ฉันจะคำนวณความต้านทานความร้อนของอลูมิเนียมสต็อกได้อย่างไร

เป็นเรื่องปกติที่วงจรไฟฟ้าจำนวนมากจะพุ่งไปที่อลูมิเนียมชิ้นแบน สต็อกต้องมีขนาดเท่าใด

บอกว่าฉันกำลังติดตั้ง tip212 เงื่อนไขกรณีที่เลวร้ายที่สุดคือการให้ 24V ลดลงที่ 3A และรอบการทำงาน 50% ดังนั้นมันจึงกระจาย 36W

ดูที่แผ่นข้อมูลที่ 35W อุณหภูมิสูงสุดของเคสคือ ~ 80C สมมติว่าอุณหภูมิ 25deg

อุณหภูมิลดลง = 35W * Tr = 55 เดลต้าหรือ 1.57C / W สำหรับจาน

แล้วฉันต้องมีพื้นที่ผิวเท่าไหร่เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนั้น?

ฉันเข้าหามันถูกต้องหรือไม่?

คุณสามารถใช้เครื่องคิดเลขนี้เพื่อรันตัวเลขจำนวนหนึ่งสำหรับแผ่นแบน (การออกแบบของคุณควรมีครีบ) ระวังว่าคุณมีจำนวนครั้งที่ จำกัด และต้องใช้พารามิเตอร์ air velocity เสียบอุณหภูมิเคสที่คุณต้องการจากเส้นโค้ง Derating ซึ่งฉันจะเข้าไปดูต่อในภายหลัง

คุณติด TIP122 หรือไม่? วิธีการเกี่ยวกับแพคเกจ TO-220? ทั้ง TIP122 และ TO-220 ได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งานพลังงานขนาดกลางเท่านั้น การใช้งานประเภทนี้จะทำงานได้ดีขึ้นโดยทรานซิสเตอร์กำลังสูงและบรรจุภัณฑ์โลหะ

ความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์กำลังสูงกำลังปานกลางหรือทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กไม่เพียง แต่อยู่ในแพ็คเกจเท่านั้น แต่ยังอยู่ในโครงสร้างของอุปกรณ์ด้วย ตารางอันดับสูงสุดสำหรับแผ่นข้อมูล [TIP122] แสดงว่ามันมีการกระจายพลังงานสะสมสูงสุด PC ที่ 2W ในอากาศ 25 ° C หรือ 65W ด้วย Tc = 25 ° C สถิติที่สองถือว่าคุณสามารถมีฮีตซิงค์ได้ไม่ จำกัด เชื่อมต่อกับสารประกอบฮีทซิงค์ขั้นสูงสุดเข้ากับแท็บ (ในทางเทคนิคกรณี ​​แต่แท็บคือทุกสิ่งที่สำคัญ) ใน TO-220 ซึ่งแท็บฮีตซิงค์อยู่ที่ 25 ° C แม้ในกรณีนั้นทางแยกของทรานซิสเตอร์ซึ่งเป็นสิ่งที่คุณกังวลก็จะมีอุณหภูมิมากกว่า 150 ° C มีความต้านทานความร้อนระหว่างทางแยกและแท็บ (Sidenote: ฉันเห็นด้วยกับ jluciani - ฉันชอบซิลิคอน 125 องศาเซลเซียสหรือเย็นกว่า) (Sidenote 2: Heatsink โลหะบน BJT มักจะเชื่อมต่อกับตัวสะสมดังนั้นคุณจะมีแหล่ง 3A เชื่อมต่อเคสที่แรงดันมากกว่าตัวปล่อย / กราวด์และไม่ต้องการให้มันอยู่ที่ไหนสักแห่งที่สั้น ออก.)

