En uno de mis proyectos actuales, estoy usando un MC7805 en un paquete D2PAK para generar mi suministro lógico de 5 V a partir de un suministro de 24 V CC disponible. La corriente requerida por el circuito es de 250 mA. Esto da como resultado una potencia disipada del MC7805 de:

$P=(24\ V-5\ V)*230\ mA=4.37\ W$

La PCB debe ensamblarse en una pequeña carcasa de plástico con el MC7805 dentro. El arreglo es así:

Entonces los disipadores de calor como, por ejemplo, estos no son posibles. Además, la carcasa en sí tiene un volumen bastante pequeño y se calienta.

Mi primer intento de resolver este problema térmico fue agregar vías a la almohadilla y hacer una almohadilla expuesta en el otro lado de la PCB. De esta manera quiero disipar el calor en el exterior de la vivienda. Aparentemente, esto no fue lo suficientemente bueno, ya que la protección contra sobrecarga térmica del MC7805 se activó después de aproximadamente un minuto.

Así que agregué un pequeño disipador de calor a la almohadilla expuesta en la parte posterior de la PCB y ahora parece estar funcionando (¡el disipador de calor todavía se está calentando bastante!).

Además de mi enfoque de prueba y error, me gustaría entender un poco mejor este diseño térmico y optimizarlo (por ahora no puedo decir cuál sería la temperatura de la unión y, por lo tanto, no sé qué tan confiable sería )

Ya leí un par de otras preguntas , pero hasta ahora todavía no estoy completamente claro (incluso pensando en la potencia como corriente, la temperatura como voltaje y las resistencias como resistencia térmica, el diseño térmico siempre me ha desconcertado ...) _

Entonces, con respecto a este diseño, tendría un par de preguntas:

• Al usar vías, el revestimiento de la vía está conduciendo el calor, mientras que el aire en el orificio de la vía está más o menos aislado. Entonces, si no está lleno de soldadura, desea maximizar el área de cobre de las vías para minimizar la resistencia térmica de la capa de arriba a abajo. Mientras mantenía abierta la máscara de parada de soldadura, las vías deberían cubrirse con pasta de soldadura y rellenarse mientras se volvía a soldar. Para minimizar la resistencia térmica entre las capas superior e inferior, supongo que sería mejor tener la mayor cantidad de área de 'agujero' posible. ¿Es correcta esta suposición?

• ¿Existe una forma "no increíblemente complicada" de calcular la resistencia térmica entre la unión y la almohadilla inferior?

• Si no, ¿puedo medir de alguna manera esta resistencia térmica (con un sensor de temperatura?

• Como la almohadilla superior y la carcasa D2PAK también disiparán algo de calor. ¿Puedo ( siguiendo la analogía de la resistencia ) ponerlos en paralelo? ¿Cómo sería la red de resistencia térmica para este sistema?

Me gustaría optimizar aún más este diseño térmico.

No puedo aumentar el tamaño de la carcasa y la PCB.

No puedo agregar un ventilador.

No puedo aumentar el tamaño de la almohadilla de la capa superior.

Ya he aumentado el tamaño de la almohadilla inferior al máximo posible de 20 mm x 20 mm (la imagen de arriba menciona ambas almohadillas como 15 mm x 15 mm.

• ¿Ves otras cosas que podría optimizar?

Ok, primero voy a tratar de dar una pequeña cartilla sobre ingeniería térmica, ya que dices que quieres manejarlo mejor. Parece que estás en ese punto donde entiendes los términos, has visto algunas de las matemáticas, pero una verdadera comprensión intuitiva aún no se ha desarrollado, que '¡Ah, ja!' El momento en que se apagó la bombilla aún no ha sucedido. ¡Es un punto muy frustrante! No te preocupes, lo conseguirás si sigues así.

La parte más importante sobre las cosas térmicas:

1. Es exactamente como la electricidad unidireccional. Entonces usemos la ley de ohm.

El flujo de calor es como el flujo de corriente, solo que no hay 'retorno', el calor siempre siempre fluye desde un potencial más alto a un potencial más bajo. El potencial es la energía térmica, en este caso. El poder es nuestra corriente. Y, convenientemente, la resistencia térmica es ... resistencia.

