家壁ラジエーターの計算方法。スキーム、説明

ラジエーターの計算方法。スキーム、説明

小信号回路では、トランジスタが 100 mW を超える電力を消費することはほとんどありません。導体に沿った熱の伝播とトランジスタ本体からの対流周囲の空気/?-and-junction の過熱を回避するには十分であることがわかります。

大きな電力が消費されるトランジスタはエミッタフォロワ内にあります強力な情報源電源とパワーアンプの出力段 - が必要特別な手段熱の除去に。いつもの ヒートシンク(ラジエーター) は、ラジエーターで動作するように適合されたトランジスタとともに使用されます。図では、 9.35、あは、BFY50 トランジスタなど、T05 パッケージ内のトランジスタの放熱を 2 倍にする波形金属ヒートシンクを示しています。 TOZ ハウジング内の強力なトランジスタ (図 9.35、b) は、巨大なフィン付きラジエーターに取り付けられています。このように設置されたトランジスタにより、30 W の電力損失が可能になります。ヒートシンクがない場合、消費電力は 3 W に制限されます。

米。 9.35。ラジエーター。

電気絶縁

ヒートシンクハウジングは通常、接地された金属シャーシまたは機器本体に直接ネジ止めされます。場合によっては、シャーシ自体がヒートシンクとして機能する場合もあります。これらすべての場合において、通常、トランジスタ本体はコレクタに接続されているため、トランジスタ本体とヒートシンクの間に電気絶縁が必要であることに留意する必要があります。マイカまたはマイラーワッシャーは、熱伝導率を大幅に低下させることなく断熱性を提供します。シリコングリス、ワッシャーの両側に適用され、良好な熱接触を保証します。

熱抵抗

熱除去の質は通常、量によって表されます。熱抵抗これは、熱の伝播速度が熱源と熱源との温度差に比例するという事実を考慮しています。外部環境（と比べて電気抵抗、電荷の移動速度は電位差に比例します。 [非常に大きなストレッチがなければ比較できない電気チャージの移動速度。 - 注記翻訳])。

物理学の概念でよくあることですが、熱抵抗の単位 (ワットあたりの摂氏) は次のようになります。良いアイデア正式な定義は次のようになります。

言い換えると、熱抵抗が 3 °C/W、消費電力が 30 W のヒートシンク本体は、温度より 3 x 30 °C = 90 °C 高い温度まで加熱します。環境.

トランジスタと環境との間に確立された熱平衡の全体像は、図に示す熱図で示されます。 9.36。トランジスタによって放出される熱出力 P は「熱電流発生器」と見なされ、システム内のさまざまな熱抵抗にわたって温度差が生じます。

最大許容温度通常、pn 接合は 150 °C であり、周囲温度は 50 °C と考えられます。これは、汎用電子機器が動作できる温度です。

トランジスタのメーカーは、自社のトランジスタの安全な最大ケース温度 (多くの場合 125°C) を指定しています。 で、と

米。 9.36。熱線図トランジスタとその環境。

は計算から除外され、図の抵抗器のはしごを 1 つ下に移動します。 9.36。さらに、トランジスタ本体からヒートシンクまでの熱伝導率は通常非常に優れているため、 6 CS 6 SA、 ヒートシンクと空気の間の熱抵抗 6 S.A. ほとんどの計算において支配的な要素です。トランジスタによって消費される電力 P がわかれば、ケース温度を見つけるのは簡単です Tcasc、周囲温度が 50°C であると仮定すると、次のようになります。

メーカーのデータを確認することで、このトランジスタが求められたケース温度で必要な電力を放散できるかどうかがわかります。そうでない場合は、より大きなヒートシンクを使用して 6 SA の熱抵抗を下げる必要があります。

大型フィン付きラジエーター強力なトランジスタ通常、温度抵抗は 2 ～ 4 °C/W ですが、強制冷却によって 1 °C/W まで下げることができます。一方、T05 パッケージのトランジスタ用に設計された小型ラジエーターの平均熱抵抗は約 50 °C / W であり、その助けにより、BFY50 や 2N3053 などの中出力トランジスタの許容消費電力は0.8～1.5W

= ([ホットスポットの温度、grC] - [低温点の温度、grC]) / [許容損失、W]

これは、熱い点から冷たい点への流れがある場合を意味します。熱出力 X W、熱抵抗が Y grC / W であれば、温度差は X * Y grC となります。

パワー素子の冷却計算式

電子パワー素子の熱除去を計算する場合、同じことを次のように定式化できます。

[パワー素子の結晶温度、grC] = [周囲温度、grC] + [許容損失、W] *

どこ [ 総熱抵抗、grC / W] = + [ケースとラジエター間の熱抵抗、grC / W] + (ラジエーター付きの場合)、

または [ 総熱抵抗、grC / W] = [クリスタルとケース間の熱抵抗、grC / W] + [ハウジングと環境間の熱抵抗、grC / W】（ラジエター無しの場合）。

計算の結果、参考書に指定されている最大許容値を下回るような結晶温度を取得する必要があります。

計算用のデータはどこで入手できますか?

ダイとケース間の熱抵抗のためにパワーエレメント参考書によく載っています。そして、次のように指定されます。

参考書に測定単位 K/W または K/W が含まれているという事実に混乱しないでください。これは、この値がワットあたりのケルビンで与えられ、W あたりの grZ で与えられるとまったく同じになることを意味します。つまり、X K/W = X grZ/W となります。

通常、参考書では、技術的な変動を考慮して、この値の可能な最大値が示されています。最悪の場合を想定して計算を実行する必要があるため、これが必要になります。たとえば、水晶と SPW11N80C3 パワー電界効果トランジスタのボディ間の最大可能熱抵抗は 0.8 GHz/W です。

ケースとヒートシンク間の熱抵抗住宅の種類によって異なります。一般的な最大値を表に示します。

TO-3	1.56
TO-3P	1.00
TO-218	1.00
TO-218FP	3.20
TO-220	4.10
TO-225	10.00
TO-247	1.00
DPパック	8.33

絶縁ガスケット。私たちの経験では、絶縁ガスケットを正しく選択して取り付けると、熱抵抗が 2 倍になります。

ケース/ヒートシンクと環境間の熱抵抗。この熱抵抗は、ほとんどのデバイスで許容できる精度で非常に簡単に計算できます。

[熱抵抗、grC / W] = [120、(grC * 平方センチメートル) / W] / [ラジエーターまたは要素本体の金属部分の面積、平方メートル。 cm].

