Měření teplotního odporu chladiče

Při výrobě zesilovače, napájecího zdroje nebo jiného zařízení můžete narazit na potřebu chlazení některých aktivních součástek. K rozhodnutí, zda konkrétní chladič pro zamýšlený účel vyhovuje, je kromě mechanických rozměrů důležitý především parametr nazývaný teplotní odpor - R_th. Bližší informace k návrhu chladiče najdete např. zde.

U kupovaných chladičů je tento parametr obvykle udáván. Co ale dělat, pokud chladič vytáhneme ze svých zásob či z nějakého rozebraného přístroje? Nezbývá nám než se R_th pokusit sami změřit.

Co budeme potřebovat

Pro jednoduché měření, které nám dá odpověď na otázku, jaká je hodnota R_th nějakého chladiče, potřebujeme alespoň tyto věci:

1. Nejdůležitější je asi měřený chladič :-).
2. Výkonový rezistor, který je určený pro připevnění na chladič. Pro menší chladiče bude stačit dimenzovaný na výkon kolem 10 W, pro větší chladiče je vhodné zajistit rezistor pro 50 a více W. Hodnota odporu by měla být v jednotkách až desítkách Ω. Odpor by měl odpovídat možnostem zdroje, ze kterého jej budete zahřívat (viz následující bod).
3. Napájecí zdroj k dodání proudu do rezistoru. Optimální je stabilizovaný regulovatelný zdroj. V kombinaci s napájecím zdrojem se ukáže, zda je zvolený rezistor pro měření vhodný. Bude-li mít rezistor odpor 1 Ω a pokusíte se chladič zatěžovat výkonem např. 30 W, pak málokterý laboratorní zdroj dlouhodobě dodá 5,5 A při 5,5 V. Naopak pomocí 100 Ω odporu z běžného zdroje, který má max. výstupní napětí 30 V, nedostanete více než jednotky W.
4. Teploměr pro měření teploty chladiče. Optimální je termočlánkový s kuličkou na konci, jaký se dodává k některým multimetrům. Skleněné nebo různé teploměry s čidlem v trubičce nejsou vhodné, neboť nezajistí dokonalý kontakt s plochou chladiče.
5. Multimetr pro změření proudu a napětí přímo na rezistoru.
6. Kousek polystyrénu na izolaci některých stran chladiče.

Postup měření

Nejprve připevníme výkonový rezistor na chladič. Není asi nutné používat šroubky, stačí jej pořádně k chladiči přitáhnout např. plastovým páskem nebo drátkem tak, aby se nepohyboval. Před přitažením je vhodné styčnou plochu jemně natřít silikonovou vazelinou. K rezistoru připájejte krátké vodiče, na které pak připojíte napájecí zdroj.

Části chladiče, které nebudou volně přístupné okolnímu vzduchu (budou např. ležet na plošném spoji, či budou orientovány do uzavřené těsné krabičky), izolujte kouskem uřezaného polystyrénu. Tato plocha se při praktickém použití nebude účastnit chlazení, takže ji tepelnou izolací vyřadíme z funkce. Pro výkonový rezistor je vhodné do polystyrénu vydlabat komůrku odpovídající velikosti. Polystyrén by se měl plochy chladiče dotýkat, nemusí však být přilepený či nějak pevně přitažený.

Pro zajištění správného měření teploty chladiče je potřeba mít těsný kontakt teplotního čidla s hmotou chladiče bez ovlivňování okolním prostředím. Proto je asi nejlepší zvolit obyčejný termočlánkový snímač, jehož kuličku můžete umístit přímo do těla chladiče. Na vhodném místě do chladiče vyvrtejte dírku hloubky 4 až 5 mm o průměru odpovídajícím kuličce na konci termočlánku. Do otvoru vmáčkněte trošku silikonové vazelíny a kuličku zasuňte co nejhlouběji.

Chladič umístěte do polohy, v jaké bude pracovat a ponechejte jej alespoň hodinu ustálit na okolní teplotu místnosti. Po ustálení změřte teplotu chladiče a poznamenejte si ji jako T_o.

Pak připojte k rezistoru napájecí zdroj a jestliže je regulovatelný, nastavte vhodný příkon. Nesnažte se nastavit takový příkon, jaký je na rezistoru napsaný. Uvedená hodnota je maximum, co rezistor snese s ideálním chlazením. Pro ověření dodávaného příkonu použijte multimetr. Proud můžete odečíst i na měřidle ve zdroji (pokud je jím zdroj vybaven). Napětí je lépe přeměřit přímo na vodičích blízko rezistoru, protože některé vodiče mohou mít vůči odporu rezistoru nezanedbatelný odpor.

Ani snad nemusím připomínat, že příkon vypočítáte podle vzorce:

Ponechejte zdroj, aby ohříval chladič po dobu alespoň 2 hodin.

Po uvedené době změřte teplotu, na kterou se chladič ohřál. Vhodný čas odečtu poznáte tak, že se teplota již dále nemění a ustálila se na nějaké hodnotě. Je vhodné, aby změna teploty proti T_o byla v rozmezí 30 až 50 °C. Pokud by teplota rostla velmi rychle, uberte příkon. Při malém ohřátí naopak příkon zvyšte. Ustálenou teplotu si poznamenejte jako T_h.

Rozdíl obou změřených teplot bude:

Ze známého příkonu a změřeného ohřátí můžeme vypočítat hledaný parametr:

Na závěr byste měli zhodnotit, zda naměřené výsledky odpovídají očekávaným hodnotám. Velké a mohutné chladiče by měly mít R_th do 2 °C/W, střední kousky (jako je ten na fotografii) do 10 °C/W a malé kusy určené např. pro 1 pouzdro TO220 by mohly odpovídat hodnotě do 50 °C/W.

Příklad:
Chladič na fotografii se při konstantním příkonu 10 W ohřál za 2 hodiny o teplotu 39 °C. Lze tedy určit, že v dané poloze bude mít přibližně R_th = 4 °C/W.

Závěr

Chladiče patří k dílům elektroniky, které se prakticky nemohou pokazit. Proto stojí za vymontování z vyřazeného přístroje a jejich nové použití.

Při relativně dostupném vybavení pak můžete změřit nejdůležitější parametr chladiče pro jeho správnou funkci ve vašem novém výrobku.