De lo contrario, es exactamente lo mismo. Los vatios son tus amplificadores, tu corriente. Y de hecho, esto tiene sentido, ya que más vatios significan más flujo de calor, ¿verdad? Y al igual que el voltaje, la temperatura aquí es relativa. No estamos hablando de la temperatura absoluta en ningún momento, sino solo de la diferencia de temperatura, o la diferencia de potencial, entre las cosas. Entonces, cuando decimos que hay, digamos, un potencial de temperatura de 10 ° C, eso simplemente significa que una cosa es 10 ° C más caliente que la otra de la que estamos hablando. La temperatura ambiente es nuestro "suelo". Por lo tanto, para traducir todo esto a temperaturas absolutas reales, simplemente agréguelo encima de la temperatura ambiente.

Cosas como su LM7805 que producen calor están perfectamente modeladas como fuentes de corriente constante. Debido a que la energía es corriente, y está actuando como un dispositivo de energía constante, generando constantemente 4.4W de calor, por lo que es como una fuente de corriente constante que genera 4.4A. Al igual que las fuentes de corriente constante, una fuente de energía constante aumentará la temperatura (como el voltaje de una fuente de corriente constante) tan alta como sea necesario para mantener la corriente / potencia. ¿Y qué determina la corriente que fluirá? ¡Resistencia termica!

1 ohmio realmente dice que necesitará 1 voltio de diferencia de potencial para impulsar 1A a través de él. Del mismo modo, mientras las unidades son funky (° C / W), la resistencia térmica dice lo mismo. 1 ° C / W es como un Ω. Necesitará 1 ° C de diferencia de temperatura para impulsar 1 vatio de "corriente" térmica a través de esa resistencia.

Mejor aún, cosas como caídas de voltaje, circuitos térmicos paralelos o en serie, todo es lo mismo. Si una resistencia térmica es solo una parte de una resistencia térmica total más grande a lo largo de su ruta térmica ('circuito'), entonces puede encontrar la 'caída de voltaje' (aumento de temperatura) en cualquier resistencia térmica exactamente de la misma manera que encontraría el caída de voltaje a través de una resistencia. Puede agregarlos para series, 1 / (1 / R1 .... 1 / Rn) tal como lo haría para resistencias paralelas. Todo funciona y sin excepción.

2. ¡Pero lleva tiempo que las cosas se calienten!

La ley de Ohm no es realmente una ley, sino que originalmente era un modelo emperical, y luego se dio cuenta de que era solo el límite de DC de la ley de Kirchoff. En otras palabras, la ley de ohm solo funciona para circuitos de estado estacionario. Esto también es cierto para las térmicas. Todo lo que escribí arriba solo es válido una vez que un sistema ha alcanzado el equilibrio. Eso significa que ha dejado que todo lo que está disipando energía (nuestras fuentes de energía 'actuales' constantes) lo haga por un tiempo y así todo ha alcanzado una temperatura fija, y solo al aumentar o disminuir la potencia cambiará la temperatura relativa de algo.

Esto generalmente no toma mucho tiempo, pero tampoco es instantáneo. Podemos ver esto con bastante claridad simplemente porque las cosas tardan en calentarse. Esto se puede modelar como capacitancia térmica. Básicamente, tomarán tiempo para 'cargarse', y verás una gran diferencia de temperatura entre un objeto caliente y uno frío, hasta que alcancen el equilibrio. Puede pensar en la mayoría de los objetos como al menos dos resistencias en serie (para un punto de contacto térmico y el otro. La parte superior e inferior de su almohadilla, por ejemplo) con un condensador en el medio. Esto no es particularmente relevante o útil en esta situación, donde todo lo que nos importa es el estado estacionario, pero pensé que lo mencionaría por completo.

3. Practicidades

Si estamos equiparando el calor con el flujo de corriente eléctrica, ¿dónde está fluyendo todo también? Está fluyendo hacia el medio ambiente. Para todos los efectos, generalmente podemos pensar en el medio ambiente como un disipador de calor gigante e infinito que mantendrá una temperatura fija sin importar cuántos vatios empujemos. Por supuesto, este no es el caso, las habitaciones pueden calentarse, una computadora ciertamente puede calentar una habitación. Pero en el caso de 5W, está bien.