この計算は、エレメントとラジエーターを設置する際に、何も作成しない条件に適しています。特別な条件自然（対流）または人工の空気流用。係数自体は私たちの実際の経験から選択されました。

ほとんどのラジエーターの仕様には、ラジエーターと環境間の熱抵抗が含まれています。したがって、計算ではこの値を使用する必要があります。この値は、ラジエーターに関する表形式のデータが見つからない場合にのみ計算する必要があります。私たちは開発サンプルを組み立てる際に中古ラジエーターを使用することが多いため、この計算式は非常に役に立ちます。

プリント基板の接点を通じて熱が放散される場合、接触面積も計算に使用できます。

電子素子（通常は比較的低電力のダイオードやツェナーダイオード）の端子から熱が放散される場合、端子面積は端子の直径と長さに基づいて計算されます。

[ターミナルエリア、平方メートル cm。] = 円周率 * ([ 右リードの長さ、cm。] * [右端子の直径、cm。] + [左リードの長さ、cm。] * [左端子の直径、cm。])

放熱器なしのツェナーダイオードからの熱除去の計算例

ツェナーダイオードに直径 1 mm、長さ 1 cm の 2 つの端子があり、0.5 W が消費されるとします。それから：

ターミナル面積は約0.6平方メートルとなる。 cm。

ケース（端子）と環境間の熱抵抗は、120 / 0.6 = 200 となります。

この場合、水晶とケース（端子）間の熱抵抗は 200 よりはるかに小さいため無視できます。

デバイスが動作する最高温度が 40 grC であると仮定します。この場合、水晶温度 = 40 + 200 * 0.5 = 140 grC となり、これはほとんどのツェナーダイオードで許容可能です。

ヒートシンク～ラジエーターのオンライン計算

プレートラジエーターの場合は、プレートの両側の面積を計算する必要があることに注意してください。放熱に使用される PCB トレースの場合、もう一方の面は環境と接触していないため、片面のみを採取する必要があります。針ラジエーターの場合、1 本の針の面積を概算し、この面積に針の数を掛ける必要があります。

ラジエーターなしでの熱除去のオンライン計算

1 つのラジエーターに複数の要素が搭載されています。

1 つのヒートシンクに複数の要素が取り付けられている場合、計算は次のようになります。まず、次の式を使用してラジエーターの温度を計算します。

[ラジエター温度、grC] = [周囲温度、grC] + [ラジエーターと環境の間の熱抵抗、grC / W] * [総電力、W]

[結晶温度、grC] = [ラジエター温度、grC] + ([結晶と素体間の熱抵抗 grC / W] + [素体と放熱器間の熱抵抗 grC / W]) * [要素によって消費される電力、W]

Intel Pentium4 Willamette 1.9 GHz プロセッサと ADDACorporation 製の B66-1A クーラーの例を使用した方法論が示されており、強制対流と平坦な熱接触面を持つ電子デバイスの燃料要素を冷却することを目的としたフィン付きラジエーターを計算する手順が説明されています。最大100Wの電力で。この技術により、最新の高効率小型デバイスの熱除去を実用的に計算し、冷却を必要とするあらゆる無線電子機器に適用することが可能になります。

ソースデータで指定されたパラメータ:

P= 67 W、冷却要素によって生成される電力。

q と= 296 °K、ケルビン単位の中（空気）温度。

q 前に= 348 °K、最大結晶温度。

q R= nn °K、ラジエーターベースの平均温度（計算プロセス中に計算）;

H= 3 10 -2 m、ラジエターフィンの高さ (メートル)

d= 0.8×10 -3 m、リブの厚さ (メートル)

b= 1.5×10 -3 m、リブ間の距離。

私 メートル= 380 W/(m °K)、ラジエーター材料の熱伝導率;

L=8.3 10 -2 m、端に沿ったラジエーターのサイズ (メートル単位)。

B= 6.9 10 -2 m、フィン全体のラジエーターのサイズ。

あ= 8 10 -3 m、ラジエーターベースの厚さ。

V 3 2 m/秒、ラジエーターチャネル内の空気速度。

Z= 27、ラジエターフィンの数。

あなた R= nn K、ラジエーターベースの過熱温度、計算プロセス中に計算されます。

e R= 0.7、ラジエーターの放射率。

熱源はラジエターの中心にあると仮定します。

全て直線寸法メートル単位で測定され、温度はケルビン単位で、電力はワット単位で、時間は秒単位で測定されます。

放熱器の設計と計算に必要なパラメータを図1に示します。

写真1。

計算手順。

1. 次の式を使用して、リブ間のチャネルの総断面積を決定します。

S k = (Z - 1) b H

受け入れられた初期データの場合 - S k = (Z - 1) b H = (27-1) 1.5 10 -3 3 10 -2 = 1.1 10 -3 m 2

中央ファン設置の場合、空気の流れは 2 つの端面から出て、チャネルの断面積は 2 倍になり、2.2 × 10 -3 m 2 に等しくなります。

2.ラジエーターのベースの温度に2つの値を設定し、各値の計算を実行します。

q р = ( 353 (+80°С) そして 313 (+40°С))

ここからラジエターベースの過熱温度が決定されます あなた R環境に関して。

あなた p = q p - qと

最初の点についてはあなた p = 57°K、2 回目あなた p = 17°K。

3. 温度を決定する qヌッセルト (Nu) 基準とレイノルズ (Re) 基準を計算するために必要です。

q = q c + P / (2 V S k r・Cp）

どこ： q と – 周囲温度、環境、

V– リブ間のチャネル内の空気速度 (m/秒)。

S に– 総面積断面リブ間のチャネル (m 2 単位)。

r - 温度における空気密度 q平均、kg/m 3、

q平均 = 0.5 ( q p +q と）;

