Расчёт радиаторов для транзисторов и микросхем. Онлайн калькулятор теплоотводов.

– На кой хрен козе баян? Она и так весёлая … – живо интересовались удмуртские радиолюбители, разглядывая диковинный теплоотвод, установленный на лампу выходного каскада.
– Только для игры на баяне, козе баян и нужен, на какой же ещё? – гордо отвечал владелец теплоотвода, весьма довольный произведённым на коллег впечатлением.

На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились – подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника. А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла.
Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы (радиаторы).

Полный расчёт радиатора – вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом – для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Но лучше воспользоваться специальной программой.

Существует формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:
Q=(T2-T1)/P-Q1-Q2, где
Т2 – максимальная температура кристалла транзистора по справочнику,
Т1 – максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством,
P – рассеиваемая на транзисторе мощность,
Q1 – тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику,
Q2 – тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений.

А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы – не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.

Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно – в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy. Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Л., за что ему большое человеческое спасибо.

Теперь давайте определимся с терминологией.
S – площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора. Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство.

Q – тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.
Q1 – тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается R_thJC. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).
Q2 – значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.
Т2 – максимальная температура кристалла транзистора, обозначается Tjmax и составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С.
Т1 – максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

ИТАК, РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ РАЧЁТА ПЛОЩАДИ РАДИАТОРА

Мощность, рассеиваемая на транзисторе P (Вт)
Максимальная температура окружающей среды Т1 (°С)
Максимальная температура кристалла Т2 (°С)
Тепловое сопротивление кристалл-корпус Q1 (°С/Вт)
Тепловое сопротивление корпус-радиатор Q2 (°С/Вт)
Скорость воздушного потока от вентилятора V (м/c)
Требуемое тепловое сопротивление радиатора Q (°С/Вт)
Площадь поверхности радиатора S (см²)
Температура радиатора Т3 (°С)

– Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 20-30% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник.

Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора 60-70 градусов.
– Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 R_thJC не гадая берём из справочника. Если совсем лень – ставим 1.
– Графу теплового сопротивления корпус-радиатор Q2 можно оставить без внимания, если транзистор сидит на радиаторе без всяких прокладок, либо используются современные тонкие подложки, сдобренные специальными пастами. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.
– Так же оставляем в покое графу “скорость воздушного потока от вентилятора”, если оный не предусмотрен нашей конструкцией. А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод.

Как? А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С. Л., посвящённый расчёту радиаторов, там кобыла и отыщется. Как правило, значение этой величины находится в пределах 1-5 м/сек.

Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим – это нормально. Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус. Тут природу не обманешь – надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.

Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления. Параметр этот имеет размерность дюйм*град/Вт, поэтому для пересчёта его в тепловое сопротивление всего радиатора, нам надо разделить это значение на длину в см.

и умножить на 2,54.
Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский “no trademark” – воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.

С этим всё, дальше кусок из умного справочника.

 

