Расчёт радиатора

Тепловая цепь

Тепло идёт от кристалла к воздуху по цепочке тепловых сопротивлений, и они складываются, как резисторы в последовательной цепи:

где P — рассеиваемая мощность, T_a — температура воздуха, θ_jc — тепловое сопротивление кристалл–корпус, θ_cs — корпус–радиатор, θ_sa — радиатор–воздух. Отсюда наибольшее допустимое тепловое сопротивление радиатора:

Без радиатора путь один — от кристалла сразу к воздуху, и в даташите для него приводят θ_ja: T_j = T_a + P · θ_ja.

Где взять значения

• Мощность. Для линейного стабилизатора — (U_вх − U_вых) · I, для открытого MOSFET — I² · R_ds(on) (при нагретом кристалле сопротивление больше), для диода — U_пр · I.
• θ_jc, θ_ja и допустимая температура кристалла — в разделе Thermal Information или Thermal Characteristics даташита. θ_ja измеряют на стандартной тестовой плате, поэтому для вашего монтажа это ориентир, а не точное значение.
• θ_cs 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: θ_jc = 5 °C/Вт, θ_ja = 65 °C/Вт по даташиту onsemi; термопаста — θ_cs ≈ 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 T_a + ΣP · θ_sa, 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».