Часто необходимо, как мы видели в приведенных выше схемах, использовать мощные транзисторы или другие сильноточные устройства, такие, как КУВ или силовые выпрямители, рассеивающие мощности во много ватт. Недорогой и очень распространенный мощный транзистор , правильно смонтированный, рассеивает мощность до . Все мощные устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между их металлической поверхностью и внешним радиатором. Во многих случаях металлическая поверхность устройства связана электрически с одним из выводов (например, у мощного транзистора она всегда связана с коллектором).
Таблица 6.1. Мощные биполярные транзисторы
(см. оригинал)
В принципе задача теплоотвода - удержать переходы транзисторов или других устройств при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры. Для кремниевых транзисторов в металлических корпусах максимальная температура переходов обычно равна , а для транзисторов в пластмассовых корпусах равна . В табл. 6.1 приведены некоторые часто применяемые типы мощных транзисторов и указаны их температурные параметры. Зная эти параметры, проектировать теплоотвод просто: зная мощность, которую прибор будет рассеивать в данной схеме, подсчитываем температуру переходов с учетом теплопроводности транзистора, радиатора и максимальной рабочей температуры окружающей транзистор среды. Затем выбираем такой радиатор, чтобы температура переходов была намного ниже указанной изготовителем максимальной. Здесь разумно перестраховаться, так как при температурах, близких к максимальной, транзистор быстро выходит из строя.
Тепловое сопротивление.
При расчете радиатора используют тепловое сопротивление 0, которое равняется отношению величины перепада температур в градусах к передаваемой мощности. Если теплопередача происходит только путем теплопроводности, то тепловое сопротивление - величина постоянная, не зависящая от температуры, а зависящая только от устройства теплового контакта. Для последовательного ряда тепловых контактов общее температурное сопротивление равно сумме тепловых сопротивлений отдельных соединений. Таким образом, для транзистора, смонтированного на радиаторе, общее тепловое сопротивление передаче тепла от -перехода на внешнюю среду равно сумме тепловых сопротивлений переход-корпус , соединения корпус-радиатор и перехода радиатор-среда . Таким образом, температура -перехода будет равнагде Р-рассеиваемая мощность.
Рассмотрим пример. Приведенная ранее схема источника питания с внешним проходным транзистором имеет максимум рассеиваемой на транзисторе мощности при нестабилизированном входном напряжении падения напряжения, 2 А). Предположим, что эта схема должна работать при окружающей температуре так уж невероятно для компактно расположенного электронного постараемся удержать температуру переходов ниже , т. е. намного ниже, чем указанные изготовителем . Тепловое сопротивление от перехода к корпусу равно . Мощный транзистор в корпусе , смонтированный со специальной прокладкой, обеспечивающей электрическую изоляцию и тепловой контакт, имеет тепловое сопротивление от корпуса к радиатору порядка . И наконец, радиатор фирмы Wakefield, модель 641 (рис. 6.6), имеет тепловое сопротивление на границе с внешней средой порядка . Поэтому общее тепловое сопротивление между -переходом и внешней средой будет равно . При рассеиваемой мощности температура перехода будет на выше температуры окружающей среды, т. е. будет равна (при максимальной внешней температуре для данного случая). Итак, выбранный радиатор пригоден, а если необходимо сэкономить пространство, то можно выбрать и несколько меньший.
Замечания о радиаторах.
1. В схемах, где рассеиваются большие мощности, например несколько сотен ватт, может понадобиться принудительное воздушное охлаждение. Для этого выпускаются большие радиаторы, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень низкое тепловое сопротивление от радиатора к внешней среде от 0,05 до .2. Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, как это обычно и необходимо, особенно если несколько транзисторов установлено на одном радиаторе, то используют тонкие изолирующие прокладки между транзисторами и радиаторами, а также изолирующие вкладыши для монтажных винтов.
Прокладки выпускаются под стандартные транзисторные корпусы и делаются из слюды, изолированного алюминия и двуокиси бериллия . При использовании теплопроводящей смазки они создают дополнительное тепловое сопротивление от (бериллие-вые) до . Хорошей альтернативой классическому сочетанию прокладка из слюды плюс смазка могут служить изоляторы на основе кремнийорганических соединений без использования смазки с дисперсионным покрытием теплопроводным компаундом; обычно это нитрид бора или окись алюминия. Эти изоляторы чисты и сухи, удобны в употреблении, вам не грозит испачкать руки, одежду и электронику белым липким веществом, к тому же вы экономите уйму времени. Тепловое сопротивление этих изоляторов составляет , т. е. вполне сравнимое с величинами «грязного» метода. Фирма Bergquist называет свою продукцию , продукция SPC известна под названием Thermalloy называет свою .