C R– 温度における空気の熱容量 q平均、J/(kg x °K);

P– ラジエーターによって電力が除去されます。

受け入れられた初期データの場合 - q = q s + P /(2·V ·S to · r·C p) = 296 K+67/(2 2m/秒 1.1 10 -3 m 2 1.21 1005) = 302.3°K (29.3°C)

* 中央フィン付きラジエーターの値ファンの取り付け, V計算では 1.5 ～ 2.5 m/秒 (付録 2 を参照)、出版物 [L.3] では約 2 m/秒。 Golden Orb クーラーなどの短い拡張チャネルの場合、冷却風の速度は 5 m/秒に達することがあります。

4. ラジエターフィンの熱伝達係数を計算するために必要なレイノルズ基準とヌッセルト基準の値を決定します。

Re = V L / n

どこ： n - での空気の動粘性率 q と、 メートル 2 /と付録 1、表 1 より。

受信した初期データの場合 - Re = VL/ n= 2 8.3 10 -2 / 15.8 10 -6 = 1.05 10 4

Nu = 0.032 Re 0.8

受け入れられた初期データの場合 - Nu = 0.032 Re 0.8 = 0.032 (2.62 10 4) 0.8 = 52.8

5. ラジエーターフィンの対流熱伝達係数を決定します。

あるに = ヌ · 私 V / 長さ W/(m 2 に）

どこ、私 - 空気の熱伝導率 (W/(m deg))、at q と付録 1、表 1 より。

受け入れられた初期データの場合 - a k = Nu・私インチ / L = 52.8 2.72 10 -2 / 8.3 10 -2 = 17.3

6. 補助係数を決定します。

m = (2 a k / l m d ) 1/2

mh の値と双曲線正接 th (mh) を決定します。

受け入れられた初期データの場合 - m = (2 · a k / l m · d) 1/2 = (2 · 17.3 /(380 · 0.8 10 -3)) 1/2 = 10.6

受け入れられた初期データの場合 - m・H = 10.6 · 3 10 -2 = 0.32; th(m・H) = 0.31

7. ラジエーターフィンからの対流によって放出される熱量を決定します。

Prk = Z 私 m・m・S・r・あなた pth(m H)

どこ： Z– リブの数;

私 メートル= ラジエター金属の熱伝導率、W/(m · °K);

メートル– 式 7 を参照。

S R– ラジエターフィンの断面積、m2、

S r = L d

あなた R– ラジエーターベースの過熱温度。

S р = L d = 8.3 10 -2 0.8 10 -3 = 6.6 10 -5 m 2

Prk = Z 私 m・m・S・r・あなた p th (m H) = 27 380 10.6 6.6 10 -5 57 0.31 = 127 W。

8. ラジエーターフィンの平均温度を決定します。

q av = (q p /2) [ 1 + 1 / cosh (m H )]

どこ： チャンネル (mH ) – 双曲線余弦。

受け入れられた初期データの場合 - q av = (q p /2) [ 1 + 1 / ch (m H )] = (353/2) =344°K (71°C)

※双曲線正接と余弦の値は、工学計算機上で「hyp」と「tg」または「cos」の演算を順次実行することで計算されます。

9. 放射熱伝達係数を決定します。

a l = e r f (q avg, q c) j

f (q avg, q c) = 0.23 [ 5 10 -3 (q avg + q c)] 3

受け入れられた初期データの場合 - f (q avg, q c) = 0.23 [ 5 10 -3 (q avg + q c)] 3 = 0.23 3 = 7.54

放射照度係数:

j = b / (b + 2h)

j = b / (b + 2H ) = 1.5 10 -3 / (1.5 10 -3 + 3 10 -2) = 0.048

a l = e r f (q avg, q c) j = 0.7 x 7.54 x 0.048 = 0.25 W/m 2 K

10. 熱流束を放出する表面積を決定します。

S l = 2 L [ (Z -1) · (b + d) + d ] +2 H · L · Z (m 2)

受け入れられた初期データの場合 - S l = 2 L [(Z -1) · (b + d ) + d ] +2 H · L · Z = 0.1445 m 2

11. 放射によって放出される熱量を決定します。

P l = a l · S l (q avg - q s)

受け入れられた初期データの場合 - P l = a l S l (q av - q c) = 0.25 0.1445 (344 – 296) = 1.73 W

12. 所定のラジエーター温度 q р = 353K でラジエーターから放出される熱の総量:

P = Prk + Pl

受け入れられた初期データの場合 - P = P pk + P l = 127 + 1.73 = 128.7 W。

13. ラジエーター温度の計算を繰り返します。 q p = 313K で、2 点を使用して計算されたラジエーターの熱特性を構築します。この点では P=38W です。ここでは、ラジエーターから放出される熱量が縦軸に沿ってプロットされています。 P R、および水平ラジエーター温度 q R .

図2

結果のグラフから、特定の電力 67W を決定します。 q R= 328 °K または 55 °C。

14. ラジエーターの熱特性に基づいて、特定の出力 P で次のことが決定されます。 R=67W、ラジエター温度 q R=328.5℃。ラジエター過熱温度 あなた R式2で求められます。

平等ですあなたр = q р - q с = 328 – 296 = 32°К。

15. クリスタルの温度を測定し、メーカーが設定した制限値と比較します。

q に = q p + P ( rパソコン+ r pr) °K = 328+67(0.003+0.1)=335 (62°C)、

q R – 特定の設計点におけるラジエーターベースの温度、

R– 式 14 による計算の結果、

r PC - プロセッサーケース - クリスタルの熱抵抗、これについて熱源 0.003K/Wに等しい

r pr – 特定の熱源に対する本体ラジエーターの熱抵抗は 0.1 K/W (熱伝導ペースト使用)。

得られた結果は、メーカーが定義した最高温度を下回り、[L.2] のデータ (約 57°C) に近くなっています。この場合、周囲の空気に対する結晶の過熱温度は、上記の計算では 32°C、[L.2] では 34°C になります。