La resistencia térmica de la unión a la carcasa, luego la carcasa a la almohadilla, la almohadilla a la almohadilla en el otro lado de la PCB, la almohadilla inferior al disipador de calor y, finalmente, el disipador de calor al aire, forman nuestro circuito térmico total y todas esas resistencias térmicas agregadas arriba es nuestra verdadera resistencia térmica. Esos gráficos que estás viendo, esos están mirando las resistencias de una sola pieza del sistema, NO el sistema total. De esos gráficos, pensarías que un cuadrado de cobre podría disipar un vatio y solo subir 50 ° C. Esto solo es cierto si la placa de circuito es mágica e infinitamente grande y nunca se calentará. La unión en cuestión será 50 ° más caliente que la placa de circuito, pero eso no es muy útil si ha calentado la placa de circuito a 200 ° C. Ha excedido la temperatura de funcionamiento de cualquier manera.

La desafortunada realidad es que la convección natural es bastante terrible para enfriar cosas. Los disipadores de calor tienen mucha superficie para aumentar el enfriamiento por convección, y a menudo están anodizados en negro para aumentar su enfriamiento radiativo (los objetos negros irradian la mayor cantidad de calor, mientras que los objetos brillantes / reflectantes no irradian casi nada. Al igual que una antena, ser bueno en la transmisión lo hace bueno al recibir, y es por eso que las cosas más oscuras a negras se calientan tanto al sol, y las cosas brillantes apenas se calientan en absoluto. Funciona en ambos sentidos). Pero encontrará que la mayoría de los disipadores tienen una resistencia térmica bastante alta para la convección natural. Revise la hoja de datos, a menudo las resistencias térmicas de los disipadores de calor son las mismas para un flujo mínimo de CFPM mínimo de aire sobre el disipador de calor. En otras palabras, cuando hay un ventilador que sopla aire. Convección natural será mucho peor rendimiento térmico.

Mantener las resistencias térmicas entre la unión y el disipador térmico es relativamente fácil. Las uniones de soldadura tienen una resistencia térmica insignificante (aunque la soldadura en sí no es un muy buen conductor de calor, al menos en comparación con el cobre), y el cobre es el segundo después de la plata (al menos entre los materiales normales, no exóticos. Diamante, grafeno, etc.) más térmicamente conductor pero tampoco disponible en Digikey). Incluso el sustrato de fibra de vidrio de una placa de circuito no es totalmente terrible para conducir el calor. No es bueno, pero tampoco es terrible.

La parte difícil es realmente disipar el calor al medio ambiente. Ese es siempre el punto de estrangulamiento. Y por qué la ingeniería es difícil. Personalmente, diseño convertidores DC / DC de alta potencia (entre otras cosas). La eficiencia deja de ser algo que deseas y se convierte en algo que NECESITAS. NECESITA% de eficiencia para hacer un convertidor CC / CC tan pequeño como sea necesario, ya que simplemente no podrá arrojar ningún calor residual adicional. En este punto, las resistencias térmicas de los componentes individuales no tienen sentido, y de todos modos están estrechamente acoplados en una losa de cobre. Todo el módulo se calentará hasta que alcance el equilibrio. Teóricamente, ningún componente individual tendrá suficiente resistencia térmica como para sobrecalentarse, pero toda la placa como objeto a granel puede calentarse hasta que se desolle si puede '

Y, como dije antes, la convección natural es realmente terrible para enfriar las cosas. También es principalmente una función del área de superficie. Por lo tanto, una placa de cobre y una placa de circuito con la misma área de circuito tendrán resistencias térmicas muy similares al medio ambiente. El cobre hará que el calor sea más uniforme, pero no podrá arrojar más vatios que la fibra de vidrio.

Se reduce a la superficie. Y los números no son buenos. 1 cm ^ c representa aproximadamente 1000 ° C / W de resistencia térmica. Por lo tanto, una placa de circuito relativamente grande de 100 mm x 50 mm tendrá 50 cuadrados, cada uno un centímetro cuadrado, y cada uno una resistencia térmica paralela de 1000 ° C / W. Por lo tanto, esta placa tiene una resistencia a la temperatura ambiente de 20 ° C / W. Entonces, en su caso de 4.4W, no importará lo que haga en el tablero, el tamaño de la almohadilla, las vías térmicas, nada de eso. 4.4W va a calentar esa placa a unos 88 ° C por encima de la temperatura ambiente. Y no hay forma de evitarlo.

Lo que hacen los disipadores de calor es doblar una gran cantidad de superficie en un volumen pequeño, por lo que usar uno reducirá la resistencia térmica general y todo se calentará menos. Pero todo se calentará. Un buen diseño térmico se trata tanto de dirigir hacia dónde fluye el calor como de eliminarlo de su widget.

