Bagaimana cara menghitung resistansi termal dari flat stock aluminium

Sudah biasa bagi banyak sirkuit daya untuk melesat ke sepotong aluminium flat stock. Berapa besar stok yang dibutuhkan?

Katakan bahwa saya sedang memasang tip122. Kondisi kasus terburuk adalah untuk memiliki penurunan 24V pada 3A dan siklus tugas 50%. Jadi itu menghilang 36W.

Melihat datasheet, pada 35W, temp kasus maks adalah ~ 80C. Asumsikan suhu sekitar 25 derajat.

Penurunan suhu = 35W * Tr = 55 delta atau 1.57C / W untuk pelat.

Jadi berapa banyak luas permukaan yang saya butuhkan untuk mencapai itu?

Apakah saya mendekatinya dengan benar?

Anda dapat menggunakan kalkulator ini untuk menjalankan beberapa angka untuk plat datar (desain Anda harus memiliki sirip). Berhati-hatilah karena Anda memiliki jumlah percobaan yang terbatas, dan itu memerlukan parameter kecepatan udara. Pasang suhu case yang Anda inginkan dari kurva derating, yang akan saya bahas lebih lanjut nanti.

Apakah Anda terjebak dengan TIP122? Bagaimana dengan paket TO-220? Baik TIP122 dan TO-220 hanya dirancang untuk aplikasi daya sedang. Jenis aplikasi ini akan lebih baik dilayani oleh transistor daya tinggi dan paket kaleng logam.

Perbedaan antara daya tinggi, daya sedang, atau transistor sinyal kecil tidak hanya dalam paket mereka-itu dalam konstruksi perangkat juga. Tabel penilaian maksimum untuk lembar data [TIP122] menunjukkan bahwa ia memiliki PC disipasi daya kolektor maksimum 2W di udara 25 ° C, atau 65W dengan Tc = 25 ° C. Stat kedua mengasumsikan bahwa Anda bisa memiliki heat sink tak terbatas, terhubung dengan senyawa heat sink pamungkas ke tab (secara teknis kasing, tetapi tab itu yang paling penting) pada TO-220, sehingga tab heat sink berada pada 25 ° C. Bahkan dalam kasus itu, persimpangan transistor, yang Anda khawatirkan, akan lebih dari 150 ° C. Ada hambatan termal antara persimpangan dan tab. (Sidenote: Saya setuju dengan jluciani - Saya suka silikon saya 125 ° C atau lebih dingin). (Catatan 2: Heatsink logam pada BJT biasanya terhubung ke kolektor, sehingga Anda akan memiliki sumber 3A yang menghubungkan casing, pada tegangan lebih besar dari emitor / ground, dan tidak akan menginginkannya berada di tempat yang dapat disingkat). di luar.)

Lihatlah kurva derating (Gambar 5 dalam lembar data TIP122):

Jika Anda perlu menghilangkan 72W, Anda tidak bisa melakukannya. Jika Anda membutuhkan 36W, Anda harus menjaga unit pendingin Anda kurang dari 50 ° C di atas ambien (25 ° C. Ini adalah gradien suhu 50 derajat yang memberi Anda disipasi daya). Bandingkan kurva itu dengan transistor daya tinggi seperti MJ11022 [lembar data] :

Heatsink Anda sekarang bisa menjadi bahaya terbakar jauh sebelum transistor rusak. 72W sesuai dengan hampir 100 ° C di atas ambien, dan 36W dengan suhu operasi absolut hampir 150 ° C. Waspadalah terhadap bersepeda termal jika Anda ingin menjalankannya dengan sangat panas.

Saya sangat menyarankan agar Anda menggunakan transistor TO-3 atau TO-204 daya tinggi alih-alih TIP122 Anda.

Anda mungkin akan membutuhkan piring yang sangat besar atau cukup banyak udara yang bergerak.

