Радиаторы и охлаждение

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон – ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы – так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.

Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.

Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни – больше, другие – меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь.

Так сказать, облегчить его страдания.

Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки . Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь – количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется.

Рассмотрим устройство транзистора.

На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3. Он подключается к выводам 4. Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5. У фланца есть отверстие

6 для установки на радиатор.

Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха – это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.

Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу – фланец. Фланец – это как одна-единственная секция у батареи – жарить жарит, а тепла воздуху не передается – маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще “парочку секций”, то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.

Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:

Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами . Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.

Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I, где P – выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I – сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.

Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.

У нас появились две штуки – это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7. Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.

Расскажу о двух важных параметрах – это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора – Rпк и между корпусом транзистора и радиатором – Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько – показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт – то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов .

К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку – если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.

Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла – не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2 градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!

Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.

Разобрались? Поехали дальше!

Охлаждение бывает двух типов – конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение – мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение – это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот.

Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.

Как распознать радиатор – для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.

Смотрим фотографии.

Первый радиатор – для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос – в их эффективности.

У радиаторов есть 2 параметра – это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет .

Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.

Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному – для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе – не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий).

Не рекомендуется красить радиатор краской: краска – лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!

В приложении есть небольшая программа, в которой можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.

Схема блока питания.

Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.

Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.

Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.

Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см – это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности – дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв. см.

А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!

Источник: www.radiokot.ru

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Биполярный транзистор	2SC2335	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Стабилитрон	BZV55-C12	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Диодный мост	KBP206G	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Электролитический конденсатор	2200мкФ 25В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Электролитический конденсатор	1000мкФ 16В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Электролитический конденсатор	100мкФ 16В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Резистор	150 Ом	1	2 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Трансформатор	220-15	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

2.

Расчет площади радиатора мощных транзисторов

Повышение температуры окружающей среды вызывает существенное изменение основных параметров и эксплуатационных характеристик транзистора; снижаются значения допустимой рассеиваемой мощности и предельные значения напряжения на электродах, возрастают обратные токи и снижается коэффициент передачи тока.

При сравнительно небольшой рассеиваемой мощности транзистор может использоваться без радиатора, если выполняется следующее условие:

где – мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

P_{к max}– максимальная мощность, рассеиваемая транзистором без теплоотвода, Т_п – максимальная температура коллекторного перехода в условиях эксплуатации, Т_с – максимально возможная температура окружающей среды, R_Т – тепловое сопротивление между кристаллом транзистора и окружающей среды [град/Вт] – справочный параметр

При > P_{к max} необходимо использовать теплоотводящий радиатор. не должно превышать P_{к max} – справочный параметр транзистора.

Радиаторы выполняются из пластин меди или алюминия толщиной 3-8 мм, либо в виде ребристых структур различной конфигурации из тех же материалов.

Расчет площади радиатора ведется следующим образом:

1. По вычисленной при электрическом расчете усилителя величине находится требуемая величина теплового сопротивления переход – среда :

2. Определяется максимально допустимое тепловое сопротивление корпус – среда :

где R_пк – тепловое сопротивление переход – корпус транзистора, которое берется из справочника или рассчитывается по следующей формуле:

.

3. Рассчитывается площадь радиатора S при естественном охлаждении:

Для улучшения теплоотдачи плоскости радиатора стараются разложить вертикально и чернят для улучшения теплопроводности. При необходимости можно использовать охлаждение с помощью вентилятора.

Расчет площади радиатора мощных транзисторов произведен в программе MathCAD и приведен в приложении 2.

Работа была посвящена расчету усилителя мощности, первый каскад которого выполнен на операционном усилителе (ОУ), а второй каскад на базе мощных транзисторов. ОУ несет в себе функцию усиления напряжения, а мощные транзисторы выходного каскада обеспечивают получение заданной мощности в нагрузке.

Поскольку, выбранная схема усилителя мощности является двухтактной ,то усиление сигнала происходит за два такта. В течение одного полупериода входного сигнала усиление осуществляется одним транзистором, другой транзистор в течение этого полупериода или его части закрыт. При следующем полупериоде входного сигнала усиление осуществляется вторым транзистором, а первый при этом закрыт.

Так же нельзя не отметить такие преимущества данной схемы, как:

высокий КПД; высокая температурная стабильность; малый коэффициент асимметрии и другие. Тем не менее, есть минусы, такие как: нелинейные искажения; трудности подбора комплементарных пар транзисторов.

Как рассчитать радиатор для транзистора

Часто, проектируя мощный прибор на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеять много тепловая мощность, измеряемая в единицах, а иногда и в десятках ватт.