Рис. 6.6. Радиаторы для мощных транзисторов. Фирмы-изготовители: I-IERC, , W-Wakefield. (размеры даны в дюймах, мм).
Мы в своей работе с успехом используем все эти изоляторы.
3. Малые радиаторы выпускаются в виде простых насадок на малогабаритные корпусы транзисторов (подобные стандартному ). В случае малой рассеиваемой мощности ) этого вполне достаточно и не надо мучиться, монтируя транзистор куда-то на радиатор, а потом тащить от него провода обратно к схеме (пример см. на рис. 6.6). Кроме того, существуют различные типы малых радиаторов для работы с мощными ИМС в пластмассовых корпусах (многие стабилизаторы, а также мощные транзисторы имеют такие корпуса), которые монтируются прямо на плату под корпус ИМС. Это очень удобно в схемах, где рассеивается мощность не больше нескольких ватт (пример см. также на рис. 6.6).
4. Иногда удобно монтировать мощный транзистор прямо на шасси или корпус прибора. В этом случае лучше использовать консервативный метод проектирования (корпус должен оставаться холодным), так как нагретый корпус нагреет и другие элементы схемы и сократит их сроки службы.
5. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, то надо изолировать радиатор от шасси. Применение изолирующих прокладок рекомендуется всегда (например, модель Wakefield 103), если, конечно, корпус транзистора не заземлен по идее. Если транзистор изолирован от радиатора, то радиатор можно закрепить прямо на шасси. Но если транзистор выступает наружу из прибора (скажем, радиатор его смонтирован на внешней стороне задней стенки), то имеет смысл изолировать этот транзистор, чтобы никто до него случайно не дотронулся и не замкнул на землю (изолировать можно, например, прокладкой Thermalloy ).
6. Тепловое сопротивление радиатор - внешняя среда обычно указывается, когда ребра радиатора установлены вертикально и обдуваются воздухом без помех. Если же радиатор установлен как-нибудь по-другому или есть препятствия на пути потока воздуха, то эффективность радиатора снижается (повышается тепловое сопротивление); лучше всего монтировать радиатор на задней стенке прибора, ставя ребро вертикально.
Упражнение 6.2. Транзистор , имеющий тепловое сопротивление переход-корпус , снабжен съемным радиатором типа IERC TXBF (см. рис. 6.6). Максимальная допустимая температура перехода . Какая мощность может рассеиваться такой конструкцией при внешней температуре Как эта мощность уменьшается с каждым градусом увеличения температуры окружающей среды?
О РАДИАТОРАХ
Теплоотвод (радиатор) для усилителя мощности играет далеко не последнюю роль в его
эксплутационных характеристиках, определяя прежде всего надежность усилителя и как правило имеющий свои
характеристики. Основными можно назвать пару:
-тепловое сопротивление
-площадь охлаждения.
Если не вдаваться в глубокую физику, то тепловое сопротивление радиатора это есть
скорость с которой точка нагрева будет отдавать свое тепло охлаждающим поверхностям - ребрам. Этот параметр
учитывается довольно редко, от этого и довольно частые выходы из строя самодельных усилителей. На рисунке
18 показаны схематично процессы нагрева теплоотвода от фланца силового транзистора.
Рисунок 18 Распространение тепла внутри несущего основания теплоотвода.
При толщине несущего основания 3 мм тепло от фланца довольно быстро достигает тыльной
стороны и далее распространаяется довльно медленно, поскоьку толщина материала слишком мала. В результате
происходит довольно большой местный нагрев, а охлаждающие плоскости (ребра) остаются холодными. При толщине
несущего основания 8 мм тепло от фланца уже достигает обратной стороны радиатора гораздо медленней, поскольку
необходимо прогреть участки радиатора в горизонтальной плоскости. Таким обюразом нагрев происходит более
равномерно и охлаждающие плоскости начинают прогреваться более равномерно.
