Wie berechne ich den Wärmewiderstand von Aluminiumflachmaterial?

Es ist üblich, dass viele Stromkreise an einem Stück Aluminium-Flachmaterial angeschraubt werden. Wie groß muss der Bestand sein?

Angenommen, ich montiere einen tip122. Der schlimmste Fall ist, dass es bei 3A einen Abfall von 24 V und einen Arbeitszyklus von 50% aufweist. Es verbraucht also 36W.

Betrachtet man das Datenblatt, so beträgt die maximale Gehäusetemperatur bei 35 W ~ 80 ° C. Nehmen Sie eine Umgebungstemperatur von 25 Grad an.

Temperaturabfall = 35 W * Tr = 55 Delta oder 1,57 C / W für die Platte.

Wie viel Oberfläche brauche ich, um das zu erreichen?

Habe ich es richtig angegangen?

Mit diesem Taschenrechner können Sie einige Zahlen für eine flache Platte eingeben (Ihr Design sollte Rippen haben). Beachten Sie, dass Sie nur eine begrenzte Anzahl von Versuchen haben und dass ein Luftgeschwindigkeitsparameter erforderlich ist. Stecken Sie die gewünschte Gehäusetemperatur aus den Derating-Kurven ein, auf die ich später noch näher eingehen werde.

Sind Sie mit dem TIP122 festgefahren? Wie wäre es mit dem TO-220-Paket? Sowohl der TIP122 als auch der TO-220 sind nur für Anwendungen mit mittlerer Leistung ausgelegt. Diese Art der Anwendung würde besser von einem Hochleistungstransistor und einem Metalldosengehäuse bedient werden.

Der Unterschied zwischen einem Hoch-, Mittel- oder Kleinsignaltransistor liegt nicht nur in den Gehäusen, sondern auch in der Konstruktion des Geräts. Die Tabelle mit den maximalen Bewertungen für das [TIP122- Datenblatt] zeigen, dass es eine maximale Verlustleistung Pc von 2 W in 25 ° C Luft oder 65 W mit Tc = 25 ° C hat. Die zweite Statistik geht davon aus, dass Sie einen unendlichen Kühlkörper haben könnten, der mit der ultimativen Kühlkörperverbindung mit der Lasche (technisch gesehen der Fall, aber die Lasche ist alles, was zählt) des TO-220 verbunden ist, sodass die Lasche des Kühlkörpers bei 25 liegt ° C. Selbst in diesem Fall wird der Transistorübergang, um den Sie sich Sorgen machen, über 150 ° C liegen. Zwischen der Verbindungsstelle und der Lasche besteht ein Wärmewiderstand. (Nebenbemerkung: Ich stimme jluciani zu - ich mag mein Silizium bei 125 ° C oder kühler). (Nebenbemerkung 2: Metallkühlkörper an BJTs sind normalerweise mit dem Kollektor verbunden, sodass Sie eine 3A-Quelle an das Gehäuse anschließen müssen, deren Spannung größer als der Emitter / die Erdung ist, und nicht möchten, dass sie irgendwo kurzgeschlossen wird aus.)

Schauen Sie sich die Derating-Kurven an (Abbildung 5 im TIP122-Datenblatt):

Wenn Sie 72 W verbrauchen müssen, können Sie dies einfach nicht tun. Wenn Sie 36 W benötigen, müssen Sie Ihren Kühlkörper unter 50 ° C über der Umgebungstemperatur halten (25 ° C. Dieser Temperaturgradient von 50 Grad führt zu einer Verlustleistung). Vergleichen Sie diese Kurve mit einem Hochleistungstransistor wie dem MJ11022 [Datenblatt] :

Ihr Kühlkörper kann jetzt eine Verbrennungsgefahr darstellen, lange bevor der Transistor beschädigt wird. 72 W entsprechen fast 100 ° C über der Umgebungstemperatur und 36 W entsprechen einer absoluten Betriebstemperatur von fast 150 ° C. Hüten Sie sich vor thermischen Zyklen, wenn Sie es wirklich heiß laufen lassen möchten.

Ich würde dringend empfehlen, anstelle Ihres TIP122 einen Hochleistungstransistor TO-3 oder TO-204 zu verwenden.

Sie benötigen wahrscheinlich eine sehr große Platte oder eine angemessene Menge bewegter Luft.

