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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Heizkörper und Kühlung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Amateurfunk-Technologien In der Physik, der Elektrotechnik und der Atomthermodynamik gibt es ein bekanntes Gesetz: Der durch die Drähte fließende Strom erwärmt sie. Joule und Lenz haben es sich ausgedacht, und es stellte sich heraus, dass sie Recht hatten – so wie es ist. Alles, was auf die eine oder andere Weise mit Strom betrieben wird, wandelt einen Teil der fließenden Energie in Wärme um. Es ist einfach so, dass in der Elektronik die Luft das am stärksten von der Hitze betroffene Objekt in unserer Umgebung ist. Es sind die Heizteile, die Wärme an die Luft übertragen, und es ist erforderlich, der Luft Wärme zu entziehen und sie irgendwo abzugeben. Verlieren Sie zum Beispiel oder streuen Sie alleine. Wir nennen den Prozess der Wärmeübertragung Kühlung. Unsere elektronischen Designs leiten außerdem viel Wärme ab, manche mehr als andere. Spannungsstabilisatoren werden erhitzt, Verstärker werden erhitzt, der Transistor, der das Relais steuert, oder auch nur eine kleine LED wird erhitzt, nur dass sie sich ziemlich stark erwärmt. Okay, wenn es etwas warm wird. Nun, wenn es so frittiert ist, dass Sie Ihre Hand nicht halten können? Lasst uns Mitleid mit ihm haben und versuchen, ihm irgendwie zu helfen. Sozusagen, um sein Leiden zu lindern. Erinnern Sie sich an das Gerät der Heizbatterie. Ja, ja, dieselbe gewöhnliche Batterie, die im Winter den Raum heizt und auf der wir Socken und T-Shirts trocknen. Je größer die Batterie, desto mehr Wärme entsteht im Raum, oder? Heißes Wasser fließt durch die Batterie, es erwärmt die Batterie. Die Batterie hat eine wichtige Sache – die Anzahl der Abschnitte. Abschnitte stehen in Kontakt mit Luft und übertragen Wärme an diese. Je mehr Abschnitte also vorhanden sind, d. h. je größer die von der Batterie eingenommene Fläche, desto mehr Wärme kann sie an uns abgeben. Indem wir ein paar weitere Abschnitte schweißen, können wir unseren Raum wärmer machen. Gleichzeitig kann zwar das heiße Wasser in der Batterie abkühlen und es bleibt nichts für die Nachbarn übrig. Betrachten Sie das Transistorgerät.
Auf Kupferbasis (Flansch) 1auf einem Substrat 2fester Kristall 3. Es verbindet sich mit Ausgängen 4. Die gesamte Struktur ist mit Kunststoffmasse gefüllt 5. Der Flansch hat ein Loch 6zur Montage auf einem Heizkörper.
Wie macht man einen Kristall kälter? Wir können die Struktur des Transistors nicht ändern, das ist verständlich. Auch die Erfinder des Transistors haben darüber nachgedacht und uns Märtyrern den einzigen Weg zum Kristall hinterlassen – den Flansch. Ein Flansch ist wie ein einzelner Abschnitt einer Batterie – Braten ist Braten, aber die Wärme wird nicht an die Luft übertragen – eine kleine Kontaktfläche. Hier ist der Spielraum für unser Handeln gegeben! Wir können den Flansch aufbauen, ein paar weitere Abschnitte daran anlöten, also eine große Kupferplatte, da der Flansch selbst aus Kupfer besteht, oder den Flansch an einem Metallrohling namens Kühler befestigen. Glücklicherweise ist das Loch im Flansch für eine Schraube mit Mutter vorbereitet. Was ist ein Heizkörper? Ich habe den dritten Absatz über ihn wiederholt, aber ich habe nicht wirklich etwas gesagt! Okay, mal sehen:
Wie Sie sehen, kann das Design von Strahlern unterschiedlich sein, das sind Platten und Lamellen, und es gibt auch nadelförmige Strahler und verschiedene andere. Gehen Sie einfach in den Radioteileladen und gehen Sie über das Regal mit Strahlern. Heizkörper bestehen meist aus Aluminium und seinen Legierungen (Silumin und andere). Kupferheizkörper sind besser, aber teurer. Stahl- und Eisenheizkörper werden nur mit sehr geringer Leistung (1–5 W) verwendet, da sie die Wärme langsam abgeben. Die in einem Kristall freigesetzte Wärme wird durch eine sehr einfache Formel bestimmt P = U * I, wobei P die im Kristall verlorene Leistung ist, W, U = Spannung am Kristall, V, I der Strom durch den Kristall, A. Diese Wärme gelangt durch das Substrat zum Flansch, wo sie auf den Kühler übertragen wird. Darüber hinaus kommt der beheizte Kühler als nächster Teilnehmer unseres Kühlsystems mit Luft in Kontakt und überträgt Wärme auf ihn. Betrachten wir den kompletten Transistor-Kühlkreislauf.
