Расчет радиатора Опции

[shurshik]

Здравствуйте!
Начал собирать "Улучшенная схема электронной нагрузки с плавной регулировкой тока" (http://electro-tehnyk.narod.ru/docs/nagruzka.htm).
Пытаюсь рассчитать радиатор для полевого транзистора IRF3205. Считаю по методике, описанной http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku369.shtml и в книге Семёнов Б. Ю. Силовая электроника, от простого к сложному.
В своей конструкции хочется добиться рассеиваемой мощности 150 Вт на IRF3205. Ток через транзистор до 10 А, напряжение до 30 В (соответственно с корректировкой на 150 Вт).
Ищу тепловое сопротивление радиатор-среда по формуле
Rsa = (Tj - Ta)/P - Rjc - Rcs
где:
Tj - максимально допустимая температура кристалла, °С
Ta - максимально допустимая температура окружающей среды радиатора, °С
P - рассеивая на транзисторе мощность, Вт
Rjc - тепловое сопротивление кристалл-корпус, °С/Вт - берем из описания IRF3205
Rcs - тепловое сопротивление корпус-радиатор, °С/Вт - берем из описания IRF3205

Rsa = (100 - 40)/150 - 0,75 - 0,5 = -0,783 °С/Вт

Почему получается отрицательное сопротивление?

[Ilya_NSK]

Позвольте реплику по поводу радиаторов и корпусов ТО220 без всяких расчётов и без претензий на истину. Имею положительный опыт крепления корпусов ТО220 к основному радиатору при помощи ещё одного радиатора. Т.е. металлическое "ушко" транзистора не используется, а транзистор зажимается между двумя радиаторами. При этом второй радиатор, субъективно, тоже существенно участвует в охлаждении. Правда, как мне кажется, есть теоретическая опасность того, что при тепловом расширении корпус транзистора может быть раздавлен. Но это лишь предположение, а чтобы узнать точно - без сопромата не обойтись

[Guest_TSerg_*]

а транзистор зажимается между двумя радиаторами.

Чушики. Тепловое сопротивление несоизмеримо, если только не "пилить" до кристалла.

[Ilya_NSK]

Чушики. Тепловое сопротивление несоизмеримо, если только не "пилить" до кристалла.

Несоизмеримо с чем? С границей раздела "пластик-воздух"? Мне же почему-то кажется (более того, я в этом даже уверен), что отвод тепла с поверхности пластикового корпуса в воздух (теплопроводность 0,025 Вт/(м*К) ) как бы не на порядок менее эффективен, чем отвод тепла с той же поверхности в алюминий (200 Вт/(м*К) ), даже через термопасту (1-2 Вт/(м*К) ).
Безусловно, теплопроводность от кристалла через пластик в сторону "лица" транзистора раз в 10 меньше, чем на металлическую подложку. Однако транзисторы в корпусе ТО-220F тоже как-то охлаждаются, несмотря на пластик со всех сторон. Например, для "пластикового" 18N50 максимальная рассеиваемая мощность при 25 градусах - 38.5 Вт (для "металлического - 235 Вт). Причём для температур выше 25 градусов поправка для металла составляет 1,88 Вт/градус, а для пластика - только 0,3 Вт/градус.
Ну и, как я говорил, фокус со вторым радиатором я проделывал экспериментально. А потому могу сказать, что субъективно температура "лицевого" радиатора хотя и ниже, чем основного, но до холодного ему далеко. Значит часть мощности, нагревающая этот радиатор до 40-50 градусов, через него всё-таки рассеивается. Если даже дополнительный радиатор рассеивает только 10% мощности, то при 50 Вт это дополнительных 5 Вт. Ну и плюс эффективный прижим. А все эти скобочки, закрепляемые только с одного края - это, лучше, чем ничего, но не более. О полноценном прилегании, тем более к радиатору из металла толщиной 2-3 мм, который и сам пальцами гнётся, речи идти не может. Кстати, на первой вашей фотографии транзистор прижат к радиатору только одним краем.

[wim]

субъективно температура "лицевого" радиатора хотя и ниже, чем основного, но до холодного ему далеко.

Объективные сравнения эффективности охлаждения SO8 в естественном виде и с железякой на крышке показывают, что вклад железяки на крышке близок к нулю:
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND9014-D.PDF

[Ilya_NSK]

вклад железяки на крышке близок к нулю

Вот график из приведенной вами статьи:



Насколько я могу видеть, при рассеиваемой мощности 1Вт "железяка" (heatsink) снижает температуру SO8-FL более, чем на 40 градусов.

