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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Radiatori e raffreddamento. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologie radioamatoriali Esiste una legge ben nota in fisica, ingegneria elettrica e termodinamica atomica: la corrente che scorre attraverso i fili li riscalda. Joule e Lenz l'hanno inventato e si sono rivelati giusti, così com'è. Tutto ciò che funziona con l'elettricità, in un modo o nell'altro, parte dell'energia che passa si trasforma in calore. Accade così nell'elettronica che l'oggetto più influenzato dal calore nel nostro ambiente sia l'aria. Sono le parti riscaldanti che trasferiscono il calore all'aria, ed è necessario prendere il calore dall'aria e metterlo da qualche parte. Perdi, ad esempio, o disperditi da solo. Chiamiamo il processo di raffreddamento del trasferimento di calore. I nostri design elettronici dissipano anche molto calore, alcuni più di altri. Gli stabilizzatori di tensione sono riscaldati, gli amplificatori sono riscaldati, il transistor che controlla il relè o anche solo un piccolo LED è riscaldato, tranne per il fatto che si riscalda parecchio. Ok, se fa un po' caldo. Bene, se è fritto in modo da non poterti tenere la mano? Abbiamo pietà di lui e cerchiamo di aiutarlo in qualche modo. Per così dire, per alleviare la sua sofferenza. Richiama il dispositivo della batteria di riscaldamento. Sì, sì, la stessa normale batteria che riscalda la stanza in inverno e su cui asciugiamo calzini e magliette. Più grande è la batteria, più calore ci sarà nella stanza, giusto? L'acqua calda scorre attraverso la batteria, riscalda la batteria. La batteria ha una cosa importante: il numero di sezioni. Le sezioni sono a contatto con l'aria, trasferendovi calore. Quindi, più sezioni, cioè maggiore è l'area occupata dalla batteria, più calore può darci. Saldando un altro paio di sezioni, possiamo riscaldare la nostra stanza. È vero, allo stesso tempo, l'acqua calda nella batteria può raffreddarsi e non rimarrà nulla per i vicini. Considera il dispositivo a transistor.
Su base in rame (flangia) 1su un substrato 2cristallo fisso 3. Si collega alle uscite 4. L'intera struttura è riempita con composto plastico 5. La flangia ha un foro 6per installazione su radiatore.
Come rendere un cristallo più freddo? Non possiamo cambiare il dispositivo del transistor, questo è comprensibile. Anche i creatori del transistor hanno pensato a questo e per noi martiri hanno lasciato l'unica via per il cristallo: la flangia. Una flangia è come una singola sezione di una batteria - friggere è friggere, ma il calore non viene trasferito all'aria - una piccola area di contatto. È qui che viene dato lo scopo delle nostre azioni! Possiamo costruire la flangia, saldare un altro paio di sezioni su di essa, cioè una grande piastra di rame, poiché la flangia stessa è di rame, o fissare la flangia su un grezzo metallico chiamato radiatore. Fortunatamente, il foro nella flangia è predisposto per un bullone con un dado. Cos'è un radiatore? Ho ripetuto per il terzo paragrafo su di lui, ma in realtà non ho detto nulla! Ok, vediamo:
Come puoi vedere, il design dei radiatori può essere diverso, si tratta di piastre e alette, e ci sono anche radiatori a forma di ago e vari altri, basta andare al negozio di ricambi per radio e andare oltre lo scaffale con i radiatori. I radiatori sono spesso realizzati in alluminio e sue leghe (silumin e altri). I radiatori in rame sono migliori, ma più costosi. I radiatori in acciaio e ferro vengono utilizzati solo a bassissima potenza, 1-5W, in quanto dissipano lentamente il calore. Il calore rilasciato in un cristallo è determinato da una formula molto semplice P = U * I, dove P è la potenza dissipata nel cristallo, W, U = tensione sul cristallo, V, I è la corrente attraverso il cristallo, A. Questo calore passa attraverso il substrato fino alla flangia, dove viene trasferito al radiatore. Inoltre, il radiatore riscaldato viene a contatto con l'aria e il calore viene trasferito ad esso, come prossimo partecipante al nostro sistema di raffreddamento. Diamo un'occhiata al circuito di raffreddamento del transistor completo.
