Хорошо, сначала я попытаюсь дать хороший небольшой курс по теплотехнике, поскольку вы говорите, что хотите лучше разобраться с этим. Звучит так, будто вы находитесь в той точке, где вы понимаете термины, знакомы с какой-то математикой, но истинное интуитивное понимание еще не выработано, что «Ах, ха!» момент, когда лампочка погасла, еще не произошло. Это очень разочаровывающий момент! Не волнуйтесь, вы получите это, если будете продолжать.
Самая важная часть о тепловом материале:
1. Это как одностороннее электричество. Итак, давайте использовать закон Ома.
Тепловой поток подобен току, только нет «возврата», тепло всегда всегда течет от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Потенциал, являющийся тепловой энергией, в этом случае. Сила это наш ток. И, что удобно, тепловое сопротивление - это ... сопротивление.
В остальном это точно так же. Вт - это ваши усилители, ваш ток. И действительно, это имеет смысл, так как больше ватт означает больший тепловой поток, верно? И так же, как напряжение, температура здесь относительна. Мы говорим не об абсолютной температуре в любой точке, а только о разнице температур или разности потенциалов между вещами. Поэтому, когда мы говорим, что есть, скажем, температурный потенциал 10 ° C, это просто означает, что одна вещь на 10 ° C горячее, чем другая вещь, о которой мы говорим. Температура окружающей среды - наша «земля». Таким образом, чтобы перевести все это в реальные абсолютные температуры, вы просто добавляете их поверх любой температуры окружающей среды.
Такие вещи, как ваш LM7805, которые выделяют тепло, идеально смоделированы как источники постоянного тока. Поскольку мощность является током, и она действует как устройство постоянной мощности, постоянно генерируя 4,4 Вт тепла, то есть оно похоже на источник постоянного тока, генерирующий 4,4 А. Как и источники постоянного тока, источник постоянного тока будет повышать температуру (например, напряжение источника постоянного тока) настолько высоко, насколько это необходимо для поддержания тока / мощности. И что определяет ток, который будет течь? Тепловое сопротивление!
1 Ом действительно говорит о том, что вам понадобится 1 вольт разности потенциалов, чтобы протолкнуть 1A через него. Аналогично, в то время как единицы измерения фанки (° C / W), термическое сопротивление говорит то же самое. 1 ° C / W просто как один Ом. Вам понадобится разница температуры в 1 ° C, чтобы протолкнуть 1 Вт теплового «тока» через это сопротивление.
Более того, такие вещи, как падение напряжения, параллельные или последовательные тепловые цепи, это все то же самое. Если тепловое сопротивление является лишь одной частью большего общего теплового сопротивления вдоль вашего теплового пути («контура»), то вы можете найти «падение напряжения» (повышение температуры) на любом тепловом сопротивлении точно так же, как вы нашли бы падение напряжения на резисторе. Вы можете добавить их для рядов 1 / (1 / R1 .... 1 / Rn) так же, как для параллельных сопротивлений. Все работает и без исключения.
2. Но для того, чтобы все стало горячо, требуется время!
Закон Ома на самом деле не является законом, но изначально был эмпирической моделью, а позже понял, что это был только предел DC для закона Кирхгофа. Другими словами, закон Ома работает только для устойчивых цепей. Это также верно для термиков. Все, что я написал выше, действительно только тогда, когда система достигла равновесия. Это означает, что вы позволяете всему, что рассеивает мощность (наши источники постоянного тока) делать это на некоторое время, и поэтому все достигло фиксированной температуры, и только при увеличении или уменьшении мощности относительные температуры чего-либо изменятся.
Обычно это не занимает много времени, но также не происходит мгновенно. Мы можем видеть это довольно ясно просто потому, что вещи нагреваются. Это может быть смоделировано как тепловая емкость. По сути, им потребуется время для «зарядки», и вы увидите большую разницу температур между горячим и холодным объектами, пока они не достигнут равновесия. Вы можете рассматривать большинство объектов как минимум два последовательных резистора (например, для одной точки теплового контакта, а другой - для верхней и нижней частей панели) с промежуточным конденсатором. Это не особенно актуально или полезно в этой ситуации, где все, что нас волнует, это устойчивое состояние, но я подумал, что упомяну это для полноты.
3. Практичность
Если мы приравниваем тепло к потоку электрического тока, то где он тоже течет ? Это течет в окружающую среду. Для всех намерений и целей мы обычно можем думать об окружающей среде как о гигантском бесконечном радиаторе, который будет поддерживать фиксированную температуру независимо от того, сколько ватт мы в нее проталкиваем. Конечно, это не совсем так, в комнатах может быть жарко, компьютер, безусловно, может обогреть комнату. Но в случае с 5 Вт это нормально.
Тепловое сопротивление соединения между корпусом, затем корпусом для прокладки, прокладкой для прокладки на другой стороне печатной платы, нижней прокладкой для радиатора и, наконец, радиатором для воздуха, образуют нашу общую тепловую цепь и все эти тепловые сопротивления добавляются вверх наше истинное тепловое сопротивление. Те графики, на которые вы смотрите, те, которые смотрят на сопротивления только одной части системы, а НЕ всей системы. Из этих графиков можно подумать, что квадрат меди может рассеивать ватт и подниматься только на 50 ° C. Это верно только в том случае, если печатная плата волшебная и бесконечно большая и никогда не прогреется. Рассматриваемый переход будет на 50 ° горячее, чем печатная плата, но это не очень полезно, если вы нагревали печатную плату до 200 ° C. Вы превысили рабочую температуру в любом случае.
