Em um dos meus projetos atuais, estou usando um MC7805 em um pacote D2PAK para gerar minha fonte lógica de 5 V a partir de uma fonte disponível de 24 VCC. A corrente requerida pelo circuito é de 250 mA. Isso resulta em uma potência dissipada do MC7805 de:

$P=(24\ V-5\ V)*230\ mA=4.37\ W$

A PCB deve ser montada em uma pequena caixa de plástico com o MC7805 dentro. O arranjo é assim:

Portanto, os dissipadores de calor, por exemplo, não são possíveis. Além disso, o próprio alojamento possui um volume bastante pequeno e aquece.

Minha primeira tentativa de resolver esse problema térmico foi adicionar vias ao bloco e criar um bloco exposto do outro lado da PCB. Assim eu quero dissipar o calor do lado de fora da caixa. Aparentemente, isso não foi bom o suficiente, pois a proteção contra sobrecarga térmica do MC7805 entrou em ação após cerca de um minuto.

Então, adicionei um pequeno dissipador de calor à almofada exposta na parte traseira da PCB e agora parece estar funcionando (o dissipador de calor ainda está ficando muito quente!).

Além da minha abordagem de tentativa e erro, gostaria de entender um pouco melhor esse projeto térmico e otimizá-lo (a partir de agora não posso dizer qual seria a temperatura da junção e, portanto, não sei quão confiável isso seria )

Eu já li algumas outras perguntas , mas até agora ainda não estou completamente claro (mesmo pensando em energia como corrente, temperatura como tensão e resistores como resistência térmica, o design térmico sempre me intrigou ...) _

Então, com relação a esse design, eu teria algumas perguntas:

• Ao usar vias, o revestimento da via está conduzindo o calor, enquanto o ar no orifício da via é mais ou menos isolante. Portanto, se não for preenchido com solda, você deseja maximizar a área de cobre das vias para minimizar a resistência térmica de cima para baixo. Como mantive a máscara de parada de solda aberta, as vias devem ser cobertas com pasta de solda e preenchidas durante o refluxo da solda. Para minimizar a resistência térmica entre as camadas superior e inferior, presumo que seria melhor ter a maior área possível de 'furos'. Esta suposição está certa?

• Existe uma maneira 'não incrivelmente complicada' de calcular a resistência térmica entre a junção e a base?

• Caso contrário, posso de alguma forma medir essa resistência térmica (com um sensor de temperatura?

• Como a almofada superior e a caixa do D2PAK também dissiparão um pouco de calor. Posso ( seguindo a analogia do resistor ) colocá-los em paralelo? Como seria a rede de resistores térmicos para este sistema?

Gostaria de otimizar ainda mais esse projeto térmico.

Não posso aumentar o tamanho da caixa e da placa de circuito impresso.

Não consigo adicionar um fã.

Não consigo aumentar o tamanho do bloco da camada superior.

Já aumentei o tamanho da almofada inferior para o máximo possível de 20 mm x 20 mm (a imagem acima menciona as duas almofadas como 15 mm x 15 mm.

• Você vê mais alguma coisa que eu poderia otimizar?

Ok, primeiro vou tentar dar uma pequena cartilha sobre engenharia térmica, já que você diz que deseja entender melhor. Parece que você está naquele ponto em que entende os termos, já viu algumas das matemáticas, mas ainda existe um verdadeiro entendimento intuitivo: 'Ah, ah!' O momento em que a lâmpada se apaga ainda não aconteceu. É um ponto muito frustrante de se estar! Não se preocupe, você vai conseguir se continuar.

A parte mais importante sobre material térmico:

1. É exatamente como eletricidade unidirecional. Então, vamos usar a lei de Ohm.

O fluxo de calor é igual ao fluxo atual, apenas não há retorno, o calor sempre sempre flui de um potencial maior para um potencial menor. Potencial sendo a energia térmica, neste caso. O poder é a nossa corrente. E, convenientemente, resistência térmica é ... resistência.