Можно было бы конечно выкопать кучу формул и выложить их здесь, но это слишком "тяжелая"
математика, поэтому остановимся лишь на приблизительных результатах расчетов.
Толщина несущего основания для усилителй АВ должна составлять
1 мм на каждые 10 Вт
выходной мощности усилителя, но не менее 2 мм. При мощностях свыше 100 Вт
толщина несущего основания должна быть не менее 9 мм + 1 мм на каждые 50 Вт превышающие 100 Вт. Для усилителей
мощности с многоуровневым питанием (G и H) толщину несущего основания следует расчитывать аналогичными
образом, но в качестве исходной мощности следует брать мощность усилителя деленную на количество уровней
питания.
|
МОЩНОСТЬ |
ТОЛЩИНА |
КАК РАСЧИТАНА |
|
|
КЛАСС |
МИНИМУМ | ||
| 40 Вт / 10 = 4 мм | |||
| 40 Вт / 10 = 6 мм | |||
| 150 Вт - 100 Вт = 50 Вт превышение 100 Вт предела, следовательно 9 мм + 1 мм = 10 мм | |||
| 300 Вт - 100 Вт = 200 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (200 / 50) = 9 мм + 4 мм = 13 мм | |||
| 600 Вт - 100 Вт = 500 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (500 / 50) = 9 мм + 10 мм = 19 мм | |||
| 900 Вт - 100 Вт = 800 Вт превышения 100 Вт предела, следовательно 9 мм + (800 / 50) = 9 мм + 16 мм = 25 мм | |||
|
КЛАСС |
500 / 2 = 250 Вт - максимальная мощность выделяемая одним уровнем, 250 - 100 = 150 - разница между базовыми 100Вт, 150 / 50 = 3 - дополнительная толщина к базовым 9 мм, 9 +3 = 12 мм толщина несущего основания радиатора. | ||
| 1000 / 2 = 500, 500 - 100 = 400, 400 / 50 = 8, 9 + 8 = 17 мм | |||
| 2000 / = 1000, 1000- 100 = 900, 900 / 50 = 18, 9 + 18 = 27 мм | |||
Ступенчатость в расчетах при мощностях свыше 100 Вт связана с тем, что в таких усилителях
уже используется по несколько соединенных параллельно транзисторах, которые рассеивают тепло равномерно
в разных местах несущего основания радиатора. Для классов G и H мощность делится на 2 потому что именно
из за меняющегося напряжения питани (подключение второго уровня) происходит уменьшение выделяемой мощности,
кторая рассеивается только при достижении уровня исгнала определеннйо величины.
Площадь охлаждения расчитывается чисто математически, измерив основные размеры радиатора
- рисунок 19
Рисунок 20 Расчет площади охлаждения теплоотвода
В данной формуле:
а
- толщина несущего основания, удваивается, поскольку
имеет контакт с охлаждающей средой (воздухом в данном случае) с двух сторон;
б
и г
- по сути высота ребра,
используется обе стороны, поскольку обе имеют контакт с охлаждающей средой;
в
- Ширина верхушки ребра, можно принебречь;
д
-расстояние между ребрами радиатора;
е
- длина обратной стороны радиатора;
n
- количество ребер на радиаторе;
h
- высота радиатора.
Крепежные выступы и дополнительные отливы тоже можно посчитать, но как правило их
площадь ничтожно мала по отношению к основной, поэтому ею можно принебречь. В данной формуле так же не
учитываются площади торцов ребер.
|
МОЩНОСТЬ |
ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРА ПРИ |
ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРА ПРИ |
|
| КЛАСС АВ | |||
| КЛАСС G | |||
| КЛАСС H | |||
Пугаться огромных площадей охлаждения не следует, поскольку алюминиевый лист 10 х
10 см и толщиной 0,5 см имеет суммарную площадь охлаждения 10 х 10 = 100 кв см, стороны две, следовательно
100 х 2 = 200 кв см, плюс 4 торцевых стороны с площадью 0,5 х 10 = 5 добавлляет еще 20 кв см и в результате
получаем 200 + 20 = 220 см, а радиатор показанный на рисунке 27 (габариты 17 х 5,5 х 11,5 см) имеет площадь
охлаждения 3900 кв см, тем более в расчеты заложен нарев радиатора до 80 градусов при воспроизведении
самых жестких композиций.
