Răcirea semiconductorilor

[UDAR]

Am răspuns de câteva ori ( și de alte multe n-am răspuns ) la întrebări legate de dimensionarea radiatoarelor . Cred că este util să deschid acest topic pe care , poate , moderatorul decide să-l facă ”sticky” - cred că se justifică.

Mai întâi cîteva noțiuni și definiții fundamentale .

 

- Temperatura maximă a joncțiunii ( Tjmax ) . Este temperatura peste care producătorul ne spune că nu avem voie să trecem niciun moment . Depășirea ei pentru scurt timp nu conduce automat la distrugerea componentei dar parametrii din foaia de catalog nu mai sunt garantați iar durata de viață scade drastic - o regulă aproximativă dar bună pentru estimări spune că durata de viață se înjumătățește la fiecare 10°C în plus .

  Această temperatură nu poate fi măsurată direct - ea este fie măsurată indirect fie calculată. ( se numește uneori , în acest caz , virtuală ) .

  Termenul de joncțiune este istoric - de la diode și tranzistori . Când e vorba de CI care au sute - mii - milioane de joncțiuni nu este vorba de o anumită joncțiune ci fie de media temperaturii cristalului de siliciu , fie de punctul cel mai fierbinte de pe acesta , după caz. Oricum , în lumina celor de mai sus ( virtulă fiind ) o luăm ca atare în calcule.

 

- Temperatura ambiantă ( Tamb ) .Este temperatura măsurată în imediata apropiere a componentei respective sau a radiatorului pe care aceasta este montată. Nu este temperatura suprafeței componentei nici temperatura din încăperea/incinta respectivă.

 

- Rezistența termică joncțiune-capsulă. (Rthj-c) . Reprezintă caracteristica constructivă a componentei respective de a se opune evacuării căldurii de la joncțiune spre exterior. Se exprimă în °C/W ( grade Celsius pe Watt ) și ne spune cu cât este mai fierbinte joncțiunea față de un punct specificat ( de obicei ) pe capsulă atunci când semiconductorul disipă un număr de Watt. Exemplu , un tranzistor cu 1.5°C/W care disipă 40W are joncțiunea cu 60°C mai fierbinte decât capsula. Uneori se folosesc exprimări diferite dar cu aceeași semnificație - Rthj-l cu lead ( fir ) în loc de capsulă la unele diode , Rthj-sp cu solder point (punct de sudură ) la unele LED-uri, etc.

 

- Rezistența termică capsulă-radiator ( Rthc-hs). Reprezintă rezistența termică care apare la montarea capsulei pe radiator . Depinde în primul rând de faptul dacă avem sau nu izolație apoi de aria de contact ( tipul capsulei ) , de prelucrarea suprafeței , de pasta termică folosită, de forța de strângere , etc.

 

- Rezistența termica a radiatoarului  ( Rth, sau Rth-hs-a). reprezintă rezistența termică între punctul de montare a capsulei și mediul ambiant. Depinde de foarte mulți factori, voi reveni când voi vorbi de radiatoare. 

 

- Rezistența termică joncțiune - ambiant. ( Rthj-a). Este suma celor trei , pentru componentele montate pe radiator . Pentru cele care nu sunt destinate a fi montate pe radiator sau care pot lucra și-și , este, de obicei ,specificată în catalog.

 

- Puterea disipată. ( P, Ptot, Pdis ) Este puterea totală care este disipată în semiconductorul respectiv. Dacă există mai multe componente , este desigur suma lor . Este o putere activă măsurată deci în W.

 

Avem acum o primă formulă :  Tj = Tamb + Pdis*Rthj-a. (1) .

 

cu Tj, Tamb în °C , Pdis în W și Rthj-a în °C/W. Rthj-a este după caz fie cea din catalog , fie suma de mai sus.