Wir haben zwei Teile - das ist ein Heizkörper 8und eine Dichtung zwischen dem Kühlkörper und dem Transistor 7. Das ist vielleicht nicht der Fall, was sowohl schlecht als auch gut zugleich ist. Lass es uns herausfinden. Ich erzähle Ihnen von zwei wichtigen Parametern – das sind die thermischen Widerstände zwischen dem Kristall (oder dem Übergang, wie er auch genannt wird) und dem Transistorgehäuse – Rpc und zwischen dem Transistorgehäuse und dem Strahler – Rcr. Der erste Parameter gibt an, wie gut die Wärme vom Kristall zum Flansch des Transistors übertragen wird. Beispielsweise erklärt Rpc, was 1,5 Grad Celsius pro Watt entspricht, dass bei einer Leistungssteigerung um 1 W der Temperaturunterschied zwischen Flansch und Kühler 1,5 Grad beträgt. Mit anderen Worten, der Flansch wird immer kälter sein als der Kristall, und dieser Parameter zeigt an, um wie viel. Je kleiner es ist, desto besser wird die Wärme auf den Flansch übertragen. Wenn wir 10 W Leistung verbrauchen, ist der Flansch um 1,5 * 10 = 15 Grad kälter als der Kristall, und wenn 100 W, dann um ganze 150! Und da die maximale Temperatur des Kristalls begrenzt ist (er kann nicht bis zur Weißglut gebraten werden!), muss der Flansch gekühlt werden. Gleichzeitig 150 Grad. Zum Beispiel: Der Transistor verbraucht 25 W Leistung. Sein Rpc beträgt 1,3 Grad pro Watt. Die maximale Temperatur des Kristalls beträgt 140 Grad. Dies bedeutet, dass zwischen dem Flansch und dem Kristall ein Unterschied von 1,3 * 25 = 32,5 Grad besteht. Und da der Kristall nicht über 140 Grad erhitzt werden kann, müssen wir die Flanschtemperatur nicht höher als 140-32,5=107,5 Grad halten. So. Und der Rcr-Parameter zeigt dasselbe, nur die Verluste werden auf derselben berüchtigten Dichtung 7 erhalten. Sein Rcr-Wert kann viel größer als Rpc sein, daher ist es beim Entwurf einer leistungsstarken Einheit unerwünscht, Transistoren auf Dichtungen zu platzieren. Aber manchmal muss man es trotzdem tun. Der einzige Grund für die Verwendung eines Abstandshalters besteht darin, den Kühlkörper vom Transistor zu isolieren, da der Flansch elektrisch mit dem mittleren Anschluss des Transistorgehäuses verbunden ist. Schauen wir uns hier ein weiteres Beispiel an. Der Transistor wird bei 100 W gebraten. Wie üblich beträgt die Temperatur des Kristalls nicht mehr als 150 Grad. Rpk hat es 1 Grad pro Watt und sogar auf der Dichtung, die Rkr 2 Grad pro Watt hat. Der Temperaturunterschied zwischen Kristall und Strahler beträgt 100*(1+2)=300 Grad. Der Kühler darf nicht heißer als 150-300 = minus 150 Grad sein: Ja, meine Lieben, das ist genau der Fall, den nur flüssiger Stickstoff retten kann: Horror! Es ist viel einfacher, von einem