Como calculo a resistência térmica do material plano de alumínio

É comum que muitos circuitos de energia sejam parafusados ​​em um pedaço de material plano de alumínio. Qual o tamanho do estoque?

Diga que estou montando uma ponta122. A pior condição é ter uma queda de 24V em 3A e um ciclo de trabalho de 50%. Então está dissipando 36W.

Olhando para a folha de dados, em 35W, a temperatura máxima da caixa é ~ 80C. Suponha uma temperatura ambiente de 25 graus.

Queda de temperatura = 35W * Tr = 55 delta ou 1,57C / W para a placa.

Então, quanta área de superfície eu preciso para conseguir isso?

Eu me aproximei corretamente?

Você pode usar esta calculadora para executar alguns números para uma placa plana (seu projeto deve ter barbatanas). Cuidado com o número limitado de tentativas e requer um parâmetro de velocidade do ar. Conecte a temperatura da caixa desejada a partir das curvas de redução, nas quais abordarei mais adiante.

Você está preso ao TIP122? E o pacote TO-220? O TIP122 e o TO-220 foram projetados apenas para aplicações de média potência. Esse tipo de aplicação seria melhor atendido por um transistor de alta potência e um pacote de lata de metal.

A diferença entre um transistor de alta potência, potência média ou sinal pequeno não está apenas em suas embalagens - está também na construção do dispositivo. A tabela de classificações máximas para a [ folha de dados TIP122] mostram que possui uma dissipação máxima de potência do coletor Pc de 2W no ar a 25 ° C ou 65W com Tc = 25 ° C. A segunda estatística supõe que você possa ter um dissipador de calor infinito, conectado ao composto final do dissipador de calor na guia (tecnicamente, mas a guia é tudo o que importa) no TO-220, de modo que a guia do dissipador de calor esteja em 25 ° C. Mesmo nesse caso, a junção do transistor, que é a sua preocupação, ultrapassará os 150 ° C. Existe resistência térmica entre a junção e a guia. (Nota: eu concordo com jluciani - eu gosto do meu silicone a 125 ° C ou mais frio). (Sidenote 2: Dissipadores de calor de metal nos BJTs geralmente são conectados ao coletor, portanto, você terá uma fonte 3A conectada ao gabinete, a uma voltagem maior que o emissor / terra, e não desejará que ele esteja em um local que possa causar curto-circuito. Fora.)

Dê uma olhada nas curvas de redução de velocidade (Figura 5 na ficha técnica TIP122):

Se você precisar dissipar 72W, simplesmente não poderá fazê-lo. Se você precisar de 36W, teria que manter o dissipador de calor a menos de 50 ° C acima da temperatura ambiente (25 ° C. É esse gradiente de temperatura de 50 graus que fornece dissipação de energia). Compare essa curva com um transistor de alta potência, como o MJ11022 [datasheet] :

O dissipador de calor agora pode ser um risco de queimadura muito antes de o transistor ser danificado. 72W corresponde a quase 100 ° C acima da temperatura ambiente e 36W a uma temperatura operacional absoluta de quase 150 ° C. Cuidado com o ciclismo térmico, se você quiser executá-lo bem quente.

Eu sugiro fortemente que você use um transistor TO-3 ou TO-204 de alta potência em vez do seu TIP122.

Você provavelmente precisará de uma placa muito grande ou de uma quantidade razoável de ar em movimento.

Qual é o horário do TIP122? Se o tempo de ativação for maior que 100mS, você estará dissipando 72W e 36W. Você precisa observar as curvas de resposta térmica transitória para determinar a redução.

Você precisa permitir alguma resistência térmica para a interface entre o gabinete do transistor e o dissipador (ou placa).

Supondo que o seu tempo de permanência seja inferior a 1 ms, você está dissipando 36W. Olhando para a folha de dados On-Semi -

Rjc = 1,92 graus C / W máx. Temperatura máxima de junção absoluta = 150degC (eu não excederia 125degC)

T = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36

Rsa = 1,05degC / W (que concorda com seu cálculo ao subtrair Rcs)

Se você der uma olhada nas folhas de dados dos fornecedores do dissipador de calor, poderá ter uma idéia dos tamanhos. Caixa http://www.aavidthermalloy.com/

Para calcular a dissipação de energia ou alterações de Rθjc ou Rθja em ambiente dinâmico (ou seja, corrente de pulso), não é um processo tão simples. Você deve observar a curva de "resposta térmica típica" fornecida pelo fabricante. Nesta curva, você pode obter a "Resistência térmica transitória" (normalizada ou real Ζθ). De qualquer forma, não posso fazer os cálculos detalhados no momento. Grosso modo, em um ambiente de 35oC, se você deseja dissipar 35W de um gabinete TO-3 e manter a temperatura do dissipador de calor em torno de 55oC usando o resfriamento natural, você precisa de uma placa de alumínio cinza, 3mm de espessura, com uma borda de 16cm (ou seja, 210 gr). Essa placa deve estar livre para irradiar dos dois lados na disposição vertical, com o dispositivo firmemente montado no centro da placa. Não se esqueça de incluir em seus cálculos a perda térmica causada pelo contato de dois metais. Na prática, os 35W estão próximos da potência máxima que você pode dissipar usando placas de metal e resfriamento natural (por exemplo, placa de metal Al 400 cm2, espessura de 5 mm, 0,5 kg, em arranjo vertical livre de um lado ou 50W de ambos os lados). Acima desses poderes, é necessário usar o dissipador de calor com aletas (natural ou forçado), o que não é difícil de calcular e construir

Este é o meu caminho para o design térmico. Nunca entenda o conceito de resistência térmica. Está cheio de suposições !! De qualquer forma, se você quiser continuar seus cálculos usando resistência térmica, é necessário ter medidas da temperatura real do caso em função do tempo em plena ou meia carga.

