No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

6

CHLAZENÍ

ELEKTRONICKÝCH

SOUÈÁSTEK (PØEDEVŠÍM POLOVODIÈOVÝCH) Všechny elektronické souèástky, které vykazují elektrický èinný odpor, produkují pøi prùchodu elektrického proudu teplo (Joule–Lencùv zákon). Toto teplo je nutné ze souèástky odvést do okolí proto, aby pøíliš vysoká teplota podstatnì nemìnila parametry souèástky, pøípadnì souèástku nepoškodila, nebo nevedla k její destrukci. U vìtšiny elektronických souèástek øeší problém chlazení souèástky sám výrobce, a to takovou konstrukcí souèástky, která zajistí dodržení provozního teplotního režimu souèástky v celém povoleném rozpìtí okolní teploty. U nìkterých elektronických souèástek se však výkonové zatížení v provozu mùže lišit i o nìkolik øádù. Vybavení souèástky takovým pouzdrem, které by ji bylo schopno uchladit i v pøípadì maximálního zatížení, by bylo pro výkonovì ménì nároèné aplikace drahé a rozmìrné. Jako pøíklad mùže sloužit úvaha o tom, jak velké by muselo být pouzdro tranzistoru KD501 (jehož parametry jsou PCmax = 150 W, ICmax = 20 A, UCmax = 40 V), kdyby výrobce mìl zajistit uchlazení plného jeho výkonu 150 W, pøi povolené okolní teplotì J = 100 °C. V tomto pøípadì by pouzdro tranzistoru muselo mít plochu nìkolika set cm2, což by bylo výrobnì i ekonomicky neúnosné. V takových pøípadech ponechává výrobce elektronických souèástek na konstruktérovi, aby otázku odvodu tepla ze souèástky øešil pøípad od pøípadu (dle technických a aplikaèních možností konkrétního zaøízení). Možností je zde nepøeberné množství, od využití tepelné vyzaøovací plochy jejích konstrukèních dílù, pouzdra (krytu), až po odvod tepla chladicím médiem. Výkonové zatížení elektronických souèástek se v èase mùže mìnit. U rychlých periodických zmìn, to je takových, kdy doba periody obvodové velièiny je znaènì kratší než èasová (èasové) konstanta (konstanty) tepelného obvodu, se poèítá støední hodnota výkonu, který musí být odveden. U aperiodických nebo pomalých zmìn, kdy doba periody je znaènì vìtší než èasová (èasové) konstanta (konstanty) tepelného obvodu, se poèítá s nejnepøíznivìjším pøípadem, to je s maximálním výkonovým zatížením. Tento pøípad znaènì zjednodušuje øešení, protože je možné øešit tepelný obvod pro ustálené podmínky (tedy bez uvažování tepelných kapacit a tím bez øešení pøechodových jevù popisovaných diferenciálními rovnicemi). Zmìny okolní teploty se zavádí do øešení, podle její periodicity. U rychlých zmìn, v porovnání s èasovou konstantou (konstantami) tepelného obvodu, bereme v úvahu prùmìrnou teplotu okolí. U aperiodických nebo pomalých jevù, bereme v úvahu nejvyšší teplotu okolí, která pøedstavuje nejnepøíznivìjší pøípad.

30

T. Fukátko, J. Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II.

A

Pøi výpoètu chladicích obvodù se používají následující velièiny Jj (Ji) je maximální teplota vnitøního systému souèástky (u polovodièových souèástek na pøíklad èipu). Ja je teplota okolí. Pz je ztrátový výkon elektronické souèástky. Rti je teplotní odpor mezi vnitøním systémem souèástky (na pøíklad èipu) a pouzdrem. Nízká hodnota tohoto teplotního odporu je rozhodující pro možnost úèinného chlazení. Jp je teplota pouzdra souèástky Nìkteøí výrobci elektronických souèástek udávají maximální výkonové zatížení Pmax, platící pro povolenou maximální teplotu okolí, a to buï pro ideální chlazení (Jp = Ja), nebo bez chlazení, ménì èastìji pak s urèitým chladièem (napøíklad s chladièem Al 40 × 40 mm svisle apod.).

6.1

Ztrátový výkon elektronických souèástek

Teplo v souèástce vzniká v dùsledku jejího ztrátového výkonu. Pøitom je tøeba rozlišovat mezi trvalým ztrátovým výkonem (trvalým výkonovým zatížením) souèástky a pulzním výkonovým zatížením.

6.1.1

Trvalé (klidové) výkonové zatížení 3= = 8 7 ⋅ ,7

>:9$@

(18)

UT je úbytek napìtí na souèástce pøi proudu IT IT je trvalý proud protékající souèástkou U polovodièové diody je PZ = IF · UF v pracovním bodì. U tranzistoru je ztrátový výkon dán elektrickým pøíkonem báze a kolektoru.

kde

3= = 3F + 3% = 8 &( ⋅ ,F + 8 %( ⋅ , %

(19)

kde UCE, Ic, UBE, IB jsou hodnoty platící pro klidový pracovní bod.