Kühler für Transistoren und Mikroschaltungen ohne Dichtungen zu leben. Wenn keine vorhanden sind, die Flansche sauber und glatt sind, der Kühler glänzt und sogar Wärmeleitpaste aufgetragen wird, ist der Rcr-Parameter so klein, dass er einfach nicht berücksichtigt wird. Ich habs? Gehen wir weiter! Es gibt zwei Arten der Kühlung: Konvektion und Zwangskühlung. Konvektion ist, wenn wir uns an die Schulphysik erinnern, die unabhängige Verteilung von Wärme. Das Gleiche gilt für die Konvektionskühlung – wir haben einen Kühler installiert, und er selbst wird die Luft dort irgendwie regeln. Konvektionsstrahler werden am häufigsten außerhalb der Geräte installiert, wie zum Beispiel in Verstärkern, haben Sie das gesehen? An den Seiten befinden sich zwei Metallplatten-Gizmos. Von innen werden Transistoren angeschraubt. Solche Heizkörper können nicht abgedeckt werden, der Luftzugang ist geschlossen, sonst kann der Heizkörper die Wärme nirgendwo abgeben, er überhitzt sich selbst und weigert sich, Wärme vom Transistor zu empfangen, der lange Zeit nicht nachdenkt, er wird auch überhitzen und: Sie selbst verstehen, was passieren wird. Bei der erzwungenen Kühlung zwingen wir die Luft dazu, aktiver um den Kühler herum zu blasen und dabei an seinen Rippen, Nadeln und Löchern entlang zu strömen. Hier nutzen wir Ventilatoren, verschiedene Luftkühlkanäle und andere Methoden. Ja, statt Luft kann es übrigens auch leicht Wasser, Öl und sogar flüssiger Stickstoff sein. Leistungsstarke Generatorrohre werden oft durch fließendes Wasser gekühlt. Woran erkennt man einen Kühler – dient er der Konvektion oder der Zwangskühlung? Davon hängt seine Effizienz ab, also davon, wie schnell es den heißen Kristall abkühlen kann, welchen Strom an Wärmeleistung es durch sich selbst leiten kann. Wir schauen uns die Fotos an.
Der erste Kühler dient der Konvektionskühlung. Der große Lamellenabstand sorgt für einen freien Luftstrom und eine gute Wärmeableitung. Auf dem zweiten Kühler ist ein Lüfter angebracht, der Luft durch die Lamellen bläst. Das ist Zwangskühlung. Natürlich können Sie sowohl diese als auch diese Heizkörper überall verwenden, aber die ganze Frage ist ihre Effizienz. Heizkörper haben zwei Parameter: ihre Fläche (in Quadratzentimetern) und den Wärmewiderstandskoeffizienten der Heizkörperumgebung Rrs (in Watt pro Grad Celsius). Die Fläche wird als Summe der Flächen aller ihrer Elemente berechnet: die Fläche der Basis auf beiden Seiten + die Fläche der Platten auf beiden Seiten. Die Fläche der Enden der Basis wird nicht berücksichtigt, daher sind nur sehr wenige Quadratzentimeter vorhanden. Beispiel: Der Kühler aus dem obigen Beispiel für Konvektionskühlung.