Caso contrário, é exatamente o mesmo. Watts são seus amplificadores, sua corrente. E, de fato, isso faz sentido, pois mais watts significa mais fluxo de calor, certo? E, assim como a tensão, a temperatura aqui é relativa. Não estamos falando de temperatura absoluta em nenhum momento, mas apenas a diferença de temperatura, ou diferença potencial, entre as coisas. Então, quando dizemos que existe, por exemplo, um potencial de temperatura de 10 ° C, isso significa simplesmente que uma coisa é 10 ° C mais quente que a outra sobre a qual estamos falando. A temperatura ambiente é o nosso 'solo'. Portanto, para traduzir tudo isso em temperaturas absolutas reais, basta adicioná-lo sobre qualquer temperatura ambiente.

Coisas como o seu LM7805, que produzem calor, são perfeitamente modeladas como fontes de corrente constantes. Como a energia é atual e está agindo como um dispositivo de energia constante, gerando constantemente 4,4 W de calor, é como uma fonte de corrente constante gerando 4,4A. Assim como as fontes de corrente constante, uma fonte de energia constante aumentará a temperatura (como a tensão de uma fonte de corrente constante) tão alta quanto for necessária para manter a corrente / energia. E o que determina a corrente que fluirá? Resistência térmica!

1 ohm está realmente dizendo que você precisará de 1 volt de diferença de potencial para empurrar 1A através dele. Da mesma forma, enquanto as unidades são descoladas (° C / W), a resistência térmica está dizendo o mesmo. 1 ° C / W é como um Ω. Você precisará de 1 ° C de diferença de temperatura para empurrar 1 watt de 'corrente' térmica através dessa resistência.

Melhor ainda, coisas como quedas de tensão, circuitos térmicos paralelos ou em série, são todos iguais. Se uma resistência térmica é apenas uma parte de uma resistência térmica total maior ao longo de seu caminho térmico ('circuito'), é possível encontrar a 'queda de tensão' (aumento de temperatura) em qualquer resistência térmica exatamente da mesma maneira que você queda de tensão através de um resistor. Você pode adicioná-los para séries, 1 / (1 / R1 .... 1 / Rn), como faria para as resistências paralelas. Tudo funciona e sem exceção.

2. Mas leva tempo para que as coisas esquentem!

A lei de Ohm não é realmente uma lei, mas era originalmente um modelo empírico, e mais tarde percebi que era apenas o limite da lei de Kirchoff em DC. Em outras palavras, a lei de ohm funciona apenas para circuitos de estado estacionário. O mesmo se aplica às térmicas. Tudo o que escrevi acima é válido apenas quando um sistema atinge o equilíbrio. Isso significa que você deixou tudo o que está dissipando energia (nossas fontes de energia 'correntes' constantes) fazer isso por um tempo e, portanto, tudo atingiu uma temperatura fixa, e somente aumentando ou diminuindo a energia as temperaturas relativas de alguma coisa mudam.

Isso geralmente não leva muito tempo, mas também não é instantâneo. Podemos ver isso claramente, simplesmente porque as coisas levam tempo para esquentar. Isso pode ser modelado como capacitância térmica. Basicamente, eles levam tempo para 'carregar', e você verá uma grande diferença de temperatura entre um objeto quente e um frio, até que eles atinjam o equilíbrio. Você pode pensar na maioria dos objetos como pelo menos duas resistências em série (para um ponto de contato térmico e o outro. A parte superior e inferior do seu bloco, por exemplo) com um capacitor no meio. Isso não é particularmente relevante ou útil nessa situação, onde todos nos preocupamos com o estado estacionário, mas pensei em mencioná-lo por completo.

3. Praticidade

Se estamos equiparando calor ao fluxo de corrente elétrica, onde tudo está fluindo também? Está fluindo para o meio ambiente. Para todos os efeitos, geralmente podemos pensar no meio ambiente como um dissipador de calor gigante e infinito, que manterá uma temperatura fixa, independentemente de quantos watts for necessário. Obviamente, esse não é o caso, os quartos podem esquentar, um computador certamente pode aquecer um quarto. Mas no caso de 5W, está tudo bem.

