Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров

Во время работы мощные полупроводниковые приборы выделяют в окружающую среду определенную теплоту. Если не позаботиться об их охлаждении, транзисторы и диоды могут выйти из строя из-за перегрева рабочего кристалла.  Обеспечение нормального теплового режима транзисторов (и диодов) — одна из важных задач. Для правильного решения этой задачи нужно иметь представление о работе радиатора и технически грамотном его конструировании.

Конструкторы чаще выдумывают, чем рассчитывают, какую площадь должен иметь теплоотвод. Из-за этого либо сго­рают транзисторы, либо теплоотводы получаются более громоздкими.

Как известно, любой нагретый предмет охлаждаясь отдает тепло окружающей среде. Пока количество тепла, выделяющегося в транзисторе, больше отдаваемого им среде — температура корпуса транзистора будет непрерывно возрастать. При некотором ее значении наступает так называемый тепловой баланс, то есть равенство количеств рассеиваемого и выделяемого тепла. Если температура теплового баланса меньше максимально допустимой для транзистора — он будет надежно работать. Если эта температура выше допустимой максимальной температуры — транзистор выйдет из строя. Для того, чтобы тепловой баланс наступал при более низкой температуре, необходимо увеличить теплоотдачу транзистора.

Есть такой параметр, как тепловое со­противление. Он показывает, на сколь­ко градусов нагревается объект, если в нем выделяется мощность 1 Вт. К сожа­лению, в справочниках по транзисторам такой параметр приводится редко. На­пример. для транзистора в корпусе ТО-5 тепловое сопротивление равно 220°С на 1 Вт. Это означает, что если в тран­зисторе выделяется 1 Вт мощности, то он нагреется на 220°С. Если допускать на­грев не более чем до 100°С, например, на 80°С относительно комнатной темпе­ратуры, то получим, что на транзисторе должно выделяться не более 80/220 = 0,36 Вт. В дальнейшем будем считать до­пустимым нагрев транзистора или тири­стора не более, чем на 80°С.

Существует грубая формула для рас­чета теплового сопротивления теплоотвода Q = 50/ √S °С/Вт. (1)

где S — площадь поверхности теплоотвода, выраженная в квадратных сантиме­трах. Отсюда площадь поверхности можно рассчитать по формуле:

S = [50/Q]². ( 2 )

Рассмотрим в качестве примера расчет теплового сопротивления конструкции, показанной на рисунке. Конструкция теплоотвода состоит из 5 алюминиевых пластин, собранных в пакет. Предположим, W=20 см, D=10 см, а высота (на рисунке не показана) 12 см. каждый «выступ» имеет площадь 10×12 = 120 см2, а с учетом обеих сторон 240 см². Десять «выступов'» имеют площадь 2400 см², а пластина две стороны х 20 х 12 = 480 см². Итого получаем S=2880 см². По формуле (1) рассчитываем Q=0,93°С/Вт. При допустимом нагреве на 80°С получаем мощность рассеяния 80/0,93 = 90 Вт.

Теперь проведем обратный расчет. Предположим, нужен блок питания с выходным напряжением 12 В и током 10 А. После выпрямителя имеем 17 В. следовательно, падение напряжения на транзисторе составляет 5 В, а значит, мощность на нем 50 Вт. При допустимом нагреве на 80°С получим требуемое тепловое сопротивление Q=80/50= =1.6°С/Вт. Тогда по формуле (2) определим S= 1000 см².