Як обчислити термостійкість алюмінієвого плоского запасу

Для багатьох силових ланцюгів прийнято під'єднувати шматок алюмінієвого плоского запасу. Наскільки великим повинен бути запас?

Скажіть, що я монтую наконечник122. Найгірша умова - це падіння 24В при 3А та 50% робочого циклу. Тож воно розсіюється 36 Вт.

Дивлячись на аркуш даних, на 35 Вт, максимальна температура корпусу становить ~ 80 ° C. Припустимо температуру навколишнього середовища 25 градусів.

Температурне падіння = 35 Вт * Тр = 55 дельта або 1,57 С / Вт для плити.

Отже, яка площа поверхні мені потрібна для цього?

Чи правильно я підійшов до цього?

Цей калькулятор можна використовувати для запуску деяких цифр на плоскій тарілці (у вашій конструкції повинні бути плавники). Будьте уважні, що у вас обмежена кількість спроб, і що для цього потрібен параметр швидкості повітря. Підключіть бажану температуру корпусу від кривих зменшення, про які я пізнаю далі.

Ви застрягли в TIP122? Як щодо пакета TO-220? І TIP122, і TO-220 розроблені лише для додатків середньої потужності. Цей тип додатків краще обслуговувати би транзистором великої потужності та упаковкою з металевої банки.

Різниця між великою потужністю, середньою потужністю або малосигнальним транзистором не лише в їхніх пакетах, але і в конструкції пристрою. Максимальні значення таблиці для [TIP122 технічний опис] показують, що вона має максимальну розсіювану потужність колектора Pc 2W у повітрі 25 ° C, або 65W при Tc = 25 ° C. У другому стані передбачається, що у вас може бути нескінченний радіатор, пов'язаний з кінцевим складом тепловідводу до вкладки (технічно це стосується, але вкладка - все, що має значення) на TO-220, таким чином, що вкладка нагрівача знаходиться в 25 ° C. Навіть у такому випадку транзисторний перехід, про який ви хвилюєте, піде понад 150 ° C. Між з'єднанням і виступом існує термічний опір. (Sidenote: Я погоджуюся з jluciani - мені подобається мій кремній 125 ° C або прохолодніший). (Sidenote 2: Металеві радіатори на BJT зазвичай підключаються до колектора, тому у вас буде джерело 3A, підключений до корпусу, напругою, більшою, ніж випромінювач / земля, і не хочете, щоб воно було десь, що воно може коротшати з.)

Погляньте на криві дератизації (рис. 5 у таблиці даних TIP122):

Якщо вам потрібно розсіяти 72 Вт, ви просто не можете цього зробити. Якщо вам потрібно 36 Вт, вам доведеться тримати радіатор менше ніж на 50 ° С над навколишнім середовищем (25 ° С. Саме цей градієнт температури 50 градусів дає розсіювання потужності). Порівняйте цю криву з потужним транзистором, таким як MJ11022 [таблиця даних] :

Ваш радіатор може бути небезпечним опіком задовго до пошкодження транзистора. 72Вт відповідає майже 100 ° С вище навколишнього середовища, а 36Вт - абсолютній робочій температурі майже 150 ° С. Остерігайтеся термічного велосипедного руху, якщо хочете запустити його дуже гаряче.

Я настійно пропоную використовувати замість свого TIP122 транзистор високої потужності TO-3 або TO-204.

Напевно, вам знадобиться дуже велика тарілка або неабияка кількість рухомого повітря.

Що таке час TIP122? Якщо час роботи більше 100 мс, то ви розсіюєте 72 Вт не 36 Вт. Вам потрібно подивитися на перехідні криві теплового відгуку, щоб визначити зменшення температури.

Потрібно дозволити деякий термічний опір інтерфейсу між корпусом транзистора і мийкою (або пластиною).

Якщо припустити, що час роботи менше 1 мс ви розсіюєте 36 Вт. Переглядаючи таблицю даних On-Semi -

Rjc = 1,92 град.С / Вт макс. Абсолютна максимальна температура з'єднання = 150degC (я б не перевищував 125degC)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36

Rsa = 1,05degC / W (що погоджується з вашим розрахунком, коли ви віднімаєте Rcs)

Якщо ви подивитеся на таблиці даних постачальників радіаторів, ви можете зрозуміти розміри. Оформити замовлення http://www.aavidthermalloy.com/

Для обчислення розсіювання потужності або зміни Rθjc або Rθja в динамічному середовищі (тобто імпульсному струмі) це не такий простий процес. Ви повинні бачити так звану "Типову теплову реакцію", надану виробником. З цієї кривої можна отримати "Тимчасовий термостійкість" (нормалізований або фактичний Ζθ). У всякому разі, я не можу зараз зробити детальні розрахунки. Приблизно, в середовищі 35 ° C, якщо ви хочете відігнати 35 Вт від корпусу TO-3 і підтримувати температуру радіатора на рівні близько 55 ° C за допомогою природного охолодження, вам потрібна сіра алюмінієва пластина, товщиною 3 мм, з краєм 16 см (тобто 210 гр). Ця плита повинна вільно випромінюватись з обох сторін у вертикальному розташуванні, при цьому прилад щільно встановлений у центрі пластини. Не забудьте включити у свої розрахунки теплові втрати, спричинені при контакті двох металів. На практиці 35 Вт близька до максимальної потужності, яку можна розсіювати, використовуючи металеві пластини та природне охолодження (тобто металева пластина Al 400 см2, товщина 5 мм, 0,5 кг, у вертикальному розташуванні одна сторона вільна, або 50 Вт в обидві сторони). Вище цих повноважень вам доведеться використовувати оздоблений радіатор (природний або вимушений), який не складно розрахувати та побудувати

