Розрахунок радіаторів для потужних напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем

Мета: ознайомлення з методикою вибору радіаторів

3.1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Надійність напівпровідникових приладів (НП) і інтегральних мікросхем (ІМС) визначається в основному їх тепловим режимом. Визначальним параметром є максимально допустима температура р-n переходу Т_п. Для зменшення температури переходу використовують тепловідводи. Потужні НП і ІМС як правило охолоджуються з допомогою зовнішніх тепловідводів, які називають радіаторами. В ролі радіаторів використовують спеціальні тепловідводи з розвинутою поверхнею тепловіддачі. По своїй конструкції радіатори діляться на пластинчаті, ребристі, штиреві.

Температура переходу і корпусу НП і ІМС, які встановлені на радіаторі, визначається із виразів:

, (3.1)

, (3.2)

де – максимальний перепад температур між основою радіатора і оточуючим середовищем в місці кріплення НП або ІМС;

–потужність, яка розсіюється радіатором;

–тепловий опір переходу - корпус НП (задається в технічних умовах);

– перепад температур між переходом і корпусом;

–тепловий контактний опір корпус – радіатор;

–коефіцієнт нерівномірності температурного поля по радіатору;

–середня поверхнева температура радіатора;

–температура радіатора в місці кріплення НП або ІМС.

Значення коефіцієнтів нерівномірності температурного поля для типових радіаторів зображені на рис. 3.1-3.3.

Довідкові дані по допустимим температурам і тепловим опорам переходу і корпусу для деяких ІМС і НП наведені в таб. 3.1.

Рисунок 3.1 – Графік для визначення коефіцієнта нерівномірності температурного поля для пластиного радіатора

Рисунок 3.2 – Графік для визначення коефіцієнта нерівномірності температурного поля ребристого радіатора

Рисунок 3.3 – Графік для визначення коефіцієнта нерівномірності температурного поля для штирьового радіатора

Таблиця 3.1 – Основні теплові параметри деяких типів елементів

Тип елементів	Максимальна потужність розсіювання Pmax, Вт	Гранично допустима температура переходу Тп, 0С	Гранично допустима температура копуса Тк, 0С	Тепловий опір між переходом і корпусом Rп.к, К/Вт	Тепловий опір між переходом і навколишнім середовищем Rп.с, К/Вт	Діпазон зміни температури корпуса Тк, 0С при Pmax
2Д212А, Б	1	140	-	10	110	-
2Д213А, Б	10-12	140	-	1,5	70	-
2Д203А, Б, Г	20	140	-	2,5	-	-
КТ908А	50	150	125	2,0	-	-60…+50
КТ809А	40	150	125	2,5	-	-60…+50
КТ819	100	150	125	1,25	41,6	-60…+50
КТ142ЕН1, 2	-	150	-	40	110	-
КТ142ЕП1	-	150	-	40	110	-
КТ142ЕН3, 4	4	150	100	5	50	-60…+100
КТ142ЕН5А, Б	10	165±10	100	-	-	-60…+100
2У202Д	20	-	70	-	-	-
2У202Н	1,5	-	110	-	-	-

Тепловий розрахунок радіатора зводиться до визначення його теплового опору R_p.c., який не повинен перевищувати деяке значення, яке знаходиться із виразу (3.1), тобто:

. (3.3)

Якщо в технічних умовах на НП і ІМС вказана допустима температура переходу, то допустимий тепловий опір радіатора визначається по формулі:

, (3.4)

де Т_р.доп.= Т_р.доп – Т_с;

R_п.р.= R_п.к. + R_к.р

Т_р.доп. = g[T_п –Р_р (R_п.к.+R_к.р.)]

Коли в технічних умовах задана допустима температура корпусу, то:

, (3.5)

. (3.6)

Максимальний перегрів основи радіатора відносно оточуючого середовища може бути представлена у вигляді:

. (3.7)

При виборі радіатора необхідно визначити: потужність, яку здатен розсіювати радіатор вибраної конфігурації і розмірів; як змінюється потужність розсіювання радіатором, в залежності від числа ребер, висоти, їх товщини, відстані між ними, стан поверхні, а також умови теплообміну із навколишнім середовищем.