A resistência térmica da junção ao invólucro, depois ao invólucro, ao invólucro do outro lado da placa, ao invólucro inferior ao dissipador de calor e, finalmente, ao dissipador de ar ao ar, forma nosso circuito térmico total e todas essas resistências térmicas adicionadas up é a nossa verdadeira resistência térmica. Aqueles gráficos que você está vendo, estão olhando para as resistências de apenas uma parte do sistema, NÃO do sistema total. A partir desses gráficos, você pensaria que um quadrado de cobre poderia dissipar um watt e subir apenas 50 ° C. Isso só é verdade se a placa de circuito for mágica e infinitamente grande e nunca se aquecer. A junção em questão será 50 ° mais quente que a placa de circuito, mas isso não será muito útil se você tiver aquecido a placa de circuito a 200 ° C. Você excedeu a temperatura de operação de qualquer maneira.

A triste realidade é que a convecção natural é terrível em resfriar coisas. Os dissipadores de calor têm muita área de superfície para aumentar o resfriamento por convecção, e geralmente são anodizados em preto para aumentar o resfriamento radiativo (objetos pretos irradiam mais calor, enquanto objetos brilhantes / refletivos irradiam quase nenhum. Assim como uma antena, ser bom em transmitir faz com que seja bom ao receber, e é por isso que as coisas mais escuras e negras ficam tão quentes ao sol, e as coisas brilhantes dificilmente esquentam. Funciona nos dois sentidos). Mas você verá que a maioria dos dissipadores de calor tem uma resistência térmica bastante alta para convecção natural. Verifique a folha de dados, geralmente as resistências térmicas dos dissipadores de calor são aquelas para um certo CFPM mínimo de fluxo de ar sobre o dissipador de calor. Em outras palavras, quando há um ventilador soprando ar. Convecção natural será muito pior desempenho térmico.

Manter as resistências térmicas entre a junção e o dissipador de calor é relativamente fácil. As junções de solda têm resistência térmica insignificante (embora a solda em si não seja um bom condutor de calor, pelo menos em comparação ao cobre), e o cobre é apenas o segundo da prata (entre materiais normais e não exóticos, pelo menos. Diamante, grafeno etc. mais termicamente condutivo, mas também não disponível no Digikey). Mesmo o substrato de fibra de vidro de uma placa de circuito não é totalmente terrível na condução de calor. Não é bom, mas também não é terrível.

A parte mais difícil é realmente dissipar o calor no ambiente. Esse é sempre o ponto de estrangulamento. E por que a engenharia é difícil. Pessoalmente, desenvolvo conversores DC / DC de alta potência (entre outras coisas). A eficiência deixa de ser algo que você deseja e se torna algo que você PRECISA. Você precisa de% de eficiência para tornar um conversor CC / CC tão pequeno quanto necessário, porque simplesmente não será capaz de liberar qualquer calor residual adicional. Nesse ponto, as resistências térmicas de componentes individuais não têm sentido e, de qualquer maneira, são todas fortemente acopladas a uma placa de cobre. O módulo inteiro será aquecido até atingir o equilíbrio. Na verdade, nenhum componente individual terá resistência térmica suficiente para superaquecer teoricamente, mas a placa inteira como um objeto em massa pode esquentar até se desoldar se puder

E, como eu disse anteriormente, a convecção natural é realmente muito terrível para esfriar as coisas. Também é principalmente uma função da área da superfície. Portanto, uma placa de cobre e uma placa de circuito com a mesma área de circuito terão resistências térmicas muito semelhantes ao ambiente. O cobre tornará o calor mais uniforme ao longo dele, mas não será capaz de perder mais watts do que a fibra de vidro.

Tudo se resume à área da superfície. E os números não são bons. 1 cm ^ c representa cerca de 1000 ° C / W de resistência térmica. Portanto, uma placa de circuito relativamente grande de 100 mm x 50 mm terá 50 quadrados, cada um centímetro quadrado e cada uma resistência térmica paralela de 1000 ° C / W. Portanto, esta placa possui uma resistência ao ambiente de 20 ° C / W. Portanto, no seu caso de 4,4 W, não importa o que você faça na placa, tamanho da almofada, vias térmicas, nada disso. 4.4W aquecerá a placa a cerca de 88 ° C acima da temperatura ambiente. E não há como fugir disso.

O que os dissipadores de calor fazem é dobrar muita área de superfície em um pequeno volume; portanto, usar um diminuirá a resistência térmica geral e tudo ficará menos quente. Mas tudo isso vai esquentar. Um bom design térmico é tanto direcionar para onde o calor flui quanto removê-lo do seu widget.