Has hecho un trabajo bastante bueno con la configuración de tu disipador térmico y gabinete. Pero, estás preocupado por las cosas equivocadas. No hay una manera simple de calcular la resistencia térmica de la almohadilla a través de la pcb, pero solo toma alrededor del 17% del área de una almohadilla dedicada a las vías antes de que golpee con fuerza los rendimientos decrecientes. Por lo general, el uso de vías de 0.3 mm con un espacio de 1 mm y el relleno de la almohadilla térmica de esa manera le dará lo mejor que pueda. Simplemente haga eso, y no tendrá ninguna razón para preocuparse por el valor real. Te importa el sistema en su conjunto, no una unión.

Tuviste un problema en el que la resistencia térmica de la unión específicamente a la placa de circuito más grande y las superficies que arrojarían el calor al ambiente era demasiado alta, por lo que el componente se sobrecalentó. O bien el calor no pudo extenderse al resto de la superficie de disipación lo suficientemente rápido, o podría, pero no había suficiente superficie para disiparlo al ambiente lo suficientemente rápido. Ha abordado ambas posibilidades al proporcionar una ruta térmica de baja impedancia desde el LM7805 al disipador térmico, que a su vez proporciona más área de superficie y muchos lugares adicionales para que escape el calor.

El gabinete, la placa de circuito, etc., por supuesto, aún se calentará eventualmente. Al igual que la corriente eléctrica, sigue todos los caminos proporcionales a la resistencia. Al proporcionar menos resistencia total, el LM7805 como fuente de 'corriente' térmica no necesita calentarse tanto, y las otras rutas están dividiendo la potencia ('corriente') entre ellas, y la ruta de resistencia más baja (el disipador térmico) se proporcionará proporcionalmente más caliente Mantiene todo lo demás a una temperatura más baja al proporcionar una ruta térmica preferencial a través del disipador térmico. Pero todo lo demás seguirá ayudando, y seguirá calentando, en mayor o menor grado.

Por lo tanto, para responder a sus preguntas específicas: no es necesario medir la resistencia térmica de la unión a la almohadilla inferior, y saber que no es información útil. No va a cambiar nada, y de todos modos no puede mejorarlo más allá de lo que tiene.

No es aconsejable utilizar un regulador lineal donde se disipe tanta potencia. Su PCB será como un calentador. Esto significa que a partir de 5,52 vatios de potencia, solo 1,15 será una potencia útil que lo llevará a una eficiencia del 20.8 por ciento. Lo cual es terriblemente bajo.

¿Se puede aumentar la eficiencia? Sí, por supuesto. Si usó una fuente de 110 / 230VCA, podría reducir el voltaje con el transformador a uno más adecuado, luego convertirlo a 12 V CC y usarlo como entrada y luego podría usar 1.15 vatios desde 2.76 vatios, lo que le brinda un 41.7 por ciento de eficiencia. Ayuda a bajar el voltaje de entrada. Por supuesto, debe comprender el hecho de que no pueden ser muy eficaces en cuanto a energía incluso si se consideran reguladores de voltaje de baja caída (LDO). Se supone que deben hacer eso porque hay una caída de voltaje en las partes del regulador. Usaría el regulador solo cuando la pérdida de energía sea realmente baja y quisiera una solución rápida.

Como veo, esta sugerencia probablemente no sea una opción ya que ya tiene una fuente de 24VDC. Bueno, siempre sugeriría uno para usar reguladores de conmutación. Hay muchos de ellos proporcionados por muchos fabricantes: Linear Technology, Maxxim, TI, etc. La mayoría de ellos adjunta algunos esquemas que pueden ser una guía útil. Muchos de ellos funcionan sin más ajustes. Solo asegúrese de leer las hojas de datos correctamente y colocar los componentes como se supone que se colocarán y puede obtener una eficiencia del 90 por ciento o incluso más.

¿Ves otras cosas que podría optimizar?

Sin pensarlo demasiado, me vinieron a la mente unos 10 11 12 13.

1. Área de almohadilla térmica
2. Unión a la resistencia térmica de la caja
3. PCB delgada
4. Vias rellenas de cobre o plata
5. Epoxi térmico
6. MCPCB
7. Encapsulantes térmicos
8. Cobre desnudo
9. Aviones de disipador de calor
10. Emisividad del caso
11. Agujeros de ventilación
12. Orientación
13. Switcher
    

Parece que puede estar usando On Semi por el diagrama térmico que usó.
Al mirar la hoja de datos, ¿cuáles son las características más importantes a tener en cuenta?

