Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Сразу скажем, что научно-обоснованной методики для расчета охлаждающих радиаторов не существует. По этому поводу можно написать не одну диссертацию или монографию (и написаны, и много), но стоит изменить конфигурацию охлаждающих ребер или стержней, расположить радиатор не вертикально, а горизонтально, приблизить к нему любую другую поверхность снизу, сверху или сбоку, как все изменится и иногда кардинально. Именно поэтому производители микропроцессоров или видеокарт предпочитают не рисковать, а снабжать свои изделия радиаторами с вентилятором — принудительный обдув, даже слабенький, повышает эффективность теплоотвода в десятки раз, хотя зачастую этого и не требуется. Последние модели компьютерных источников питания и материнских плат позволяют автоматически регулировать интенсивность обдува с целью снижения уровня шума, и некоторые такие конструкции вообще не запускают вентилятор, если процессор простаивает. В главе 6 мы поговорим о том, как самостоятельно изготовить такой регулятор.

В критичных случаях, для снижения габаритов очень мощного устройства, конечно, можно вместо пассивного радиатора пристроить к вашей конструкции процессорный «кулер» с вентилятором. Правда, на практике мне этого Делать никогда не приходилось, да и надежность конструкции снижается, т. к. за исправностью вентилятора приходится следить, а это неприемлемо Для устройств, которые предназначены для автономной работы в течение Длительного времени. Потому в радиолюбительских конструкциях мы обойдемся пассивными (без обдува) охлаждающими устройствами.

Здесь мы приведем только пару-другую эмпирических способов, которые оправдали себя на практике и годятся для того, чтобы рассчитывать именно пассивные радиаторы, устроенные примерно так, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Типичный пластинчатый радиатор

Сначала рассмотрим, как рассчитывать площадь радиаторов, исходя из их геометрии. Для такого расчета нужно к площади основания прибавить суммарную площадь его ребер (также с каждой стороны). Если нижней стороной радиатор прижимается к плате, то лучше считать рабочей только одну сторону основания, но мы предположим, что радиатор «висит» в воздухе (как часто и бывает) и поэтому площадь основания удваивается: S осн= 2∙ L 1∙ L 2. Площадь одного ребра (тоже с двух сторон) S p= 2∙ L 1∙ h, но к этой величине нужно еще прибавить боковые поверхности ребра, площадь которых равна S бoк= 2∙ h∙ δ. В данном случае ребер всего 6, поэтому общая площадь радиатора S= S осн+ 6∙ S p+ 6∙ S бок. Пусть L 1= 3 см, L 2= 5 см, h = 3 см, δ = 0,2 см, тогда общая площадь такого радиатора будет 145 см 2. Разумеется, это приближенный расчет (мы не учли, скажем, боковую поверхность основания), но для наших целей точнее и не надо.

Вот два эмпирических способа для расчета рассеиваемой мощности в зависимости от площади поверхности, и пусть меня не слишком строго осудят за то, что никаких особенных научных выкладок вы здесь не увидите.

Способ первый и наипростейший: площадь охлаждающего радиатора должна составлять 10 см 2на каждый ватт выделяющейся мощности. Так что радиатор на рис. 5.2 с размерами, приведенными ранее, согласно этому правилу может рассеять 14,5 Вт мощности (как раз годится для простейшего источника питания, показанного на рис. 4.5, б или 4.6). И если позволяют размеры корпуса, то вполне можно ограничиться этим прикидочным расчетом.

Если же вы хотите подсчитать поточнее, то вот один из более сложных способов, который годится для пластинчатых радиаторов средних размеров ( L 1= 20—180 мм, L 2 = 40—125 мм).

Рис. 5.3. Эффективный коэффициент теплоотдачи ребристого радиатора в условиях свободной конвекции при различной длине ребра:

1— h = 32 мм; 2— h = 20 мм; 3— h = 12,5 мм

Для оценки тепловой мощности радиатора можно использовать следующую зависимость: W= α эфф∙ θ∙ S,

где: W— мощность, рассеиваемая радиатором, Вт ; α эфф— эффективный коэффициент теплоотдачи, Вт/м 2 °C (см. график на рис. 5.3); θ— величина допустимого перегрева теплоотдающей поверхности, °С . θ= Т с— Т ос( Т с— средняя температура поверхности радиатора, Т ос— температура окружающей среды), S — полная площадь теплоотдающей поверхности радиатора, м 2.

Обратите внимание, что площадь в эту формулу подставляется в квадратных метрах, а не сантиметрах.

Посчитаем мощность для радиатора, показанного на рис. 5.2 с размерами, приведенными ранее. Сначала зададимся желательным перегревом поверхности 0, выбрав не слишком большую величину, равную 30 °C. Можно полагать тогда, что при температуре окружающей среды 30°, температура поверхности радиатора составит 60°. Если учесть, что разница между температурами радиатора и кристалла транзистора или микросхемы при хорошем тепловом контакте (о котором далее) может составить примерно 5°, то это приемлемо практически Для всех полупроводниковых приборов.

Высота ребер h у нас составляет 30 мм, поэтому пользуемся верхней кривой на графике рис. 5.3, откуда определяем, что величина коэффициента теплоотдачи α эфф~ 50 Вт/м 2∙°С. После вычислений получим, что W = 22 Вт. Ранее по простейшему правилу мы получили 14,5 Вт. т. е. проведя более точные расчеты, мы можем раза в полтора уменьшить площадь радиатора, тем самым сэкономив место в корпусе. Однако, повторим, если габариты позволяют, то лучше всегда иметь запас.

Радиатор (и его ребра) следует располагать вертикально (как на рис. 5.2), а поверхность его желательно покрасить в черный цвет. Я еще раз хочу напомнить, что все эти расчеты очень приблизительны, и даже сама методика может измениться, если вы поставите радиатор не вертикально, а горизонтально или снабдите его игольчатыми ребрами вместо пластинчатых. К тому же мы никак не учитываем здесь тепловое сопротивление переходов «кристалл-корпус» и «корпус-радиатор» (просто предположив, что разница температур составит 5°). Указанные методы дают неплохое приближение к истине, но если мы не обеспечим хороший тепловой контакт, все наши расчеты могут пойти насмарку.

Просто плотно прижать винтом транзистор к радиатору, конечно, можно, но только в том случае, если поверхность радиатора в месте прижима идеально плоская и хорошо отшлифована. Практически этого никогда не бывает, поэтому радиатор в месте прижима смазывают специальной токопроводящей пастой. Ее можно купить в магазинах, а иногда тюбик с такой пастой прикладывают к «кулерам» для микропроцессоров. Смазывать поверхность надо тонким, но равномерным слоем.