1.12. Відведення тепла

Напівпровідники, наприклад транзистори і силові діоди, з огляду на досить великі корпуси, мають можливість віддачі оточенню виділеного в них в результаті втрат енергії тепла, без потреби застосування додаткових пристроїв. Щоб запобігти підвищенню температури вище дозволеної межі, необхідно збільшити відведення тепла. Це можна зробити за допомогою радіаторів, котрі переносять тепло, що утворилось в електричному пристрої до середовища через теплопередачу та випромінювання або ж примусову конвекцію.

1.12.1. Радіатори

Плоска металева плита є найпростішою формою радіатора, але це не є найефективніше вирішення. У більшості випадків застосовуються складніші конструкції, котрі оптимізують вартість, розміри та вагу радіатора.

У напівпровіднику тепло виділяється на p-n переході, звідти в основному переноситься на корпус, а пізніше через радіатор до довколишнього повітря. Таке перенесення тепла можна порівняти з протіканням струму через електричний дріт. Аналогічно до електричного опору R (R=U/I, де U – спад напруги на ділянці кола під час проходження струму I), відповідає йому термічний опір K (K=T/P, де T – температура у певному об’ємі при втраті потужності P в ньому). Наступна формула може слугувати для визначення параметрів радіатора

, (1.17)

де Т_j - температура p-n переходу; Т_amb - температура довколишнього повітря; Р – потужність, що виділяється у напівпровіднику; К_j-m - термічний опір між pn переходом та корпусом (ця величина повинна знаходитись в технічних даних елементу, які вказуються виробником); К_m-h - термічний опір між корпусом та радіатором, величина залежить від площі контактної поверхні, якості, розмірів, як і способу виконання (ця величина повинна подаватись у технічних даних); К_h - термічний опір радіатора (це термічний опір між поверхнею радіатора і довколишнім повітрям (поверхня контакту радіатора з повітрям).

Для зменшення термічного опору радіатора (для збільшення відбору виділеного тепла) використовується примусовий обдув радіатора вентилятором. Термічний опір радіатора множиться на коефіцієнт F, щоб отримати зменшені значення, котрі відповідають різним швидкостям повітря (рис. 1.32). Термічний опір між напівпровідником і радіатором повинен бути якомога меншим, чого можна досягти шляхом застосування великої, плоскої і добре обробленої поверхні дотику. Гвинти повинні бути закручені із вказаним моментом, достатнім, щоб отримати добре передавання тепла, але без ризику механічного пошкодження. З метою заповнення контактної поверхні і виведення з неї пухирців повітря, використовують силіконові змазки між напівпровідником та радіатором. Але не варто його використовувати надмірно. Грубі шари зменшують провідність тепла.

Рис. 1.32. – Залежність коефіцієнта охолодження від швидкості повітря вентилятора

Термічний опір К_m-h змінюється в межах (0,14-0,05) °С/Вт.

Часто потрібно ізолювати напівпровідник від радіатора тонкою ізоляційною плівкою. Термічний опір різниться для різних видів матеріалів, з котрих виконуються плівки. Для слюдяної плівки, товщиною 0,05 мм, він становить близько 1 °С/Вт, для слюдяної плівки, товщиною від 0,4 до 0,06 мм, котра є посріблена з обидвох боків, становить близько 0,5 °С/Вт, а для 3 мм товщини алюмінієвої плівки з ізоляційним окисом алюмінію близько 0,3 °С/Вт. Існують також плівки, виконані з картону, силіконової гуми та окису берилію. Найкращою є плівка з окису берилію. Застосовується вона передусім в рівнях сили пристроїв великої частоти. Однак, матеріал є отруйним і не продається в деяких державах, наприклад, Швеції. Ті, хто займається сервісом радіопристроїв, виготовлених за кордоном, повинні мати на увазі те, що вони можуть на ізоляційних плівках містити отруйний окис берилію. Якщо плівка буде поламана або пошкоджена, то вдихання виникненого пилу може загрожувати життю. В результаті цього може бути хронічне отруєння берилієм, що може викликати астматичні захворювання. Довший контакт може викликати онкологічні захворювання. У змазках, що є термічними провідниками, також може знаходитись окис берилію.

Значення термічного опору радіаторів подається зазвичай для чорних поверхонь і вертикальному положенні радіатора. Якщо радіатор є змонтований таким чином, що охолоджувальна поверхня буде горизонтальною, то значення термічного опору зростає на приблизно 20 %. А якщо б випромінювальна поверхня не була чорною або матово оксидною, а білою, то значення термічного опору зросло б приблизно на 15 %. Важливо звернути увагу, що радіатори, котрі пропонуються в різних кольорах, відповідно також мають і різний термічний опір.

Щоб збільшити ефект охолодження, можна застосовувати вимушене охолодження повітря при допомозі вентилятора. Іншим методом збільшення охолодження є застосування елементів Пельтьє, холодна частина якого тоРКК ається напівпровідника, а тепла частина скеровується в напрямку довколишнього повітря або тоРКК ається радіатора. В професійних пристроях застосовуються також радіатори з вбудованими каналами, котрими проходить охолоджувальна рідина – вода або фреон.

В конструкціях, де виникають дуже великі імпульсні втрати енергії істотне значення має термічний імпеданс і термічна ємність радіатора. Вона залежить від тривалості імпульсів, від маси та порогу чутливості інерційної системи. Для дуже коротких термічних імпульсів значення термічного опору корпусу має вирішальне значення для правильної роботи пристроїв.