Você fez um bom trabalho com a instalação do dissipador de calor e do gabinete. Mas você está preocupado com as coisas erradas. Não existe uma maneira simples de calcular a resistência térmica do bloco através da placa de circuito impresso, mas apenas cerca de 17% da área de um bloco é dedicada às vias antes que você atinja fortemente os retornos decrescentes. Normalmente, usar vias de 0,3 mm com espaçamento de 1 mm e preencher a almofada térmica assim dará a você o melhor que conseguir. Faça isso e você não terá motivos para se preocupar com o valor real. Você se preocupa com o sistema como um todo, não com uma junção.

Você teve um problema em que a resistência térmica da junção especificamente à placa de circuito maior e às superfícies que lançavam calor no ambiente era muito alta, de modo que o componente superaqueceu. Ou o calor não poderia se espalhar para o resto da superfície dissipadora com rapidez suficiente, ou poderia, mas não havia superfície suficiente para dissipá-la no ambiente com rapidez suficiente. Você abordou as duas possibilidades, fornecendo um caminho térmico de baixa impedância do LM7805 para o dissipador de calor, que por si só fornece mais área de superfície e muitos lugares extras para que o calor escape.

Obviamente, o gabinete, a placa de circuito etc. ainda ficarão quentes. Assim como a corrente elétrica, segue todos os caminhos proporcionais à resistência. Ao fornecer menos resistência total, o LM7805 como fonte térmica de 'corrente' não precisa ficar tão quente, e os outros caminhos dividem a potência ('corrente') entre eles, e o menor caminho de resistência (o dissipador de calor) fica proporcionalmente mais quente. Você mantém tudo o mais em uma temperatura mais baixa, fornecendo um caminho térmico preferencial através do dissipador de calor. Mas todo o resto ainda vai ajudar, e ainda vai esquentar, em maior ou menor grau.

Portanto, para responder às suas perguntas específicas: Não é necessário medir a resistência térmica da junção à base e saber que não é uma informação útil. Isso não vai mudar nada, e você realmente não pode melhorá-lo além do que tem.

Usar um regulador linear em que tanta energia é dissipada é desaconselhável. Seu PCB será como um aquecedor. Isso significa que, de 5,52 watts de potência, apenas 1,15 será uma potência útil, o que aumentará em 20,8% a eficiência. O que é assustadoramente baixo.

Você pode aumentar a eficiência? Sim, claro. Se você usou uma fonte de 110 / 230VAC, poderia diminuir a tensão com o transformador para um mais adequado, depois convertê-lo para 12VDC e usá-lo como entrada e, em seguida, usar 1,15 watts de 2,76 watts, o que traz 41,7% de eficiência. A redução da tensão de entrada ajuda. Obviamente, você precisa entender o fato de que eles não podem ser muito eficazes em termos de energia, mesmo que sejam considerados reguladores de tensão de baixa perda de carga (LDO). Eles deveriam fazer isso porque há queda de tensão em partes do regulador. Eu usaria o regulador apenas quando a perda de energia é realmente baixa e gostaria de uma solução rápida.

A meu ver, essa sugestão provavelmente não é uma opção, pois você já possui uma fonte de 24VDC. Bem, então eu sempre sugiro um para usar reguladores de comutação. Existem muitos deles fornecidos por muitos fabricantes - Linear Technology, Maxxim, TI, etc. A maioria deles anexa alguns esquemas que podem ser úteis. Muitos deles funcionam sem mais ajustes. Apenas certifique-se de ler as folhas de dados corretamente e colocar os componentes conforme eles devem ser colocados, e você poderá obter 90% de eficiência ou até mais.

Você vê mais alguma coisa que eu poderia otimizar?

Sem pensar muito, cerca de 10 11 12 13 vieram à mente.

1. Área da almofada térmica
2. Junção à resistência térmica do caso
3. PCB fino
4. Vias Cheias de Cobre ou Prata
5. Epóxi térmico
6. MCPCB
7. Encapsulantes térmicos
8. Cobre nu
9. Aviões espalhadores de calor
10. Emissividade do caso
11. Orifícios de ventilação
12. Orientação
13. Interruptor
    

Parece que você pode estar usando o On Semi pelo diagrama térmico que você usou.
Ao examinar a folha de dados, quais são as características mais importantes a serem observadas?