Editat Octombrie 5, 2014 de UDAR

[UDAR]

Calculul termic pentru un semiconductor se face rescriind formula (1) sub forma Rthj-a = ( Tj-des - Tamb-max ) / Pdis-max  (2) unde : Tj-des este temperatura maximă proiectată de funcționare a semiconductorului respectiv - mai mică decât Tjmax din catalog , Tamb-max este temperatura ambiantă maximă care poate apărea în exploatare iar Pdis-max este puterea disipată maximă. Evident că la puterea disipată se face o mediere , nu se ia puterea disipată instantanee . Voi reveni la momentul potrivit . 

Tj-des se alege pe baza unui compromis . Dacă condițiile extreme - Tamb-max și/sau Pdis-max apar relativ rar în funcționarea normală , atunci alegem Tj-des aproape de Tjmax  ( cu 10-20°C mai mică). Dacă , dimpotrivă , regimul de lucru este greu vom alege un Tj-des mai mic. Uneori , la LED-uri de exemplu , durata de viață este un factor important și atunci alegem un Tj-des cât de mic ne permitem economic sau din motive de gabarit. Desigur , cu cât alegem mai jos Tj-des , celelalte valori fiind impuse , cu atât radiatorul este mai mare. 

NOTĂ. Dacă semiconductorul respectiv nu este prevăzut cu radiator , formula de mai sus este doar o verificare - nu putem influența Rthj-a.

 

După ce am determinat Rthj-a = Rthj-c + Rthc-hs + Rth-hs-a ( 3) urmează stabilirea  celor trei componente .

 

Dacă semiconductorul este impus ( cum e de regulă ) , avem și Rthj-c dat de catalog. Dacă avem posibilitatea să alegem , alegem unul cu Rthj-c cât mai mic, eventual mai multe în paralel. Voi reveni la folosirea mai multor tranzistori ( de obicei ) în paralel.

 

Căutăm să facem Rthc-hs cât mai mic - dacă trebuie să punem izolație o alegem pe cea mai subțire acceptabilă. Nu o să pun un pad ceramic de 1mm la o sursă de 24V izolată față de primar , de pildă. Alegem un material de interfață termică adecvat - unele izolații ( cele moi de regulă ) nu necesită. Dacă folosim , vom aplica un strat subțire - ideea nu este de a avea acea pastă între metalul capsulei și metalul radiatorului ci în golurile cu aer dintre cele două metale . Rezultă de aici imediat că , pentru a micșora acele goluri , trebuie o prelucrare fină a suprafeței radiatorului - capsula se presupune că este gata prelucrată. Nu trebuie să strângem excesiv capsula pe radiator . Putem să riscăm o deformare a ei încât contactul termic să fie mai rău dacă strângem tare . Erau ( poate mai sunt , n-am mai folosit de mult ) capsule TO3 ușor concave - prin strângere deveneau drepte . Dacă strîngeai prea tare deveneau convexe. La capsulele TO220, TO247 de asemenea există riscul să se ridice corpul de pe radiator la strângerea prea tare a șurubului . Există soluții de fixare care evită acest lucru dar și fixarea standard dă rezultate bune dacă e făcută cu atenție. La montarea izolată trebuie să avem în vedere toate elementele de izolare necesare - la unele capsule trebuie numai folie , la altele trebuie nipluri și șaibe izolate , etc.

 

În sfârșit , ceea ce rămâne reprezintă radiatorul . 

[UDAR]

Calculul radiatorului reprezintă cea mai complicată parte a problemei . Mai întâi din cauza diversității fenomenelor care intervin , apoi datorită varietății aproape infinite de forme și dimensiuni a radiatoarelor . 

Să le luăm pe rând. Căldura de la radiator la mediul ambiant se transmite teoretic prin trei mecanisme - conducție , convecție și radiație . 

 

Conductivitatea aerului este extrem de redusă - circa 0.025 W/(m*K) față de Aluminiu , de pildă, care are 200-250 sau Cupru care are 370-400 . De aceea această componentă se poate neglija .