Was ist die Pünktlichkeit des TIP122? Wenn die Einschaltdauer größer als 100 ms ist, verbrauchen Sie 72 W, nicht 36 W. Sie müssen die transienten thermischen Antwortkurven betrachten, um die Leistungsreduzierung zu bestimmen.

Sie müssen einen gewissen Wärmewiderstand für die Schnittstelle zwischen dem Gehäuse des Transistors und der Senke (oder Platte) zulassen.

Unter der Annahme, dass Ihre Pünktlichkeit weniger als 1 ms beträgt, verbrauchen Sie 36 W. Blick auf das On-Semi-Datenblatt -

Rjc = 1,92 ° C / W max. Absolute maximale Sperrschichttemperatur = 150 ° C (ich würde 125 ° C nicht überschreiten)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

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

Rsa = 1,05 Grad C / W (was mit Ihrer Berechnung übereinstimmt, wenn Sie Rcs subtrahieren)

Wenn Sie sich die Datenblätter der Kühlkörperhersteller ansehen, können Sie sich ein Bild von den Größen machen. Kasse http://www.aavidthermalloy.com/

Die Berechnung der Verlustleistung oder von Änderungen von Rθjc oder Rθja in einer dynamischen Umgebung (dh Impulsstrom) ist nicht so einfach. Sie müssen die vom Hersteller bereitgestellte sogenannte "Typische thermische Antwort" -Kurve sehen. Aus dieser Kurve können Sie den „transienten Wärmewiderstand“ (normalisiert oder tatsächlich Ζθ) erhalten. Auf jeden Fall kann ich die detaillierten Berechnungen momentan nicht durchführen. Wenn Sie in einer Umgebung von 35 ° C 35 W aus einem TO-3-Gehäuse ableiten und die Kühlkörpertemperatur bei natürlicher Kühlung bei etwa 55 ° C halten möchten, benötigen Sie eine graue Aluminiumplatte mit einer Dicke von 3 mm und einer Kante von 16 cm (d. H. 210 g). Diese Platte sollte frei von beiden Seiten in vertikaler Anordnung strahlen können, wobei das Gerät fest in der Mitte der Platte montiert ist. Vergessen Sie nicht, in Ihre Berechnungen den Wärmeverlust einzubeziehen, der durch den Kontakt zweier Metalle verursacht wird. In der Praxis liegt die Leistung von 35 W nahe an der maximalen Leistung, die Sie mit Metallplatten und natürlicher Kühlung abführen können (dh Al-Metallplatte 400 cm2, 5 mm Dicke, 0,5 kg, in vertikaler Anordnung einseitig frei oder 50 W auf beiden Seiten). Über diesen Kräften müssen Sie einen Lamellenkühlkörper (natürlich oder erzwungen) verwenden, der nicht schwer zu berechnen und zu konstruieren ist

Dies ist mein Weg für das thermische Design. Verstehe niemals das Wärmewiderstandskonzept. Es ist voller Annahmen !! Wenn Sie Ihre Berechnungen mit dem Wärmewiderstand durchführen möchten, müssen Sie die tatsächliche Gehäusetemperatur als Funktion der Zeit bei Voll- oder Halblast messen.

Ich weiß, dass dies ein alter Thread ist, aber ich habe entdeckt, dass er dieses Thema untersucht, und wollte ein paar Dinge korrigieren / hinzufügen. Die von jluciani angegebene Formel zum Ermitteln des erforderlichen Wärmewiderstands des Kühlkörpers ist grundsätzlich korrekt, es fehlt jedoch ein Begriff für die Umgebungstemperatur (Ta). Die Gleichung sollte lauten:

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

Wobei Tj die maximale Zieltemperatur der Verbindungsstelle ist. Ich werde 125 ° C als maximale Temperatur der Verbindungsstelle verwenden, um einen Sicherheitsspielraum für den Fall zu ermöglichen, dass die Umgebungstemperatur die Standardtemperatur von 25 ° C überschreitet. Das gibt:

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

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

Der nächste Teil, um die Größe der Aluminiumplatte zu ermitteln, die erforderlich ist, um diesen niedrigen Wärmewiderstand zu erreichen, ist viel komplizierter, aber dieser Blog https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-Gleichung / gibt eine sehr einfache Faustregel an, die gegeben ist durch:

Fläche = (50 / Rsa) ^ 2 cm²

Leider gilt diese Formel für passive Kühlkörper mit Lamellen, und ich glaube, der Autor hat einen Tippfehler gemacht und bedeutet Fläche = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Die Flossen machen einen großen Unterschied. Nachdem ich mir die Ergebnisse dieses Online-Rechners https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html und die Datenblätter einer Reihe von Herstellern passiver Wärme angesehen habe, habe ich ein bisschen getan der Kurvenanpassung und kam mit dieser umfassenderen Ball Park Formel:

Fläche = (20 · 1 / (1 + Fluss) · 1 / (0,25 + h) · 1 / Rsa) · 2 cm²

Wobei der Durchfluss ein Durchfluss von einem Lüfter in cfm ist und h die Höhe der Lamellen ist.