К сожалению, реальность такова, что естественная конвекция довольно ужасна при охлаждении. Радиаторы имеют большую площадь поверхности, чтобы увеличить конвекционное охлаждение, и часто анодированы черным, чтобы увеличить их радиационное охлаждение (черные объекты излучают больше тепла, в то время как блестящие / отражающие объекты почти не излучают. Как антенна, хорошая передача делает ее хорошей при получении, и именно поэтому от темных до черных вещей так жарко на солнце, а блестящие вещи почти не нагреваются. Это работает в обе стороны). Но вы обнаружите, что большинство радиаторов имеют довольно высокое тепловое сопротивление для естественной конвекции. Проверьте таблицу данных, часто тепловые сопротивления радиаторов соответствуют определенным минимальным значениям CFPM воздушного потока над радиатором. Другими словами, когда есть вентилятор, дующий воздухом. Естественной конвекции будет много хуже по тепловым характеристикам.
Поддержание теплового сопротивления между соединением и радиатором относительно просто. Соединения припоя имеют незначительное тепловое сопротивление (хотя сам припой не очень хороший проводник тепла, по крайней мере, по сравнению с медью), а медь уступает только серебру (по крайней мере, среди обычных, не экзотических материалов. Алмаз, графен и т. Д. более теплопроводный, но также недоступен на Digikey). Даже стекловолоконная подложка печатной платы не совсем ужасна при теплопроводности. Это не хорошо, но и не ужасно.
Твердая часть фактически рассеивает тепло в окружающую среду. Это всегда задыхается. И почему инженерия трудна. Лично я разрабатываю мощные DC / DC преобразователи (среди прочего). Эффективность перестает быть чем-то, что вы хотите, и становится тем, что вам нужно. Вам НЕОБХОДИМО% эффективности, чтобы сделать преобразователь постоянного тока настолько маленьким, насколько это необходимо, потому что он просто не сможет сбрасывать дополнительное тепло. На этом этапе тепловые сопротивления отдельных компонентов не имеют смысла, и они все равно плотно связаны на медной плите. Весь модуль будет нагреваться, пока не достигнет равновесия. На самом деле ни один отдельный компонент не будет иметь достаточного теплового сопротивления, чтобы теоретически перегреться, но вся доска в виде объемного объекта может нагреваться до тех пор, пока она не расплавится, если сможет ».
И, как я сказал ранее, естественная конвекция действительно ужасна при охлаждении. Это также в первую очередь функция площади поверхности. Таким образом, медная пластина и печатная плата с одинаковой площадью цепи будут иметь очень похожие термические сопротивления окружающей среде. Медь сделает тепло более равномерным, но не сможет потерять больше ватт, чем стекловолокно.
Все сводится к площади поверхности. И цифры не хорошие. 1 см ^ с представляет около 1000 ° C / Вт термического сопротивления. Таким образом, относительно большая печатная плата размером 100 x 50 мм будет состоять из 50 квадратов, каждый квадратный сантиметр и параллельное тепловое сопротивление каждой 1000 ° C / Вт. Так что эта плата имеет сопротивление окружающей среде 20 ° C / Вт. Таким образом, в вашем случае 4.4W, не имеет значения, что вы делаете на плате, размер площадки, тепловые переходы, и все такое. 4.4 Вт будет нагревать эту плату примерно до 88 ° C выше температуры окружающей среды. И обойти это невозможно.
То, что делают радиаторы - это складывать большую площадь поверхности в небольшой объем, и поэтому использование одного радиатора снижает общее тепловое сопротивление, и все становится менее горячим. Но все это согреет. Хороший тепловой дизайн - это то же самое, что направлять туда, куда течет тепло, так же как и убирать его из виджета.
Вы хорошо поработали с настройками радиатора и корпуса. Но вы обеспокоены неправильными вещами. Не существует простого способа вычислить тепловое сопротивление пэда через печатную плату, но требуется всего около 17% площади пэда, отведенного для переходных отверстий, прежде чем вы сильно ударите по убывающей отдаче. Обычно использование переходных отверстий 0,3 мм с интервалом 1 мм и заполнение термоподушек таким образом даст вам столько, сколько вы получите. Просто сделайте это, и у вас не будет причин беспокоиться о реальной стоимости. Вы заботитесь о системе в целом, а не об одном перекрестке.
У вас действительно была проблема, когда тепловое сопротивление между переходом, в частности, к плате большего размера и поверхностям, которые выделяли тепло в окружающую среду, было слишком высоким, поэтому компонент перегрелся. Либо тепло не могло распространяться на остальную рассеивающую поверхность достаточно быстро, либо могло, но не было достаточно поверхности, чтобы достаточно быстро рассеять ее в окружающей среде. Вы рассмотрели обе возможности, предоставив низкоомный тепловой путь от LM7805 к радиатору, который сам по себе обеспечивает большую площадь поверхности и множество дополнительных мест для отвода тепла.
Корпус, печатная плата и т. Д., Конечно, в конечном итоге все равно будут нагреваться. Как и электрический ток, он следует всем путям, пропорциональным сопротивлению. Обеспечивая меньшее общее сопротивление, LM7805 как источник теплового «тока» не должен сильно нагреваться, а другие пути разделяют мощность («ток») между ними, и путь с наименьшим сопротивлением (радиатор) будет получать пропорционально горячее. Вы сохраняете все остальное при более низкой температуре, предоставляя предпочтительный тепловой путь через радиатор. Но все остальное все равно будет помогать и все равно будет разогреваться в большей или меньшей степени.
Итак, чтобы ответить на ваши конкретные вопросы о пуле:
вам не нужно измерять тепловое сопротивление перехода к нижней площадке, и зная, что это не полезная информация. Это ничего не изменит, и вы все равно не сможете улучшить его сверх того, что у вас есть.