Це мій спосіб теплового проектування. Ніколи не розумійте поняття термічного опору. Це повно припущень !! У будь-якому випадку, якщо ви хочете продовжувати свої розрахунки за допомогою термічного опору, необхідно мати вимірювання фактичної температури корпусу як функції часу при повній або половинній навантаженні.

Я знаю, що це стара тема, але я виявив, що досліджує цю тему і хотів виправити / додати пару речей. Формула для знаходження необхідного термічного опору нагрівача, подана jluciani, в основному правильна, але не вистачає терміна для температури навколишнього середовища (Ta). Рівняння має бути:

Tj = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd + Ta

Де Tj - максимальна цільова температура стику. Я буду використовувати 125 градусів як максимальну температуру стику, щоб забезпечити запас міцності у випадку, коли температура навколишнього середовища перейде за стандартну 25 град. Це дає:

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36 +25

Rsa = (125-25) / 36 - 1,92 - 0,5 = 0,3577 град.С / Вт

Наступна частина для пошуку розміру алюмінієвої пластини, необхідної для досягнення цього низького термічного опору, набагато складніше, але цей блог https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-equation / дає дуже просте правило апроксимації великого пальця, задане:

Площа = (50 / Rsa) ^ 2 см2

На жаль, ця формула застосовується до пасивних тепловідводів із плавниками, і я вважаю, що автор зробив друкарську помилку і мав на увазі площу = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Плавники мають велике значення. Переглянувши результати цього онлайн-калькулятора https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html та аркуші даних від ряду виробників пасивного тепла, я трохи зробив кривої підгонки і придумав цю більш всеосяжну формулу парки кулі:

Площа = (20 * 1 / (1 + потік) * 1 / (0,25 + год) * 1 / Rsa) ^ 2 см2

Де витрата - це будь-який потік з вентилятора охолодження в cfm, а h - висота будь-яких плавників.

Для ситуації в ОП немає примусового охолодження, тому витрата = 0 і немає плавників, тому h = 0, а формула спрощується до:

Площа = (80 / Rsa) ^ 2

Враховуючи, що нам потрібен термічний опір <= 0,3577, розмір пластини, необхідної для охолодження транзистора в ОП, становить:

Площа = (80 / 0,3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Це, мабуть, занадто багато, щоб бути практичним.

Як зазначав Кевін Вермер, саме цей транзистор в цій службі не дуже підходить для пасивного охолодження. Однак різке зменшення розміру тепловідводу можна отримати, додавши плавники та досить скромний вентилятор охолодження, як показано на графіку внизу цього посилання https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -придатний-радіатор / # _

Якщо залишитися з плоскою тарілкою та додати досить хороший вентилятор охолодження ПК для потоку повітря 100 кубометрів, розмір пластини можна зменшити до:

Площа = (80 / (0,3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

Екструдований алюміній можна придбати довгими смужками з плавниками, використовуючи таку оброблену пластину з 3-сантиметровими плавниками, і жоден вентилятор охолодження не потребує розміру радіатора:

Площа = (20 * 1 / (0,25 + 3) * 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Нарешті, поєднання примусового охолодження плавниками 100 см3 та 3 см дає:

Площа = (17,2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Примітки:

Перепади тиску та близькість інших гарячих компонентів у шафі можуть знизити ефективність.

Потрапляння пилу може ізолювати тепловідводи і змусити вентилятори охолодження сповільнитись та вийти з ладу.

Теплові мийки, які набагато значно більші за площу контакту компонента, вони охолоджують слабку ефективність через відстань, яку тепло довелося пройти, щоб поширитися до кінцівок радіатора

Дотримуйтесь звичайних вказівок щодо забезпечення хорошого контакту з охолоджуваним компонентом, використовуючи тонкий шар підходящого теплообміну між контактними поверхнями.

До результатів цієї формули для надзвичайно малих або великих тепловідводів слід ставитися з підозрою. Наприклад, в останньому результаті радіус вентилятора охолодження набагато більший, ніж радіатор, тому більша частина повітряного потоку не буде протікати в безпосередній близькості від плавників, тому результат є підозрілим. Інакше це досить гарне наближення.

Мабуть, найкраще додати 25 градусів до будь-якої, на вашу думку, температури навколишнього повітря та відняти 25-градусний запас міцності від максимальної цільової температури компонента під час проведення розрахунків, просто щоб бути на безпечній стороні.

Не використовуйте цю формулу для проектування охолодження атомної електростанції.

Є чудова стаття в блозі, розміщена на веб- сайті http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/, яка надає детальне пояснення розрахунків, необхідних для розміру плоскої пластини використовувати як тепловідвід. Вони також надають електронну таблицю з розрахунками, однак вам потрібно буде вказати свою електронну адресу, щоб отримати посилання для завантаження.