Тут же следует дать ответ на вопрос А ПОЧЕМУ ДЛЯ КЛАССОВ G
и H
ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРОВ ПОЧТИ В ДВА РАЗА МЕНЬШЕ И ПОЧЕМУ НА G
МЕНЬШЕ ЧЕМ НА H
?
Для получения более понятного ответа стоит вернуться к сериалу рисунков 7-13 и еще
раз перечитать - максимальная мощность рассеивается только в моменты выходной сигнал проходит амплитудногое
значение равное половине напряжения питания, в остальные моменты она или растет или уменьшается. При питании
двумя уровнями рассеиваемая мощность увеличитвается пока не достигнет половины величины питания первого
"этажа", затем уменьшается и дойдя до величины равной почти питанию первого "этажа"
снова начинает увеличиваться до максимума, поскольку ступенчато включается второй этаж питания (класс
H), а он по величине больше первого "этажа" в 2 раза. Однако после включение второго "этажа"
мощность по мере роста велечины выходного сигнала уменьшается. Следовательно за один полупериод синусоидального
сигнала оконечные транзисторы будут дважды рассеивать макисмальную мощность, но она превысит величину
по сравнению с классом АВ лишь на несколько процентов. Для класса G процессы нагрева несколько отличаются
от H, поскольку подключение второго "этажа" питания происходит не ступенчато, а плавно и рассевиваема
мощность оконечных транзисторов распределяется, правда не равномерно - втрому "этажу" приходится
тяжелей первого. Пока амплитуда выходного сигнала не достигла велечины включения второго этажа оконечные
транзисторы работают в обычном режиме, а когда второй этаж включается в работу они мощность рассеивают,
но уже не значительную, поскольку как правило закладываемая разница между первым и вторым этажом составляет
15-18 В. В при включеннии транзисторов второго этажа наибольшую мощность рассеивают именно они и происходит
это в момент их включения, а по мере роста амплитуды выходного исгнала расеиваемая мощность уменьшается.
Другими словами площадь охлаждения усилителей G меньше чем H как раз за счет того, что тепловыденеие происходит
в разных местах радиатора - пока работает первый этаж - греются одни транзисторы, как только включается
второй этаж они начинают остывать, а греются уже другие транзисторы, расположенные в другом месте радиатора.
Если радиатора с подходящей площадью охлаждения нет, то можно воспользоваться принудительным
охлаждением, установив на радиаторы вентиляторы от компьтерной техники (рисунок 21).
Рисунок 21 Внешний вид компьтерных вентиляторов
При покупке вентилятров следует обратить внимание на надписи на его наклейки. Кроме производителя на вентиляторах указывается напряжение и потребляемый ток, который как раз и определяет производительность вентилятора. На рисунке 22 слева безшумный тихоход (ток 0,08А), который почти не слышно, но и который дает довольно слабый охлаждающий поток, а справа - гудящий ветродув (ток потребления 0,3А). Рекомендуется для усителей мощности использовать высокопроизводительные вентиляторы, поскольку уменьшить производительность можно всегда уменьшив обороты вращения (уменьшить напряжение питания), а вот увеличить получается не всегда, а если точнее - очень редко. Нескольк вариантов управления вентиляторам можно .
Рисунок 22 Слева малопроизводительный безшумный, справа высокопроизводительный гудящий.
При выборе вентилятора кроме производительности следует определиться с размерами,
поскольку размеров на рынке уже достаточно много, да и наработка на отказ у всех разная, поскольку некоторые
проиводители используют подшипники скольжения (вал крыльчатки вращается во вкладышах из порошковой бронзы),
а некоторые используют шарико-подшипники, которые конечно же работают гораздо дольше и меньше подвержены
забиванию пылью.
Вариантов обдува может быть несколько, для примера расмотрим два, самых популярных.
Первый, по сути широко используемый в компьютерной технике, вариант, когда вентилятор
устанавнивается со стороны ребер, причем воздушный поток направляется как раз между ребер охлаждения (рис
23).
Рисунок 23 Установка вентилятора со стороны ребер радиатора
Менее популярный среди компьютерной техники, но достаточно популярный среди промаппаратуры способ трубы. В этом варианте два радиатора разворачиваются ребрами друг к другу, а воздушный поток направляется между ребрами вентилятором расположенным с торца радиаторов (рис 24).
