Мощность, которая выделяется на транзисторе, стабилизаторе или микросхеме, превращается в тепло. Кристалл нагревается выше окружающего воздуха, и если он превысит допустимую температуру из даташита, прибор деградирует или выйдет из строя. Радиатор уменьшает перегрев, а калькулятор показывает, каким он должен быть.
Тепловая цепь
Тепло идёт от кристалла к воздуху по цепочке тепловых сопротивлений, и они складываются, как резисторы в последовательной цепи:
где P — рассеиваемая мощность, Ta — температура воздуха, θjc — тепловое сопротивление кристалл–корпус, θcs — корпус–радиатор, θsa — радиатор–воздух. Отсюда наибольшее допустимое тепловое сопротивление радиатора:
Без радиатора путь один — от кристалла сразу к воздуху, и в даташите для него приводят θja: Tj = Ta + P · θja.
Где взять значения
- Мощность. Для линейного стабилизатора — (Uвх − Uвых) · I, для открытого MOSFET — I² · Rds(on) (при нагретом кристалле сопротивление больше), для диода — Uпр · I.
- θjc, θja и допустимая температура кристалла — в разделе Thermal Information или Thermal Characteristics даташита. θja измеряют на стандартной тестовой плате, поэтому для вашего монтажа это ориентир, а не точное значение.
- θcs зависит от того, как прибор прижат к радиатору: с тонким слоем термопасты — десятые доли °C/Вт, с изолирующей прокладкой — больше; точное значение приводит производитель прокладки.
- Температура воздуха — та, что будет внутри корпуса прибора рядом с радиатором, а не в комнате: в закрытом корпусе она легко достигает 40–50 °C.
Допустимую температуру кристалла берите с запасом 10–20 °C: каждые лишние градусы сокращают срок службы, а параметры прибора при нагреве ухудшаются.
Пример: стабилизатор LM317
Стабилизатор понижает 12 В до 5 В при токе 0,5 А и рассеивает 3,53 Вт. Корпус TO-220: θjc = 5 °C/Вт, θja = 65 °C/Вт по даташиту onsemi; термопаста — θcs ≈ 0,5 °C/Вт; воздух в корпусе прибора — 40 °C; кристалл — не выше 125 °C.
- Без радиатора кристалл нагрелся бы до 40 + 3,53 · 65 ≈ 270 °C — радиатор обязателен.
- Радиатор нужен с тепловым сопротивлением не больше (125 − 40) / 3,53 − 5 − 0,5 ≈ 18,6 °C/Вт. Это небольшой пластинчатый или ребристый радиатор.
Подробный расчёт самого стабилизатора — в калькуляторе LM317.
Как выбрать радиатор
- По тепловому сопротивлению из даташита радиатора — для вашего способа охлаждения. Обдув вентилятором уменьшает тепловое сопротивление в разы, а закрытый корпус без вентиляции — увеличивает.
- Рёбрами вертикально при естественной конвекции: так воздух свободно поднимается между рёбрами, и каталожные значения выполняются.
- Несколько приборов на одном радиаторе нагревают его суммой мощностей. Сначала посчитайте температуру радиатора Ta + ΣP · θsa, затем перегрев каждого прибора над ней.
- Если радиатор получается огромным — меньше 1 °C/Вт, — проще снизить мощность: поставить импульсный преобразователь вместо линейного стабилизатора, MOSFET с меньшим сопротивлением канала или разделить мощность между несколькими приборами. Варианты источников питания — в разделе «Питание».
Частые вопросы
Нужен ли радиатор для транзистора в корпусе TO-220?
Зависит от мощности. Без радиатора у TO-220 тепловое сопротивление кристалл–воздух около 60–65 °C/Вт: при 1 Вт и 25 °C в помещении кристалл нагреется примерно до 90 °C — терпимо, а при 2 Вт — до 155 °C, это уже за пределом большинства приборов. Ориентир: больше 1–1,5 Вт без радиатора корпус TO-220 не рассеет.
Что такое тепловое сопротивление?
Это перегрев на каждый ватт рассеиваемой мощности, °C/Вт. Если у радиатора 10 °C/Вт, то при 3 Вт он нагреется на 30 °C выше воздуха. Тепловые сопротивления последовательного пути — кристалл, корпус, прокладка, радиатор — складываются, как резисторы.
Как выбрать радиатор по рассчитанному значению?
Возьмите радиатор, у которого тепловое сопротивление по даташиту не больше рассчитанного, для ваших условий охлаждения: естественная конвекция или обдув. Значения в каталогах приводят для определённого положения радиатора и перегрева — рёбра должны стоять вертикально, иначе реальное сопротивление будет больше.
Можно ли поставить несколько транзисторов на один радиатор?
Да. Радиатор нагревается суммой мощностей: его температура равна Tвозд + ΣP · θрад. Каждый прибор затем нагревается выше радиатора на P · (θJC + θCS). Если корпуса соединены с выводами, изолируйте их от радиатора прокладками — это добавит тепловое сопротивление.
Источники
- Texas Instruments. Semiconductor and IC Package Thermal Metrics (SPRA953) — определения θJA, θJC и условия их измерения
- onsemi. LM317, NCV317: 1.5 A Adjustable Output, Positive Voltage Regulator (LM317/D) — пример тепловых сопротивлений корпуса TO-220: θJC 5 °C/Вт, θJA 65 °C/Вт
Обновлено . Нашли ошибку в расчёте? Напишите нам.