Der Wärmewiderstandskoeffizient Kühler-Umgebung Rpc gibt an, wie stark die Temperatur der den Kühler verlassenden Luft bei einer Leistungssteigerung um 1 W ansteigt. Ein Rpc von 0,5 Grad Celsius pro Watt sagt uns beispielsweise, dass die Temperatur bei 1 W Wärme um ein halbes Grad ansteigt. Dieser Parameter gilt als dreistufige Formel und unser Katzenverstand ist keineswegs innerhalb der Macht: Rpc, wie jeder Wärmewiderstand in unserem System, je kleiner, desto besser. Und man kann es auf unterschiedliche Weise reduzieren – dazu werden Heizkörper chemisch geschwärzt (z. B. verdunkelt sich Aluminium in Eisenchlorid gut – zu Hause nicht experimentieren, es wird Chlor freigesetzt!), außerdem gibt es den Effekt der Ausrichtung des Heizkörpers im Luft für einen besseren Durchgang entlang der Platten (vertikaler Kühler kühlt besser als liegender). Es wird nicht empfohlen, den Heizkörper mit Farbe zu streichen: Farbe stellt einen übermäßigen Wärmewiderstand dar. Wenn auch nur leicht, so dass es dunkel war, aber keine dicke Schicht! Die Anwendung enthält eine kleine Programm, in dem Sie die ungefähre Fläche des Kühlers für eine Mikroschaltung oder einen Transistor berechnen können. Berechnen wir damit den Kühler für eine Stromversorgung. Stromversorgungsschaltung.
Das Netzteil gibt 12 Volt bei einem Strom von 1A aus. Der gleiche Strom fließt durch den Transistor. Am Eingang des Transistors liegen 18V, am Ausgang 12V an, was bedeutet, dass an ihm eine Spannung von 18-12 = 6V abfällt. Die vom Transistorkristall abgegebene Leistung beträgt 6 V * 1 A = 6 W. Die maximale Temperatur des Kristalls für 2SC2335 beträgt 150 Grad. Verwenden wir es nicht unter extremen Bedingungen, sondern wählen wir eine niedrigere Temperatur, zum Beispiel 120 Grad. Der Wärmewiderstand des Anschlussgehäuses Rpc für diesen Transistor beträgt 1,5 Grad Celsius pro Watt. Da der Transistorflansch mit dem Kollektor verbunden ist, sorgen wir für eine elektrische Isolierung des Kühlkörpers. Dazu legen wir zwischen Transistor und Kühler eine Isolierdichtung aus wärmeleitendem Gummi ein. Der Wärmewiderstand der Dichtung beträgt 2 Grad Celsius pro Watt. Für einen guten Wärmekontakt geben wir etwas PMS-200-Silikonöl hinein. Dies ist ein dickes Öl mit einer maximalen Temperatur von +180 Grad. Es füllt die Luftspalte, die aufgrund der Unebenheiten von Flansch und Kühler zwangsläufig entstehen, und verbessert die Wärmeübertragung. Viele verwenden KPT-8-Paste, aber viele halten sie nicht für den besten Wärmeleiter. Wir bringen den Kühler an die Rückwand des Netzteils, wo er durch Raumluft + 25 Grad gekühlt wird. Wir werden alle diese Werte in das Programm einsetzen und die Fläche des Heizkörpers berechnen. Die resultierende Fläche von 113 qm cm ist die Fläche des Kühlers, ausgelegt für den Langzeitbetrieb des Netzteils im Vollleistungsmodus – mehr als 10 Stunden. Wenn wir nicht so viel Zeit benötigen, um das Netzteil anzutreiben, können wir mit einem kleineren, aber massiveren Kühler auskommen. Und wenn wir einen Kühler im Netzteil installieren, ist keine Isolierdichtung erforderlich, ohne diese kann der Kühler auf 100 cm² reduziert werden. Im Allgemeinen, meine Lieben, zieht die Aktie nicht die Tasche, seid ihr euch alle einig? Denken wir über den Spielraum nach, der sowohl im Bereich des Kühlers als auch bei den Grenztemperaturen von Transistoren liegt. Schließlich muss nicht irgendjemand, sondern Sie selbst Geräte reparieren und überkochte Transistoren austauschen! Merk dir das! Viel Glück. Veröffentlichung: radiokot.ru
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