Расчёт пластинчатого теплоотвода

Полное моделирование работы системы полупроводниковый прибор — теплоотвод является довольно сложной технической задачей, решаемой с помощью некоторых прикладных пакетов и аппаратных средств, например Комплекс аппаратуры для определения параметров полупроводниковых приборов (измерение теплового сопротивления переход — корпус), приложение Cosmos для SolidWorks (моделирование системы теплоотвод — внешняя среда). С достаточной для большинства случаев точностью  расчёт теплового сопротивления теплоотвода можно сделать по упрощённой методике.  Расчёт пластинчатого теплоотвода   Теплопроводность материала, Вт/м*К Толщина ребра, s мм Высота ребра, h мм Расстояние между ребрами, a мм Длина ребра, l мм Количество рёбер, n Мощность рассеивания, Вт Температура среды, °С Коэффициент излучения Ориентация теплоотвода Рёбрами вверх Рёбра вертикально Рёбрами вниз   Температура теплоотвода, °С Длина теплоотвода, L мм Коэффициент теплоотдачи, Вт/м2*К Тепловое сопротивление, °С/Вт   *Формат ввода – х. хх (разделитель – точка)      Коэффициент излучения (степень черноты) некоторых металлов и сплавов Алюминиевый лист 0.09 Алюминий сильно окисленный 0.2 – 0.31 Алюминий полированный 0.039 – 0.057 Алюминий грубой обработки 0.07 Алюминий анодированный 0.80 – 0.85 Черная краска силиконовая 0.93 Черная краска эпоксидная 0.89 Черная краска эмаль 0.80 Медная необработанная пластина 0. 22 Латунь окисленная при 600 °C 0.6 Медь покрытая окисным слоем 0.78 Полированая медь 0.023 – 0.052 Мягкая сталь 0.20 – 0.32 Железо полированное 0.14 – 0.38   Теплопроводность некоторых металлов и сплавов Вт/м*К Серебро 429 Золото 318 Медь 401 Алюминий 237 Алюминиевые сплавы 120 – 180 Сплавы магния 170 Железо 74. 4 Сталь 45.4 Латунь 85.5 Бронза 47-58   Пожелания, замечания, рекомендации по улучшению раздела расчётов на нашем сайте просьба присылать по электронной почте [email protected] Разрешается копирование java-скриптов при условии ссылки на источник.   ВСЕ РАСЧЁТЫ

Калькулятор размера радиатора

Инструкции по использованию

 

Как использовать онлайн-калькулятор размера радиатора, который использовался на ранних этапах проектирования радиатора. За исключением выбора правильного «объемного теплового сопротивления», это, вероятно, наш самый простой калькулятор.

Вот ссылка на калькулятор.

Мощность источника тепла (Q) — это расчетная тепловая мощность (TDP), которая представляет собой максимальное количество тепла в ваттах, выделяемое чипом без превышения его тепловой оболочки. Он должен быть предоставлен производителем чипа или инженером ASIC, если он выполняется собственными силами.

Tcase Max — максимальная температура корпуса чипа. Для большинства конструкций чипов это будет предоставлено производителем. Для чипов без кристалла будет указана максимальная температура Tjunction. В этом случае используйте спецификацию Tjunction вместо Tcase max.

Max Ambient   – максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно работать.

Тепловой бюджет   – Tcase Max минус Max Ambient. Сумма всех дельт в сети, от Tcase до повышения температуры воздуха, не может превышать этот предел.

Примечание. Тепловые балансы ниже 40 градусов Цельсия, как правило, являются хорошими кандидатами для двухфазного охлаждения с использованием тепловых трубок или испарительных камер.

Объемное тепловое сопротивление (Rv) – это уравнение и последующие рекомендации позволяют точно оценить объем радиатора: V=(Q*Rv)/Delta T . Первым шагом в использовании приведенной ниже диаграммы является определение доступного потока воздуха через радиатор. Как известно, чем выше поток воздуха, тем меньше радиатор. Первая проблема, с которой вы, вероятно, столкнетесь, заключается в том, что производитель вентилятора предоставил вам «объемный воздушный поток», обычно в кубических футах в минуту, но не скорость воздуха. Легко определить скорость, если вы знаете размер радиатора, но поскольку мы этого не знаем, это ловушка 22. Вот несколько приблизительных рекомендаций:

• Естественная конвекция на открытом воздухе развивает около 40 LFM, чего достаточно, чтобы зажечь спичку.
• 1 м/с или 200 LFM вы можете чувствовать поток, но не слышать его.
• 2,5 м/с или 500 LFM — это хороший поток, который задует целую кучу свечей, и вы начнете слышать шум, особенно в тихой обстановке.
• 5 м/с или 1000 LFM будут шумными. Не использовать в любой чувствительной к шуму среде.

После того, как вы выбрали подходящий воздушный поток, следующим шагом будет выбор из диапазона Rv. В случае умеренного воздуха (2,5 м/с) диапазон составляет 80-150. Опубликованное правило выглядит следующим образом:

• Для радиаторов менее 300 см3 используется нижний предел, в данном случае 80.
• Для больших радиаторов объемом более 1000 см3 используйте верхний предел.