ลองดูที่เส้นโค้ง Derating (รูปที่ 5 ในแผ่นข้อมูล TIP122):

หากคุณต้องการกระจาย 72W คุณก็ไม่สามารถทำได้ หากคุณต้องการ 36W คุณจะต้องให้แผ่นระบายความร้อนของคุณอยู่เหนืออุณหภูมิโดยรอบน้อยกว่า 50 ° C (25 ° C. นี่คือการไล่ระดับอุณหภูมิ 50 องศาที่ทำให้คุณสิ้นเปลืองพลังงาน) เปรียบเทียบเส้นโค้งนั้นกับทรานซิสเตอร์กำลังแรงสูงเช่นMJ11022 [แผ่นข้อมูล] :

ฮีทซิงค์ของคุณสามารถเป็นอันตรายจากการไหม้ได้นานก่อนที่ทรานซิสเตอร์จะเสียหาย 72W สอดคล้องกับอุณหภูมิเกือบ 100 ° C และ 36W กับอุณหภูมิในการใช้งานที่เกือบ 150 ° C ระวังการขี่จักรยานด้วยความร้อนถ้าคุณต้องการที่จะเรียกใช้มันร้อนจริงๆ

ฉันขอแนะนำอย่างยิ่งให้คุณใช้ทรานซิสเตอร์ TO-3 หรือ TO-204 กำลังแรงสูงแทน TIP122 ของคุณ

คุณอาจต้องใช้จานที่มีขนาดใหญ่มากหรือมีปริมาณอากาศที่พอเหมาะ

TIP122 ตรงเวลาเป็นอย่างไร ถ้าตรงเวลามากกว่า 100mS คุณจะคาย 72W ไม่ใช่ 36W คุณต้องดูกราฟการตอบสนองทางความร้อนชั่วคราวเพื่อกำหนดค่าการคำนวณ

คุณต้องยอมให้มีการต้านทานความร้อนสำหรับอินเทอร์เฟซระหว่างเคสของทรานซิสเตอร์และอ่างล้างจาน

สมมติว่าคุณตรงเวลาน้อยกว่า 1mS คุณกำลังกระจาย 36W ดูแผ่นข้อมูล On-Semi -

Rjc = 1.92 degC / W สูงสุด อุณหภูมิทางแยกสูงสุดแน่นอน = 150degC (ฉันจะไม่เกิน 125degC)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1.92 + 0.5 + Rsa) * 36

Rsa = 1.05degC / W (ซึ่งเห็นด้วยกับการคำนวณของคุณเมื่อคุณลบ Rcs)

หากคุณดูที่เอกสารข้อมูลผู้จำหน่ายฮีทซิงค์ผู้ขายคุณสามารถทราบขนาดได้ ชำระเงินhttp://www.aavidthermalloy.com/

ในการคำนวณการกระจายพลังงานหรือการเปลี่ยนแปลงของRθjcหรือRθjaในสภาพแวดล้อมแบบไดนามิก (เช่นกระแสพัลส์) มันไม่ได้เป็นกระบวนการที่ตรงไปตรงมา คุณต้องดูที่เส้นโค้ง“ การตอบสนองความร้อนทั่วไป” ที่จัดทำโดยผู้ผลิต จากกราฟนี้คุณสามารถได้รับ "ความต้านทานความร้อนชั่วคราว" (ปกติหรือจริงΖθ) อย่างไรก็ตามฉันไม่สามารถคำนวณรายละเอียดได้ในขณะนี้ ในสภาพแวดล้อม 35oC หากคุณต้องการกระจาย 35W จากเคส TO-3 และเพื่อรักษาอุณหภูมิฮีทซิงค์ที่ประมาณ 55oC โดยใช้การระบายความร้อนตามธรรมชาติคุณต้องใช้แผ่นอะลูมิเนียมสีเทาหนา 3 มม. มีขอบ 16 ซม. (เช่น 210 กรัม) จานนี้ควรมีอิสระในการแผ่จากทั้งสองด้านในแนวตั้งโดยที่ขาตั้งจะติดตั้งที่กึ่งกลางของแผ่น อย่าลืมที่จะรวมในการคำนวณของคุณสูญเสียความร้อนที่เกิดจากการสัมผัสโลหะสองชนิด ในทางปฏิบัติ 35W นั้นใกล้เคียงกับกำลังงานสูงสุดที่คุณสามารถกระจายโดยใช้แผ่นโลหะและการระบายความร้อนตามธรรมชาติ (เช่นแผ่นโลหะ Al 400 cm2 ความหนา 5 มม. 0,5Kg ในแนวตั้งด้านหนึ่งฟรีหรือ 50W ทั้งสองด้าน) เหนือกว่าพลังนี้คุณต้องใช้ครีบระบายความร้อน (เป็นธรรมชาติหรือถูกบังคับ) ซึ่งไม่ยากที่จะคำนวณและสร้าง