Рисунок 24 Сборка аэротрубы из двух одинаковых радиаторов.
Этот вариант для аудиотехники несколько предпочтительней, поскольку одним вентилятором
может "продуваться" довольно длинный радиатор, при расположении на одном радиаторе транзисторов
n-p-n структуры, а на другом - p-n-p можно обойтись без электроизолирующих прокладок, что уменьшит тепловое
сопротивление между корпусом транзистора и радиатором. Разумеется радиаторы будет необходимо изолировать
от корпуса и этот способ приемлем для усилителей в качестве выходного каскада которых используются эмиттерные
повторители (ЛАНЗАР , ,
ХОЛТОН)
Кстати сказать - используемые в компьтерах радиаторы для процессоров расчитаны на
принудительное охлаждение и не смотря на то, что имеют достаточно большие площади охлаждения использование
без вентиляторов не желательно. Дело в том, что расстояние между ребрами радиатора ОЧЕНЬ мало и естественная
циркуляция воздуха затруднена в следствии чего теплоотдача падает практически в 2,5...3 раза. Используя
же вентилятор с током потребления 0,13А один радиатор от процессора P-IV вполне справляется с теплом от
двух установленных на него усилителях СТОНЕКОЛД с выходной
мощностью 140 Вт каждый.
Подводя итоги всего выше сказанного можно сделать выводы:
-при выборе радиатора следует обращать внимание
не только на площадь охлаждения, но и на толщину несущего основания;
-усилители мощности с двухуровневым питанием греются почти в 2
раза меньше усилителей класса АВ при одинаковых выходных мощностях;
-при недостатке площади охлаждения мощно использовать принудительное
охлаждение (вентиляторы) с регулируемой производительностью.
О ТРАНЗИСТОРАХ НА РАДИАТОРАХ
Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно
расчитана остается еще одна проблема - правильно установить транзисторы на радиатор.
Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов
или микросхем - там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской.
В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по
мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо
еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.
В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки
для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок
показаны на рисунках.
Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности
радиатора в местах удаления "не нужных ребер", "черновой" шлифовки.
Во время обработки радиатор обязательно
закрепить в тисках подходящего размера
.
Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для "чистовой" шлифовки, причем использование отрезной
машины не желательно - аллюминий "залипает" в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень
сложно - можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка
не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой - работа
будет в радость.
При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и "лишние" фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер - так его будет удобней держать в руке). Затем на обе "рабочие" строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую - мелкозернистая для "чистовой". Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше - она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на трапочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости - начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной "нулевки".
Рисунок 27 Радиатор от "древней" телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей
УМ7293
Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см - расчетная величина для суммарной мощности 150
Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.
Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки.
Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса
транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж н
нужен - внутри корпса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса
ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.
Выйти из положенияможно изготовиви такой крепеж самостоятельно, используюя обычные
винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но
найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра
не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или
СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.
Пока клей подсыхает необходимо сделать "кондуктор" - приспособление, которое
позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо
в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален,
но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол
по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на
глубину 1,2...1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы
не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).
Рисунок 28
Затем на винт одевается шайба и он закручивается в "кондуктор" до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст - КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.
Рисунок 29
Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.
Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся
в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить
и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно - при четырех парах оконечников надо
подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж
тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а
сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.
Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу
ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется
значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов
прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои
винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще.
Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.
Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется
для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить
сразу - ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная
высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3...0,8
мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине
корпуса.
Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:
- от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм
- от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм
- от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм
- от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.
Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить
транзисторы практически в любых корпусах.
Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются
у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить
в трое, при креплении корпусов ТО-247 - в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL - в пятеро. Текстолит
очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается
самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства.
После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают
в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель
защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.
Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию
путем увеличения отверлителя не стоит - клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот - уменьшают
время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет
сушильного шкафа.
Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные
в двое дополнительные полоски текстолита.
После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом
транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся
полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым
клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия
эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).
В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит,
то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал.
Рисунок 32
Небольшой технологический совет - не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла
и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания
самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала,
под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может
просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).
Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор "разнокаллиберных"
транзисторов" используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а
учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать
солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.