Например, IGBT-транзистор FGA25N120ANTD компании Fairchild Semiconductor при правильной установке теоретически способен отдавать около 300 Вт тепловой мощности через свой корпус при температуре корпуса 25 °C! А если температура его корпуса будет 100°С, то транзистор сможет отдать 120 Вт, что тоже немало. Но для того, чтобы корпус транзистора в принципе мог отдавать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие условия работы, чтобы он не сгорел раньше времени.

Все силовые выключатели выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод – радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выходном корпусе электрически связана с одним из выводов этого устройства, например, с коллектором или со стоком транзистора.

Итак, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы держать транзистор, а в основном его рабочие переходы, при температуре не выше максимально допустимой.

Если корпус кремниевого транзистора полностью металлический, то типичная максимальная температура составляет примерно 200 °С, если корпус пластиковый, то 150 °С. Данные о максимальной температуре для конкретного транзистора легко найти в даташите. Например, для FGA25N120ANTD лучше, если его температура не превышает 125°С.

Зная все основные теплотехнические параметры, подобрать подходящий радиатор несложно. Достаточно узнать максимальную температуру среды, в которой будет работать транзистор, мощность, которую транзистору придется рассеивать, затем рассчитать температуру перехода транзистора с учетом тепловых сопротивлений кристалл-корпус, крокус -радиатор, соединения радиатор-окружающая среда, после чего остается выбрать радиатор, с которым температура транзистора будет хотя бы немного ниже максимально допустимой.

Важнейшим параметром при выборе и расчете радиатора является термическое сопротивление. Он равен отношению перепада температур на поверхности термоконтакта в градусах к передаваемой мощности.

При передаче тепла в процессе теплопроводности термическое сопротивление остается постоянным, которое не зависит от температуры, а зависит только от качества теплового контакта.

Если переходов (тепловых контактов) несколько, то термическое сопротивление перехода, состоящего из нескольких последовательных соединений, будет равно сумме термических сопротивлений этих соединений.

Итак, если транзистор установить на радиатор, то общее тепловое сопротивление при теплоотдаче будет равно сумме тепловых сопротивлений: кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-окружающая среда. Соответственно, температура кристалла находится в данном случае по формуле:

В качестве примера рассмотрим случай, когда нам необходимо подобрать радиатор на два транзистора ФГА25Н120АНТД, который будет работать в схеме двухтактного преобразователя, при этом каждый транзистор рассеивает 15 ватт тепловой мощности, которую необходимо передать в окружающую среду, т. е. от кристаллов транзисторов через радиатор – в воздух.

Так как транзисторов два, то сначала находим радиатор на один транзистор, после чего просто берем радиатор с вдвое большей площадью теплоотдачи, с вдвое меньшим тепловым сопротивлением (будем использовать изолирующие прокладки).

Пусть наш прибор работает при температуре окружающей среды 45°С. Пусть поддерживается температура кристалла не выше 125°С. В даташите мы видим, что для встроенного диода термическое сопротивление кристалла-корпуса равно больше теплового сопротивления корпуса кристалла непосредственно IGBT, и оно равно 2 °С/Вт. Эта величина будет учитываться как тепловое сопротивление корпуса кристалла.

Тепловое сопротивление силиконовой изоляционной прокладки около 0,5 °С/Вт – это и будет тепловое сопротивление корпуса-радиатора. Теперь, зная рассеиваемую мощность, максимальную температуру кристалла, максимальную температуру окружающей среды, тепловое сопротивление кристалла-корпуса и тепловое сопротивление кожуха-радиатора, находим необходимое тепловое сопротивление радиатора-окружающей среды.

Итак, нам нужно подобрать радиатор так, чтобы термическое сопротивление радиатора-окружающей среды получилось при заданных условиях 2,833 °С/Вт или меньше. И до какой температуры в этом случае перегревается радиатор по сравнению с окружающей средой?

Возьмите найденное тепловое сопротивление на границе радиатор-окружающая среда и умножьте на рассеиваемую мощность, например 15 Вт. Перегрев будет около 43°С, т.е. температура радиатора будет около 88°С. Так как транзисторов в нашей схеме будет два, то мощность рассеивать придется в два раза больше, а значит нужен радиатор с тепловым сопротивлением в два раза меньше, то есть 1,4 °С/Вт и менее.

Если у вас нет возможности подобрать радиатор с найденным тепловым сопротивлением, то можно воспользоваться старым добрым эмпирическим методом – обратиться к таблице из справочника. Зная разницу температур окружающей среды и радиатора (для нашего примера 43°С), зная рассеиваемую мощность (для нашего примера для двух транзисторов – два по 15 Вт), находим необходимую площадь радиатора, т. е. общая площадь контакта радиатора с окружающим воздухом (для нашего примера – две по 400 см2).