P.S. Процессоры вплоть до первого Пентиума имели керамические корпуса, но никто не считал, что по этой причине использование радиатора даёт "нулевой" эффект. Более того, для пентиума и для 486DX4 радиатор с вентилятором были обязательны. То же касается старых видеочипов, южного и даже северного мостов и т.п. И до сих пор мосфеты на многих материнках имеют дополнительные радиаторы, прижатые "с лица", причём через терморезинку.

Сообщение отредактировал Ilya_NSK - Jul 29 2016, 17:33

[wim]

Насколько я могу видеть, при рассеиваемой мощности 1Вт "железяка" (heatsink) снижает температуру SO8-FL более, чем на 40 градусов.

Прочтите внимательно подписи к графикам - они показывают эффект применения термопасты.

[Ilya_NSK]

Прочтите внимательно подписи к графикам - они показывают эффект применения термопасты.

Ничего подобного. Первые 4 кривые - "No Heat Sink", т.е. без радиатора, следующие 4 кривые - "Heat Sink, Thermal Grease", т.е. с радиатором и с термопастой. Графиков для радиатора без термопасты там вообще нет.

Может, он греется радиацией основного?

Не сильно-то нагреется излучением тела с температурой не более 70 градусов блестящий (не чернёный) алюминиевый радиатор. Ещё раз посмотрите график. Как видите, радиатор, прижатый к корпусу SO8, даёт существенное охлаждение.

[wim]

Графиков для радиатора без термопасты там вообще нет.

Конечно их нет, потому что однозначно корпус был весь залит термопастой и через нее тепло частично отводилось с термопада на радиатор. А иначе, с одним только радиатором, таких красивых графиков не получилось бы.

радиатор, прижатый к корпусу SO8, даёт существенное охлаждение.

Есс-но, если нет других способов отвода тепла. Однако тепловое сопротивление корпуса SO-8 составляет 2,6 К/Вт при отводе тепла через металлическое основание (thermal pad) и 27,8 К/Вт при отводе тепла через верх, т.е. на порядок хуже. И даже для супер-корпуса SO-8 тепловое сопротивление через крышку в три раза больше. Поэтому если есть возможность устанавливать радиатор там, где тепловое сопротивление минимально, все остальные городушки малоэффективны.

Сообщение отредактировал wim - Jul 30 2016, 17:54

[Ilya_NSK]

Конечно их нет, потому что однозначно корпус был весь залит термопастой и через нее тепло частично отводилось с термопада на радиатор. А иначе, с одним только радиатором, таких красивых графиков не получилось бы.

Ранее вы утверждали, что графики "показывают эффект применения термопасты". Ещё раз: вы признаёте, что охлаждает (на >40 при мощности в 1 Вт) всё-таки радиатор, прижатый к пластмассовому корпусу, а не термопаста сама по себе?

Однако тепловое сопротивление корпуса SO-8 составляет 2,6 К/Вт при отводе тепла через металлическое основание (thermal pad) и 27,8 К/Вт при отводе тепла через верх, т.е. на порядок хуже. <...> Поэтому если есть возможность устанавливать радиатор там, где тепловое сопротивление минимально, все остальные городушки малоэффективны.

Проведите эксперимент, установив прибор в корпусе ТО-220 металлом к радиатору и пластмассой к радиатору.

Что касается экспериментов, то они, как вы могли убедиться, уже проведены фирмой "ON Semiconductor" и говорят о том, что эффективность теплоотвода через пластмассовый корпус отнюдь не нулевая.
При этом не надо передёргивать и заниматься подменой тезиса: я нигде не утверждал, что крепление радиатора к пластиковому корпусу с точки зрения эффективности теплоотвода лучше или даже тождественно креплению к металлической подложке. Разговор шёл о том, что при использовании в качестве прижимной пластины дополнительного радиатора этот дополнительный радиатор тоже вносит существенный (а отнюдь не "нулевой", как утверждал wim) вклад в охлаждение.

Сами считали, проверяли? Алюминий у вас откуда, со свалки?

Интересно, фланцы на трубах тоже со свалки? А иначе зачем там понаделали такое количество отверстий по всему периметру, когда достаточно максимум двух болтов? Может быть, потому, что даже сталь толщиной 10-15 склонна к упругой деформации и потому не "прожмёт" прокладку по всему периметру?

И еще соображение о вредности второго радиатора. Толщина TO-220 всего 4 мм.
Это явно затрудняет конвекцию (надо 8..10 мм и выше).
Значит мы выключаем (уменьшаем теплоотдачу) одну сторону эффективного радиатора и одну сторону неэффективного.
(прижатых к металлу и неметаллу, соответственно)

Согласен. Но это справедливо только в том случае, если прижимной радиатор имеет большую площадь основания. Если площадь основания незначительно превышает площадь обычной прижимной пластины (скажем, 10х20 мм для ТО-220), то рассмотренным "экранированием" можно пренебречь. При этом, понятно, нужная площадь поверхности прижимного радиатора будет достигаться оребрением, перпендикулярным поверхности основного радиатора.

