Как рассчитать термическое сопротивление алюминиевого плоского проката

Для многих силовых цепей характерно прикрепление болтами к алюминиевому плоскому элементу. Насколько большим должен быть запас?

Скажи, что я монтирую tip122. Наихудшее условие - падение напряжения 24 В при 3 А и рабочий цикл 50%. Так что рассеивается 36 Вт.

Глядя на таблицу, при 35 Вт, максимальная температура корпуса составляет ~ 80 ° C. Предположим, что температура окружающей среды 25 градусов.

Падение температуры = 35 Вт * Tr = 55 дельта или 1,57 ° C / Вт для пластины.

Так какая площадь поверхности мне нужна для этого?

Правильно ли я подошел?

Вы можете использовать этот калькулятор, чтобы запустить некоторые числа для плоской пластины (ваш дизайн должен иметь плавники). Помните, что у вас ограниченное количество попыток, и для этого требуется параметр скорости воздуха. Включите желаемую температуру корпуса из кривых снижения характеристик, о которых я расскажу позже.

Вы застряли с TIP122? Как насчет пакета TO-220? Оба TIP122 и TO-220 предназначены только для приложений средней мощности. Этот тип применения будет лучше обслуживаться мощным транзистором и металлической банкой.

Разница между мощным, средним или малосигнальным транзистором заключается не только в их комплектации, но и в конструкции устройства. Максимальные значения таблицы для [TIP122 техническое описание] показывают, что максимальная рассеиваемая мощность Pc коллектора составляет 2 Вт в воздухе при 25 ° C или 65 Вт при Tc = 25 ° C. Вторая статистика предполагает, что у вас может быть бесконечный радиатор, связанный с окончательным соединением радиатора с вкладкой (технически случай, но вкладка имеет все значение) на TO-220, так что вкладка радиатора находится на уровне 25 ° С. Даже в этом случае переход транзистора, который вас беспокоит, будет превышать 150 ° C. Между соединением и вкладкой имеется тепловое сопротивление. (Замечание: я бы согласился с jluciani - мне нравится мой кремний 125 ° C или кулер). (Sidenote 2: Металлические радиаторы на BJT обычно подключаются к коллектору, так что вы будете иметь источник 3A, подключенный к корпусу, при напряжении, превышающем эмиттер / землю, и не захотите, чтобы он находился где-то, что он может замкнуть вне.)

Посмотрите на кривые снижения номинальных характеристик (рисунок 5 в техническом описании TIP122):

если вам нужно рассеивать 72 Вт, вы просто не сможете это сделать. Если вам нужна мощность 36 Вт, вы должны держать радиатор менее чем на 50 ° C выше температуры окружающей среды (25 ° C. Именно этот температурный градиент в 50 градусов обеспечивает рассеивание мощности). Сравните эту кривую с мощным транзистором, таким как MJ11022 [таблица данных] :

Теперь ваш радиатор может стать причиной ожога задолго до повреждения транзистора. 72 Вт соответствует почти на 100 ° C выше температуры окружающей среды, а 36 Вт - абсолютной рабочей температуре почти 150 ° C. Остерегайтесь термоциклирования, если хотите запустить его по-настоящему горячим.

Я настоятельно рекомендую использовать вместо TIP122 мощный транзистор TO-3 или TO-204.

Вам, вероятно, понадобится очень большая тарелка или достаточное количество движущегося воздуха.

Что такое время TIP122? Если время включения превышает 100 мс, то вы рассеиваете 72 Вт, а не 36 Вт. Вам нужно посмотреть на кривые переходного теплового отклика, чтобы определить снижение.

Вам необходимо разрешить некоторое тепловое сопротивление для интерфейса между корпусом транзистора и приемником (или пластиной).

Предполагая, что ваше время составляет менее 1 мс, вы рассеиваете 36 Вт. Глядя на таблицу данных Se-Semi -

Rjc = 1,92 град. С / Вт макс. Абсолютная максимальная температура перехода = 150 градусов по Цельсию (я бы не превысила 125 градусов по Цельсию)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36

Rsa = 1,05degC / W (что соответствует вашему расчету, когда вы вычитаете Rcs)

Если вы посмотрите на технические характеристики поставщиков радиаторов, вы сможете получить представление о размерах. Оформить заказ http://www.aavidthermalloy.com/

Чтобы рассчитать рассеиваемую мощность или изменения Rθjc или Rθja в динамической среде (то есть импульсном токе), это не такой простой процесс. Вы должны увидеть на так называемой кривой «Типичный тепловой отклик», предоставленной производителем. Из этой кривой вы можете получить «Переходное тепловое сопротивление» (нормализованное или фактическое Ζθ). Во всяком случае, я не могу сейчас делать подробные расчеты. Грубо говоря, в условиях 35 ° C, если вы хотите рассеивать 35 Вт из корпуса TO-3 и поддерживать температуру радиатора на уровне около 55 ° C с помощью естественного охлаждения, вам нужна серая алюминиевая пластина толщиной 3 мм с кромкой 16 см (т.е. 210 гр). Эта пластина должна свободно излучать с обеих сторон в вертикальном расположении, при этом аппарат должен быть плотно закреплен в центре пластины. Не забудьте включить в свои расчеты тепловые потери, вызванные контактом двух металлов. На практике мощность 35 Вт близка к максимальной мощности, которую вы можете рассеивать, используя металлические пластины и естественное охлаждение (то есть алюминиевая металлическая пластина 400 см2, толщина 5 мм, 0,5 кг, в вертикальном положении одна сторона свободна или 50 Вт обе стороны). Выше этих полномочий вы должны использовать оребренный радиатор (естественный или принудительный), который нетрудно рассчитать и построить

