Comment calculer la résistance thermique d'un stock plat d'aluminium

Il est courant que de nombreux circuits d'alimentation se boulonnent sur un morceau de stock plat en aluminium. Quelle doit être la taille du stock?

Disons que je monte un tip122. Le pire des cas est qu'il ait une chute de 24 V à 3 A et un rapport cyclique de 50%. Il dissipe donc 36W.

En regardant la fiche technique, à 35W, la température maximale du boîtier est ~ 80C. Supposons une température ambiante de 25 degrés.

Chute de température = 35W * Tr = 55 delta ou 1,57C / W pour la plaque.

Alors, de quelle superficie ai-je besoin pour y parvenir?

L'ai-je approché correctement?

Vous pouvez utiliser cette calculatrice pour exécuter des nombres pour une plaque plate (votre conception devrait avoir des ailettes). Attention, vous avez un nombre limité d'essais et cela nécessite un paramètre de vitesse de l'air. Branchez la température de votre cas souhaitée à partir des courbes de déclassement, que j'examinerai plus loin.

Êtes-vous coincé avec le TIP122? Que diriez-vous du package TO-220? Le TIP122 et le TO-220 sont uniquement conçus pour des applications de puissance moyenne. Ce type d'application serait mieux servi par un transistor haute puissance et un boîtier métallique.

La différence entre un transistor haute puissance, puissance moyenne ou petit signal n'est pas seulement dans leurs boîtiers, c'est aussi dans la construction de l'appareil. Le tableau des cotes maximales pour la fiche technique [TIP122] montrent qu'il a une dissipation maximale de puissance du collecteur Pc de 2W dans l'air à 25 ° C, ou 65W avec Tc = 25 ° C. La deuxième statistique suppose que vous pourriez avoir un dissipateur de chaleur infini, connecté avec le composé de dissipateur de chaleur ultime à l'onglet (techniquement le cas, mais l'onglet est tout ce qui compte) sur le TO-220, de sorte que l'onglet du dissipateur de chaleur soit à 25 ° C. Même dans ce cas, la jonction du transistor, qui vous préoccupe, dépassera 150 ° C. Il y a une résistance thermique entre la jonction et la languette. (Sidenote: je serais d'accord avec jluciani - j'aime mon silicium 125 ° C ou refroidisseur). (Sidenote 2: les dissipateurs métalliques sur les BJT sont généralement connectés au collecteur, vous aurez donc une source 3A connectée au boîtier, à une tension supérieure à l'émetteur / à la terre, et vous ne voudrez pas que ce soit quelque part qu'il puisse court-circuiter en dehors.)

Jetez un œil aux courbes de déclassement (Figure 5 dans la fiche technique TIP122):

Si vous devez dissiper 72W, vous ne pouvez tout simplement pas le faire. Si vous avez besoin de 36 W, vous devrez garder votre dissipateur de chaleur à moins de 50 ° C au-dessus de la température ambiante (25 ° C. C'est ce gradient de température de 50 degrés qui vous donne une dissipation de puissance). Comparez cette courbe à un transistor haute puissance tel que le MJ11022 [fiche technique] :

Votre dissipateur thermique peut désormais présenter un risque de brûlure bien avant que le transistor ne soit endommagé. 72 W correspond à près de 100 ° C au-dessus de la température ambiante et 36 W à une température de fonctionnement absolue de près de 150 ° C. Méfiez-vous du cyclage thermique si vous voulez le faire fonctionner très chaud.

Je vous suggère fortement d'utiliser un transistor TO-3 ou TO-204 haute puissance au lieu de votre TIP122.

Vous aurez probablement besoin d'une très grande plaque ou d'une bonne quantité d'air en mouvement.

Quelle est la ponctualité du TIP122? Si le temps d'activation est supérieur à 100 ms, vous dissipez 72 W et non 36 W. Vous devez regarder les courbes de réponse thermique transitoires pour déterminer le déclassement.

Vous devez permettre une certaine résistance thermique pour l'interface entre le boîtier du transistor et le puits (ou la plaque).

En supposant que votre ponctualité est inférieure à 1 ms, vous dissipez 36 W. En regardant la fiche technique On-Semi -

Rjc = 1,92 degC / W max. Température de jonction maximale absolue = 150degC (je ne dépasserais pas 125degC)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36

Rsa = 1.05degC / W (ce qui correspond à votre calcul lorsque vous soustrayez Rcs)

Si vous regardez les fiches techniques des fournisseurs de dissipateurs thermiques, vous pouvez vous faire une idée des tailles. Commander http://www.aavidthermalloy.com/

Pour calculer la dissipation de puissance ou les changements de Rθjc ou Rθja dans un environnement dynamique (c'est-à-dire un courant d'impulsion), ce n'est pas un processus aussi simple. Vous devez voir la courbe dite de «réponse thermique typique» fournie par le fabricant. À partir de cette courbe, vous pouvez obtenir la «Résistance thermique transitoire» (normalisée ou réelle Ζθ). Quoi qu'il en soit, je ne peux pas faire les calculs détaillés pour le moment. En gros, dans un environnement de 35oC, si vous voulez dissiper 35W d'un boîtier TO-3 et maintenir la température du radiateur à environ 55oC en utilisant un refroidissement naturel, vous avez besoin d'une plaque en aluminium gris, de 3 mm d'épaisseur, avec un bord de 16 cm (c.-à-d. 210 gr). Cette plaque doit être libre de rayonner des deux côtés en position verticale, avec le raccord serré monté au centre de la plaque. N'oubliez pas d'inclure dans vos calculs la perte thermique causée par le contact de deux métaux. En pratique, le 35W est proche de la puissance maximale que vous pouvez dissiper en utilisant des plaques métalliques et un refroidissement naturel (c'est-à-dire une plaque métallique Al 400 cm2, 5 mm d'épaisseur, 0,5 kg, en disposition verticale un côté libre ou 50 W des deux côtés). Au-dessus de ces pouvoirs, vous devez utiliser un dissipateur thermique à ailettes (naturel ou forcé), ce qui n'est pas difficile à calculer et à construire

C'est ma voie pour la conception thermique. Ne comprenez jamais le concept de résistance thermique. C'est plein d'hypothèses !! Quoi qu'il en soit, si vous souhaitez effectuer vos calculs en utilisant la résistance thermique, il est nécessaire d'avoir des mesures de la température réelle du boîtier en fonction du temps à pleine charge ou à demi-charge.

