Výpočet chladiče pro zesilovač

Při výpočtu chladiče pro zesilovač je možné postupovat podobně, jako při počítání se stejnosměrným elektrickým proudem v obvodu s několika sériovými rezistory. Polovodičový čip tranzistoru nebo integrovaného obvodu se chová podobně jako proudový zdroj - chrlí ze sebe teplo, které se musí vyzářit do okolního prostředí. Podoba s elektrickým obvodem je znázorněna na následujícím obrázku.

Teplo (odpovídá proudu) vytéká ze zdroje tepla (proudu) a přes odpory, které má v cestě, se dostává do okolí. Odpory jsou řazeny v sérii za sebou (jeden materiál se dotýká druhého) a představují překážku pro průchod tepla. Čím je odpor vyšší, tím hůře teplo přes něj prochází. Na každém odporu průchodem tepla vzniká teplotní spád (podobně jako úbytek napětí na rezistoru v elektrickém obvodu).

Na rozdíl od elektrického obvodu není tepelný odpor konkrétní překážky vyjadřován v Ohmech, ale v jednotkách K/W (nebo ekvivalent °C/W). Jednotka vyjadřuje, jak velký rozdíl teplot se objeví na materiálu při průchodu výkonu 1 W. To znamená, že při tepelném odporu 2 K/W se objeví teplotní rozdíl 2 stupně na protějších stranách tepelného odporu při průchodu výkonu 1 W. Např. při průchodu 20 W by se objevil teplotní rozdíl 40 stupňů.

U standardního chladiče polovodičových součástek se nejčastěji setkáme se 3 tepelnými odpory podle obrázku:

1. Odpor materiálu mezi čipem a povrchem pouzdra součástky - Rth J-C. Tento tepelný odpor nemůžete jako konstruktéři ovlivnit, je dán materiálovou skladbou pouzdra polovodičové součástky. Jeho hodnotu najdete v katalogovém listu součástky. Např. pro pouzdro TO220 je hodnota tepelného odporu udávaná obvykle kolem 2 K/W. Konkrétně pro použité integrované zesilovače je uváděna hodnota <3 K/W.
2. Odpor materiálu mezi pouzdrem a chladičem - Rth C-S. I když se zdá, že při přímé montáži pouzdra na chladič je zde "nic" a neměl by tu být žádný tepelný odpor, opak je pravdou. Ani jeden z povrchů není dokonalý a vždy je mezi nimi nepatrná izolační vrstvička vzduchu. (viz [1]) Vzduch je jak známo dobrý tepelný izolant, a proto je v případě spojení pouzdro-chladič nežádoucím prvkem. Při konstrukci se ho snažíme odstranit tím, že jej vytěsníme nějakou látkou, která vede teplo podstatně lépe. Obvykle je to silikonová vazelína nebo teplovodivá pasta přímo určená k tomuto účelu. Rozdíl mezi namazaným spojem a spojem suchým pro různé síly upevnění udává následující obrázek [1]: V některých případech je potřeba pouzdro součástky elektricky izolovat od chladiče a je nutné použít izolační podložku. Pak tepelný odpor ještě více vzroste. Při stavbě našeho zesilovače si můžeme dovolit oba integrované zesilovače upevnit na jeden chladič přímo bez izolace. Použijeme nějakou vhodnou pastu (nebo silikonovou vazelínu) a můžeme počítat s tepelným odporem asi 0,5 K/W.
3. Tepelný odpor mezi chladičem a okolím - Rth S-A. Tento tepelný odpor je u zesilovače nejvíce proměnný a můžete jej nejvíce ovlivnit. Jeho velikost je dána konkrétním použitým chladičem. Tepelný odpor chladiče je definován především jeho velikostí, povrchem, barvou a rychlostí proudění okolního vzduchu. I když je možné teoreticky spočítat tepelný odpor rovného deskového chladiče z určitého materiálu, pro složitější tvary se spokojíme s hodnotami definovanými výrobcem, který je experimentálně změřil. U kupovaného chladiče se proto podívejte na parametr tepelného odporu a s ním počítejte.