Однако, как и при расчете CFM в LFM, у нас есть немного сценария с курицей и яйцом. Мое предложение — используйте что-то посередине, чтобы измерить приблизительный размер радиатора и отрегулировать оттуда. Например, если вы изначально используете значение Rv 115, а расчетный объем радиатора меньше 300 см3, измените Rv на 80, что является нижним пределом значения Rv для умеренного воздушного потока.

При проектировании устройств, которые должны работать на высоте, важно уменьшить Rv. Твердое эмпирическое правило – 10% на каждую милю высоты. Например, на высоте в одну милю мы разделим 80 Rv на 0,9, чтобы получить Rv со сниженным номиналом примерно 89. , размеры ширины и высоты. Первоначально это обычно обусловлено нехваткой места, поэтому введите некоторые цифры и посмотрите, приблизитесь ли вы к требуемому объему. Одно замечание: у нас есть онлайн-калькулятор производительности радиатора, с которым вы можете поиграться, чтобы более точно настроить основание радиатора и высоту ребра.

Расчет радиаторов с помощью нескольких простых уравнений

05

 июня

Расчет размера радиатора может оказаться непростой задачей для любого, кто не имеет большого опыта в тепловом анализе. Существует коммерчески доступное программное обеспечение для проектирования радиаторов, которое позволит вам спроектировать и проанализировать радиатор в соответствии с тепловыми требованиями охлаждаемых устройств. Если программное обеспечение такого типа вам недоступно, можно выполнить быстрые расчеты с использованием электронной таблицы или математического программного обеспечения, чтобы получить оценку размера радиатора, необходимого для поддержания желаемой температуры ваших компонентов.

Расчетные допущения радиатора

Сделав несколько упрощающих допущений, можно провести анализ радиатора вручную или с помощью электронной таблицы. Результатом этих расчетов будут размеры радиатора, необходимые для поддержания требуемой температуры источника.

Рис. 1. Размеры пластинчато-ребристого радиатора

На рис. 1 показан типичный пластинчато-ребристый радиатор, используемый для охлаждения обычных электрических и электронных компонентов, таких как светодиоды, используемые в осветительных приборах, и полевые МОП-транзисторы, используемые в цифровых схемах и микропроцессорах. Существует шесть параметров, которые необходимо определить, чтобы спроектировать радиатор, соответствующий вашим потребностям. Для уменьшения сложности расчетов будут сделаны следующие допущения:

1. Площадь поверхности из-за толщины ребер t и толщины основания b намного меньше, чем общая площадь поверхности радиатора
2. Теплопроводность радиатора достаточно высока, чтобы температура поверхности радиатора была равномерной и примерно равнялась температуре источника тепла
3. Источник тепла имеет ту же длину и ширину, что и радиатор, и центрируется на основании радиатора
4. Источник тепла находится в идеальном контакте с основанием радиатора

Приведенные выше допущения могут привести к некоторым ошибкам в ваших расчетах. Однако цель проведения этого расчета состоит в том, чтобы получить приблизительную оценку размера необходимого радиатора. Затем для уточнения конструкции можно использовать более сложные методы расчета, программное обеспечение или тестирование.

Этот анализ предназначен для радиатора, основание которого ориентировано вертикально, используя только естественную конвекцию и излучение, как показано на рисунке 1.

Расчеты естественной конвекции

Значения L и H сначала выбираются на основе конструктивных ограничений вашего радиатора. Ширина W радиатора, расстояние между ребрами s и количество ребер N будут рассчитаны для выбранных значений L и H. наружные боковые поверхности радиатора, показанные на фиг.2, сначала вычисляются. Это определяется с помощью уравнения 1.

1

где:
– температура источника тепла
– температура окружающей среды
2

Коэффициент конвекции, ч вертикальная поверхность. См. ссылку [2] для получения подробной информации о развитии этой формулы. Площадь A ₁ включает небольшие участки горизонтальных поверхностей. Разница в величине коэффициента естественной конвекции для горизонтальных и вертикальных поверхностей незначительна, а горизонтальные площади малы по сравнению с вертикальными поверхностями. Таким образом, использование уравнения 3 для всей этой области не внесет значительной ошибки и упростит расчет.