Para este dispositivo, existem dois.

Área da almofada térmica

No Semi's era menor em 73% do tamanho do STS.

STS pad     12.20 x 9.75 = 118.95
ON Semi pad 10.49 x 8.38 =  87.9062 

Junção à resistência térmica do caso

O STS teve 40% menos junção de resistência térmica com o Thermal Pad que o On-Semi.

On Semi 5 C°/W
STS     3 C°/W  40% Less 

PCB fino

Facilmente dupla ou tripla térmica Condutividade térmica da Via.

Fórmula de condutividade térmica

d Distância

Torne a placa de circuito impresso mais fina (distância menor) e aumente a condutividade térmica das vias térmicas.

Espessura estratificada: 0,003 "a 0,250"

Espessura atual de PCB 0,062

Não custa nada reduzir para 0,031, e você dobra sua condutividade térmica.

O material da PCB 370HR é semelhante ao FR4 com temperatura mais alta, mas está disponível na espessura de 0,020 a uma carga ascendente muito razoável que triplicará a condutividade .

Vias Cheias de Cobre e Prata

Fabricantes de PCB vêm fazendo micro via cobre por um tempo.
O cobre conduz melhor que o ar.

Cobre ou prata

Vias Cheias de Epóxi Térmico

Se o cobre não funcionar para o seu fornecedor e sua carteira, preencha as vias com epóxi térmico padrão. A condutividade do expoxi térmico está melhorando o tempo todo.

O preenchimento não condutor tem uma condutividade térmica de 0,25 W / mK, enquanto as pastas condutoras têm uma condutividade térmica entre 3,5 e 15 W / mK. Por outro lado, o cobre galvanizado possui uma condutividade térmica superior a 250W / mK.

Encapsulantes térmicos

Você pode encapsular a placa em materiais condutores térmicos. Melhor que o ar. A Mean Well faz isso em suas fontes de alimentação, como na série HLG.

1. Preenchimentos insuficientes e encapsulantes
2. Adesivos termicamente condutivos (uma parte ou duas partes)
3. Blindagem e revestimento EMI
4. Adesivos eletricamente ou termicamente condutivos
5. Adesivos ou géis que não caem
6. Adesivos eletricamente condutores (Epoxy ECA ou Silicone ECA)
7. Epóxi de alto desempenho, por exemplo, epóxi com baixo CTE
8. Adesivos com baixo CTE
9. Revestimento conforme, envasamento ou encapsulamento
10. Adesivos epóxi para aplicações especiais, por exemplo, epóxi óptico para LED
11. Materiais de preenchimento térmico
12. Adesivos termicamente condutivos (uma parte ou duas partes)
13. Selantes RTV, ou Adesivos e Selantes de Cura Térmica

MCPCB

PCB de núcleo metálico

Alguém mencionou PCB de alumínio. Ninguém mencionou PCB de cobre, alguns fornecedores de material para PCB de alumínio também fornecem cobre no lugar do alumínio.

Cobre sólido

Cobre nu

Sua almofada térmica é revestida com HASL, por que não cobre nu.

A maioria se preocupa com a oxidação do cobre. Eu gosto de oxidação. Chame-me de louco, mas a emissividade de cobre é de apenas 0,04. Isso é para cobre polido, cobre oxidado é 0,78, o mesmo que alumínio oxidado.

Calcule quanto uma almofada de cobre se dissipará.

Digite a potência do componente, a área de cobre obtém a temperatura.

Aviões espalhadores de calor

Camadas internas podem ser usadas com via enterrada para criar planos de expansão. O conceito de vias térmicas depende de camadas internas serem usadas como espalhadores de calor

Emissividade do caso

A caixa poderia ser feita de um polímero com alta condução térmica e alta emissividade.

Polímeros termicamente condutores

Orifícios de ventilação

Faça furos na placa de circuito impresso para circulação. Orifícios de ventilação no gabinete.

Orientação

Sua caixa está de cabeça para baixo.

Dissipadores de calor na parte inferior são os piores. Lateral ou superior muito melhor.

Este dispositivo de 500 watts resfriado passivamente 25,0 ”L x 15” W x 3 ”H
Montou o dissipador de calor na parte superior do dispositivo.

