¿Cómo calculo la resistencia térmica del material plano de aluminio?

Es común que muchos circuitos de alimentación se atornillen a una pieza de material plano de aluminio. ¿Qué tan grande debe ser el stock?

Digamos que estoy montando un tip122. La peor condición es que tenga una caída de 24 V a 3 A y un ciclo de trabajo del 50%. Entonces se está disipando 36W.

Mirando la hoja de datos, a 35W, la temperatura máxima de la carcasa es ~ 80C. Suponga una temperatura ambiente de 25 grados.

Caída de temperatura = 35W * Tr = 55 delta o 1.57C / W para la placa.

Entonces, ¿cuánta superficie necesito para lograr eso?

¿Me acerqué correctamente?

Puede usar esta calculadora para ejecutar algunos números para una placa plana (su diseño debe tener aletas). Tenga en cuenta que tiene un número limitado de intentos y que requiere un parámetro de velocidad del aire. Enchufe la temperatura de su caja deseada de las curvas de reducción, que abordaré más adelante.

¿Estás atrapado con el TIP122? ¿Qué tal el paquete TO-220? Tanto el TIP122 como el TO-220 están diseñados solo para aplicaciones de potencia media. Este tipo de aplicación se vería mejor con un transistor de alta potencia y un paquete de latas de metal.

La diferencia entre un transistor de alta potencia, potencia media o señal pequeña no está solo en sus paquetes, sino también en la construcción del dispositivo. La tabla de clasificaciones máximas para la hoja de datos [TIP122] muestran que tiene una PC de disipación de potencia máxima del colector de 2W en aire a 25 ° C, o 65W con Tc = 25 ° C. La segunda estadística supone que podría tener un disipador de calor infinito, conectado con el último compuesto del disipador de calor a la pestaña (técnicamente el caso, pero la pestaña es lo único que importa) en el TO-220, de modo que la pestaña del disipador de calor esté en 25 ° C. Incluso en ese caso, la unión del transistor, que es lo que le preocupa, superará los 150 ° C. Hay resistencia térmica entre la unión y la pestaña. (Nota al margen: Estoy de acuerdo con jluciani, me gusta mi silicio de 125 ° C o más frío). (Nota al margen 2: los disipadores de calor metálicos en los BJT generalmente están conectados al colector, por lo que tendrá una fuente 3A conectada a la caja, a un voltaje mayor que el emisor / tierra, y no querrá que esté en un lugar que pueda provocar un cortocircuito fuera.)

Eche un vistazo a las curvas de reducción (Figura 5 en la hoja de datos de TIP122):

si necesita disipar 72W, simplemente no puede hacerlo. Si necesita 36 W, deberá mantener su disipador de calor a menos de 50 ° C por encima de la temperatura ambiente (25 ° C. Es este gradiente de temperatura de 50 grados el que le proporciona disipación de potencia). Compare esa curva con un transistor de alta potencia como el MJ11022 [hoja de datos] :

Su disipador de calor ahora puede ser un peligro de quemaduras mucho antes de que se dañe el transistor. 72 W corresponde a casi 100 ° C por encima del ambiente y 36 W a una temperatura de funcionamiento absoluta de casi 150 ° C. Tenga cuidado con los ciclos térmicos si desea correr a altas temperaturas.

Le sugiero encarecidamente que use un transistor TO-3 o TO-204 de alta potencia en lugar de su TIP122.

Probablemente necesitará un plato muy grande o una buena cantidad de aire en movimiento.

¿Cuál es el tiempo de entrega del TIP122? Si el tiempo de encendido es superior a 100 ms, entonces está disipando 72 W, no 36 W. Debe observar las curvas de respuesta térmica transitoria para determinar la reducción de potencia.

Debe permitir cierta resistencia térmica para la interfaz entre la caja del transistor y el sumidero (o placa).

Suponiendo que su tiempo de funcionamiento es inferior a 1 ms, está disipando 36W. Mirando la hoja de datos en semi -

Rjc = 1.92 degC / W máx. Temperatura de unión máxima absoluta = 150 ° C (no excedería los 125 ° C)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1.92 + 0.5 + Rsa) * 36

Rsa = 1.05degC / W (que concuerda con su cálculo cuando resta Rcs)

Si echa un vistazo a las hojas de datos de los proveedores de disipadores de calor, puede hacerse una idea de los tamaños. Checkout http://www.aavidthermalloy.com/

Para calcular la disipación de potencia o los cambios de Rθjc o Rθja en un entorno dinámico (es decir, corriente de pulso), no es un proceso tan sencillo. Debe ver en la curva llamada "Respuesta térmica típica" proporcionada por el fabricante. De esta curva puede obtener la "Resistencia térmica transitoria" (normalizada o real Ζθ). De todos modos, no puedo hacer los cálculos detallados en este momento. Aproximadamente, en un ambiente de 35oC, si desea disipar 35W de una caja TO-3 y mantener la temperatura del disipador de calor a aproximadamente 55oC usando enfriamiento natural, necesita una placa de aluminio gris, de 3 mm de espesor, con un borde de 16 cm (es decir 210 gr). Esta placa debe ser libre de irradiar desde ambos lados en disposición vertical, con el divisor bien montado en el centro de la placa. No olvide incluir en sus cálculos la pérdida térmica causada por el contacto de dos metales. En la práctica, el 35W está cerca de la potencia máxima que puede disipar usando placas de metal y enfriamiento natural (es decir, placa de metal Al 400 cm2, 5 mm de espesor, 0,5 kg, en disposición vertical un lado libre, o 50 W en ambos lados). Por encima de estos poderes, debe usar un disipador térmico con aletas (natural o forzado), que no es difícil de calcular y construir

Este es mi camino para el diseño térmico. Nunca entiendo el concepto de resistencia térmica. ¡Está lleno de suposiciones! De todos modos, si desea continuar sus cálculos utilizando la resistencia térmica, es necesario tener medidas de la temperatura real de la carcasa en función del tiempo a plena o media carga.