で一般的な見解、はんだ、ペースト、接着剤を使用した場合の 2 つの平らな表面間の熱抵抗:

r = d に・ lから-1 · S接点 -1

どこ： d k – ラジエーターと冷却ユニットの本体の間の隙間の厚さ（m 単位の熱伝導性材料で充填）、

私に– ギャップ内の熱伝導材料の熱伝導率 W/(m K)、

S 続き– 接触表面積（m2）。

ガスケットや潤滑剤を使用せず、十分に締め付けた場合の r cr のおおよその値は次のようになります。

r cr = 2.2 / S接点

ペーストを使用すると熱抵抗が約2倍に低下します。

16. 比較する q にと q 前にを提供するラジエーターを受け取りました。 q に= 325°K 以下 q 前に = 348°K - 指定されたラジエーターは、ユニットの熱レジームに予備を提供します。

17. 計算されたラジエーターの熱抵抗を決定します。

r = あなた R/P (°K/W)

r = あなた p / P (°/W) = 32/67 = 0.47°/W

結論:

計算された熱交換器は、周囲温度 23 °C までで 67 W の熱出力を確実に除去しますが、結晶温度 325 ° K (62 ° C) は、このプロセッサーの許容温度 348 ° K を超えません。 (75℃)。

応用特殊加工最大 50 °C の温度で輻射による熱出力の伝達を高めるために表面を使用することは効果がないことが判明しており、推奨できません。費用は負担しません。

この資料は、世界で広く使用されている熱交換器と同様の、最新の小型で高効率の熱交換器を計算して製造するだけでなく、コンピューターテクノロジーだけでなく、タスクに関連してそのようなデバイスの使用について適切な決定を下すこともできます。

付録 1。

熱交換器を計算するための定数です。

表1

q s、k(℃)	l* 10 -2 W/(m K)	な* 10 6 メートル 2 /秒	平均 J/(kg*K)	r 、kg/m 2
273(0)td>	2,44	13,3	1005	1,29
293 (20)	2,59	15,1	1005	1,21

373 (100)	3,21	23,1	1009	0,95

中間温度値の定数の値は、最初の近似値として、最初の列に示されている温度の関数をプロットすることで取得できます。

付録 2.

ラジエーターを冷却する空気の移動速度の計算。

気体中の強制対流中の冷却剤の移動速度:

V = Gv /S ～

ここで: Gv – 体積流量冷却剤、(70x70 ファンの場合、S pr = 30 cm 2、7 ブレード、P em = 2.3 W、w = 3500 rpm、Gv = 0.6 ～ 0.8 m 3 /min. または実際には 0.2 ～ 0.3 または V = 2m/秒）、

S k は、自由に通過できるチャネルの断面積です。

ファンの流れの面積が 30 cm 2、ラジエーターのチャネルの面積が 22 cm 2 であることを考慮すると、送風速度はより低くなり、次のようになります。

V = Gv /S = 0.3 m 3 /分 / 2.2 10 -3 メートル 2 =136m/分 =2.2m/秒。

計算には 2 m/秒を使用します。

文学：

REA デザイナーズハンドブック、R.G. ヴァルラモフ、M 編、ソビエトラジオ、1972 年。

REA デザイナーズハンドブック、R.G. ヴァルラモフ、M 編、ソビエトラジオ、1980 年。

http://www.ixbt.com/cpu/ 、Socket 478 用クーラー、2002 年春夏シーズン、 ヴィタリー・クリニツィン、発行 - 2002 年 7 月 29 日。

http://www.ixbt.com/cpu/ 、冷却ファンおよびクーラーの背後の空気速度の測定、Alexander Tsikulin、Alexey Rameykin、発行 - 2002 年 8 月 30 日

L.1、2の資料を基に2003年に作成

物理学、電気工学、原子熱力学にはよく知られた法則があります。ワイヤを流れる電流はワイヤを加熱します。ジュールとレンツがそれを思いつき、彼らが正しかったことが判明しました。それがそのようです。電気で動くものはすべて、何らかの形で通過エネルギーの一部を熱に変換します。

エレクトロニクスでは、環境内で最も熱にさらされる物体が空気であることがよくあります。熱を空気に伝えるのは加熱部品であり、空気は熱を受け取ってどこかに送る必要があります。たとえば、負けたり、自分自身の中に散らばったりします。この熱伝達のプロセスを冷却と呼びます。

当社の電子設計は、他のものよりも多くの熱を放散します。電圧安定器も発熱し、アンプも発熱し、スイッチを制御するトランジスタや小さな LED も、わずかな発熱を除いて発熱します。少しくらい温めても大丈夫ですよ。さて、手がつかめないほど揚げられたらどうしますか？彼を憐れんで、なんとか助けてあげましょう。いわば、彼の苦しみを和らげるためです。

加熱用バッテリーの装置を思い出してみましょう。はい、はい、冬に部屋を暖めたり、靴下やTシャツを乾かしたりするのと同じ普通のバッテリーです。バッテリーが大きければ大きいほど、部屋の熱も多くなりますよね？電池が液漏れしているお湯、バッテリーが発熱します。バッテリーにはセクションの数という重要な要素があります。セクションは空気と接触し、熱を空気に伝えます。したがって、セクションが多いほど、つまりバッテリーの占有面積が大きいほど、より多くの熱を与えることができます。さらにいくつかのセクションを溶接することで、部屋を暖かくすることができます。確かに、ラジエーター内の温水は冷える可能性があり、隣人には何も残らないでしょう。

トランジスタのデバイスを考えてみましょう。

銅ベース（フランジ）上 1 基板上に 2 固定クリスタル 3 。ピンに接続します 4 。構造全体がプラスチック化合物で満たされています 5 。フランジには穴が開いています 6 ラジエーターへの取り付け用。