Interruptor

Este não era um trabalho para um regulador linear. Você não teria esses problemas se usasse um comutador. Eu acho que alguém colocou um comutador em um gabinete de tamanho 78xx, ou menor. Eles estão lá fora e baratos.

SIMPLE $ 2,00 SWITCHER com pequenas 10μH Indutor
24V _em , 5V _fora , 250mA

BOM

Cin   TDK          C1005X5R1V225K050BC $0.10
Cout  MuRata       GRM31CR61A226KE19L $0.15
L1    Coilcraft    LPS4018-103MRB  $0.80
Rfbb  Vishay-Dale  CRCW0402383KFKED
Rfbt  Vishay-Dale  CRCW04022M00FKED
Rpg   Vishay-Dale  CRCW0402100KFKED
U1    TI           TPS62175DQCR  $1.00

Por que nenhum fã?

Ninguém gosta de fãs. Por quê?

Este não conta para minhas dez idéias.

A razão pela qual "a convecção natural é realmente péssima em resfriar as coisas" é porque ela precisa de fluxo de ar. E não precisa de muito. Apenas um pouco de fluxo de ar melhorará bastante as coisas.

Se estiver executando algumas experiências com esses minúsculos ventiladores de 30db (A). Um é de 4,5 cfm, 0,32 Watts e 40 mm de diâmetro e o outro 13,2 cfm, 0,34 watts e 60 mm de diâmetro.

Executando o LED em 20 watts, ventilador de 13,2 cfm

61,2 ° C vs. 44,6 ° C com ventilador

Eu estava testando o ventilador acima com um LED de 90 watts. Pobre, as placas de conexão derreteram duas vezes até agora. A coisa passou pelo inferno, começou na vida em 80 watts. Usado e abusado.

O LED é montado em uma barra de cobre 1 "x 0,125" x 12 ".

Eu colocava o ventilador na parte traseira da barra de cobre acima do LED.

Essa coisa de cor mostarda é um termômetro.

Essa fonte de alimentação é uma daquelas encapsuladas com epóxi térmico. A subida para 600 Watts, sem ventilador. Garantia de 7 anos.

BTW eu tentei vários termistores e eu gosto do vidro Vishay NTCLG encapsulado.

Na segunda foto com o LED, há um círculo vermelho, há um termistor feio, mas é um círculo para apontar a almofada térmica para um LED Phillips Luxeon Rebel. O LED montado nessa placa é Cree XPE. Abaixo do círculo está um Luxeon, em uma forma muito triste, queimar vítima.

Agora, essa passagem térmica para o lado oposto do conceito de placa não funciona para mim. É isso que todo fabricante de LED recomenda. Não gosto de me dizer o que fazer.

Como você pode ver, eu fiz de qualquer maneira.

As vias térmicas no PCB (círculo azul)

Foi assim que as térmicas via.

A última linha explica tudo. 375 mA e 129 ° C.

A coluna ciana é radiação ativa fotossintética. A melhor eficiência foi quando a temperatura estava em torno de 45-50 ° C a 3,5 PAR / Watt, mas apenas a 100mA, que é 1/10 da classificação de 1 Amp. Portanto, as vias térmicas não serão suficientes.

Aqui é onde eu estava indo com tudo isso

O caminho de menor resistência NÃO é através da parte de trás do quadro.

O PCB é fino (0,31) e difícil de ver sob a barra de cobre. Os parafusos atravessam os grandes suportes da almofada térmica.

A almofada térmica de LEDs é soldada na parte superior, com bastante cobre. A resistência térmica de um bloco de cobre de 6 a 12 kg é muito menor do que passar pelo FR4 com vias térmicas.

Então eu montei o PCB em uma barra de cobre. A barra de cobre mostrada aqui tem 0,62 "de espessura e 0,5" de largura. Eu tenho muitas variedades de com e espessura que tenho testado.

Estes são Cree XP-E Deep Photo Red 655nm.

E não para por aí.

Este com LEDs Luxeon Rebel ES Royal Blue de 450 nm possui uma barra de 0,125 "de espessura.

O CAMINHO DA MENOR RESISTÊNCIA É ...

Portanto, o caminho de menor resistência é

• da almofada térmica de LED
• para a placa theraml PCB
• para a barra de cobre
• para o tubo de cobre redondo

Sim tubo de cobre, tubo de água de 1/2 ".