6.1.2

Pulzní výkonové zatížení (pro pravoúhlý impulz) 36 =

kde

A

WS

3LPS

3 >:VV:@ 72 LPS = 8 7 ⋅ ,LPS >:9$@

Ps Pim t T0

je støední výkon je výkon v pulzu je šíøka pravoúhlého pulzu je perioda

6 Chlazení elektronických souèástek

(20)

31

Ijmp je proud v pulzu U2m je napájecí (špièkové) napìtí Icm je maximální (špièkový) proud Ztrátový výkon koncových zesilovaèù ve tøídì A je pøi plném vybuzení Pz = 0,5Pc. Ztrátový výkon koncových zesilovaèù ve tøídì B a AB je pøi plném vybuzení 3= = 366 − 3YêVW =

6.1.3

8 P ⋅ ,FP

π

−

8 P ⋅ ,FP 

  = 8 P ⋅ ,FP  − π 

Tepelný odpor chladicího obvodu

Tepelné pøechody jsou místa s rozdílnou teplotou, které jsou charakterizovány tepelným odporem. Pro øešení chladicího obvodu je nutné lokalizovat tepelné pøechody a stanovit jejich tepelný odpor. V následujících pøíkladech je naznaèen výpoèet tìchto odporù.

6LWXDFH

1iKUDGQtVFKpPD

SRX]GUR

þLS

5WL ϑM

5WS

5WL

ϑM

ϑS

( % &

5WS 3]

ϑS

5 WL =

ϑ M − ϑS

ϑD

5 WS =

3=

ϑS − ϑD 3=

Výpoèet tepelného odporu tranzistoru: tranzistor v pouzdøe TO5 bez chladièe.

6LWXDFH

1iKUDGQtVFKpPD 5WS

5WS ϑD 5WFK ϑM

( % &

3] 5WFK

5WL

5WO

3]

3]

ϑM

ϑS

ϑFK

ϑD

5WL 5WO

5 W = 5 WS =

ϑS − ϑFK 3] ϑS − ϑD 3] 

5 WFK = 5 WL =

ϑFK − ϑD 3]

ϑ M − ϑS 3]

Výpoèet tepelného odporu tranzistoru:tranzistor v pouzdøe TO5 s radiálním chladièem.

32

T. Fukátko, J. Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II.

A

U tohoto typu chladièù se vìtšinou tepelný odpor Rt (mezi pouzdrem tranzistoru a chladièem) neuvažuje, protože pøevážná èást plochy pouzdra je kryta chladièem. Pouzdro se vìtšinou natírá pro spolehlivý tepelný kontakt silikonovým tukem (vazelínou).

6LWXDFH

5WL

ϑM

5W

ϑD

5WFK

5WD

1iKUDGQtVFKpPD 5WL ϑM

5WS

3]

3] 5W ϑS

5WS 5WD 3]

5W

5WFK ϑFK

ϑD

Výpoèet tepelného odporu tranzistoru: výkonový tranzistor v kovovém pouzdøe umístìný na plošném chladièi Pøi použití plošného chladièe nemusí být pøechodový tepelný odpor Rt zanedbatelný, a to pøedevším tehdy, když požadavky na chlazení málo pøevyšují možnosti samotného pouzdra tranzistoru, a proto použitý chladiè je „malý“. Legenda k pøíkladùm: Rt1 je tepelný odpor mezi pouzdrem a chladièem, respektive podložkou (viz tab. 6) Rtp je tepelný odpor mezi pouzdrem a okolím Rtch je tepelný odpor mezi chladièem a okolím Rta je tepelný odpor izolaèní podložky Rti je tepelný odpor pøechodu èip–pouzdro tranzistoru Jp je teplota pouzdra Jch je teplota chladièe Jj je teplota èipu Ja je teplota okolí

A

6 Chlazení elektronických souèástek

33

Tab. 11 Korekèní faktory podle plochy chladící desky 7YDUGHVN\ YRGRURYQiSORFKiGHVNDSRYUFKþLVWê VYLVOiSORFKDSRYUFKþLVWê YRGRURYQiSORFKiGHVNDSRYUFKþHUQ Q VYLVOiSORFKDSRYUFKþHUQ Q

.RUHNþQtIDNWRU&    

V literatuøe se èasto vyskytuje výraz „ideální chlazení“. Tímto pojmem se rozumí takové uspoøádání chladicího obvodu, kde chladiè zajistí na pouzdøe souèástky takovou teplotu, jakou má okolí. To znamená, že všechny tepelné odpory od pouzdra vnì mají hodnoty blížící se nule. V tomto pøípadì má obvod uspoøádání podle následujícího obrázku. Souèástka mùže být zatížena nejvyšším ztrátovým výkonem Pz = (Jch – Ja) · Rti. 5FK ϑFK

3]

ϑD

5 WL =

ϑ M − ϑS 3=

Výpoèet tepelného odporu tranzistoru: výkonový tranzistor v kovovém pouzdøe umístìný na plošném chladièi

34

T. Fukátko, J. Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II.

A

7

RÙZNÉ ZPÙSOBY CHLAZENÍ POUŽÍVANÉ V ELEKTRONICE (VIZ TɎ PØÍLOHU 1)

Na obr. 4 [6] jsou uvedeny pøibližné hodnoty tepelného toku, který lze odvést pøi teplotním rozdílu DJ = 40 K mezi elektronickým zaøízením a okolním prostøedím. V dalším budou jednotlivé zpùsoby chlazení podrobnìji probrány.

9ROQpSURXG Qt 3URXG Qt YRWHY HQpP SURVWRUX

D

:P

3URXG Qt YX]DY HQpP SURVWRUX

D

1XFHQp SURXG Qt =P QD VNXSHQVWYt 9HGHQt WHSOD

T

1XFHQpSURXG Qt

T

E

:P

:P

E

:P

D

:P

E

:P

D

:P

E

:P

D

:P

E

:P

3HYQêFKODGLþ

T

9êP QtNWHSOD

T

.DSDOLQDYHYDUX

Obr. 4

Pøibližné hodnoty tepelného toku, který lze odvést pøi teplotním rozdílu DJ = 40 K mezi elektronickým zaøízením a okolním prostøedím [6].

A

7 Rùzné zpùsoby chlazení používané v elektronice

35