В загальному випадку потужність, яка розсіюється радіатором, обчислюємо по формулі:

, або. (3.8)

Процес конвективного і променевого (лучистого) теплообміну різних поверхонь радіатора, який має складну конфігурацію, не завжди може бути описаний однаковими залежностями. Тоді поверхня радіатора розбивають на n окремих частин, теплові опори яких R_p.c.i, а фактичні коефіцієнти теплообміну _i(R_p.c.i.)=1/_iS_i, де S_i – поверхня і-ої частини радіатору. Тоді вираз (3.8) прийме вигляд:

(3.9)

Потужність розсіюється радіатором може бути обчислена, якщо відомими є коефіцієнти теплообміну окремих поверхностей радіатора_i і температура навколишнього середовища в просторі між ребрами.

Наближений вираз (3.9) для визначення потужності, яка розсіюється радіатором:

, (3.10)

де Т_іс - температура середовища між ребрами.

Зазвичай в НП і ІМС використовують радіатори наступних типів: пластинчасті, ребристі штирьові, петельно-дротяні, а також різного роду конструкції, отримані гнучкою штамповкою (типа «краб, «зірочка», «корзинка», «цанга», «крильчатка»). Конструкції деяких типів радіаторів зображено на рис.3.4. Рекомендації по їх вибору дані в таблиці 3.4.

(а)	(б)
(в)	(г)

Рисунок 3.4 – Конструкції радіаторів:

а – пластинчастий, б – ребристий, в - штирьовий

Розрахунок коефцієнтів конвективного теплообміну окремих поверхонь радіатора проводиться в наступній послідовності:

1. Розрахунок теплового режиму НП і ІМС.

1.1. Із табл. 3.1 для даної ІМС або НП виписуємо значення теплового опору між переходом і оточуючим середовищем R_п.с.[K/Bт] і гранично допустимої температури переходу Т_п.доп. [C^o].

1.2. Визначаємо температуру переходу НП або ІМС по формулі

Т_п=Т_с+R_п.с.Р, (3.11)

де Т_с - температура оточуючого середовища;

Р - потужність розсіювання НП або ІМС.

1.3. Умова нормальної роботи НП або ІМС

Т_п<T_п.доп..

2. Визначення розмірів пластинчатого радіатора для НП а ІМС потужністю розсіювання Р, які працюють при температурі оточуючого середовища Т_с в умовах природньої конвекції і нормальному тиску. НП встановлений з допомогою пасти КПК-8 на вертикально орієнтований пластинчатий радіатор. Ступінь чорноти _р.

2.1. Із таб. 3.1. знаходимо:

- тепловий опір між переходом і корпусом, R_п.к.;

• гранично допустима температура переходу, Т_п.доп.;

2. Задаємося висотою пластини D, і по графіку на рис. 3.1 для D знаходимо коефіцієнт нерівномірності температури пластинчатого радіатора g.

2.3. Знаходимо допустиму середню поверхневу температуру радіатору і його перегрів по формулі

Т_р.доп. = g[T_п.доп.–Р (R_п.к.+R_к.р.)], (3.12)

Т_р.доп. = T_р.доп.–Т_с

де Т_п.доп. – гранично допустима m-ра переходу;

R_к.р.– тепловий контактний опір корпус – радіатор, R_к.р.= R_к.т.

2.4. Розраховуємо коефіцієнт теплообміну при природній конвекції

. (3.13)

Коефіцієнт А₂ конвекційного обміну знаходимо по табл. 3.2, для середньої температури Т_m=0,5(T_p.доп.+Т_с).