Apa yang dimaksud dengan TIP122 tepat waktu? Jika tepat waktu lebih besar dari 100mS maka Anda menghabiskan 72W bukan 36W. Anda perlu melihat kurva respons termal transien untuk menentukan derating.

Anda perlu memungkinkan beberapa resistensi termal untuk antarmuka antara casing transistor dan wastafel (atau pelat).

Dengan asumsi bahwa tepat waktu Anda kurang dari 1mS, Anda menghabiskan 36W. Melihat lembar data On-Semi -

Rjc = 1,92 degC / W maks. Temperatur persimpangan maksimum absolut = 150degC (saya tidak akan melebihi 125degC)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

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

Rsa = 1.05degC / W (yang setuju dengan perhitungan Anda saat Anda mengurangi Rcs)

Jika Anda melihat lembar data vendor heatsink Anda bisa mendapatkan gambaran tentang ukuran. Periksa http://www.aavidthermalloy.com/

Untuk menghitung disipasi daya atau perubahan Rθjc atau Rθja di lingkungan yang dinamis (yaitu arus pulsa), ini bukan proses yang mudah. Anda harus melihat pada apa yang disebut kurva "Respon Thermal Khas" yang disediakan oleh pabrikan. Dari kurva ini Anda bisa mendapatkan "Perlawanan Thermal Transient" (normalisasi atau aktual Ζθ). Lagi pula saya tidak bisa melakukan perhitungan rinci sekarang. Secara kasar, dalam lingkungan 35oC, jika Anda ingin menghilangkan 35W dari kasing TO-3 dan untuk menjaga suhu heatsink sekitar 55oC menggunakan pendingin alami, Anda memerlukan pelat aluminium abu-abu, tebal 3mm, dengan tepi 16cm (yaitu 210 gr). Pelat ini harus bebas untuk memancar dari kedua sisi dalam pengaturan vertikal, dengan divice terpasang di tengah piring. Jangan lupa untuk memasukkan dalam perhitungan Anda kerugian termal yang disebabkan oleh dua kontak logam. Dalam praktiknya, 35W mendekati daya maksimum yang dapat Anda hilangkan menggunakan pelat logam dan pendinginan alami (yaitu pelat logam Al 400 cm2, ketebalan 5mm, 0,5Kg, dalam pengaturan vertikal satu sisi bebas, atau 50W kedua sisi). Di atas kekuatan ini, Anda harus menggunakan heatsink bersirip (alami atau paksa), yang tidak sulit untuk dihitung dan dibangun

Ini adalah cara saya untuk desain termal. Jangan pernah mengerti konsep ketahanan termal. Itu penuh dengan asumsi !! Lagi pula jika Anda ingin melanjutkan perhitungan Anda menggunakan resistensi termal, perlu untuk memiliki ukuran suhu kasus aktual sebagai fungsi waktu pada beban penuh atau setengah.

Saya tahu ini adalah utas lama, tetapi saya menemukannya meneliti subjek ini dan ingin memperbaiki / menambahkan beberapa hal. Formula untuk menemukan resistansi termal yang diperlukan dari heat sink yang diberikan oleh jluciani pada dasarnya benar tetapi tidak memiliki istilah untuk suhu sekitar (Ta). Persamaannya harus:

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

Di mana Tj adalah suhu target maksimum persimpangan. Saya akan menggunakan 125 derajat Celcius sebagai suhu maksimum persimpangan untuk memungkinkan margin keselamatan jika suhu lingkungan melebihi 25 derajat Celcius standar. Ini memberi:

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

Rsa = (125-25) / 36 - 1.92 - 0.5 = 0.3577 degC / W

Bagian selanjutnya untuk menemukan ukuran pelat aluminium yang diperlukan untuk mencapai suhu rendah ini, ketahanan termal jauh lebih rumit, tetapi blog ini https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -buat-mudah-dengan-satu-persamaan / memberikan aturan sederhana praktis yang diberikan oleh:

Area = (50 / Rsa) ^ 2 cm2

Sayangnya rumus ini berlaku untuk heat sink pasif dengan sirip dan saya percaya penulis membuat kesalahan ketik dan area yang dimaksud = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Sirip membuat perbedaan besar. Setelah melihat hasil dari kalkulator online ini https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html dan lembar data dari berbagai produsen panas pasif saya lakukan sedikit kurva pas dan datang dengan formula taman bola yang lebih komprehensif ini:

Luas = (20 * 1 / (1 + aliran) * 1 / (0,25 + h) * 1 / Rsa) ^ 2 cm2

Di mana aliran adalah aliran dari kipas pendingin dalam cfm dan h adalah ketinggian sirip apa pun.

Untuk situasi di OP tidak ada pendinginan paksa sehingga mengalir = 0 dan tidak ada sirip, jadi h = 0 dan rumus menyederhanakan menjadi:

Area = (80 / Rsa) ^ 2

Mengingat bahwa kita memerlukan tahanan termal <= 0,3577 ukuran pelat yang diperlukan untuk mendinginkan transistor di OP adalah:

Area = (80 / 0.3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Ini mungkin terlalu besar untuk praktis.

Seperti yang ditunjukkan Kevin Vermeer, transistor khusus ini dalam layanan ini tidak benar-benar cocok untuk pendinginan pasif. Namun, penurunan dramatis dalam ukuran heat sink dapat diperoleh dengan menambahkan sirip dan kipas pendingin yang cukup sederhana seperti yang ditunjukkan oleh grafik di bagian bawah tautan ini https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -cocok-heat-sink / # _

Tetap dengan plat datar dan menambahkan kipas pendingin PC yang cukup baik dari aliran udara 100cfm, ukuran pelat dapat dikurangi menjadi:

Area = (80 / (0.3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

Aluminium yang diekstrusi dapat dibeli dalam strip panjang dengan sirip dan menggunakan pelat bersirip seperti itu dengan sirip 3cm dan tidak ada kipas pendingin yang membutuhkan ukuran heatsink:

Area = (20 * 1 / (0,25 + 3) * 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Akhirnya, menggabungkan pendinginan paksa 100cfm dan sirip 3cm menghasilkan:

Area = (17.2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Catatan:

Penurunan tekanan dan kedekatan komponen panas lainnya di kabinet dapat mengurangi efisiensi.

Masuknya debu dapat mengisolasi pendingin dan menyebabkan kipas pendingin melambat dan gagal seiring waktu.

Heat sink yang jauh lebih besar daripada area kontak pada komponen yang didinginkan dengan efisiensi longgar karena jarak yang harus ditempuh panas untuk menyebar ke ekstremitas heat sink.

Ikuti panduan yang biasa untuk memastikan kontak yang baik dengan komponen yang akan didinginkan menggunakan lapisan tipis senyawa pemindahan panas yang cocok di antara permukaan kontak.

Hasil dari formula ini untuk heat sink yang sangat kecil atau besar harus diperlakukan dengan kecurigaan. Sebagai contoh pada hasil terakhir, jari-jari kipas pendingin jauh lebih besar daripada heat sink sehingga sebagian besar aliran udara tidak akan mengalir di dekat sirip sehingga hasilnya diduga. Kalau tidak, itu adalah perkiraan yang cukup bagus.

Kemungkinan terbaik untuk menambahkan 25 derajat ke apa pun yang Anda pikirkan suhu udara sekitar dan mengurangi margin keamanan 25 derajat dari suhu target maksimum komponen saat melakukan perhitungan, hanya untuk berada di sisi yang aman.

Jangan gunakan rumus ini untuk merancang pendingin untuk pembangkit listrik tenaga nuklir.

Ada artikel blog hebat yang terletak di http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ yang memberikan penjelasan terperinci tentang perhitungan yang diperlukan untuk mengukur pelat datar. untuk digunakan sebagai pendingin. Mereka juga menyediakan perhitungan dengan spreadsheet, namun Anda harus memberikan alamat email Anda untuk mendapatkan tautan unduhan.