นี่คือวิธีของฉันสำหรับการออกแบบการระบายความร้อน ไม่เข้าใจแนวคิดความต้านทานความร้อน มันเต็มไปด้วยสมมติฐาน !! อย่างไรก็ตามหากคุณต้องการดำเนินการคำนวณโดยใช้การต้านทานความร้อนคุณจำเป็นต้องมีการวัดอุณหภูมิเคสจริงตามฟังก์ชั่นของเวลาที่โหลดเต็มหรือครึ่งหนึ่ง

ฉันรู้ว่านี่เป็นหัวข้อเก่า แต่ฉันค้นพบว่าค้นคว้าเรื่องนี้และต้องการแก้ไข / เพิ่มสิ่งต่างๆ สูตรในการค้นหาความต้านทานต่อความร้อนที่ต้องการของชุดระบายความร้อนที่ให้โดย jluciani นั้นถูกต้อง แต่โดยทั่วไปแล้วไม่มีคำว่าอุณหภูมิโดยรอบ (Ta) สมการควรเป็น:

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

ที่ Tj คืออุณหภูมิเป้าหมายสูงสุดของทางแยก ฉันจะใช้ 125 degC เป็นอุณหภูมิสูงสุดของจุดเชื่อมต่อเพื่อให้ระยะห่างที่ปลอดภัยในกรณีที่อุณหภูมิโดยรอบมากกว่า 25 องศามาตรฐาน สิ่งนี้ให้:

125 = (1.92 + 0.5 + Rsa) * 36 +25

Rsa = (125-25) / 36 - 1.92 - 0.5 = 0.3577 degC / W

ส่วนถัดไปเพื่อหาขนาดของแผ่นอลูมิเนียมที่ต้องการเพื่อให้ได้ค่าความต้านทานความร้อนต่ำมีความซับซ้อนมากขึ้น แต่บล็อกนี้https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-equation /ให้กฎง่ายๆของการประมาณนิ้วหัวแม่มือโดย:

พื้นที่ = (50 / Rsa) ^ 2 cm2

น่าเสียดายที่สูตรนี้ใช้กับครีบระบายความร้อนที่มีครีบและฉันเชื่อว่าผู้เขียนทำผิดและหมายถึงพื้นที่ = 50 × (1 / Rsa) ^ 2 ครีบสร้างความแตกต่างอย่างมาก หลังจากดูผลลัพธ์ของเครื่องคิดเลขออนไลน์https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.htmlและแผ่นข้อมูลจากผู้ผลิตความร้อนแบบพาสซีฟฉันทำบิต ของการเข้าโค้งและเกิดขึ้นกับสูตรบอลพาร์คที่ครอบคลุมมากขึ้นนี้:

พื้นที่ = (20 * 1 / (1 + การไหล) * 1 / (0.25 + h) * 1 / Rsa) ^ 2 cm2

โดยที่การไหลคือการไหลใด ๆ จากพัดลมระบายความร้อนใน cfm และ h คือความสูงของครีบใด ๆ

สำหรับสถานการณ์ใน OP ไม่มีการระบายความร้อนที่ถูกบังคับดังนั้น flow = 0 และไม่มีครีบดังนั้น h = 0 และสูตรทำให้ง่ายขึ้นเพื่อ:

พื้นที่ = (80 / Rsa) ^ 2

เนื่องจากเราต้องการความต้านทานความร้อน <= 0.3577 ขนาดของแผ่นที่ต้องใช้เพื่อทำความเย็นทรานซิสเตอร์ใน OP คือ:

พื้นที่ = (80 / 0.3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

นี่อาจใหญ่เกินไปที่จะใช้งานได้จริง

ดังที่เควินเวอร์เมียร์ชี้ให้เห็นว่าทรานซิสเตอร์นี้โดยเฉพาะในบริการนี้ไม่เหมาะสำหรับการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ อย่างไรก็ตามสามารถลดขนาดฮีทซิงค์ลงได้อย่างมากโดยการเพิ่มครีบและพัดลมระบายความร้อนที่พอเหมาะดังแสดงในแผนภูมิที่ด้านล่างของลิงค์นี้ https://www.designworldonline.com/how-to-select-a เหมาะความร้อนอ่างล้างจาน / # _

การใช้งานกับแผ่นแบนและเพิ่มพัดลมระบายความร้อนของพีซีที่ค่อนข้างดีที่อัตราการไหลของอากาศ 100cfm ขนาดของแผ่นจะลดลงเป็น:

พื้นที่ = (80 / (0.3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

อลูมิเนียมอัดสามารถซื้อได้ในแถบยาวที่มีครีบและใช้แผ่นครีบที่มีครีบ 3 ซม. และไม่มีพัดลมระบายความร้อนจะต้องมีขนาดฮีทซิงค์ของ:

พื้นที่ = (20 * 1 / (0.25 + 3) * 1 / 0.3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

ในที่สุดการรวมความเย็นบังคับของ 100cfm และครีบ 3cm ให้:

พื้นที่ = (17.2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

หมายเหตุ:

การลดลงของแรงดันและความใกล้ชิดของส่วนประกอบร้อนอื่น ๆ ในตู้สามารถลดประสิทธิภาพ

ฝุ่นละอองสามารถป้องกันแผ่นระบายความร้อนและทำให้พัดลมระบายความร้อนช้าลงและล้มเหลวเมื่อเวลาผ่านไป

ชุดระบายความร้อนที่มีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่หน้าสัมผัสของชิ้นส่วนจะมีการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพหลวมเนื่องจากระยะทางที่ความร้อนต้องเดินทางเพื่อกระจายไปยังส่วนปลายสุดของชุดระบายความร้อน

ปฏิบัติตามแนวทางปกติเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสที่ดีกับส่วนประกอบเพื่อระบายความร้อนโดยใช้ชั้นบาง ๆ ของสารประกอบการถ่ายเทความร้อนที่เหมาะสมระหว่างพื้นผิวสัมผัส

ผลลัพธ์จากสูตรนี้สำหรับชุดระบายความร้อนที่เล็กหรือใหญ่มากควรได้รับการปฏิบัติด้วยความสงสัย ยกตัวอย่างเช่นในผลสุดท้ายรัศมีพัดลมระบายความร้อนมีขนาดใหญ่กว่าฮีทซิงค์มากดังนั้นการไหลเวียนของอากาศส่วนใหญ่จะไม่ไหลใกล้กับครีบดังนั้นผลลัพธ์จึงน่าสงสัย ไม่อย่างนั้นมันเป็นการประมาณที่ดีทีเดียว

น่าจะดีที่สุดที่จะเพิ่ม 25 องศาให้กับทุกสิ่งที่คุณคิดว่าอุณหภูมิของอากาศแวดล้อมนั้นอยู่ที่ 25 องศาเซลเซียสและหักส่วนต่างของความปลอดภัยออกจากอุณหภูมิเป้าหมายสูงสุดขององค์ประกอบเมื่อทำการคำนวณ

อย่าใช้สูตรนี้ในการออกแบบระบบทำความเย็นสำหรับสถานีพลังงานนิวเคลียร์

มีบทความบล็อกที่ดีตั้งอยู่ที่http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ที่ให้คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการคำนวณขนาดแผ่นแบน เพื่อใช้เป็นชุดระบายความร้อน พวกเขายังให้การคำนวณสเปรดชีต แต่คุณจะต้องให้ที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อรับลิงค์ดาวน์โหลด