Остался еще один не решенный вопрос - мощность блока питания, но об этом
Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать
значительно реже....
Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ.
Есть такой параметр, как тепловое сопротивление. Он показывает, на сколько градусов нагревается объект, если в нем выделяется мощность 1 Вт. К сожалению, в справочниках по транзисторам такой параметр приводится редко. Например, для транзистора в корпусе ТО-5 тепловое сопротивление равно 220°С на 1 Вт. Это означает, что если в транзисторе выделяется 1 Вт мощности, то он нагреется на 220°С. Если допускать нагрев не более чем до 100°С, например, на 80°С относительно комнатной температуры, то получим, что на транзисторе должно выделяться не более 80/220 = 0,36 Вт. В дальнейшем будем считать допустимым нагрев транзистора или тиристора не более, чем на 80°С.
Существует грубая формула для расчета теплового сопротивления теплоотвода Q = 50/ VS °С/Вт, (1) где S — площадь поверхности теплоотвода, выраженная в квадратных сантиметрах. Отсюда площадь поверхности можно рассчитать по формуле S = 2.
Рассмотрим в качестве примера расчет теплового сопротивления конструкции, показанной на рисунке. Конструкция теплоотвода состоит из 5 алюминиевых пластин, собранных в пакет. Предположим, W=20 см, D=10 см, а высота (на рисунке не показана) 12 см, каждый «выступ» имеет площадь 10х12 = 120 см2, а с учетом обеих сторон 240 см2. Десять «выступов» имеют площадь 2400 см2, а пластина две стороны х 20 х 12 = 480 см2. Итого получаем S=2880 см2. По формуле (1) рассчитываем Q=0,93°С/Вт. При допустимом нагреве на 80°С получаем мощность рассеяния 80/0,93 = 90 Вт.
Теперь проведем обратный расчет.
Предположим, нужен блок питания с выходным напряжением 12 В и током 10 А. После выпрямителя имеем 17 В, следовательно, падение напряжения на транзисторе составляет 5 В, а значит, мощность на нем 50 Вт. При допустимом нагреве на 80°С получим требуемое тепловое сопротивление Q=80/50=1,6°C/Вт. Тогда по формуле (2) определим S= 1000 cм2.
Литература
Конструктор № 4/2000
- Похожие статьи
Войти с помощью:
Случайные статьи
- 20.09.2014
Общие сведения об электропроводках Электропроводкой называется совокупность проводов и кабелей с относящимися к ним креплениями, поддерживающими и защитными конструкциями. Скрытая электропроводка имеет ряд преимуществ перед открытой: она более безопасна и долговечна, защищена от механических повреждений, гигиенична, не загромождает стен и потолков. Но она дороже, и ее труднее заменить при необходимости. …
- 27.09.2014
На основе К174УН7 можно собрать не сложный генератор с 3 под диапазонами: 20…200, 200…2000 и 2000…20000Гц. ПОС определяет частоту генерируемых колебаний, она построена на элементах R1-R4 и С1-С6. Цепь отрицательной ОС уменьшающая нелинейные искажения сигнала и стабилизирующая его амплитуду образована резистором R6 и лампой накаливания Н1. При указных номиналах схемы …
Нередко, проектируя мощное устройство на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, а иногда и десятками ватт.
К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало. Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.
Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод - радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.
Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.
Андрей Повный
10.1. Назначение радиаторов - отводить тепло от полупроводниковых приборов, что позволяет снизить температуру p-n-переходов и тем самым уменьшить ее влияние на рабочие параметры приборов. Применяют пластинчатые, ребристые и штыревые радиаторы, Для улучшения теплоотвода полу проводниковый при бор лучше всего крепить непосредственно к радиатору Если необходима электрическая изоляция прибора от шасси, радиатор крепят на шасси через изолирующие прокладки. Теплоизлучающая способность радиатора зависит от степени черноты материала (или его поверхности), из которого изготовлен радиатор:
Чем больше степень черноты, тем теплоотвод будет эффективнее.
10.2. Штыревой радиатор
-весьма эффективный теплоотвод для полупроводниковых приборов. Для изготовления его требуется листовой дюралюминий толщиной 4-6 мм и алюминиевая проволока диаметром 3-5 мм.
