Охлаждане на електронна апаратура

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2005

Стефан Куцаров

Отделянето на топлина при работата на електронните устройства винаги е имало важно значение за конструкцията и сигурната им работа. Така например увеличаване на работната температура на един полупроводников прибор с 10°С намалява експлоатационния му срок наполовина. Използваните средства за охлаждане увеличават размерите, теглото и цената на устройствата и често имат съществено влияние върху пазарния им успех. Поради това на всички етапи от създаването на едно изделие – от подбора на елементите до окончателното му оформление конструкторите обръщат сериозно внимание на отделяната топлина, нейното пространствено разпределение и отвеждането й.

Основни величини

Предаването на топлинна мощност между две тела е възможно само при разлика в температурите им и за оценяването му се използват три основни величини. Топлинната пропускаемост (Thermal Conductivity) k характеризира свойството на материалите да провеждат топлина. Тя представлява топлинната мощност във W, предавана между две срещуположни страни на материал с дебелина 1 m и определяща разлика 1 К = 1 °С в температурите им. Измерението й е W/(mK), като mK е метър ґ келвин. Например алуминият има k = 205 W/(mK), медта - 380, среброто - 406, диамантът - между 1000 и 2600, всички газове - под 0,1, пластмасите - около 5 и Al2O3 - 35. В някои по-стари справочници се използва мерната единица ((cal/h)/m)/°C, чието превръщане във W/(mK) става чрез умножаване с 0,001162.

Топлинната проводимост (Thermal Conductance) Gth е аналогична, но се отнася за тела, а не за материали. Представлява отношението kА/d, където А е площта на двете страни на тялото, между които се предава топлинната мощност, а d е разстоянието между тях, т.е. дебелината на тялото. Има измерение W/K = W/°C. Много по-често от Gth се използва нейната реципрочна стойност Rq = d/(kA), наречена топлинно съпротивление (Thermal Resistance) с други означения Rth, qth и q и измерение K/W = °C/W. То представлява съпротивлението между две изотермични (с еднаква температура на всички точки) повърхности на едно тяло и е равно на разликата на температурите им DT при пренасяне на топлинна мощност 1 W между тях. Когато топлинната мощност е Q[W], разликата в температурите е DT = RqQ. Топлинното съпротивление е обратно пропорционално на площта, през която се предава топлината, което е в основата на принципа на работа на радиаторите – увеличаването на площта води до по-малка разлика в температурите. Това означава приближаване на температурата на нагряващата страна на тялото към тази на охлаждащата, т.е. по-добро охлаждане.

В електронните прибори, модули и апаратури Q е равна на изразходваната в тях електрическа мощност Р, която се превръща в топлина и ги нагрява до температура Т1. В най-простия случай (фиг. 1а) топлината се предава на друго тяло (например от корпуса на полупроводников прибор на неговия радиатор или от апаратура на околния въздух) с температура Т2<Т1. Топлинното съпротивление на средата между двете тела е Rq = (Т1–T2)/P, което представлява основната зависимост, използвана при охлаждането. При това се приема, че точките на всяко тяло са нагрети до една и съща температура, т.е. топлинните съпротивления на самите тела са 0. Когато Т2 е околната температура TA, то максималната температура T1max на дадено тяло се достига при отделяне върху него на мощност Pmax = (T1max – TA)/Rq. Два са практическите изводи от този израз:

  • с увеличаване на околната температура стойността на Pmax намалява;
  • за увеличаване на Pmax трябва да се намалява Rq.

Когато предаването на топлината е през няколко последователно свързани тела, за топлинното съпротивление на средата между всяка двойка е в сила основната зависимост, а общото съпротивление между двете крайни тела е сумата от топлинните съпротивления на средите. За случая на фиг.1б това означава Rq1 = (T1–T2)/P, Rq2 = (T2–T3)/P и Rq = Rq1+Rq2 = (T1–T3)/P. В други случаи топлината се разпространява през успоредно свързани среди (фиг.1в), например полупроводниковата пластинка в една интегрална схема (ИС) разсейва част от отделената върху нея топлина през корпуса, а другата – през изводите. Друг пример е наличието на отвори в кутията на апаратура – част от топлината преминава през стените на кутията (едната среда), а друга – през отворите (други среди). Общото топлинно съпротивление на успоредно свързани среди се определя като това на успоредно свързани електрически съпротивления. Аналогично на електрическия шунт се използват топлинният шунт (Thermal Bridge), който представлява среда, свързана успоредно на друга и имаща много по-малко Rq. При достатъчно малко съпротивление на шунта практически цялата топлина преминава през него. Вместо Rq може да се използва параметърът топлинен импеданс Zq или Zth, като връзката му с Rq е Zq = Rq/A. Той представлява топлинното съпротивление на материал с площ 1 m2 и има основно измерение m2K/W или сm2-°C/W (използват се и означенията K-m2/W и °C-cm2/W). Предпочита се cm2-°C/W, което дава 104 пъти по-голяма стойност на Zq. Американските фирми използват in2-°C/W, като връзката е 1 in2-°C/W=6,45 cm2-°C/W.

Значително улеснение при използването на топлинните съпротивления е аналогията им с електрическите – на протичащия ток съответства предаваната топлинна мощност, а на напрежението – разликата в температурите. При рязка промяна на мощността температурата на тялото се изменя плавно по експоненциален закон (фиг. 2а) и е необходимо определено време Dt за достигане на съответстващата й нова стойност. Когато времетраенето ti на новата мощност е под Dt, промяната на температурата на тялото е по-малка от Т2–Т1, което означава намаляване на топлинното съпротивление от Rq на Rqt. Това действие е особено характерно за полупроводниковите прибори в импулсен режим, поради което в някои каталози се дава в графичен вид зависимостта Rqt(ti) за различни стойности на коефициента на запълване d=ti/T (фиг. 2б). Често по ординатата се нанася отношението Rq/Rqt, наричано Transient Thermal Impedance.

Начини на охлаждане

Първият начин използва топлопроводността на телата и се осъществява чрез предаването на топлината през неподвижна материална среда, например от нагрято тяло към свързания към него радиатор. Вторият метод използва конвекцията, която представлява предаване на топлина от нагрято тяло на движещ се газ или течност с по-ниска температура. При естествената конвекция се използва издигането на нагретия въздух и за ефикасното й използване има няколко основни правила: наличие на отвори отдолу и отгоре на охлажданите устройства; вертикално монтиране на печатните платки, отделящи значителна топлина; поставяне на устройствата с най-малки габарити и отделящите най-много топлина най-отгоре. Принудителната конвек




ЕКСКЛУЗИВНО

Top