Как правильно рассчитать радиатор охлаждения

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Практические советы

Опубликовано: 04.03.2018 09:17

Просмотров: 4108

Андрей Студенев, г. Запорожье
Во время своей работы интегральные стабилизаторы напряжения, особенно линейные, выделяют в окружающую среду определенное количество тепла. Если заранее не позаботиться об их охлаждении, то они могут выйти из строя, из-за перегрева рабочей структуры кристалла.
Для обеспечения высокой точности и стабильности напряжения питания в современных электронных устройствах широкое распространение получили интегральные стабилизаторы напряжения (ИМС) серии хх78хх (отечественный аналог КР142) которые производят многие зарубежные фирмы. Параметры некоторых ИМС стабилизаторов напряжения согласно данным из [1], приведены в табл.1.

При мощности нагрузки более 1 Вт, ИМС линейного стабилизатора напряжения необходимо эксплуатировать с теплоотводом, к которому они крепятся болтовым соединением.
Промышленность выпускает различные виды радиаторов на любой вкус: пластинчатые, ребристые, штыревые, игольчатые и др. Выбор теплоотвода сводится к определению его конструкции и размеров, которые обеспечат теплостойкость.
Охладитель в форме пластины конечно очень прост в изготовлении, имеет сравнительно небольшую стоимость. Площадь его поверхности равна сумме площадей двух сторон. Для изготовления пластинчатых охладителей следует использовать алюминиевые пластины с толщиной 1.5...3 мм.
Такие радиаторы целесообразно применять при небольших мощностях рассеивания, т.к. иначе такой радиатор получается очень габаритным. Для повышения эффективности теплоотвода и уменьшения габаритов целесообразно использовать ребристые и штыревые охладители.
Ребристый радиатор обычно бывает или цельнолитой, либо фрезерованный, а также может быть с одно или двухсторонним оребрением. Двухстороннее оребрение позволяет увеличить площадь поверхности. Самым эффективным является штыревой (игольчатый) теплоотвод, который не требует строгой пространственной ориентации в электронном устройстве. При минимальном объеме такой радиатор имеет эффективную максимальную площадь рассеивания. Площадь поверхности у такого радиатора равна сумме площадей каждого штырька плюс площадь основания. Материалом для радиаторов обычно служит алюминий и его сплавы. Лучшей эффективностью отвода тепла обладают охладители, выполненные из меди, однако вес и стоимость у таких радиаторов больше, чем у алюминиевых теплоотводов.
Пример расчета
Расчет будем производить на примере ИМС LM7805 (аналог КР142ЕН5В). Для расчета нужны следующие данные:
• максимальное напряжение питания, подаваемое на стабилизатор Umax = 15 В; напряжение на выходе стабилизатора Uвых = 5 В;
• максимальный ток нагрузки Iн = 1 А;
• допустимую температуру радиатора примем равной Т = 50°С.
Максимальное падение напряжения ∆U на стабилизаторе напряжения определяется согласно формуле (1):
∆U=Umax-Uвых=15-5=10В (1)
Тогда мощность, рассеиваемая на стабилизаторе, составит:
ррас = ∆U*Iн = 10*1 = 10Вт; (2)
Из справочных данных известно, что стабилизаторы серии КР142 могут рассеивать мощность без теплоотвода до 1 Вт. В нашем же случае это условие не выполняется, так как Р рас = 10 Вт, это означает, что нужно проводить расчет далее.
Существует такой параметр как тепловое сопротивление Q, к сожалению, в справочной литературе приводиться крайне редко. Показывает он на сколько °С нагревается радиоэлемент, если в нем выделяется мощность в 1 Вт. Однако, его можно определить двумя способами: или по формуле, или исходя из типа корпуса ИМС. Т. к. ИМС серии КР142 выпускаются в корпусе ТО-220, то из [2] следует, что тепловое сопротивление этой ИМС будет 2...5 °С / Вт.
Мы можем рассчитать тепловое сопротивление Q, помня, что Т = 50°С
Q = Т/ Ррас = 50 /10 = 5°С/Вт. (3)
Полученный результат совпадает с цифрами, приведенными в [2].
Площадь радиатора S определяется согласно формуле:
S = (T/Q)2 = (50/5)2=100cм2 (4)
Из приведенного расчета можно сделать небольшой вывод, что на 1 Вт рассеиваемой мощности данной ИМС необходим радиатор площадью 10 см2.
Чтобы теплоотвод занял как можно меньше места на плате проектируемого устройства, целесообразно применить ребристый охладитель, эскиз которого показан на рисунке.

Определение площади ребристого радиатор
Определим площадь теплоотвода на примере все того же ребристого радиатора, но не на основании предельно допустимых параметров работы ИМС, а на основании габаритных размеров теплоотвода. На рисунке условно показаны размеры необходимые для данного расчета. Из [2] воспользуемся формулами для расчета площади радиатора:
S = [2*(H-d) + D] * (n-1) * L+ L* [В + 2 * Н + (d* n)] (5) S = 2*L(B = H) + 2*B*H (6)
где n - количество ребер радиатора.
Производить расчет ребристого радиатора можно по одной из двух формул (5) или (6).
При расчете по формуле (6) задаемся условием, что в процессе охлаждения участвует в основном наружная поверхность теплоотвода - так называемый теплообмен излучением, и зависит в основном от коэффициента излучения (степени черноты) материала радиатора.

При расчете по формуле (5) в процессе охлаждения участвует как наружная, так и внутренняя поверхность (межреберное пространство) - это так называемый конвективный способ передачи тепла. Однако не стоит забывать о том, что не все ребра охладителя могут одинаково отводить выделяемое тепло, так как часть их поверхности, может соприкасаться с другими деталями и узлами находящиеся на плате. Этот факт следует также учитывать, при разработке какого либо электронного устройства с применением стабилизатора напряжения.
Хотелось бы также отметить, что при естественном воздушном теплоотводе примерно 70% тепла отводиться конвекцией, а 30% приходиться на излучение.
Следует также помнить, что при монтаже стабилизатора напряжения, теплоотвод установленный на нем будет иметь электрическую связь со средним выводом микросхемы серии хх78хх (КР142).
Литература:
1.Бирюков С. Микросхемные стабилизаторы напряжения широкого применения. // Радио. -1999. - №2.-С. 69-71.
2.Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1990.-576С.: ил., с 501-564.
РА 10'2017