Таблиця 3.2 – Значення коефіцієнту A₂ для повітря

Тm, oC	0	10	20	30	40	60	80	100	120	140	150
А2	1,69	-	1,61	-	1,53	1,45	1,39	1,33	-	-	1,23

2.5. Розраховуємо коефіцієнт теплообміну випромінювання по формулі

_п.р.с.=_п.р.с._р.с.f(T_p ,T_c), (3.14)

де _п.р.с.=0,9; _р.с=1

Значення ф-ї f (Т_р,Т_с) беремо із табл. 3.3.

Таблиця 3.3 – Значення функції f (Т_р,Т_с)

Тр, oC	Тс, oC
	15	20	25	30	35	40	45	50	60
20	5,59	–	–	–	–	–	–	–	–
25	5,76	5,90	–	–	–	–	–	–	–
30	5,90	6,05	6,20	–	–	–	–	–	–
35	6,05	6,20	6,35	6,51	–	–	–	–	–
40	6,20	6,35	6,51	6,60	6,82	–	–	–	–
45	6,35	6,51	6,66	6,83	7,00	7,14	–	–	–
50	6,51	6,67	6,83	7,00	7,17	7,35	7,50	–	–
60	6,87	7,04	7,19	7,35	7,51	7,69	7,87	8,05	–
70	7,21	7,39	7,55	7,72	7,86	8,05	8,24	8,42	8,80
80	7,59	7,75	7,80	8,07	8,26	8,45	8,65	8,83	9,20
90	7,98	8,13	8,31	8,49	8,67	8,86	9,04	9,25	9,65
100	8,37	8,53	8,72	8,91	9,09	9,28	9,46	9,66	10,08
110	8,79	8,97	9,15	9,33	9,51	9,71	9,90	10,10	10,51
120	9,20	9,40	9,56	9,77	9,98	10,17	10,35	10,56	11,01
130	9,65	9,88	10,01	10,22	10,41	10,62	10,81	11,02	11,42
140	10,12	10,30	10,50	10,72	10,90	11,10	11,31	11,51	11,94
150	10,57	10,77	10,96	11,16	11,37	11,57	11,79	12,00	12,44

2.6. Розраховуємо сумарний коефіцієнт теплообміну:

=_к.р.с+_п.р.с.

2.7. Розраховуємо площу тепловіддаючої поверхні радіатору

. (3.15)

2.8. На основі рекомендацій таб. 3.4. задаємося товщиною пластини  і знаходимо ширину пластини

. (3.16)

Розміри пластини радіатора : DB

Таблиця 3.4 – Рекомандації по вибору радіаторів

Тип радіатора і умови теплообміну	Потужність розсіювання, Вт	Основіні розміри радіаторів, х10-3м					Примітки
		Товщина основи	Висота ребер (штиря)	Розміри основи в плані	Крок між ребрами (штирями)	Висота радіатора
1	2	3	4	5	6	7	8
Пластиний радіатор (природня конвекція) а) природня конвекція б) примусова конвекція	до 5 Від 5 до 20 До 100	3-4 3-6 3-6	- 8-32 8-32	До 100х100 До 150х150 До 150х150	- 8-14 4-6	- - -	Ширину і довжину робити однаковими Розміри радіаторів для одиничного приладу не більше 100х100. Товщина ребер – 1-2мм
Штирьовий радіатор (односторонній і двостороній) а) природня конвекція б) примусова конвекція	Від 5 до 20 100	4-5 4-5	8-32 8-32	До 150х150 До 150х150	5-9 5-9	- -	Нижня основа штиря 2,5-3 мм, верхня – 1-1,5мм
Пластиний петельно-дротяний. Природня конвекція: а) радіатор із алюмінію б) радіатор із міді	15 60 80 100 15 60 80 100	3 3 4 5 2 2 3 4	- -	40х40 70х100 100х150 150х200 40х40 70х100 100х150 150х200	7-8 7-8 10-12 10-12 7-8 7-8 10-12 10-12	15-24 15-24	Діаметр проводу 0,9мм. Продольний крок дротяних ребер 2-2,5мм Діаметр дроту 0,7мм
Радіатор краб а) природня конвекція б) примусова конвекція	5-20 До 100	2-5 2-5	-	-	0-3 0-3	15-20 15-20	Ширина ребер 3-8 мм

СПИСОК ВИКОРИСТОВАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1983.- 128 с.,ил.

Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под ред.Н.Н.Горюнова, 3-е изд. –М.,Радио и связь, 1983. – 280 с.

2.Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С.Найвельт, К.Б.Мазель, Ч.И.Хуасаинов и др.; Под ред. Г.С.Найвельта.- М.: Радио и связь, 1986.- 576 с., ил.

3. Терещук Р. М. и др. Полупроводниковые приемоусилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Р. М. Терещук, К. М. Терещук, С. А. Седов.— 4-е изд., стер.— Киев: Наук. думка, 1989.— 800 с., ил.— Библиогр.: с. 795—800.

ДОДАТОК А

Завдання до практичних робіт

Таблиця А.1 – Завдання до практичної роботи №1

№ варіанту	Схема виконання обмоток	Uc, В	fc, Гц	U21, В	I21, А	U22, В	I22, А
1	Табл. 2 (1)	220	50	5	5	–	–
2	Табл. 2 (2)	220	50	6,3	1	6,3	1
3	Табл. 2 (2)	220	50	18	1,2	18	1,2
4	Табл. 2 (1)	220	50	7,5	2,5	–	–
5	Табл. 2 (2)	220	50	20	0,6	20	0,6
6	Табл. 2 (2)	220	50	21	0,8	21	0,8
7	Табл. 2 (1)	220	50	9,5	1,8	–	–
8	Табл. 2 (2)	220	50	30	0,2	30	0,2
9	Табл. 2 (2)	220	50	16	1	16	1
10	Табл. 2 (1)	220	50	35	0,5	–	–
11	Табл. 2 (1)	220	50	13	1,5	–	–
12	Табл. 2 (1)	220	50	8	0,5	–	–
13	Табл. 2 (1)	220	50	31	0,1	–	–
14	Табл. 2 (1)	220	50	10	0,4	–	–
15	Табл. 2 (1)	220	50	9,5	1,5	–	–
16	Табл. 2 (1)	220	50	5	5	–	–
17	Табл. 2 (1)	220	50	6	1,5	–	–
18	Табл. 2 (2)	220	50	10	1,2	10	1,2
19	Табл. 2 (1)	220	50	7,5	2,5	–	–
20	Табл. 2 (2)	220	50	17	0,35	17	0,35
21	Табл. 2 (2)	220	50	20	0,41	20	0,41
22	Табл. 2 (1)	220	50	9,5	1,8	–	–
23	Табл. 2 (2)	220	50	25	0,2	25	0,2
24	Табл. 2 (2)	220	50	16	0,5	16	0,5
25	Табл. 2 (1)	220	50	5	0,5	–	–
26	Табл. 2 (2)	220	50	12	1,5	12	1,5
27	Табл. 2 (1)	220	50	8	0,6	–	–
28	Табл. 2 (1)	220	50	31	0,1	–	–
29	Табл. 2 (1)	220	50	20	0,1	–	–
30	Табл. 2 (1)	220	50	7	0,65	–	–
31	Табл. 2 (1)	220	50	19	0,4	–	–
32	Табл. 2 (1)	220	50	21	0,3	–	–
33	Табл. 2 (1)	220	50	18	0,1	–	–
34	Табл. 2 (2)	220	50	5	0,7	5	0,7
35	Табл. 2 (2)	220	50	3,9	0,42	3,9	0,42
36	Табл. 2 (2)	220	50	15	0,25	15	0,25
37	Табл. 2 (1)	220	50	3,5	3	–	–
38	Табл. 2 (2)	220	50	7	0,9	7	0,9
39	Табл. 2 (1)	220	50	11	0,6	–	–
40	Табл. 2 (1)	220	50	6,5	1,9	–	–