Sé que este es un hilo viejo, pero lo descubrí investigando este tema y quería corregir / agregar un par de cosas. La fórmula para encontrar la resistencia térmica requerida del disipador de calor dada por jluciani es básicamente correcta pero le falta un término para la temperatura ambiente (Ta). La ecuación debería ser:

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

Donde Tj es la temperatura objetivo máxima de la unión. Usaré 125 ° C como la temperatura máxima de la unión para permitir un margen de seguridad en caso de que la temperatura ambiente supere los 25 ° C estándar. Esto da:

125 = (1.92 + 0.5 + Rsa) * 36 +25

Rsa = (125-25) / 36 - 1.92 - 0.5 = 0.3577 degC / W

La siguiente parte para encontrar el tamaño de la placa de aluminio requerida para lograr esta baja resistencia térmica es mucho más complicada, pero este blog https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-ecation / da una aproximación muy simple a la regla general dada por:

Área = (50 / Rsa) ^ 2 cm2

Desafortunadamente, esta fórmula se aplica a los disipadores de calor pasivos con aletas y creo que el autor hizo un error tipográfico y quiso decir área = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. Las aletas hacen una gran diferencia. Después de ver los resultados de esta calculadora en línea https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html y las hojas de datos de una gama de fabricantes de calor pasivo, hice un poco de ajuste de curvas y se le ocurrió esta fórmula de parque de pelota más completa

Área = (20 * 1 / (1 + flujo) * 1 / (0.25 + h) * 1 / Rsa) ^ 2 cm2

Donde flujo es cualquier flujo de un ventilador de enfriamiento en cfm y h es la altura de cualquier aleta.

Para la situación en el OP no hay enfriamiento forzado, por lo tanto, flujo = 0 y no hay aletas, entonces h = 0 y la fórmula se simplifica a:

Área = (80 / Rsa) ^ 2

Dado que requerimos una resistencia térmica <= 0.3577, el tamaño de la placa requerida para enfriar el transistor en el OP es:

Área = (80 / 0.3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Probablemente sea demasiado grande para ser práctico.

Como señaló Kevin Vermeer, este transistor particular en este servicio no es realmente adecuado para enfriamiento pasivo. Sin embargo, se puede obtener una disminución dramática en el tamaño del disipador de calor agregando aletas y un ventilador de enfriamiento bastante modesto como se muestra en el cuadro al final de este enlace https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -suitable-heat-disipador / # _

Manteniéndose con una placa plana y agregando un ventilador de enfriamiento de PC bastante bueno con un flujo de aire de 100cfm, el tamaño de la placa podría reducirse a:

Área = (80 / (0.3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

El aluminio extruido se puede comprar en tiras largas con aletas y utilizando una placa con aletas de este tipo con aletas de 3 cm y ningún ventilador de enfriamiento requeriría un tamaño de disipador térmico de:

Área = (20 * 1 / (0.25 + 3) * 1 / 0.3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Finalmente, la combinación de enfriamiento forzado de aletas de 100cfm y 3cm da:

Área = (17.2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Notas:

Las caídas de presión y la proximidad de otros componentes calientes en el gabinete pueden reducir la eficiencia.

La entrada de polvo puede aislar los disipadores de calor y hacer que los ventiladores se desaceleren y fallen con el tiempo.

Los disipadores de calor que son mucho más grandes que el área de contacto del componente que están enfriando pierden eficiencia debido a la distancia que el calor tuvo que viajar para extenderse a las extremidades del disipador de calor.

Siga las pautas habituales para garantizar un buen contacto con el componente que se va a enfriar usando una capa delgada de un compuesto de transferencia de calor adecuado entre las superficies de contacto.

Los resultados de esta fórmula para disipadores de calor extremadamente pequeños o grandes deben tratarse con sospecha. Por ejemplo, en el último resultado, el radio del ventilador de enfriamiento es mucho mayor que el disipador de calor, por lo que la mayor parte del flujo de aire no fluiría cerca de las aletas, por lo que el resultado es sospechoso. De lo contrario, es una muy buena aproximación.

Probablemente sea mejor agregar 25 grados a lo que creas que es la temperatura del aire ambiente y deducir un margen de seguridad de 25 grados de la temperatura objetivo máxima del componente al realizar los cálculos, solo para estar seguro.

No use esta fórmula para diseñar el enfriamiento de una central nuclear.

Hay un gran artículo de blog ubicado en http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ que proporciona una explicación detallada de los cálculos necesarios para dimensionar una placa plana para ser utilizado como disipador de calor. También proporcionan la hoja de cálculo con los cálculos, sin embargo, deberá proporcionar su dirección de correo electrónico para obtener el enlace de descarga.