Para este dispositivo hay dos.

Área de almohadilla térmica

En Semi's era más pequeño con un 73% del tamaño de STS.

STS pad     12.20 x 9.75 = 118.95
ON Semi pad 10.49 x 8.38 =  87.9062 

Unión a la resistencia térmica de la caja

STS tenía un 40% menos de unión de resistencia térmica a la almohadilla térmica que On-Semi.

On Semi 5 C°/W
STS     3 C°/W  40% Less 

PCB delgada

Conductividad térmica de la vía térmica doble o triple fácilmente.

Fórmula de conductividad térmica

d Distancia

Reduzca la PCB (distancia más pequeña) y aumente la conductividad térmica de las vías térmicas.

Espesor laminado: 0.003 "a 0.250"

Grosor actual de PCB 0.062

No cuesta nada reducir a 0.031 y duplica su conductividad térmica.

El material de PCB 370HR es similar al FR4 con mayor temperatura, pero está disponible en un espesor de 0.020 con una carga ascendente muy razonable que triplicará la conductividad .

Vias rellenas de cobre y plata

Los fabricantes de PCB han estado haciendo micro vía de cobre por un tiempo.
El cobre conduce mejor que el aire.

Cobre o plata

Vias rellenas de epoxi térmico

Si el cobre no funciona para su proveedor y su billetera, llene las vías con epoxi térmico estándar. La conductividad de la expoxi térmica está mejorando todo el tiempo.

El relleno no conductivo tiene una conductividad térmica de 0.25 W / mK, mientras que las pastas conductoras tienen una conductividad térmica en cualquier lugar de 3.5-15 W / mK. En contraste, el cobre galvanizado tiene una conductividad térmica de más de 250W / mK.

Encapsulantes térmicos

Puede encapsular el tablero en materiales conductores térmicos. Mejor que el aire. Mean Well hace esto a sus fuentes de alimentación como su serie HLG.

1. Rellenos y encapsulantes
2. Adhesivos térmicamente conductores (de una o dos partes)
3. Blindaje y recubrimiento EMI
4. Adhesivos Conductores Eléctricos o Térmicos
5. Adhesivos o geles antideslizantes
6. Adhesivos Conductores Eléctricos, (Epoxy ECA o Silicone ECA)
7. Epoxi de alto rendimiento, por ejemplo, Epoxi de bajo CTE
8. Adhesivos de bajo CTE
9. Revestimiento conforme, encapsulamiento o encapsulado
10. Adhesivos epoxi para aplicaciones especiales, p. Ej., Epoxi óptico para LED
11. Materiales de relleno de espacios térmicos
12. Adhesivos térmicamente conductores (de una o dos partes)
13. Selladores RTV, o adhesivos y selladores de curado por calor

MCPCB

PCB con núcleo de metal

Alguien mencionó PCB de aluminio. Nadie mencionó PCB de cobre, algunos de los proveedores de materiales de PCB de aluminio también suministran cobre en lugar de aluminio.

Cobre sólido

Cobre desnudo

Su almohadilla térmica está recubierta con HASL, ¿por qué no cobre desnudo?

La mayoría se preocupa por la oxidación del cobre. A mí me gusta la oxidación. Llámame loco, pero la emisividad del cobre es solo de 0.04. Eso es para cobre pulido, el cobre oxidado es 0.78, lo mismo que el aluminio oxidado.

Calcule cuánto se disipará una almohadilla de cobre.

Ingrese la potencia del componente, el área de cobre obtiene temperatura.

Aviones de disipador de calor

Las capas internas se pueden usar con vías enterradas para crear planos de dispersión. El concepto de vías térmicas se basa en capas internas que se utilizan como difusores de calor.

Emisividad del caso

La carcasa podría estar hecha de un polímero con alta conducción térmica y alta emisividad.

Polímeros Conductores Térmicos

Agujeros de ventilación

Perforación de agujeros en el PCB para circulación. Orificios de ventilación en el recinto.

Orientación

Tu caja está al revés.

Los disipadores de calor en la parte inferior son los peores. Lateral o superior mucho mejor.