Таблиця А.2 – Завдання до практичної роботи №2

№ варіанту	Схема випрямляча	m	U0, В	I0, А	k, %
1	Рис.1 (а)	1	7	4	5
2	Рис.1 (б)	2	9	1	3
3	Рис.1 (б)	2	25,5	1,2	1,5
4	Рис.1 (в)	1	11	2,5	1
5	Рис.1 (б)	2	28	0,6	3,5
6	Рис.1 (б)	2	30	0,8	3
7	Рис.1 (а)	1	13	1,8	4
8	Рис.1 (б)	2	42	0,2	2
9	Рис.1 (б)	2	23	1	3,2
10	Рис.1 (в)	1	49	0,5	5
11	Рис.1 (а)	1	18	1,5	2
12	Рис.1 (а)	1	11	0,5	3,5
13	Рис.1 (в)	1	44	0,1	6
14	Рис.1 (в)	1	14	0,4	5
15	Рис.1 (в)	1	13	1,5	3,5
16	Рис.1 (а)	1	7	5	5
17	Рис.1 (а)	1	9	1,5	2,5
18	Рис.1 (б)	2	14	1,2	2,5
19	Рис.1 (а)	1	11	2,5	3,5
20	Рис.1 (б)	2	20	0,35	3,5
21	Рис.1 (б)	2	28	0,41	2,5
22	Рис.1 (в)	1	14	1,8	5,5
23	Рис.1 (б)	2	35	0,2	4
24	Рис.1 (б)	2	23	0,5	4
25	Рис.1 (а)	1	7,1	0,5	1
26	Рис.1 (б)	2	17	1,5	2
27	Рис.1 (в)	1	11	0,6	3,5
28	Рис.1 (а)	1	44	0,1	1
29	Рис.1 (в)	1	28	0,1	5
30	Рис.1 (а)	1	10	0,65	2,9
31	Рис.1 (в)	1	27	0,4	3,2
32	Рис.1 (а)	1	30	0,3	2,1
33	Рис.1 (а)	1	25	0,1	5,2
34	Рис.1 (б)	2	7	0,7	3,1
35	Рис.1 (б)	2	5,5	0,42	1
36	Рис.1 (б)	2	21	0,25	2,1
37	Рис.1 (а)	1	5	3	1,1
38	Рис.1 (б)	2	10	0,9	1,2
39	Рис.1 (в)	1	16	0,6	5,2
40	Рис.1 (а)	1	9	1,9	2,8

Таблиця А.3 – Завдання до практичної роботи №3

Варіант	Тип елемента	Потужність розсіювання, Вт	Температура навколишнього середовища, Тс	Умови теплообміну
1	2Д212А	0,8	15	природня конвекція
2	2Д212Б	0,7	16	природня конвекція
3	2Д213А	8	17	природня конвекція
4	2Д213Б	9	18	природня конвекція
5	2Д203А	5	19	природня конвекція
6	2Д203Б	7	20	природня конвекція
7	2Д203Г	10	21	природня конвекція
8	КТ908А	25	22	природня конвекція
9	КТ809А	20	23	природня конвекція
10	КТ819	90	24	природня конвекція
11	КТ142ЕН3	1	25	природня конвекція
12	КТ142ЕН4	0,9	26	природня конвекція
13	КТ142ЕН5А	5	27	природня конвекція
14	КТ142ЕН5Б	6	28	природня конвекція
15	2У202Д	19	29	природня конвекція
16	2У202Н	1,2	30	природня конвекція

Таблиця А.4 – Значення коефіцієнтів приведення струму k_пр1, k_пр2 коефіцієнта розподілу потужності k_p і розрахункові співвідношення для визначення габаритної потужності в залежності від схемного виконання обмоток ТММ

№	Схема виконання обмоток	kпр1	kпр2	kр	Габаритна потужність РГ
1		1	1	1
2		1	0,707	0

Коефіцієнт ψ=η_трсоsφ. Для ТММ перетворювачів напруги при роботі на випрямляч ψ≈η_тр.

(а)	(б)
(в)

Рис.А.1. Схеми випрямлячів із ємнісним фільтром