   Pozn.: Vlastní materiál chladiče (nejčastěji nějaká hliníková slitina) do výpočtů nezasahuje - tělo chladiče je považováno v porovnání s ostatními překážkami za "vodič" a téměř na něm nevzniká teplotní spád. Pokud zakoupený chladič nějakým způsobem upravíte (např. zmenšíte uřezáním), pak také ovlivníte jeho Rth S-A (odpor obvykle vzroste). Snížit tepelný odpor se dá např. začerněním lesklého povrchu nebo nuceným větráním.

Výpočet

Předpokládáme, že u konstrukce zesilovače budou umístěny integrované obvody obou kanálů na jednom chladiči bez izolačních podložek. Teplotní poměry a průběh tepla si pak můžeme graficky znázornit například takto:

Pokud si pro tento případ napíšeme odpovídající rovnici:

kde:

• Tj - teplota čipu v obvodu (nesmí překročit maximální povolenou hodnotu!)
• Ta - maximální uvažovaná teplota okolí
• P - ztrátový výkon jednoho kanálu
• Rthjc - tepelný odpor pouzdra integrovaného obvodu
• Rthcs - tepelný odpor přechodu pouzdro/chladič
• Rthsa - tepelný odpor chladiče (přechod chladič/okolí)

Budeme-li uvažovat hodnoty z obrázku, snadno spočítáme, že odpor chladiče musí mít Rth 1,9 K/W nebo nižší. Při těchto výpočtech je nutné mít na paměti že:

• Maximální povolenou teplotu najdete v technickém listu integrovaného obvodu. V našem případě je to 150°C. Pozor! Toto je mezní teplota, kterou čip nesmí nikdy překročit! Je vhodné si vždy ponechat jistou konstruktérskou rezervu. Na druhou stranu je třeba uvést, že na plný ztrátový výkon pojede zesilovač asi jen velmi zřídka.
• Maximální okolní teplotu musíme odhadnout podle předpokládaného použití. V amatérské praxi stačí uvažovat se 40°C. Pokud byste navrhovali profesionální zařízení, bylo by nutné počítat s vyššími hodnotami. Nezapomeňte, že chladič uzavřený v krabici má okolní teplotu podstatně vyšší než vzduch v místnosti. Chladič by měl mít přímý kontakt s okolním ovzduším - nejlépe být umístěný na boku nebo zadní stěně zařízení.
• V tomto případě počítáme s přímým kontaktem pouzdro/chladič s použitím vhodného "mazacího prostředku". Při jiném kontaktu si najděte typické hodnoty pro přechod pouzdro/chladič.
• Už zde při výpočtu můžete odhadnout teplotu chladiče při maximálním výkonu. O chladič zahřátý maximálním výkonem se můžete popálit...

Pozor na chyby

Při upevňování obvodů na chladič občas dochází k chybám, proto si dovolím několik poznámek.

Pouzdro by mělo vždy doléhat co největší plochou. Při špatném natvarování vývodů nebo při velmi silném přitažení šroubem může dojít k šikmému uložení a tím zhoršení tepelného odporu [2].

Pouzdro by mělo být přitažené pevně, ale sílu nikdy nepřehánějte. Na grafu nahoře vidíte, že zvětšování přítažné síly nemá již prakticky vliv na tepelný odpor.

Nezapomeňte na odstranění otřepů při vrtání děr do chladiče. I velmi malý otřep může nadzvednout pouzdro. Vždy proveďte jemné zahloubení vyvrtané díry.

Použití vazelíny nebo teplotní pasty pod pouzdrem má jediný úkol - vytlačit vzduch pod pouzdrem. Použijte tedy co nejméně pasty. Pouzdro jenom velmi jemně natřete a po přitisknutí s ním lehce "zakvedlejte" na místě, aby se vytlačily vzduchové bublinky. Větší množství pasty nebo vazelíny zhoršuje tepelný odpor!

Literatura:

[1] International Rectifier, Application Note AN-1000

[2] ON Semiconductor, Mounting Considerations For Power Semiconductors AN 1040/D