Abbiamo due pezzi: questo è un radiatore 8e una guarnizione tra il dissipatore e il transistor 7. Potrebbe non esserlo, il che è sia cattivo che buono allo stesso tempo. Scopriamolo. Ti parlerò di due parametri importanti: queste sono le resistenze termiche tra il cristallo (o giunzione, come viene anche chiamato) e la custodia del transistor - Rpc e tra la custodia del transistor e il radiatore - Rcr. Il primo parametro indica quanto bene il calore viene trasferito dal cristallo alla flangia del transistor. Ad esempio, Rpc, pari a 1,5 gradi Celsius per watt, spiega che con un aumento di potenza di 1 W, la differenza di temperatura tra la flangia e il radiatore sarà di 1,5 gradi. In altre parole, la flangia sarà sempre più fredda del cristallo, e questo parametro mostra quanto. Più è piccolo, migliore è il trasferimento di calore alla flangia. Se dissipiamo 10 W di potenza, la flangia sarà più fredda del cristallo di 1,5 * 10 = 15 gradi, e se 100 W, quindi di tutti i 150! E poiché la temperatura massima del cristallo è limitata (non può essere fritto a fuoco bianco!), La flangia deve essere raffreddata. Agli stessi 150 gradi. Ad esempio: Il transistor dissipa 25W di potenza. Il suo Rpc è di 1,3 gradi per watt. La temperatura massima del cristallo è di 140 gradi. Ciò significa che ci sarà una differenza di 1,3 * 25 = 32,5 gradi tra la flangia e il cristallo. E poiché il cristallo non può essere riscaldato oltre i 140 gradi, siamo tenuti a mantenere la temperatura della flangia non superiore a 140-32,5=107,5 gradi. Come questo. E il parametro Rcr mostra lo stesso, solo le perdite si ottengono sulla stessa famigerata guarnizione 7. Il suo valore Rcr può essere molto più grande di Rpc, quindi, se stiamo progettando un'unità potente, non è auspicabile mettere i transistor sulle guarnizioni. Ma comunque, a volte devi. L'unico motivo per utilizzare un distanziatore è se è necessario isolare il dissipatore di calore dal transistor, poiché la flangia è collegata elettricamente al terminale centrale del contenitore del transistor. Diamo un'occhiata a un altro esempio qui. Il transistor è fritto a 100W. Come al solito, la temperatura del cristallo non supera i 150 gradi. Rpk ha 1 grado per watt, e anche sulla guarnizione, che ha Rkr 2 gradi per watt. La differenza di temperatura tra il cristallo e il radiatore sarà di 100*(1+2)=300 gradi. Il radiatore deve essere mantenuto non più caldo di 150-300 = meno 150 gradi: Sì, miei cari, è proprio il caso che solo l'azoto liquido salverà: orrore! È molto più facile vivere su un radiatore per transistor e microcircuiti senza guarnizioni. Se non ce ne sono, e le flange sono pulite e lisce, e il radiatore brilla di brillantezza e viene inserita anche una pasta termoconduttrice, il parametro Rcr è così piccolo che semplicemente non viene preso in considerazione. Fatto? Andiamo oltre! Esistono due tipi di raffreddamento: convezione e forzato. La convezione, se ricordiamo la fisica scolastica, è la distribuzione indipendente del calore. Lo stesso vale per il raffreddamento per convezione: abbiamo installato un radiatore e lui stesso in qualche modo sistemerà l'aria lì. I radiatori a convezione sono spesso installati all'esterno dei dispositivi, come negli amplificatori, hai visto? Ai lati ci sono due aggeggi in lamiera metallica. Dall'interno, i transistor sono avvitati a loro. Tali radiatori non possono essere coperti, l'accesso all'aria è chiuso, altrimenti il \uXNUMXb\uXNUMXbradiatore non avrà un posto dove mettere il calore, si surriscalderà e rifiuterà di ricevere calore dal transistor, che non penserà a lungo, si surriscalderà anche e: tu stesso capisci cosa accadrà. Il raffreddamento forzato è quando forziamo l'aria a soffiare più attivamente attorno al radiatore, facendosi strada lungo le sue nervature, aghi e fori. Qui utilizziamo ventole, vari canali di raffreddamento ad aria e altri metodi. Sì, a proposito, invece dell'aria, può facilmente essere acqua, olio e persino azoto liquido. I potenti tubi del generatore sono spesso raffreddati dall'acqua corrente. Come riconoscere un radiatore: è per convezione o raffreddamento forzato? La sua efficienza dipende da questo, cioè dalla velocità con cui può raffreddare il cristallo caldo, da quale flusso di energia termica può passare attraverso se stesso. Guardiamo le foto.
