuosi, kad tranzistorius ilgiau gyvens. Aplinkos temperatūra - 25 laipsniai (čia kambario temperatūra, nes čia ir naudosiu, sakykim, stiprintuvą). Temperatūrų skirtumas Tj-Ta yra 105-25=80°C. Taip pat žinau, kad mano tranzistorius bus apkrautas 15W, kuriuos sklaidys į šilumą. Ką dar žinome prieš viską įstatant į formulę? Žinome tranzistoriaus korpuso tipą: TO-220 - Rth.j-mb yra 2°C/W. Taip pat žėrutis su termo pasta: Rth.mb-h - 0.4-0.9 °C/W. Viską įstatę į formulę gauname: 80°C=15W*(2°C/W+0.9 °C/W+Rth.h-a). Vienintelė aušinimo radiatoriaus šiluminė varža yra nežinoma. Ją apskaičiuojame ir gauname Rth.h-a=2,44°C/W. Štai mums ir reikia radiatoriaus su tokia šilumine varža arba mažesne.

   Kaip minėjau anksčiau, priklausomai nuo aušinimo radiatoriaus montavimo reikia "primesti" 10%-20% paklaidas tam, kad aušinimas vyktų sklandžiai. Įvairūs gamintojai vis dar pateikia aušinimo radiatoriaus ploto dydį, bet daug svarbiau žinoti šiluminę varžą. Štai ir visas supaprastintas skaičiavimas.

Tai įdomu:

   Ne tik galingi puslaidininkiai dirbdami užkaista iki aukštos temperatūros. Pavyzdžiui dažnai sutinkamas TO-92 korpusėlis (BC547 ir panašūs) turi šiluminę varžą apie 300°C/W grynam orui be aušinimo radiatoriaus. Jie normaliai gali sklaidyti apie 350mW. Tad jeigu jam paduosim 250mW, tai kambario temperatūroj apie 25°C jo kristalas įkais iki stebėtinų 100°C!

   Geriausios tarpinės yra ne žėručios ir net ne aliuminio oksido, bet berilio oksido. Jos naudojamos aukšto dažnio stiprintuvuose. Pavyzdžiui Švedijoje tokios net neparduodamos nes yra pakankamai nuodingos. Tie, kurie keliauja į kitas šalis atlikti prietaisų patikrą ar remontą turėtų būti susipažinę, kad šių tarpinių dulkės nuodingos. Sutrupėjus tarpinei dulkės patenka į organizmą kvėpavimo takais ir gali sukelti chronišką berilio oksido apsinuodijimą ar astmines problemas. Pastoviai uostant, neabejotinai iššauks vėžį. Kartais ir termo pastose berilio oksidas naudojamas kaip sudedamoji dalis.

   Sėkmės konstruojant ir linkiu neperkaisti.

Informaciją parengė:  Mindaugas Jankūnas

Informacijai naudota:

Heatsink Basics Electus Reference Data Sheet: Heatsink.pdf (1)
http://www.johnhearfield.com/Eng/Heatsinks.htm
http://www.learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers51.php
Faktasidor Elfa Distrelec
Kylelement: När och hur de skall användas. Allt om elektronik.
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_resistance
ir kita...

2014.01.06