これは本質的に同じバッテリーです。クリスタルが熱くなり、まるでお湯のようです。銅製のフランジが空気と接触しており、これらがバッテリー部分です。フランジと空気の間の接触領域で空気が加熱されます。加熱された空気は結晶を冷却します。

クリスタルクーラーの作り方は？トランジスタの設計を変更できないことは明らかです。トランジスタの作成者もこれについて考え、私たち殉教者のために、クリスタルへの唯一の道、つまりフランジを残しました。フランジはバッテリーの単一セクションのようなものです。フランジは焼けますが、熱は空気に伝わりません。接触面積は小さいです。ここに私たちの行動の余地があります。フランジを延長し、フランジ自体が銅であるため、フランジにさらにいくつかのセクション、つまり大きな銅板をはんだ付けするか、ラジエーターと呼ばれる金属ブランクにフランジを固定することができます。幸いなことに、フランジにはボルトとナット用の穴が用意されています。

ラジエーターとは何ですか? 私は彼についての 3 番目の段落を繰り返してきましたが、実際には何も言っていません。さて、見てみましょう:

ご覧のとおり、ラジエーターのデザインはさまざまで、プレートやフィンが含まれるほか、ニードルラジエーターやその他さまざまなものもあります。ラジオ部品店に行ってラジエーターの棚を並べてみてください。ラジエーターは、ほとんどの場合、アルミニウムとその合金 (シルミンなど) で作られています。銅製ラジエーターの方が優れていますが、高価です。スチールおよび鉄のラジエーターは、熱をゆっくりと放散するため、1 ～ 5 W の非常に低い電力でのみ使用されます。

結晶内で発生する熱は非常に単純な式で決まります。P=U*Iここで、P はクリスタル内で放出される電力、W、U = クリスタルの電圧、V、I はクリスタルを流れる電流、A です。この熱は基板を通ってフランジに伝わり、そこでラジエーターに伝達されます。次に、冷却システムの次の参加者として、加熱されたラジエーターが空気と接触し、熱がラジエーターに伝達されます。

を見ようよ全体図トランジスタを冷却します。

必要なものが 2 つあります - これはラジエーターです 8 ラジエーターとトランジスタの間のガスケット 7 。それは存在しないかもしれませんが、それは悪いことでもあり、同時に良いことでもあります。それを理解しましょう。

2 つの重要なパラメータについて説明します。これらは、結晶 (接合とも呼ばれます) とトランジスタ本体の間の熱抵抗 Rpk と、トランジスタ本体とラジエーターの間の熱抵抗 Rcr です。最初のパラメータは、結晶からトランジスタのフランジへの熱の伝達の仕方を示します。たとえば、1 ワットあたり摂氏 1.5 度に等しい Rpc は、電力が 1 W 増加すると、フランジとラジエーターの間の温度差が 1.5 度になることを説明します。言い換えれば、フランジは常に結晶よりも冷たくなり、その程度がこのパラメータによって示されます。小さいほど、暖かい方が良いフランジに転写されます。 10 W の電力を消費すると、フランジはクリスタルより 1.5 * 10 = 15 度冷たくなり、100 W の場合は 150 度冷たくなります。また、結晶の最高温度は限られているため（白熱するまで揚げることはできません！）、フランジを冷却する必要があります。同じ150度で。

例えば：
トランジスタは 25W の電力を消費します。その Rpc は 1 ワットあたり 1.3 度に相当します。結晶の最高温度は140度です。これは、フランジとクリスタルの間に 1.3*25=32.5 度の差があることを意味します。また、結晶は 140 度を超えて加熱できないため、フランジ温度を 140-32.5 = 107.5 度以下に維持する必要があります。このような。
そして、Rcr パラメータも同じことを示しています。同じ悪名高いガスケット 7 では損失のみが発生します。したがって、Rcr の値は Rpk よりもはるかに大きくなる可能性があります。強力なユニット、スペーサー上にトランジスタを配置することはお勧めできません。しかし、それでも必要な場合もあります。ガスケットを使用する唯一の理由は、フランジがトランジスタ本体の中間端子に電気的に接続されているため、ヒートシンクをトランジスタから絶縁する必要がある場合です。

別の例を見てみましょう。
トランジスタは100Wで発熱します。いつものように、結晶温度は 150 度以下です。 Rpc は 1 ワットあたり 1 度で、Rcr が 1 ワットあたり 2 度のガスケットにも取り付けられています。クリスタルとラジエーターの温度差は 100*(1+2)=300 度になります。ラジエーターは 150-300 = マイナス 150 度を超えないようにしてください。そうです、皆さん、これはまさに液体窒素だけが救えるケースです。恐怖です!

ガスケットなしでトランジスタやマイクロ回路のラジエーターを使用する方がはるかに簡単です。それらが存在せず、フランジがきれいで滑らかで、ラジエーターが光沢を放ち、さらに熱伝導ペーストが塗布されている場合、Rcr パラメーターは非常に小さいため、単純に考慮されません。

冷却には対流冷却と強制冷却の 2 種類があります。学校物理学を思い出すと、対流は独立した熱の分布です。対流冷却についても同様です。ラジエーターを設置し、そこにある空気を何らかの形で処理します。対流型ラジエーターは、アンプなどのデバイスの外部に設置されることがほとんどです。見たことがありますか? 側面には2枚の金属板が付いています。トランジスタは内側からねじ止めされています。そのようなラジエーターはカバーできず、空気のアクセスを遮断します。そうしないと、ラジエーターは熱を置く場所がなくなり、過熱してトランジスタからの熱を受け入れることを拒否し、長時間考えなくなり、過熱してしまいます。：何が起こるか知っていますね。強制冷却とは、ラジエーターに空気をより積極的に吹き付け、リブ、ニードル、穴に沿って空気を流すことです。ここでは、ファン、さまざまな空冷チャネル、その他の方法を使用します。はい、ところで、空気の代わりに、水、油、さらには液体窒素さえも簡単に存在できます。強力な発電機のラジオ管は、多くの場合、流水で冷却されます。