Смотрите также по этой теме: Дюйм * градус/ватт – что это за параметр радиатора?

Силовые транзисторы и радиаторы

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Распознать конструкцию силового транзистора.
•   • Понимание необходимости соединения коллектора и металлического корпуса.
• Понять взаимосвязь между мощностью и температурой в двигателях силовой передачи.
•   • Снижение мощности.
• Поймите необходимость радиаторов.
•   • Методы выбора радиаторов.
•   • Способы установки радиаторов.
• Рассчитать требования к тепловому сопротивлению для радиаторов.
•   • Распознавание методов преодоления ограничений в радиаторах.

Силовые транзисторы

Не существует четкой разницы между «обычными» транзисторами, используемыми в усилителях напряжения, и силовыми транзисторами, но, как правило, силовые транзисторы можно отнести к категории транзисторов, способных выдерживать более 1 ампера коллектора (или стока в случае полевых транзисторов) ток.

Поскольку силовые транзисторы, такие как те, что показаны на рис. 5.1.1, работают с большими токами и более высокими напряжениями, их конструкция отличается от малых сигнальных устройств. Они должны иметь низкое выходное сопротивление, чтобы они могли подавать большие токи в нагрузку, и хорошую изоляцию перехода, чтобы выдерживать высокие напряжения. Они также должны иметь возможность очень быстро рассеивать тепло, чтобы не перегреваться. Поскольку наибольшее количество тепла выделяется на переходе коллектор/база, площадь этого перехода делается максимально возможной.

Мощность и температура

Максимальная номинальная мощность транзистора в значительной степени зависит от температуры перехода коллектор/база, как видно из графика снижения мощности на рис. 5.1.2. Если рассеивается слишком много энергии, этот переход становится слишком горячим, и транзистор разрушается, типичная максимальная температура составляет от 100°C до 150°C, хотя некоторые устройства могут выдерживать более высокие максимальные температуры перехода. Максимальная выходная мощность силового транзистора тесно связана с температурой и выше 25°C падает линейно до нулевой выходной мощности при достижении максимально допустимой температуры.

Снижение номинальной мощности

Рис. 5.1.2 График снижения мощности для TIP31

 

Например, такой транзистор, как TIP31, имеющий указанную максимальную выходную мощность P _TOT , равную 40 Вт, может выдерживать только 40 Вт power IF температура корпуса (чуть меньше температуры перехода) не превышает 25°C. Производительность силового транзистора во многом зависит от его способности рассеивать тепло, выделяемое на переходе коллектор-база.

Свести к минимуму проблему нагрева можно двумя способами:

• 1. Работая с транзистором максимально эффективно, т. е. выбирая класс смещения, обеспечивающий высокий КПД и наименьший расход энергии.
• 2. Путем обеспечения того, чтобы тепло, выделяемое транзистором, могло быть удалено и эффективно передано окружающему воздуху как можно быстрее.

Метод 2 выше подчеркивает важность взаимосвязи между силовым транзистором и его радиатором, устройством, прикрепленным к транзистору для отвода тепла. Поэтому физическая конструкция силовых транзисторов разработана таким образом, чтобы максимизировать передачу тепла к радиатору. В дополнение к обычному выводному проводу коллектора, коллектор силового транзистора, который имеет гораздо большую площадь, чем у малосигнального транзистора, обычно находится в непосредственном контакте с металлическим корпусом транзистора или металлической монтажной площадкой. , который затем можно прикрепить болтами или защелкнуть непосредственно к радиатору. Типичные силовые транзисторы в металлическом корпусе и в металлическом корпусе показаны на рис. 5.1.1 9.0003

Поскольку усилители мощности выделяют значительное количество тепла, что приводит к потере энергии, они сделаны максимально эффективными. Для усилителей напряжения низкий уровень искажений имеет большее значение, чем эффективность, но для усилителей мощности, хотя искажения нельзя игнорировать, эффективность имеет жизненно важное значение.

Радиаторы

Рис. 5.1.3 Радиаторы

 

Радиатор предназначен для максимально эффективного отвода тепла от транзистора и рассеивания его в окружающий воздух. Радиаторы бывают разных форм, например, из ребристых алюминиевых или медных листов или блоков, часто окрашенных или анодированных в матовый черный цвет для более быстрого рассеивания тепла. Выбор радиаторов показан на рис. 5.1.3.

Очень важен хороший физический контакт между транзистором и радиатором, и перед тем, как прижать транзистор к радиатору, на область контакта наносится теплопроводящая смазка (смазка для радиатора).