Este dispositivo refrigerado pasivamente de 500 vatios 25.0 "L x 15" W x 3 "H
Montó el disipador de calor en la parte superior del dispositivo.

Switcher

Este no era un trabajo para un regulador lineal. No tendría estos problemas si utilizara un conmutador. Creo que alguien ha puesto un conmutador en una caja de tamaño 78xx, o más pequeña. Están ahí fuera y son baratos.

SIMPLE $ 2.00 INTERRUPTOR CON PEQUEÑO 10μH inductor
24V _en , 5V _{a cabo} , 250mA

BOM

Cin   TDK          C1005X5R1V225K050BC $0.10
Cout  MuRata       GRM31CR61A226KE19L $0.15
L1    Coilcraft    LPS4018-103MRB  $0.80
Rfbb  Vishay-Dale  CRCW0402383KFKED
Rfbt  Vishay-Dale  CRCW04022M00FKED
Rpg   Vishay-Dale  CRCW0402100KFKED
U1    TI           TPS62175DQCR  $1.00

¿Por qué no fan?

A nadie le gustan los fanáticos. ¿Por qué?

Este no cuenta para mis diez ideas.

La razón por la que "la convección natural es realmente terrible para enfriar cosas" es porque necesita flujo de aire. Y no necesita mucho. Solo un poco de flujo de aire mejorará enormemente las cosas.

Si ha estado realizando algunos experimentos con estos pequeños ventiladores de 30db (A). Uno es de 4.5 cfm, 0.32 vatios y 40 mm de diámetro y el otro 13.2 cfm, 0.34 vatios y 60 mm de diámetro.

Ejecutando el LED a 20 vatios, ventilador de 13.2 cfm

61.2 ° C frente a 44.6 ° C con ventilador

Estaba probando el ventilador anterior con un LED de 90 vatios. Pobrecita, las almohadillas de conexión se han derretido dos veces hasta ahora. La cosa ha pasado por el infierno, comenzó en la vida como un 80 vatios. Usado y abusado.

El LED está montado en una barra de cobre de 1 "x 0.125" x 12 ".

Colocaría el ventilador en la parte posterior de la barra de cobre sobre el LED.

Esa cosa de color mostaza es un termómetro.

Esa fuente de alimentación es una de las encapsuladas con epoxi térmico. El aumento de hasta 600 vatios, sin ventilador. Garantía de 7 años.

Por cierto probé varios termistores y me gusta el vidrio Vishay NTCLG encapsulado.

En la segunda foto con el LED hay un círculo rojo, hay un termistor feo allí, pero es un círculo para señalar la almohadilla térmica para un LED Phillips Luxeon Rebel. Los LED montados en esa placa son Cree XPE. Debajo del círculo hay un Luxeon, en forma muy triste, víctima de quemaduras.

Ahora, esta vía térmica hacia el lado opuesto del concepto de placa no funciona para mí. Esto es lo que recomienda cada fabricante de LED. No me gusta que me digan qué hacer.

Como puede ver, lo hice de todos modos.

Las vías térmicas en la PCB (círculo azul)

Así es como lo hicieron esas vías térmicas.

La última línea lo explica todo. 375 mA y 129 ° C.

La columna cian es radiación activa fotosintética. La mejor eficiencia fue donde la temperatura era de alrededor de 45-50 ° C a 3.5 PAR / Watt, pero solo a 100 mA, que es 1/10 de la clasificación de 1 amperio. Entonces las vías térmicas no van a cortarlo.

AQUÍ ES A DONDE IBA CON TODO ESO

El camino de menor resistencia NO es a través de la parte posterior del tablero.

El PCB es delgado (0.31) y difícil de ver debajo de la barra de cobre. Los tornillos atraviesan las grandes presas en la almohadilla térmica.

La almohadilla térmica de los LED está soldada en la parte superior, con abundante cobre. La resistencia térmica de una almohadilla de cobre de 2-4 oz es mucho menor que pasar por FR4 con vías térmicas.

Entonces monte el PCB en una barra de cobre. La barra de cobre que se muestra aquí tiene 0.62 "de grosor y 0.5" de ancho. Tengo muchas variedades de con y grosor que he estado probando.

Estos son Cree XP-E Deep Photo Red 655nm.

No se detiene ahí.

Este con LED Luxeon Rebel ES Royal Blue 450nm tiene una barra de 0.125 "de grosor.

EL CAMINO DE MENOR RESISTENCIA ES ...