ラジエーターの見分け方 - 対流冷却用か強制冷却用か? その効率はこれに依存します。つまり、高温の結晶をどれだけ速く冷却できるか、どのような熱力の流れがそれ自体を通過できるかです。

写真を見てみましょう。

最初のラジエーターは対流冷却用です。長距離フィンの間にある空気の流れが自由になり、熱伝達が良好になります。ファンは 2 番目のラジエーターの上部に配置され、フィンから空気を送ります。これが強制冷却です。もちろん、両方のラジエーターをどこでも使用できますが、問題はその効率です。
ラジエーターには 2 つのパラメーターがあります。これはその面積です ( 平方センチメートル) およびラジエーター媒体の熱抵抗係数 Rрс (摂氏 1 度あたりのワット数)。面積は、すべての要素の面積の合計として計算されます：両側のベースの面積 + 両側のプレートの面積。ベースの端の面積は考慮されていないため、平方センチメートルまあ、かなりの量になりますよ。

例：
上の例のラジエーターは対流冷却用です。
ベース寸法: 70x80mm
フィンサイズ: 30x80mm
リブの数：8
ベース面積: 2x7x8=112 平方センチメートル
リブ面積：2x3x8=48平方センチメートル。
総面積: 112+8x48=496 平方センチメートル。

ラジエター媒体間熱抵抗係数 Rрс は、出力が 1 W 増加したときにラジエーターから出る空気の温度がどの程度上昇するかを示します。たとえば、ワットあたり摂氏 0.5 度に等しい Rpc は、1 ワットで加熱すると温度が 0.5 度上昇することを示します。このパラメータは 3 階建ての計算式であると考えられており、私たちの猫の頭では処理できません。Rрс は、システム内の熱抵抗と同様に、低いほど優れています。そして、それはさまざまな方法で減らすことができます - このために、ラジエーターは化学的に黒くなります（たとえば、アルミニウムは塩化第二鉄でよく黒くなります - 家庭で実験しないでください、塩素が放出されます！）、ラジエーターの向きを変える効果もあります。のための空気より良い通路プレートに沿って動かします（垂直ラジエーターは横置きラジエーターよりもよく冷却されます）。ラジエーターを塗料で塗装することはお勧めできません。塗料は不必要な熱抵抗になります。ほんの少しだけ濃い色であれば、厚い層ではありません。

このアプリケーションには、超小型回路またはトランジスタのおおよそのラジエーター面積を計算できる小さなプログラムが含まれています。これを使って、ある電源のラジエーターを計算してみましょう。

電源供給図。

電源は 1A の電流で 12V を出力します。トランジスタにも同じ電流が流れます。トランジスタの入力は 18 ボルト、出力は 12 ボルトです。つまり、トランジスタ両端の電圧降下は 18-12 = 6 ボルトです。トランジスタの水晶振動子から消費される電力は 6V*1A=6W です。 2SC2335 の最大結晶温度は 150 度です。極端な条件で動作させず、より低い温度、たとえば 120 度を選択しましょう。このトランジスタのジャンクションケース Rpc の熱抵抗は 1 ワットあたり摂氏 1.5 度です。

トランジスタのフランジはコレクタに接続されているので、ヒートシンクを電気的に絶縁しましょう。これを行うために、トランジスタとラジエーターの間に熱伝導ゴムで作られた絶縁ガスケットを配置します。ガスケットの熱抵抗は 1 ワットあたり 2 ℃です。

熱接触を良好にするために、PMS-200 シリコーンオイルを少量滴下します。これは最高温度+180度の濃厚なオイルで、フランジやラジエーターの凹凸によって必ず形成される空隙を埋め、熱伝達を向上させます。多くの人が KPT-8 ペーストを使用していますが、多くの人はそれが最良の熱伝導体ではないと考えています。
ラジエーターを持っていきます後壁冷却される電源装置部屋の空気+25度。

これらすべての値をプログラムに代入して、ラジエーターの面積を計算してみましょう。結果として得られる113平方センチメートルの面積は、フルパワーでの電源の長時間動作（10時間以上）用に設計されたラジエーター面積です。それほど長時間電源を駆動する必要がない場合は、より小型でより大容量のラジエーターを使用できます。また、電源内部にラジエーターを設置すると、絶縁ガスケットが不要になり、ラジエーターの面積を 100 平方センチメートルに縮小できます。

一般的に言って、親愛なる皆さん、その供給はあなたのポケットには十分ではありません、皆さんもそう思われますか？ラジエーターの領域とトランジスタの温度制限の両方に収まるようにマージンを考えてみましょう。結局のところ、デバイスを修理し、過熱したトランジスタを交換しなければならないのは他の誰でもなく、あなた自身なのです。これを覚えて！

LED の耐用年数は数万時間とされています。これほど高い指標を悪化させることなく達成するには光学特性、高出力 LED はラジエーターと組み合わせて使用する必要があります。この記事では、読者がラジエーターの計算と選択、その変更、熱放散に影響を与える要因に関連する質問への答えを見つけることができます。

なぜ必要なのでしょうか?

他の半導体デバイスと同様に、LED は効率が 100% の理想的な素子ではありません。消費されるエネルギーのほとんどは熱として放散されます。正確な値効率は発光ダイオードの種類とその製造技術によって異なります。低電流 LED の効率は 10 ～ 15% ですが、1 W 以上の電力を持つ最新の白色 LED の場合、その値は 30% に達します。つまり、残りの 70% が熱として消費されることになります。

LED が何であれ、安定して長期間動作するには、結晶から熱エネルギーを絶えず除去する、つまりラジエーターが必要です。低電流 LED では、ラジエーター機能はリード (アノードとカソード) によって実行されます。たとえば、SMD 2835 では、陽極リードが素子の底部のほぼ半分を占めています。高出力 LED では、消費電力の絶対値が数桁大きくなります。したがって、ヒートシンクを追加しないと正常に機能しません。発光結晶が継続的に過熱すると、耐用年数が大幅に短縮されます。半導体デバイス、動作波長のシフトに伴う輝度の滑らかな損失を促進します。