Il primo radiatore è per il raffreddamento per convezione. L'ampia spaziatura delle alette garantisce un flusso d'aria libero e una buona dissipazione del calore. Una ventola è posta sopra il secondo radiatore e soffia aria attraverso le alette. Questo è il raffreddamento forzato. Certo, puoi usare sia quelli che quei radiatori ovunque, ma l'intera domanda è la loro efficienza. I radiatori hanno 2 parametri: questa è la sua area (in centimetri quadrati) e il coefficiente di resistenza termica dell'ambiente del radiatore Rrs (in Watt per grado Celsius). L'area è calcolata come somma delle aree di tutti i suoi elementi: l'area della base su entrambi i lati + l'area delle piastre su entrambi i lati. L'area delle estremità della base non viene presa in considerazione, quindi ci saranno pochissimi centimetri quadrati. esempio: il radiatore dell'esempio precedente per il raffreddamento per convezione.
Il coefficiente di resistenza termica radiatore-ambiente Rpc indica quanto aumenterà la temperatura dell'aria in uscita dal radiatore con un aumento di potenza di 1W. Ad esempio, un Rpc di 0,5 gradi Celsius per watt ci dice che la temperatura aumenterà di mezzo grado per 1W di calore. Questo parametro è considerato formule a tre piani e le nostre menti feline non sono affatto all'interno del potere: Rpc, come qualsiasi resistenza termica nel nostro sistema, più piccola è, meglio è. E puoi ridurlo in diversi modi: per questo i radiatori vengono anneriti chimicamente (ad esempio, l'alluminio si scurisce bene nel cloruro ferrico - non sperimentare a casa, il cloro viene rilasciato!), C'è anche l'effetto di orientare il radiatore nel aria per un migliore passaggio lungo le piastre (il radiatore verticale raffredda meglio di quello reclinato). Non è consigliabile dipingere il radiatore con vernice: la vernice è un eccesso di resistenza termica. Anche se solo leggermente, in modo che fosse scuro, ma non uno spesso strato! L'applicazione contiene un piccolo programma, in cui è possibile calcolare l'area approssimativa del radiatore per qualche microcircuito o transistor. Con esso, calcoliamo il radiatore per un certo alimentatore. Circuito di alimentazione.
L'alimentatore emette 12 volt con una corrente di 1A. La stessa corrente scorre attraverso il transistor. All'ingresso del transistor è 18 V, all'uscita è 12 V, il che significa che su di esso cade una tensione di 18-12 \u6d 6 V. La potenza dissipata dal cristallo del transistor è 1 V * 6 A \u2d 2335 W. La temperatura massima del cristallo per 150SC120 è di 1,5 gradi. Non usiamolo in condizioni estreme, scegliamo una temperatura più bassa, ad esempio XNUMX gradi. La resistenza termica della custodia di giunzione Rpc per questo transistor è di XNUMX gradi Celsius per watt. Poiché la flangia del transistor è collegata al collettore, provvediamo all'isolamento elettrico del dissipatore. Per fare ciò, inseriamo una guarnizione isolante in gomma termoconduttrice tra il transistor e il radiatore. La resistenza termica della guarnizione è di 2 gradi Celsius per watt. Per un buon contatto termico, lasciamo cadere un po' di olio siliconico PMS-200. Questo è un olio denso con una temperatura massima di +180 gradi, riempirà i traferri che si formano necessariamente a causa delle irregolarità della flangia e del radiatore e migliorerà il trasferimento di calore. Molti usano la pasta KPT-8, ma molti la considerano non il miglior conduttore di calore. Porteremo il radiatore sulla parete posteriore dell'alimentatore, dove verrà raffreddato dall'aria ambiente + 25 gradi. Sostituiremo tutti questi valori nel programma e calcoleremo l'area del radiatore. L'area risultante di 113 mq. cm è l'area del radiatore, progettata per il funzionamento a lungo termine dell'alimentatore in modalità a piena potenza - più di 10 ore. Se non abbiamo bisogno di così tanto tempo per alimentare l'alimentatore, possiamo cavarcela con un radiatore più piccolo, ma più massiccio. E se installiamo un radiatore all'interno dell'alimentatore, allora non c'è bisogno di una guarnizione isolante, senza di essa il radiatore può essere ridotto a 100 mq. In generale, miei cari, lo stock non tira la tasca, siete tutti d'accordo? Pensiamo al margine, in modo che sia sia nell'area del radiatore che nelle temperature limite dei transistor. Dopotutto, non solo chiunque, ma tu stesso dovrai riparare i dispositivi e cambiare i transistor troppo cotti! Ricorda questo! Buona fortuna. Pubblicazione: radiokot.ru
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