Entonces el camino de menor resistencia es

• desde la almohadilla térmica LED
• a la placa de circuito impreso de PCB
• a la barra de cobre
• a la tubería redonda de cobre

Sí tubería de cobre, tubería de agua de 1/2 ".

El eslabón más débil es la placa de cobre PCB. Es delgado

A la derecha de la tubería de cobre hay un tubo que se bombea con agua.

La torre de agua

El tubo ascendente de la derecha contiene el tubo que bombea agua desde el depósito inferior al tanque de agua en la parte superior.

¿Valió la pena?

Cuando la placa que se estaba quemando (129 ° C) a 350 mA está funcionando a 700 mA (Imax) y se está formando condensación, creo que valió la pena.

Ambiente 23 ° C, PCB de 30 vatios, temperatura de la caja del LED 21 ° C

Su análisis de la configuración térmica parece estar ligeramente incompleto, especialmente cuando se trata de la interfaz cobre-aire.

Puede tratar el problema de manera similar a un divisor resistivo. Su unión al aire es el voltaje (digamos 70) y la corriente es la potencia que necesita para disiparse (4.5). Su solución térmica total debe proporcionar 15 grados / vatios o menos. Este es el total de todas las partes en serie, unión-cobre1, cobre1-cobre2, cobre2-aire.

Como puede ver en la figura que citó, el dispositivo en un simple avión de cobre tendrá dificultades para funcionar por encima de 3W (incluso con un avión más grande) a medida que el flujo de calor a través del avión comienza a ser significativo. Calcular esto no es trivial.

En su situación, solo la parte posterior de la PCB es efectiva para disipar el calor (la parte superior puede tardar un tiempo en alcanzar el equilibrio, pero luego deja de absorber energía). Solo considere el reverso. Tal vez 0.5 W pasarán a través de la cubierta (vea esto como una red paralela), pero la resistencia será alta y todos sus componentes se mantendrán calientes.

Ya puede ver que necesita alcanzar más de 15 grados / vatio para el disipador térmico. Probablemente 10 grados / vatio sería un buen punto de partida con el dedo en el aire para encontrar aproximadamente lo que eso significa para un radiador pasivo (y cualquier flujo de aire convectivo puede marcar la diferencia). Esto ya implica una superficie del disipador de calor de 45 grados por encima de la temperatura ambiente.

Para juzgar la efectividad de su via pad, realmente necesita medir la caída de temperatura entre los dos lados de la PCB. Esto puede estar en el borde expuesto de la almohadilla, pero es probable que sea mucho menor que la resistencia térmica del disipador térmico. Si estuviera buscando un nivel de potencia de quizás 2W, sería más significativo en el resultado, pero ya sabe que necesita algún tipo de disipador térmico.

Un error común que cometen las personas: no simulan ni miran las simulaciones de otras personas. Cada diseño basado en la conducción de calor de cobre de PCB está limitado a aproximadamente 2 W en el mejor de los casos. Esto se debe a que la sección transversal de cobre es muy pequeña. En la simulación, parece un punto caliente alrededor del elemento caliente a pesar de las enormes almohadillas de cobre con muchas vías.

Puedo sugerirle que tome algunos de los productos de disipadores de calor de estantería o que vaya a PCB de aluminio (placa de núcleo de metal). En cualquier caso, la estrategia es maximizar el área de contacto con el aire y, al mismo tiempo, reducir la "resistencia al calor" (en realidad mejorar la conductividad del calor) entre la unión y cada punto del radiador.

Como has combinado muchas preguntas en una publicación y otras han respondido a tus otras preguntas, solo daré una respuesta parcial.

Si no, ¿puedo medir de alguna manera esta resistencia térmica (con un sensor de temperatura?

Conoces el calor que fluye a través de la interfaz (~ 4.4 W). Como dijo otra respuesta, si espera que el sistema se equilibre, el calor que sale por el lado superior de la PCB será bastante bajo.

$\Delta{}T$

Ahora puede estimar, al menos aproximadamente, la resistencia térmica de la placa dividiendo una por la otra.

Como ya tiene respuestas para sus preguntas, me gustaría sugerir una solución "práctica" .
Coloque el regulador fuera de la carcasa de plástico. De esta manera, el calor generado no afectará a los componentes dentro de la carcasa de plástico y se puede disipar más fácilmente, ya que tiene menos "barreras" que atravesar.