Это мой способ теплового дизайна. Никогда не понимайте концепцию термического сопротивления. Он полон предположений! В любом случае, если вы хотите продолжить расчеты с использованием теплового сопротивления, необходимо иметь измерения фактической температуры корпуса как функции времени при полной или половинной нагрузке.

Я знаю, что это старая ветка, но я обнаружил, что исследую эту тему, и хотел исправить / добавить пару вещей. Формула для определения требуемого теплового сопротивления радиатора, данная jluciani, в основном верна, но в ней отсутствует термин для температуры окружающей среды (Ta). Уравнение должно быть:

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

Где Tj - максимальная целевая температура соединения. Я буду использовать 125 ° C в качестве максимальной температуры соединения, чтобы обеспечить запас прочности в случае, если температура окружающей среды превышает стандартные 25 ° C. Это дает:

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36 + 25

Rsa = (125-25) / 36-1,92-0,5 = 0,3577 ° C / Вт

Следующая часть, чтобы найти размер алюминиевой пластины, необходимой для достижения этого низкого теплового сопротивления, гораздо сложнее, но этот блог https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-уравнение / дает очень простое правило аппроксимации большого пальца, заданное:

Площадь = (50 / Rsa) ^ 2 см2

К сожалению, эта формула применима к пассивным радиаторам с ребрами, и я считаю, что автор сделал опечатку и обозначил площадь = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Ребра имеют большое значение. После просмотра результатов этого онлайн-калькулятора https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html и спецификаций от ряда производителей пассивного тепла я немного поработал изгиб кривой и придумал эту более полную формулу Ball Park:

Площадь = (20 * 1 / (1 + поток) * 1 / (0,25 + ч) * 1 / Rsa) ^ 2 см2

Где поток - это любой поток от охлаждающего вентилятора в кубических футах, а h - высота любых ребер.

Для ситуации в ОП нет принудительного охлаждения, поэтому поток = 0 и нет ребер, поэтому h = 0 и формула упрощается до:

Площадь = (80 / Rsa) ^ 2

Учитывая, что нам требуется тепловое сопротивление <= 0,3577, размер пластины, необходимой для охлаждения транзистора в ОП, составляет:

Площадь = (80 / 0,3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Это, вероятно, слишком велико, чтобы быть практичным.

Как отметил Кевин Вермеер, этот конкретный транзистор в этом сервисе не очень подходит для пассивного охлаждения. Однако резкое уменьшение размера радиатора можно получить, добавив ребра и довольно скромный охлаждающий вентилятор, как показано на диаграмме внизу этой ссылки https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -подходит-радиатор / # _

Оставаясь с плоской пластиной и добавляя довольно хороший вентилятор охлаждения ПК с воздушным потоком 100 кубических футов в минуту, размер пластины можно уменьшить до:

Площадь = (80 / (0,3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

Экструдированный алюминий можно купить в виде длинных полос с ребрами, используя такую ​​оребренную пластину с ребрами 3 см, и без охлаждающего вентилятора потребуется радиатор размером:

Площадь = (20 * 1 / (0,25 + 3) * 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Наконец, объединение принудительного охлаждения ребер 100 см 3 и 3 см дает:

Площадь = (17,2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Ноты:

Падения давления и близость других горячих компонентов в шкафу могут снизить эффективность.

Попадание пыли может изолировать теплоотводы и привести к замедлению и отказу вентиляторов.

Радиаторы, которые намного больше, чем площадь контакта компонента, который они охлаждают, теряют эффективность из-за расстояния, которое тепло должно было пройти, чтобы распространиться к краям радиатора

Следуйте обычным рекомендациям по обеспечению хорошего контакта с охлаждаемым компонентом, используя тонкий слой подходящего теплоносителя между контактными поверхностями.

Результаты этой формулы для очень маленьких или больших радиаторов следует воспринимать с подозрением. Например, в последнем результате радиус охлаждающего вентилятора намного больше, чем у радиатора, и поэтому большая часть воздушного потока не будет течь в непосредственной близости от ребер, и поэтому результат является подозрительным. В противном случае это довольно хорошее приближение.

Вероятно, лучше всего прибавить 25 градусов к тому, что вы считаете температурой окружающего воздуха, и вычесть запас прочности в 25 градусов из максимальной целевой температуры компонента при проведении расчетов, просто чтобы быть в безопасности.

Не используйте эту формулу для проектирования охлаждения для атомной электростанции.

На http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ есть отличная статья в блоге, в которой подробно объясняются расчеты, необходимые для определения размера плоской пластины. для использования в качестве радиатора. Они также предоставляют электронную таблицу с расчетами, однако вам нужно будет указать свой адрес электронной почты, чтобы получить ссылку для скачивания.