Je sais que c'est un vieux fil, mais je l'ai découvert en recherchant ce sujet et je voulais corriger / ajouter quelques choses. La formule pour trouver la résistance thermique requise du dissipateur thermique donnée par jluciani est fondamentalement correcte mais il manque un terme pour la température ambiante (Ta). L'équation doit être:

Tj = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd + Ta

Où Tj est la température cible maximale de la jonction. J'utiliserai 125 degC comme température maximale de la jonction pour permettre une marge de sécurité dans le cas où la température ambiante dépasse les 25 degC standard. Cela donne:

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36 +25

Rsa = (125-25) / 36 - 1,92 - 0,5 = 0,3577 degC / W

La prochaine partie pour trouver la taille de la plaque d'aluminium nécessaire pour atteindre cette faible résistance thermique est beaucoup plus compliquée, mais ce blog https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -facile-facile-avec-une-équation / donne une règle empirique très simple donnée par:

Aire = (50 / Rsa) ^ 2 cm2

Malheureusement, cette formule s'applique aux dissipateurs de chaleur passifs avec ailettes et je crois que l'auteur a fait une faute de frappe et signifiait zone = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Les nageoires font une grande différence. Après avoir regardé les résultats de cette calculatrice en ligne https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html et les fiches techniques d'une gamme de fabricants de chaleur passive, j'ai fait un peu de l'ajustement de courbe et est venu avec cette formule de parc de balle plus complète:

Aire = (20 * 1 / (1 + débit) * 1 / (0,25 + h) * 1 / Rsa) ^ 2 cm2

Où le flux est tout flux provenant d'un ventilateur de refroidissement en cfm et h est la hauteur de toutes les ailettes.

Pour la situation dans l'OP, il n'y a pas de refroidissement forcé, donc débit = 0 et il n'y a pas d'ailettes, donc h = 0 et la formule se simplifie pour:

Aire = (80 / Rsa) ^ 2

Étant donné que nous avons besoin d'une résistance thermique <= 0,3577, la taille de la plaque requise pour refroidir le transistor dans l'OP est:

Aire = (80 / 0,3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

C'est probablement trop grand pour être pratique.

Comme l'a souligné Kevin Vermeer, ce transistor particulier dans ce service n'est pas vraiment adapté au refroidissement passif. Cependant, une diminution spectaculaire de la taille du dissipateur de chaleur peut être obtenue en ajoutant des ailettes et un ventilateur de refroidissement assez modeste, comme le montre le tableau au bas de ce lien https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -dissipateur de chaleur adapté / # _

En restant avec une plaque plate et en ajoutant un assez bon ventilateur de refroidissement PC de 100cfm, la taille de la plaque pourrait être réduite à:

Aire = (80 / (0,3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

L'aluminium extrudé peut être acheté en longues bandes avec ailettes et en utilisant une telle plaque à ailettes avec des ailettes de 3 cm et aucun ventilateur de refroidissement ne nécessiterait une taille de dissipateur thermique de:

Aire = (20 * 1 / (0,25 + 3) * 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Enfin, la combinaison du refroidissement forcé de 100cfm et d'ailettes de 3 cm donne:

Aire = (17,2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Remarques:

Les chutes de pression et la proximité d'autres composants chauds dans l'armoire peuvent réduire l'efficacité.

La pénétration de poussière peut isoler les dissipateurs de chaleur et entraîner le ralentissement et la défaillance des ventilateurs de refroidissement au fil du temps.

Dissipateurs de chaleur beaucoup plus grands que la zone de contact du composant, ils refroidissent l'efficacité lâche en raison de la distance que la chaleur a dû parcourir pour se propager aux extrémités du dissipateur de chaleur

Suivez les directives habituelles pour assurer un bon contact avec le composant à refroidir en utilisant une fine couche d'un composé de transfert de chaleur approprié entre les surfaces de contact.

Les résultats de cette formule pour les dissipateurs de chaleur extrêmement petits ou grands doivent être traités avec suspicion. Par exemple, dans le dernier résultat, le rayon du ventilateur de refroidissement est beaucoup plus grand que le dissipateur thermique et donc la majeure partie du flux d'air ne circulerait pas à proximité des ailettes et le résultat est donc suspect. Sinon, c'est une assez bonne approximation.

Il est probablement préférable d'ajouter 25 degrés à ce que vous pensez de la température de l'air ambiant et de déduire une marge de sécurité de 25 degrés de la température cible maximale du composant lors de l'exécution des calculs, juste pour être sûr.

N'utilisez pas cette formule pour concevoir le refroidissement d'une centrale nucléaire.

Il y a un excellent article de blog sur http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ qui fournit une explication détaillée des calculs nécessaires pour dimensionner une plaque plate à utiliser comme dissipateur thermique. Ils fournissent également la feuille de calcul avec les calculs, mais vous devrez fournir votre adresse e-mail pour obtenir le lien de téléchargement.