種類

構造的には、すべてのラジエーターは 3 つに分割できます。大人数のグループ: プレート、ロッド、リブ付き。いずれの場合も、ベースの形状は円、正方形、または長方形にすることができます。ベースの厚さは、ラジエーターの表面全体に熱を受け取り、均一に分配する役割を担う部分であるため、選択する際には基本的に重要です。

ラジエーターのフォームファクターは、将来の動作モードに影響されます。

自然換気付き。
強制換気付き。

ファンなしで使用される LED 用の冷却ラジエーターは、フィン間の距離が少なくとも 4 mm である必要があります。そうしないと、自然対流だけでは熱をうまく除去できません。印象的な例コンピュータプロセッサの冷却システムとして機能します。強力なファンリブ間の距離は 1 mm に減少します。

LEDランプを設計するとき非常に重要外観はヒートシンクの形状に大きな影響を与えます。たとえば、LED ランプの熱エネルギー放散システムは、標準的な洋ナシ型の形状を超えてはなりません。このため、開発者は、アルミニウムベースのプリント基板を使用し、ホットメルト接着剤を使用してプリント基板をラジエーターハウジングに接続するなど、さまざまなトリックに頼らざるを得ません。

ラジエーター材料

現在、高出力 LED の冷却は主にアルミニウム製ラジエーターを使用して行われています。この選択は、この金属の軽さ、低コスト、加工の柔軟性、および優れた熱伝導特性によるものです。銅はアルミニウムの2倍の熱を放散するため、サイズが最も重要な照明器具ではLED用の銅製ラジエーターを設置することが正当化されます。高出力 LED の冷却に最もよく使用される材料の特性を詳しく考えてみましょう。

アルミニウム

アルミニウムの熱伝導率は 202 ～ 236 W/m*K の範囲にあり、合金の純度によって異なります。この指標によれば、鉄や真鍮の2.5倍となります。さらに、アルミニウムは、他の種類機械加工。放熱性を高めるためアルミラジエーターアルマイト処理（黒色塗装）。

銅

銅の熱伝導率は401 W/m*Kで、他の金属の中で銀に次いで2番目です。それにもかかわらず、銅製ラジエーターはアルミニウム製ラジエーターほど一般的ではありません。これは、次のような多くの欠点があるためです。

銅の価格が高い。
複雑な機械加工。
大きな塊。

銅製の冷却構造の使用はランプのコストの増加につながり、これは激しい競争条件では受け入れられません。

セラミック

高効率ヒートシンクを作成するための新しいソリューションは、熱伝導率が 170 ～ 230 W/m*K の窒化アルミニウムセラミックです。この材料は、粗さが低く、誘電特性が高いことが特徴です。

熱可塑性プラスチックの使用

熱伝導性プラスチックの特性 (3 ～ 40 W/m*K) はアルミニウムよりも劣るという事実にもかかわらず、その主な利点は低コストと軽量です。多くのメーカー LEDランプハウジングの製造には熱可塑性プラスチックが使用されます。しかし、熱可塑性プラスチックは、10 W を超える出力の LED ランプの設計において金属ラジエーターとの競争に負けます。

ハイパワーLEDの冷却機能

前述したように、パッシブまたはアクティブ冷却を組織することで、LED からの熱を効果的に除去することができます。重量とサイズのインジケーターには許容可能な値があるため、消費電力が最大 10 W の LED をアルミニウム (銅) ラジエーターに取り付けることをお勧めします。

50 W 以上の電力を持つ LED アレイにパッシブ冷却を使用することは困難になります。ラジエーターの寸法は数十センチメートルになり、重量は200〜500グラムに増加します。この場合、小型ラジエーターと小型ファンの併用を検討する価値があります。このタンデムにより、冷却システムの重量とサイズが軽減されますが、さらなる問題が発生します。ファンには適切な電源電圧を供給する必要があり、保護シャットダウンが確実に行われるように注意する必要があります。 LEDランプクーラー故障の場合。

強力な LED マトリックスを冷却する別の方法があります。これは、中程度のパフォーマンスのビデオカード用のクーラーのように見える既製の SynJet モジュールを使用することで構成されます。 SynJet モジュールは、高性能、2 °C/W 以下の熱抵抗、および最大 150 g の重量が特徴です。正確な寸法重量は特定のモデルによって異なります。デメリットとしては、電源が必要でコストが高いことが挙げられます。その結果、50 W LED マトリックスは、かさばるが安価なラジエーター、またはファン、電源、保護システムを備えた小型ラジエーターに取り付ける必要があることがわかりました。

どのようなヒートシンクであっても、LED 基板との熱接触は良好ではありますが、最良ではありません。熱抵抗を低減するために、接触面に熱伝導性ペーストが塗布されます。その影響の有効性は、コンピュータプロセッサの冷却システムに広く使用されていることで証明されています。高品質のサーマルペーストは硬化しにくく、粘度が低いです。ラジエーター (基板) に塗布する場合は、接触領域全体に薄く均一な層を 1 つ塗布するだけで十分です。プレス固定後の層の厚さは約0.1mmになります。

ラジエター面積の計算

LED のラジエーターを計算するには 2 つの方法があります。

デザイン、その本質は決定することです幾何学的寸法所定の温度における構造。
キャリブレーションでは、逆の順序で動作することを想定しています。つまり、既知のラジエーターパラメータを使用して、次の計算が可能です。最高額熱を効果的に放散することができます。

どちらのオプションを使用するかは、利用可能な初期データによって異なります。ともかく正確な計算は、多くのパラメータを含む複雑な数学的問題です。参考資料を使用し、グラフから必要なデータを取得して適切な式に代入する機能に加えて、ラジエーターロッドまたはフィンの構成、方向、および外部要因の影響を考慮する必要があります。 LED 自体の品質も考慮する価値があります。中国製 LED では、実際の特性が宣言された特性と異なることがよくあります。