 

Convecția este fenomenul prin care căldura se transmite de la radiator prin contactul cu aerul, aerul cald deplasându-se apoi natural sau forțat , eliminând astfel o cantitate de căldură. . Este principalul mecanism implicat în funcționarea radiatoarelor . A nu se confunda cu conducția unde aerul se presupune static - la convecție deplasarea aerului este esențială . Rezistența termică datorată convecției este , în principiu , invers proporțională cu suparfața . Rth_conv = hc / S (4) . Dar coeficientul hc depinde de foarte mulți factori : orientarea suprafeței respective , gradul de obstrucție în circulația aerului , chiar prelucrarea suprafeței . hc are valori cuprinse între 500 și 1600 K*cm²/W iar S [cm2]  cuprinde toată suprafața care participă la răcire - în principiu ambele fețe ale unei plăci.   ( Cifrele sunt orientative ) . În luarea în considerare a acestui coeficient se presupune că pierderile prin conducție de la sursă până la orice punct al suprafeței sunt neglijabile deci că placa este suficient de groasă și că avem convecție naturală. În realitate acest lucru nu se întâmplă de aceea în practică se constată că radiatoarele compacte - cu aripioare de exemplu - sunt mai eficiente decât o simplă placă - la aceeași suprafață. Intervin deci aici două fenomene - conducția căldurii prin corpul radiatorului până la unitatea de suprafață unde este evacuată prin convecție și convecția propriu zisă. Putem , deasemenea , intui că aceste mecanism depinde de cantitatea de aer care este  ”rulată” peste radiator pentru că evacuarea căldurii se face prin evacuarea aerului cald . Rezultă deci că circularea forțată a aerului - cu ventilatoare - mărește eficiența convecției . Uzual se obțin , la un radiator dat , cifre de 2-3 ori mai bune iar la profile speciale ( tunele ) și viteze ale aerului de ordinul a 5m/s , chiar de 10 ori mai bune .

 

Radiația poate aduce o contribuție importantă la eficiența unui radiator. Rezistența termică datorată radiației este dată de o formulă asemănătoare               Rth_rad = hr / S (5) cu diferența că hr depinde de emisivitatea suprafeței - un coeficient dat în tabele , cuprins între 0 și 1 dar , foarte important ,

depinde de temperatura absolută a mediului ambiant și a radiatorului ( a căror medie se situează în cazurile practice uzuale în jurul a 300K ) și de diferența de temperatură între radiator și mediul ambiant. Ea nu este afectată de viteza aerului . La un radiator normal , cu răcire naturală , componenta datorată radiației poate ajunge la 30% dar la răcirea forțată devine neglijabilă. Mai mult , la radiatoarele exterioare - când eficiența radiației e maximă - există fel de fel de limitări privind temperatura lor deci limitări în folosirea la maxim a radiației. La nivel de hobby (și nu numai ) se dimensionează radiatorul ca și cum nu am folosi radiația apoi , dacă este posibil, se eloxează sau se vopsește negru pentru a îmbunătăți emisivitatea câștigînd astfel câteva procente .

Editat Octombrie 7, 2014 de UDAR

[UDAR]

O să prezint în posturile viitoare câteva formule / metode simplificate de calcul al rezistenței termice a radiatoarelor . Înainte de asta trebuie să insist pe cîteva aspecte ( unele din ele ignorate din păcate ) referitoare la o răcire eficientă. 

1. Este preferabil să folosim mai mulți tranzistori în paralel ( vorbesc de tranzistori că e cea mai frecventă situație ) . Scade  direct Rthj-c și Rthc-hs dar scade indirect și      Rth-s-a datorită căilor de conducție mai scurte.

2. Aripioarele radiatoarelor e bine să fie verticale , cu dimensiunea mare pe verticală. 

3. Un radiator așezat ca mai sus e bine să fie mai degrabă lat decât înalt.

4. Un eventual curent de aer forțat e mai bine să scoată decât să împingă aerul în cazul unei ventilații generice a unei incinte . Evident , în cazul unor construcții de tip ”tunel” unde curentul de aer este dirijat în lungul axei principale de evacuare a căldurii acest lucru nu are importanță - admițând că eficiența ventilării este aceeași.