Там, где необходимо сохранить электрическую изоляцию между транзистором и радиатором, между радиатором и транзистором используется слой слюды. Слюда обладает отличными изоляционными и очень хорошими теплопроводными свойствами.

Выбор правильного радиатора

Рис. 5.1.4 Установка радиатора TO220

Доступно множество радиаторов, подходящих для определенных типов корпусов транзисторов («корпус» относится к форме и размерам транзистора). На рис. 5.1.4 показаны различные этапы установки типичного зажима на радиатор.

(a) показывает трубку из теплоотводящего компаунда.

(b) показывает зажим TO220 на радиаторе.

(c) показан транзистор TIP31 в корпусе типа TO220, готовый к монтажу.

(d) показывает металлический корпус транзистора, смазанный теплоотводящим компаундом. Это необходимо для создания эффективного теплообмена между транзистором и радиатором.

(e) показывает транзистор, прикрепленный к радиатору.

(f) показан альтернативный метод монтажа, используемый, когда металлический корпус транзистора (который обычно также является выводом коллектора) должен быть изолирован от радиатора. В этом примере используется слюдяная шайба в форме TO220, а транзистор крепится к радиатору с помощью болта, вставленного в маленькую изолирующую втулку.

Типовой R

_-й Расчет для:

• Транзистор TIP31 (корпус TO220), необходимый для рассеивания 5 Вт.
• Максимальная температура перехода = 150°C
• Температура окружающей среды (воздуха) = 25°C.

• Тепловое сопротивление между спаем и корпусом, рассчитанное по графику снижения мощности Рис. 5.1.2.
• R _{th j-c} = (150°C − 25°C) / 40 Вт = 3,125°C/Вт .
• Макс. температура корпуса при рассеивании 5 Вт = 150 − (5 x 3,125) = 134°C (приблизительно).
• Термическое сопротивление R _{th c-hs} между корпусом и радиатором (с учетом слюдяной прокладки) = 2°C/Вт.
• Макс. температура радиатора = 134 – (5 x 2) = 124°C .
• Для достижения температуры окружающего воздуха = 25°C Тепловое сопротивление радиатора должно быть лучше, чем (124 − 25) / 5 = 19,8°C/Вт
• Во избежание работы транзистора при максимально допустимой температуре лучше выбрать радиатор с тепловым сопротивлением примерно от 10 до 15°C/Вт.

 

Расчет требуемого теплового сопротивления R

_th для радиатора

Выбранный радиатор должен рассеивать тепло от транзистора в окружающий воздух достаточно быстро, чтобы температура перехода транзистора не превышала его максимально допустимое значение (обычно указывается в паспорте транзистора), обычно от 100 до 150°C.

Каждый радиатор имеет параметр, называемый термическим сопротивлением (R _th ), измеряемый в °C/Ватт, и меньшее значение R _th тем быстрее рассеивается тепло. Другие факторы, влияющие на рассеивание тепла, включают мощность (в ваттах), рассеиваемую транзистором, эффективность теплопередачи между внутренним переходом транзистора и корпусом транзистора, а также между корпусом и радиатором.

Также необходимо учитывать разницу между температурой радиатора и температурой окружающего радиатора воздуха (температурой окружающей среды). Главный критерий — радиатор должен быть достаточно эффективным, слишком эффективный — не проблема.

Следовательно, любой радиатор с тепловым сопротивлением ниже или равным расчетному значению должен быть в порядке, но во избежание постоянной работы транзистора при максимально допустимой температуре или близкой к ней, что почти гарантированно сокращает срок службы транзистора. , рекомендуется по возможности использовать радиатор с более низким тепловым сопротивлением.

График снижения мощности транзистора TIP31, показанный на рис. 5.1.2, иллюстрирует зависимость между мощностью, рассеиваемой транзистором, и температурой корпуса. Когда транзистор рассеивает 5 Вт, по графику можно оценить, что максимальная безопасная температура корпуса при температуре перехода 150 °C будет составлять от 134 до 135 °C, что подтверждает приведенный выше расчет макс. температура корпуса.

Транзистор TIP31 имеет максимальную рассеиваемую мощность P _TOT , равную 40 Вт, но из графика на рис. 5.1.2 видно, что это достижимо только в том случае, если температура корпуса транзистора поддерживается на уровне 25°C. Температура корпуса может повышаться только до 150°C (такой же, как и максимальная температура перехода), если рассеиваемая мощность равна нулю.

Параллельные транзисторы для мощных приложений

Рис. 5.1.5 Силовые транзисторы, соединенные параллельно

В приложениях с высокой мощностью может оказаться невозможным найти подходящий радиатор для конкретного транзистора, тогда одним из решений может быть использование другого мощного транзистора или другого типа корпуса (корпуса), если таковой имеется.