Выбор радиаторов и расчет температур

При выборе готового радиатора или его разработке необходимо обеспечить допустимую температуру р-п перехода (кристалла) полу­проводникового прибора. Чтобы понять, от чего будет зависеть ука­занная температура, рассмотрим схему отвода тепла от р-п перехода к окружающей среде (рис. 5).

Рис. 5. Тепловая схема охлаждения полупроводникового прибора

Здесь используется уже упоминавшееся при рассмотрении про­цесса теплопроводности понятие теплового сопротивления. От теп­лового сопротивления R_T участка цепи зависит разность температур Dt концов этого участка при распространении по цепи теплового по­тока с мощностью Р:

То есть, чем выше тепловое сопротивление участка цепи, тем больше разность температур его концов при той же мощности тепло­вого потока. В нашем случае имеет место последовательная цепь, по­этому суммарное тепловое сопротивление для потока энергии Р, вы­деляющейся в р-п переходе, равно:

где R_пс — тепловое сопротивление переход — окружающая среда; R_пк — тепловое сопротивление переход — корпус прибора; R_кр — тепловое сопротивление корпус — радиатор; R_р — тепловое сопро­тивление радиатор — окружающая среда.

От этих тепловых сопротивлений зависят температуры в узловых точках схемы:

температура р-п перехода

(2)

температура корпуса прибора

температура радиатора

где t_П, t _к, t_р, t_с — соответственно температуры р-п перехода, корпуса, радиатора, окружающей среды. Следовательно, превышение температуры р-п перехода над тем­пературой окружающей среды зависит от значений R_пк, R_кр и R_р. Чем меньше будут перечисленные тепловые сопротивления, тем ниже при той же рассеиваемой мощности окажется температура t_п. Сопро­тивление R_пк является постоянной для данного полупроводникового прибора величиной и указано в его технических характеристиках. От решений, принятых конструктором аппаратуры, зависят только ве­личины R_кр и R_р.

Тепловое сопротивление корпус — радиатор, влияющее на раз­ность температур корпуса прибора и радиатора, определяется фор­мулой

где R_уд — удельное тепловое сопротивление контакта, °С • см²/Вт; S— площадь контакта прибора с радиатором, см².

Значения R_уд при различных способах установки прибора на ра­диатор приведены в табл. 3.

Таблица 3

Способ установки прибора на радиатор R_уд , °С • см²/Вт

Без прокладки______________________________ 1,14—1,52

Без прокладки, с пастой КПТ-8_________________ 0,38—0,76

Без прокладки, со смазкой ПМС-200 1,14

Через прокладку из слюды толщиной 30 мкм__. 1,98

Через прокладку из слюды толщиной 50 мкм 2,3 9

Через прокладку из слюды толщиной 30 мкм с пастой КПТ-8 0,83

Через прокладку из слюды толщиной 50 мкм с пастой КПТ-8 1,14

Через прокладку Номакон-GS толщиной 0,22 мм 1,1...2,2

Из этих данных видно, что минимальные значения R_кр достига­ются при установке прибора на радиатор без прокладки с пастой КПТ-8. При использовании теплопроводящих изолирующих подло­жек близкие результаты обеспечивают прокладки из слюды, смазан­ные пастой КПТ-8, и более удобные в применении прокладки Номакон-GS толщиной 0,22 мм.

От теплового сопротивления R_р зависит перегрев радиатора отно­сительно температуры окружающей среды

Передача тепла от радиатора в окружающую среду осуществляет­ся за счет конвекции и радиации. Значение R_р зависит от разности температур радиатора и окружающей среды (рис. 6), что объясняется активизацией теплообмена при увеличении Dt_р. Снижение R_р достигается следующими способами:

Рис. 6. Характеристика двустороннего ребристого радиатора размером 42x65x45 мм

— увеличением площади, а следовательно, и габаритных размеров радиатора;

- повышением степени черноты поверхности радиатора с помо­щью окисных или лакокрасочных покрытий;

- увеличением скорости движения воздуха, обтекающего радиатор.

Чтобы обеспечить естественное конвективное движение воздуха между охлаждаемыми поверхностями, ребра радиатора должны быть ориентированы вертикально, снизу должен быть обеспечен подвод холодного воздуха, а сверху — отвод нагретого.

Рис. 7.Активный радиатор

Значительное снижение теплового сопротивления имеет место при принудительном обдуве радиатора с помощью вентилятора. Благодаря этому радиатор способен рассеивать более высокую мощность при том же перепаде температур Dt_р. Например, для двустороннего ребрис­того радиатора с размерами 42x65x45 мм при Dt_р = 30 °С и естествен­ной конвекции имеем: R _р = 2,7 °С/Вт; Р= 30/2,7 = 11,1 Вт. Для этого же радиатора при принудительном обдуве воздухом со скоростью 2 м/с получим: R_р = 0,8 °С/Вт; Р = 30/0,8 = 37,5 Вт.

Радиаторы, на которых смонтирован осевой вентилятор, иногда называют активными (рис. 7). Активные радиаторы допускают произвольную ориентацию в пространстве и применяются для охлаждения отдельных нагруженных элементов, например, процес­соров компьютеров.

Выбор радиатора производится из условия, что фактическая тем­пература р-п перехода не должна превышать предельно допустимого значения t_{п доп} с учетом некоторого запаса. Основываясь на этом, из выражения (2) получим формулу для расчета теплового сопротив­ления радиатора:

Здесь в качестве t_с принимается максимально возможная темпера­тура окружающего радиатор воздуха. Коэффициент К_Н тепловой на­грузки элемента (коэффициент.запаса) можно принять равным 0,8.