На поверхности предварительно обработанной пластины радиатора намечают кернером места отверстий под штыри, выводы транзисторов (или диодов) и крепежные винты. Расстояние между центрами отверстий (шаг) под штыри в ряду и между рядами должно быть равно 2- 2,5 диаметра применяемой алюминиевой проволоки. Диаметр отверстий выбирают с таким расчетом, чтобы проволока входила в них с возможно меньшим зазором. С обратной стороны отверстия зенкуют на глубину 1- 1,5мм.
Из стального стержня длиной 80-100 и диаметром В-10 мм изготовляют оправку, для чего в торце стержня сверлят отверстие диаметром, на 0,1 мм большим диаметра проволоки. Глубина отверстия должна быть равна высоте будущих штырей радиатора.
Рис. 10.1. Обжимка для штырей радиатора
Затем нарезают требуемое число заготовок штырей. Для этого кусок проволоки вставляют в отверстие оправки и откусывают кусачками так, чтобы длина выступающего из оправки конца была на 1-1,5 мм больше толщины пластины. Оправку зажимают в тиски отверстием вверх, в отверстие вводят заготовку штыря, на выступающий конец которого надевают пластину лицевой стороной и расклепывают его легкими ударами молотка, стараясь заполнить зенкованное углубление. Таким образом устанавливают все штыри.
Штыревой радиатор можно также изготовить, используя несколько иной способ установки штырей в отверстиях пластины основания. Изготовляют стальную обжимку, чертеж которой для штырей диаметром 3 и длиной до 45мм приведен на рис. 10.1. Рабочую часть обжимки следует закалить. Штырь вставляют в отверстие основания радиатора, кладут основание на наковальню, сверху на штырь надевают обжимку и ударяют по ней молотком. Вокруг штыря образуется кольцевая канавка, а сам он оказывается плотно посаженным в отверстии.
Если необходимо изготовить двусторонний радиатор, то потребуется две такие обжимки: в одну из них, установленную на наковальне отверстием вверх, вставляют штырь, нанизывают основание радиатора, а сверху надевают вторую обжимку. Ударом молотка по верхней обжимке фиксируют штырь сразу с двух сторон. Этим способом можно изготовлять радиаторы как из алюминиевых, так и из медных сплавов. И, наконец, штыри можно установить с помощью пайки. Для этого берут в качестве материала медную или латунную проволоку диаметром 2-4 мм. Один конец штыря лудят на длину, большую толщины пластины на 1-2 мм. Диаметр отверстий в пластине должен быть таким, чтобы облуженные штыри входили в них без особого усилия.
В отверстия основания вводят жидкий флюс (табл. 9.2), вставляют штыри и мощным паяльником паяют каждый из них. По окончании работы радиатор промывают ацетоном.
Рис. 10.2. Радиатор для мощного транзистора
10.3. Радиатор из листовой меди толщиной 1-2мм можно изготовить для мощных транзисторов типа П210, КТ903 и других в подобных корпусах. Для этого вырезают из меди круг диаметром 60 мм, в центре заготовки размечают отверстия для крепления транзистора и его выводов. Затем в радиальном направлении надрезают круг ножницами для металла на 20 мм, разделив по окружности на 12 частей. После установки транзистора каждый сектор разворачивают на 90° и отгибают кверху.
10.4. Радиатор для мощных транзисторов типа КТ903, KT908 и других в подобных корпусах можно изготовить из алюминиевого листа толщиной 2мм (рис. 10.2). Указанные размеры радиатора обеспечивают площадь излучающей поверхности, достаточную для рассеяния мощности на транзисторе до 16 Вт.
Рис. 10.3. Радиатор для маломощного транзистора: а-развертка; б- общий вид
10.5. Радиатор для маломощных транзисторов можно изготовить из листовой красной меди или латуни толщиной 0,5 мм в соответствии с чертежами на рис. 10.3. После выполнения всех прорезей развертку сворачивают в трубку, используя оправку соответствующего диаметра. Затем заготовку плотно надевают па корпус транзистора и прижимают пружинящим кольцом, предварительно отогнув боковые крепежные ушки. Кольцо изготовляют из стальной проволоки диаметром 0,5-1 мм. Вместо кольца можно использовать бандаж из медной проволоки. Затем загибают вниз боковые ушки, отгибают наружу на нужный угол надрезанные "перья" заготовки - и радиатор готов.