正確な計算

公式や計算に進む前に、熱エネルギー分布の分野の基本用語を理解しておく必要があります。熱伝導は、より加熱された物理体からより加熱されていない物理体に熱エネルギーを伝達するプロセスです。熱伝導率は、温度が1°K変化したときに材料が単位面積を通ってどれだけの熱を伝達できるかを示す係数として定量的に表されます。 LED ランプでは、エネルギー交換に関与するすべての部品が高い熱伝導率を備えている必要があります。特に、これはクリスタルからケース、そしてラジエーターと空気へのエネルギーの伝達に関係します。

対流は、液体や気体の分子の移動によって発生する熱伝達のプロセスでもあります。 LED ランプに関しては、ラジエーターと空気の間のエネルギー交換を考慮するのが通例です。これは自然な動きによって起こる自然対流かもしれません気流、または強制的に、ファンを設置することで組織化されます。

記事の冒頭で、LEDの消費電力の約70％が熱として消費されると述べました。 LED のヒートシンクを計算するには、消費されるエネルギーの正確な量を知る必要があります。これを行うには、次の式を使用します。

P T =k*U PR *I PR、ここで:

P T – 熱の形で放出される電力、W。
k は、熱に変換されるエネルギーの割合を考慮する係数です。高出力 LED のこの値は 0.7 ～ 0.8 に相当します。
U PR – 定格電流が流れたときの LED の順方向電圧降下、V;
I PR – 定格電流、A.

結晶から空気への熱の流れの経路にある障害物の数を数えてみましょう。各障害物は熱抵抗を表し、記号 (Rθ、度/W) で示されます。明確にするために、冷却システム全体は熱抵抗の直並列接続の等価回路の形で表されます。

Rθ ja = Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa、ここで:

Rθ jc – p-n 接合部の熱抵抗 (接合部のケース)。
Rθ cs – ケース表面ラジエーターの熱抵抗。
Rθ sa – ラジエーターと空気間の熱抵抗 (表面ラジエーターと空気)。

LEDを取り付ける予定がある場合は、プリント回路基板またはサーマルペーストを使用する場合は、その熱抵抗も考慮する必要があります。実際には、Rθsa の値は 2 つの方法で決定できます。

Rθ ja – pn 接合空気抵抗。
T j – p-n 接合の最大温度 (参照パラメータ)、°C。
T a – ラジエーター付近の気温、°C。

Ｒθ ｓａ＝Ｒθ ｊａ −Ｒθ ｊｃ −Ｒθ ｃｓ、ここで、Ｒθ ｊｃおよびＲθ ｃｓは基準パラメータである。

グラフから「最大熱抵抗の順電流依存性」を求めます。

既知の Rθ sa に基づいて、標準ラジエーターが選択されます。この場合、熱抵抗の定格値は計算値より若干小さくなるはずです。

近似式

多くのアマチュア無線家は、古い電子機器から余ったラジエーターを自作製品に使用することに慣れています。しかし、彼らはそれ以上深く掘り下げたくありません。複雑な計算そして高価な新品の輸入品を購入します。原則として、彼らが関心があるのは 1 つの質問だけです。「既存のアルミニウム製 LED ラジエーターはどれくらいの電力を消費できるか?」

許容可能な計算結果を得ることができる簡単な経験式を使用することをお勧めします: Rθ sa =50/√S、ここで S はラジエーターの表面積 (cm 2) です。

で置き換えるこの式ヒートシンクの総面積の既知の値、リブ（ロッド）の表面と側面を考慮して、その熱抵抗を取得します。

許容消費電力は、次の式から求められます: P t =(T j -T a)/Rθ ja。

上記の計算では、冷却システム全体の動作の品質に影響を与える多くのニュアンス（ラジエーターの方向性、LED の温度特性など）は考慮されていません。したがって、得られた結果に安全率 0.7 を乗算することをお勧めします。

DIY LEDラジエーター

1、3、または10 W LED用のアルミニウムラジエーターを自分の手で作るのは難しくありません。まずは考えてみましょうシンプルなデザイン、その製造には約30分かかり、厚さ1〜3 mmの丸いプレートが作成されます。円周に沿って中心に向かって 5 mm ごとに切り込みを入れ、得られたセクターをわずかに曲げます。完成したデザインインペラーに似ていました。ラジエーターをボディに取り付けるために、いくつかのセクターに穴が開けられます。もう少しやりにくい手作りラジエーター 10ワットのLEDの場合。これを行うには、幅 20 mm、厚さ 2 mm のアルミニウムストリップ 1 メートルが必要です。まず、ストリップを金ノコで8等分に切ります。等しい部分それらを積み重ね、穴を開け、ボルトとナットで締めます。側面の 1 つは LED マトリクスを取り付けるために研磨されています。ノミを使用して、ストリップを曲げずに整えます。異なる側面。 LEDモジュールを取り付ける箇所に穴を開けます。ホットメルト接着剤を研磨した表面に塗布し、その上にマトリックスを塗布し、セルフタッピングネジで固定します。

アマチュア DIY プロジェクト向けの安価なヒートシンク

特に実験を好むアマチュア無線家に最適です。異なる素材熱を除去すると同時に、高価な装置にお金をかけたくない完成品、自分の手でラジエーターを見つけて作成するためのいくつかの推奨事項を紹介します。冷却用 LEDストリップアルミニウム製の家具のプロファイルは完璧です。これらはワードローブをスライドさせたり、キッチンの付属品、残りは家具店で原価で購入できます。

3 ～ 10 W の LED マトリックスを冷却するには、ソビエトのテープレコーダーとアンプで作られたラジエーターが適しており、各都市のラジオ市場では十分すぎるほどです。古いオフィス機器のスペアパーツを使用することもできます。

50 W LED の自家製冷却は、故障したチェーンソーや芝刈り機のラジエーターをいくつかの部分に切断して行うことができます。このようなスペアパーツは修理工場でスクラップの価格で購入できます。もちろん、この場合、LEDランプの美的性質を忘れることができます。

こちらもお読みください