3

Следующим этапом расчета является определение рассеивания тепла, Q _c2 за счет естественной конвекции с поверхности, A ₂ ребер, как показано на рисунке 2.

4

Оптимальное расстояние между ребрами, s _opt , обеспечивающее максимальную теплопередачу за счет естественной конвекции, определяется уравнением 5. Уравнение 5 было получено путем расчета расстояния между ребрами, при котором произведение площади внутренней поверхности ребер и конвекционного тепла коэффициент передачи максимален. Подробное объяснение этого вывода можно найти в [1].

5
где:
— ускорение свободного падения
— коэффициент расширения в единицах измерения температуры в Кельвинах

6
— температуропроводность воздуха, оцененная при коэффициент передачи между ребрами [1] определяется уравнением 7,

7

где – теплопроводность воздуха, рассчитанная при .

Рис. 2. Площади, используемые для расчета тепловыделения от радиатора

Теплоотдача Q _c2 из области A ₂ за счет естественной конвекции рассчитывается по уравнению 8.

8

Коэффициент конвекции h ₂ относится к вертикальным поверхностям, расположенным между ребрами. Этот коэффициент конвекции используется для небольших горизонтальных поверхностей, а также для небольших вертикальных поверхностей снаружи радиатора, включенных в зону A ₂ . Как это было сделано в расчете для Q _c1 использование одного значения h ₂ на площади А ₂ считается приемлемым из-за малых площадей горизонтальных и внешних вертикальных поверхностей и одинаковых величин коэффициента конвекции для поверхностей с разной ориентацией.

Расчеты излучения

Вклад рассеяния тепла излучением может быть весьма значительным для радиаторов с естественной конвекцией. Таким образом, он должен быть включен в любые расчеты размера радиатора. См. сообщение в блоге Важность излучения в конструкции радиатора для подробного обзора роли излучения в характеристиках радиатора.

Как и при расчете радиатора с естественной конвекцией, рассеяние тепла излучением Q _r1 от площади A ₁ рассчитывается с использованием уравнения 9.

9

Переменная ε представляет собой коэффициент излучения поверхности радиатора. Типичные значения перечислены в статье Важность излучения в конструкции радиатора. Постоянная Стефана-Больцмана σ имеет значение 5,67×10 ^-8 Вт/м ² К ⁴ .

Далее радиационная теплопередача из зоны А ₂ , заданное уравнением 10, рассчитывается.

10

Расчет точного рассеяния тепла излучением от площади, A ₂ , весьма сложен и не подходит для упрощенного решения, искомого в этой статье. Приблизительное решение, дающее достаточно точные результаты, заключается в использовании площади поверхности видимого излучения A _r2 . Кажущаяся площадь поверхности излучения представляет собой воображаемую площадь, покрывающую оболочку радиатора, охватывающую площадь A ₂ показано на рис. 2.

11

Расчет радиатора

Теперь последний шаг заключается в расчете количества ребер N, необходимого для рассеивания тепла при температуре T _s . Зная количество ребер, можно рассчитать ширину радиатора.

Закон сохранения энергии диктует, что тепло, выделяемое источником тепла, Q должно быть равно теплу, рассеиваемому радиатором в стационарных условиях. Это представлено уравнением 12.

12

Обозначение ⌈ ⌉, используемое в уравнении 12, является математическим обозначением для округления до ближайшего целого числа. Это необходимо, поскольку количество плавников является целым числом. Уравнение 13 используется для определения ширины радиатора.

13

Эти расчеты дают некоторое представление о том, какие размеры следует варьировать, чтобы оптимизировать размер радиатора. Если вы пытаетесь минимизировать объем радиатора, длину следует сделать как можно меньше. Это максимизирует передачу тепла от радиатора как такового, уменьшая площадь поверхности, необходимую для ограничения температуры источника ниже требуемого значения.

Онлайн-калькулятор размера радиатора, использующий процедуру расчета, описанную в этом сообщении блога, доступен бесплатно.