Editat Octombrie 11, 2014 de UDAR

[VEF]

Ma intereseaza daca un radiator de  350 cmp si 200g aprox. este suficint pentru un tranzistor 2n3773 care trebuie sa disipe 48 w intr-o sursa de tensiune

[UDAR]

Ce înseamnă 350 cm² ? Poze sau desen cu radiatorul te rog .

Tranzistorul respectiv este original ( ON sau ST ) ? Că dacă nu , vorbim degeaba . Este unul dintre cei mai falsificați tranzistori ... 

[VEF]

Asta e radiatorul :

 

 

Editat August 21, 2016 de VEF

[sesebe]

De obicei la radiatoare de structura mai complexa se precizeaxa direct rezistenta termică, de multe ori sub forma de grafic în funcție de lungime.Cauta datasheetul la un producator in funcție de lungime si extrage Rth. Cu Rth si puterea disipată afli temperatura.

Editat August 21, 2016 de sesebe

[UDAR]

Radiatorul ăla ar trebui să aibă cam 1.5 °C/W - după calculatorul lui Elliot chiar mai mult .

@sesebe are dreptate , ar trebui comparat cu unul cunoscut . Seamănă cu Fisher SK08 și atunci e pe-acolo . ( Ai pus foarte aiurea rigla aia , chiar lățimea nu se poate vedea . )

 

Buun ! Să zicem că e 1.5 . Capsula are 1.17 și dacă o montezi neizolat poți atinge 1.4 optimist . Avem atunci  în total 2.9°C/W . La 48W ar fi o diferență de temperatură de peste 140° adică 170° Tj la 30° ambiant . Deci rezistă - cel puțin o vreme - dar radiatorul va fi foarte fierbinte , în jur de 100°!!!. 

 

Dacă însă vrei să montezi tranzistorul izolat atunci probabil că nu mai poți îndepli condițiile . Sigur , poți adăga un ventilator . Asta ar putea reduce rezistența termică a radiatorului la jumate să zicem - e complicat de calculat . 

[VEF]

N-am facut nimic daca se incinge asa tare  radiatorul l-am pe Mivarom si are 120x80x30 era de doua ori mai lung dar l-am taiat si jumatatea ailalta am folosit-o la altceva . Sursa vroiam sa o fac de 0-30v 3a si sa pun doi tranzistori in paralel acuma ma gandesc safac altceva ca tot vroiam sa iau de la  Conexelctronic un voltmetru de panou m mai vazut acolo un radiator de 120x35x100 Indel mai gandeam sa iau trei bucati sa pun trei tranzistori in paralel ca asa mai ramane de disipat pe fiecare  doar vro  30w si cu radiatoarele astea mai mari poate nu se mai incinge asa tare

[flomar60]

Eu am asa ceva:https://www.tehnoelectric.ro/produse/kit_1323_radiator_aluminiu_1mx100_mm.....avantajul este ca am de unde taia....

[UDAR]

Se recomandă ( sigur , în laboratorul propriu nu ne obligă nimeni ) ca temperatura radiatorului să nu depășească 70°C. La o disipație de aproape 100W și o temperatură ambiantă de 30°C ar trebui ca radiatorul să aibă mai puțin de 0,4°C/W - independent de numărul de tranzistori . E recomandat un radiator mai mare pe care să pui toți tranzistorii nu mai multe radiatoare separate . 

[puriu]

Radiatorul din poza (1000 x 100) nu este foarte mare. Importanta este montarea: nervurile sa fie vertcale si de inaltime maxim posibila. Piesa este bine sa se taie in  trei bucati egale, asezate vertical una langa alta, pe care sa fie montate trei tranzistoare in paralel. Asa se poate disipa mai usor puterea de 100 W. Daca radiatoarele se pot eloxa negru, este si mai bine.

[VEF]

Pe mine m-a interesa cam cum s-ar fi comportat radiatorul ăla de pe conex electronic de 120x100x35 indel dacă as disipa pe el aproximativ 35w

[sesebe]

Foarte simplu Vef poți testa dar din calcule rezulta ca va fi foarte fierbinte.