Praca każdego urządzenia elektrycznego oraz układy elektronicznego generuje sporo ciepła. Im więcej mocy wytwarzane jest w układzie, tym większej ilości ciepła możemy się spodziewać. Ciepło to koniecznie musi być odprowadzone na zewnątrz układu. W przeciwnym wypadku nadmiar ciepła może doprowadzić do znacznych strat energii i zwiększenia rezystancji w elementach półprzewodnikowych. Zbyt duże ciepło znacząco przyśpiesza również degradację izolacji i innych elementów układów elektronicznych, a w skrajnym przypadku może prowadzić do trwałego mechanicznego uszkodzenia elementów układów elektronicznych.
Dobór radiatorów i ich kluczowe parametry
Radiatory dobierane są na podstawie dokładnej weryfikacji warunków chłodzenia, specyfiki układów elektronicznych oraz ich potencjału w generowaniu nadmiaru ciepła. Choć praktyka ta jest coraz rzadsza, to zdarza się, że producenci nie zapewniają w kartach produktowych informacji o parametrach radiatorów. Jeżeli taka sytuacja ma miejsce, nie ma podstaw do paniki, bowiem parametry te bez problemu można samodzielnie obliczyć.
Jakie są kluczowe parametry radiatorów oraz jak je obliczyć? Proces obliczania parametrów radiatora składa się z trzech etapów. Najpierw należy obliczyć moc strat cieplnych, następnie dobrać na ich podstawie rezystancję termiczną radiatora, a w ostatnim etapie dopasować wymiary i kształt radiatora do warunków chłodzenia.
Moc strat cieplnych
Każdy element elektryczny, przez który przepływa prąd, generuje moc w postaci ciepła. Generowanie i promieniowanie ciepła w tym elemencie to nic innego, jak straty cieplne. Moc strat cieplnych jest iloczynem napięcia i natężenia prądu na danym elemencie w chwili przepływu przez niego energii elektrycznej.
Aby określić moc strat cieplnych, konieczne jest zmierzenie wartości prądu i napięcia na elemencie. Należy jednak pamiętać, że w przypadku prądu AC konieczne jest zastosowanie mierników wartości skutecznej (True RMS). Z kolei w przypadku pracy impulsowej należy pamiętać, aby uwzględnić także straty przełączania oraz wartość napięcia nasycenia.
Rezystancja termiczna
Kolejnym parametrem, który należy obliczyć podczas doboru radiatora, jest rezystancja termiczna. Ciepło generowane w ramach strat cieplnych wydzielane na elementach układów elektronicznych musi być odprowadzone na zewnątrz układu. Efektywność transportu tego ciepła jest determinowana przez termiczne prawo Ohma.
Standardowo zwykły tranzystor małej mocy bez radiatora zapewnia rezystancję termiczną na poziomie ok. 80-90 K/W. Przy bezpośredniemu połączeniu z takim tranzystorem radiatora pozwoli uzyskać rezystancję Rthcr na poziomie 0,8-2 K/W. Dodatkowe użycie pasty termoaktywnej pozwoli zmniejszyć rezystancję termiczną do poziomu nawet 0,1-0,3 K/W.
Obniżenie rezystancji termicznej poprzez zastosowanie radiatora uzależnione jest nie tylko przez sposób jego połączenia z elementem układu elektronicznego, ale przede wszystkim determinowane jest przez rodzaj materiału radiatora, jego konstrukcję oraz powierzchnię żeberek.