А, сколько я разглядывал конструкций известных брендов - двух-радиаторного способа охлаждения не видел.

Рассмотрите конструкцию "питальников" оверклокерских материнских плат. Там есть и нижний радиатор - это медь, к которой припаяны стоки-подложки (достаточно эффективный, не сомневайтесь), и верхний радиатор, прижатый через терморезинку к пластмассовым корпусам.

[wim]

вы признаёте, что охлаждает (на >40 при мощности в 1 Вт) всё-таки радиатор, прижатый к пластмассовому корпусу, а не термопаста сама по себе?

Вы меня допрашиваете что ли? Объясняю еще раз. Подробно.
Тепловое сопротивление корпуса SO-8 при отводе тепла через крышку 27,8 К/Вт.
Тепловое сопротивление радиатора 23,4 К/Вт.
Температура окружающей среды - что-то около 20 град.
Итого, для рассеиваемой мощности 1 Вт мы должны получить температуру кристалла:
20 + (27,8+23,4)*1 = 71 град.
На графике мы наблюдаем температуру примерно 57 град, т.е. на 14 град. меньше. Очевидно, что уменьшение теплового сопротивления достигнуто за счет создания дополнительного пути отвода тепла - от термопада через термопасту на радиатор. Никакого другого варианта уменьшить тепловое сопротивление корпуса в этом конструктиве не существует.
Примерно половина тепла отводится с термопада через толстый (толщиной с корпус SO-8) слой термопасты. Чего то тут непонятного?

Разговор шёл о том, что при использовании в качестве прижимной пластины дополнительного радиатора этот дополнительный радиатор тоже вносит существенный (а отнюдь не "нулевой", как утверждал wim) вклад в охлаждение.

Для меня 10% отвода тепла, т.е. разница в несколько градусов температуры кристалла несущественны.

[Ilya_NSK]

Тепловое сопротивление корпуса SO-8 при отводе тепла через крышку 27,8 К/Вт.
Тепловое сопротивление радиатора 23,4 К/Вт.

Что-то у вас тепловое сопротивление пластмассового корпуса и алюминиевого радиатора почти равны. А вообще, говорить о тепловом сопротивлении безотносительно к конкретной геометрии - безграмотно. Вы же не говорите "сопротивление меди - 2 Ома", а говорите, (условно) "Сопротивление километра медного провода диаметром 1 мм круглого сечения - 2 Ома". Вот и для теплового сопротивления имеют определяющее значение геометрические размеры объекта. Т.е. условно говоря, слой фторопласта толщиной 10 мкм может иметь меньшее тепловое сопротивление, чем слой меди толщиной 100 мм.

Но это всё детали. А главное - лимитирующей стадией всё равно будет передача тепла от поверхности твёрдого тела атмосферному воздуху, теплопроводность которого ничтожнна в сравнении и с металлом, и с пластиком, и с термоинтерфейсом. Потому единственным способом улучшения теплоотвода является увеличение площади теплоотвода.

А вообще, почитайте статью, которую вы же сами привели в пример - там и цифры тоже есть.

Примерно половина тепла отводится с термопада через толстый (толщиной с корпус SO-8) слой термопасты. Чего то тут непонятного?

Обычно применяется либо термопрокладка, либо термопаста. При этом слой термопасты стараются делать минимальной толщины, ибо её теплопроводность термоинтерфейсных материалов невелика. Что касается вот этой схемы из вашей статьи

то там, очевидно, только один слой ("Interface material"), а в тексте перед картинкой ясно сказано:

An interface material is necessary because the two surfaces are not perfectly smooth. Surface roughness creates small air gaps between the two surfaces, impeding heat flow from the package to the heat sink. The interface material fills in the air gaps. The two most common interface materials used are thermal pads and thermal grease.

То есть "Интерефейсный материал необходим, т.к. две поверхности не являются идеально ровными. Шероховатости поверхности создают маленькие воздушные зазоры между двумя поверхностями, препятствующие тепловому потоку от корпуса к радиатору. Два наиболее обычных материала (термо)интерфейса - это термопрокладка и термопаста".

[wim]

Что-то у вас тепловое сопротивление пластмассового корпуса и алюминиевого радиатора почти равны.

Специально для Вас - цитаты из статьи. Пожалуйста, не пишите многословно-нудно о вещах, не имеющих отношение к теме. При чем тут сопротивление меди?

Сообщение отредактировал wim - Aug 1 2016, 08:51

Эскизы прикрепленных изображений