O elo mais fraco é a placa de cobre PCB. É fino

À direita do tubo de cobre, há um tubo sendo bombeado com água.

A torre de água

O tubo ascendente à direita contém a tubulação que bombeia a água do reservatório inferior para o tanque de água na parte superior.

Valeu a pena?

Quando a placa que estava queimando (129 ° C) a 350mA está funcionando a 700mA (Imax) e a condensação está se formando nela, acho que valeu a pena.

Ambiente 23 ° C, PCB de 30 watts, temperatura da caixa de LED 21 ° C

Sua análise da configuração térmica parece estar um pouco incompleta - especialmente quando se trata da interface cobre-ar.

Você pode tratar o problema de maneira semelhante a um divisor resistivo. Sua junção ao ar é a tensão (por exemplo, 70) e a corrente é a energia que você precisa para dissipar (4.5). Sua solução térmica total precisa fornecer 15 graus / watt ou menos. Este é o total de todas as peças em série, junção-cobre1, cobre1-cobre2, cobre2-ar.

Como você pode ver na figura que você citou, o dispositivo em um avião de cobre simples lutará para operar acima de 3W (mesmo com um plano maior) à medida que o fluxo de calor pelo avião começa a ficar significativo. Calcular isso não é trivial.

No seu cenário, apenas a parte traseira do PCB é eficaz na dissipação de calor (a parte superior pode demorar um pouco para se equilibrar, mas depois deixa de absorver energia). Considere apenas o lado de trás. Talvez 0,5 W passe pela tampa (veja isso como uma rede paralela), mas a resistência será alta e todos os seus componentes serão mantidos aquecidos.

Você já pode ver que precisa atingir uma temperatura superior a 15 graus / watt no dissipador de calor. Provavelmente 10 graus / watt seria um bom ponto de partida para descobrir o que isso significa para um radiador passivo (e qualquer fluxo de ar convectivo pode fazer a diferença). Já, isso implica em uma superfície de dissipador de calor temperada 45 graus acima da temperatura ambiente.

Para avaliar a eficácia do seu pad via, você realmente precisa medir a queda de temperatura entre os dois lados do PCB. Isso pode estar na borda exposta da almofada, mas é provável que seja muito menor que a resistência térmica do dissipador de calor. Se você estava buscando um nível de potência de talvez 2W, seria mais significativo no resultado, mas já sabe que precisa de algum tipo de dissipador de calor.

Um erro comum que as pessoas cometem - elas não simulam ou examinam as simulações de outras pessoas. Cada projeto baseado na condução de calor de cobre para PCB é limitado a cerca de 2 W no melhor dos casos. Isso ocorre porque a seção transversal de cobre é muito pequena. Na simulação, parece um ponto quente ao redor do elemento quente, apesar das enormes almofadas de cobre com muitas vias.

Posso sugerir que você pegue alguns produtos de dissipador de calor disponíveis no mercado ou vá para a placa de circuito impresso de alumínio. De qualquer forma, a estratégia é maximizar a área de contato do ar e, ao mesmo tempo, reduzir a "resistência ao calor" (realmente melhorar a condutividade térmica) entre a junção e cada ponto do radiador.

Como você combinou muitas perguntas em uma postagem e outras abordaram suas outras perguntas, darei uma resposta parcial.

Caso contrário, posso de alguma forma medir essa resistência térmica (com um sensor de temperatura?

Você conhece o calor que flui através da interface (~ 4,4 W). Como outra resposta disse, se você esperar o sistema se equilibrar, o calor que sai pelo lado superior da placa será razoavelmente baixo.

Coloque um termistor na parte superior da placa o mais próximo possível da interface da placa da caixa. Coloque outro na parte de trás do quadro embaixo dele. Agora você pode medir$\Delta{}T$.

Agora você pode estimar, pelo menos aproximadamente, a resistência térmica da placa dividindo uma pela outra.

Como você já tem respostas para suas perguntas, gostaria de sugerir uma solução "prática" .
Coloque o regulador fora da caixa de plástico. Dessa forma, o calor gerado não afetará os componentes dentro da carcaça de plástico e poderá ser mais facilmente dissipado - pois possui menos "barreiras" para passar.