Für die Situation im OP gibt es keine erzwungene Kühlung, also Durchfluss = 0 und es gibt keine Rippen, also ist h = 0 und die Formel vereinfacht sich zu:

Fläche = (80 / Rsa) ^ 2

Da wir einen Wärmewiderstand <= 0,3577 benötigen, beträgt die Größe der Platte, die zum Kühlen des Transistors im OP erforderlich ist, Folgendes:

Fläche = (80 / 0,3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Dies ist wahrscheinlich zu groß, um praktisch zu sein.

Wie Kevin Vermeer betonte, ist dieser spezielle Transistor in diesem Dienst nicht wirklich für die passive Kühlung geeignet. Eine dramatische Verringerung der Kühlkörpergröße kann jedoch durch Hinzufügen von Lamellen und eines recht bescheidenen Lüfters erzielt werden, wie in der Tabelle unten unter diesem Link https://www.designworldonline.com/how-to-select-a gezeigt -geeigneter-Kühlkörper / # _

Wenn Sie bei einer flachen Platte bleiben und einen ziemlich guten PC-Lüfter mit einem Luftstrom von 100 cfm hinzufügen, kann die Plattengröße auf Folgendes reduziert werden:

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

      =(16.56 cm)^2

Extrudiertes Aluminium kann in langen Streifen mit Rippen gekauft werden. Die Verwendung einer solchen Rippenplatte mit 3-cm-Rippen und ohne Lüfter würde eine Kühlkörpergröße von Folgendem erfordern:

Fläche = (20 · 1 / (0,25 + 3) · 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Schließlich ergibt die Kombination der erzwungenen Kühlung von 100 cfm und 3 cm Rippen:

Fläche = (17,2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Anmerkungen:

Druckabfälle und die Nähe anderer heißer Komponenten im Schrank können die Effizienz verringern.

Das Eindringen von Staub kann Kühlkörper isolieren und dazu führen, dass Lüfter langsamer werden und mit der Zeit ausfallen.

Kühlkörper, die viel größer sind als die Kontaktfläche des Bauteils, das sie kühlen, verlieren aufgrund der Entfernung, die die Wärme zurücklegen musste, um sich bis zu den Enden des Kühlkörpers auszubreiten, an Effizienz

Befolgen Sie die üblichen Richtlinien, um einen guten Kontakt mit dem zu kühlenden Bauteil sicherzustellen, indem Sie eine dünne Schicht einer geeigneten Wärmeübertragungsmasse zwischen den Kontaktflächen verwenden.

Ergebnisse dieser Formel für extrem kleine oder große Kühlkörper sollten mit Argwohn behandelt werden. Zum Beispiel ist im letzten Ergebnis der Radius des Kühlgebläses viel größer als der Kühlkörper und daher würde der größte Teil des Luftstroms nicht in unmittelbarer Nähe der Lamellen strömen, so dass das Ergebnis verdächtig ist. Ansonsten ist es eine ziemlich gute Annäherung.

Es ist wahrscheinlich am besten, 25 Grad zu der Ihrer Meinung nach umgebenden Umgebungslufttemperatur hinzuzufügen und bei der Durchführung der Berechnungen einen Sicherheitsspielraum von 25 Grad von der maximalen Zieltemperatur des Bauteils abzuziehen, um auf der sicheren Seite zu sein.

Verwenden Sie diese Formel nicht, um die Kühlung für ein Kernkraftwerk zu entwerfen.

Unter http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ finden Sie einen großartigen Blog-Artikel , der eine detaillierte Erklärung der Berechnungen enthält, die für die Größe einer flachen Platte erforderlich sind als Kühlkörper verwendet werden. Sie liefern auch die Tabelle mit den Berechnungen, Sie müssen jedoch Ihre E-Mail-Adresse angeben, um den Download-Link zu erhalten.