10.6. Радиатор для транзисторов серии КТ315, КТ361 можно изготовить из полоски меди, алюминия или жести шириной на 2-3 мм больше ширины корпуса транзистора (рис. 10.4). Транзистор вклеивают в радиатор эпоксидным или другим клеем с хорошей теплопроводностью. Для лучшего теплового контакта корпуса транзистора с радиатором необходимо снять с корпуса лакокрасочное покрытие в местах контакта, а установку в радиатор и склеивание выполнить с минимальным возможным зазором. Устанавливают транзистор с радиатором на плату, как и обычно, при этом нижние кромки радиатора должны упираться в плату. Если ширина полоски 7 мм, а высота радиатора (из луженой жести толщиной 0,35 мм) - 22 мм, то при мощности рассеяния 500 мВт температура радиатора в месте приклеивания транзистора не превышает 55 °С.
10.7. Радиатор из "хрупкого" металла, например из листового дюралюминия, выполняют в виде набора пластин (рис. 10.5). При изготовлении прокладок и пластин радиатора необходимо следить, чтобы на кромках отверстий и на краях пластин не было заусенцев. Соприкасавшиеся поверхности прокладок и пластин тщательно [шлифуют на мелкозернистой наждачной бумаге, положив ее на ровное стекло. Если не требуется изолировать корпус транзистора от корпуса прибора, то радиатор можно крепить на стенке корпуса прибора или на внутренней перегородке без изолирующих прокладок, что обеспечивает более эффективную теплоотдачу.
10.8. Крепление диодов типа Д226 на радиаторе или на теплоотводящей пластине. Диоды крепят с помощью фланца. Катодный вывод откусывают у самого основания и тщательно зачищают донышко на мелкозернистой шкурке до получения чистой ровной поверхности. Если необходимо катодный вывод оставить, то в радиаторе сверлят отверстие под вывод, ацетоном с донышка снимают лак и аккуратно опиливают бортик (ободок) диода заподлицо с донышком для лучшего теплового контакта диода с радиатором.
10.9. Улучшение теплового контакта
между транзистором и радиатором позволит обеспечить большую мощность рассеяния на транзисторе.
Иногда, особенно при использовании литых радиаторов, удалить раковины и другие изъяны поверхности в месте теплового контакта (для его улучшения) бывает затруднительно, а порой и невозможно. В этом случае поможет свинцовая прокладка. Пластину свинца аккуратно раскатывают или расплющивают между двумя гладкими плоскими брусками до толщины примерно 10,5 мм и вырезают прокладку необходимых размеров и формы. Мелкозернистой шкуркой зачищают обе ее стороны, устанавливают под транзистор и туго сжимают узел винтами. Прокладка не должна быть толще 1 мм, так как теплопроводность свинца невысока.
10.10. Чернение алюминиевых радиаторов.
Для повышения эффективности теплоотдачи радиатора его поверхность обычно делают матовой и темной. Доступный способ чернения-обработка радиатора в водном растворе хлорного железа.
Для приготовления раствора требуется равное по объему количество порошка хлорного железа и воды. Радиатор очищают от пыли, грязи, тщательно обезжиривают бензином или ацетоном и погружают в раствор. Выдерживают в растворе 5-10 мин. Цвет радиатора получается темно-серым. Обработку необходимо производить в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе.
ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
10.11.
Тепловой режим маломощных транзисторов можно облегчить, надев на металлический корпус транзистора тор ("баранку") - спираль, свитую из медной, латунной или бронзовой проволоки диаметром 0,5-1,0 мм.
10.12.
Хорошим радиатором может быть металлический корпус устройства или его внутренние перегородки.
10.13.
Ровность контактной площадки радиатора проверяют, смазав основание транзистора какой-либо краской и приложив его к поверхности контактной площадки. Выступающие участки контакт. ной площадки радиатора окрасятся.
10.14.
Для обеспечения хорошего теплового контакта можно поверхность транзистора, прилегающую к радиатору, смазать невысыхающей смазкой, например силиконовой. Это позволит снизить тепловое сопротивление контакта в полтора-два раза.
10.15.
Для улучшения условий охлаждения радиатор нужно располагать так, чтобы не создавать помех конвекционным потокам воздуха: ребра радиатора-вертикально, а сторона, на которой расположен транзистор, должна быть сбоку, а не снизу или сверху.