Eu sei que esse é um tópico antigo, mas eu o descobri pesquisando esse assunto e queria corrigir / adicionar algumas coisas. A fórmula para encontrar a resistência térmica necessária do dissipador de calor fornecida por jluciani é basicamente correta, mas falta um termo para a temperatura ambiente (Ta). A equação deve ser:

Tj = (Rjc + Rcs + Rsa) * Pd + Ta

Onde Tj é a temperatura alvo máxima da junção. Usarei 125 ° C como temperatura máxima da junção para permitir uma margem de segurança caso a temperatura ambiente ultrapasse os 25 ° C padrão. Isto dá:

125 = (1,92 + 0,5 + Rsa) * 36 +25

Rsa = (125-25) / 36 - 1,92 - 0,5 = 0,3577 graus C / W

A próxima parte para encontrar o tamanho da chapa de alumínio necessária para atingir essa baixa resistência térmica é muito mais complicada, mas este blog https://engineerdog.com/2014/09/09/free-resource-heat-sink-design -made-easy-with-one-equation / fornece uma regra muito simples de aproximação dada por:

Área = (50 / Rsa) ^ 2 cm2

Infelizmente, esta fórmula se aplica a dissipadores de calor passivos com barbatanas e acredito que o autor cometeu um erro de digitação e significa área = 50 × (1 / Rsa) ^ 2. As barbatanas fazem uma grande diferença. Depois de analisar os resultados desta calculadora on-line https://www.heatsinkcalculator.com/free-resources/flat-plate-heat-sink-calculator.html e as folhas de dados de vários fabricantes de calor passivos, fiz um pouco de ajuste de curva e veio com esta fórmula mais abrangente de ball park:

Área = (20 * 1 / (1 + vazão) * 1 / (0,25 + h) * 1 / Rsa) ^ 2 cm2

Onde fluxo é qualquer fluxo de um ventilador de refrigeração em cfm eh é a altura de qualquer aleta.

Para a situação no OP, não há resfriamento forçado, portanto, fluxo = 0 e não há aletas, então h = 0 e a fórmula simplifica para:

Área = (80 / Rsa) ^ 2

Dado que exigimos uma resistência térmica <= 0,3577, o tamanho da placa necessária para resfriar o transistor no OP é:

Área = (80 / 0.3577) ^ 2

      = (223.6 cm)^2

Provavelmente é muito grande para ser prático.

Como Kevin Vermeer apontou, esse transistor em particular neste serviço não é realmente adequado para refrigeração passiva. No entanto, uma redução drástica no tamanho do dissipador de calor pode ser obtida adicionando aletas e uma ventoinha de arrefecimento bastante modesta, como mostra a tabela na parte inferior deste link https://www.designworldonline.com/how-to-select-a -suitable-dissipador de calor / # _

Ficando com uma placa plana e adicionando uma ventoinha de resfriamento para PC bastante boa, com fluxo de ar de 100 cfm, o tamanho da placa pode ser reduzido para:

Área = (80 / (0,3577 * (1 + 100/8))) ^ 2

      =(16.56 cm)^2

O alumínio extrudado pode ser comprado em tiras longas com aletas e usar uma placa aletada com aletas de 3 cm e nenhum ventilador de refrigeração exigiria um tamanho de dissipador de calor de:

Área = (20 * 1 / (0,25 + 3) * 1 / 0,3577) ^ 2

      =(17.2 cm)^2

Por fim, a combinação do resfriamento forçado de aletas de 100 cfm e 3 cm fornece:

Área = (17,2 / (1 + 100/8)) ^ 2

     =(1.27 cm)^2

Notas:

Quedas de pressão e proximidade de outros componentes quentes no gabinete podem reduzir a eficiência.

A entrada de poeira pode isolar os dissipadores de calor e fazer com que os ventiladores diminuam a velocidade e falhem com o tempo.

Dissipadores de calor que são muito muito maiores do que a área de contato do componente, estão resfriando a eficiência perdida devido à distância que o calor teve que percorrer para se espalhar pelas extremidades do dissipador de calor

Siga as diretrizes usuais para garantir um bom contato com o componente a ser resfriado usando uma fina camada de um composto de transferência de calor adequado entre as superfícies de contato.

Os resultados desta fórmula para dissipadores de calor extremamente pequenos ou grandes devem ser tratados com desconfiança. Por exemplo, no último resultado, o raio do ventilador de refrigeração é muito maior que o dissipador de calor e, portanto, a maior parte do fluxo de ar não estaria fluindo muito próximo às aletas e, portanto, o resultado é suspeito. Caso contrário, é uma boa aproximação.

Provavelmente, é melhor adicionar 25 graus ao que você acha que a temperatura do ar ambiente é e deduzir uma margem de segurança de 25 graus da temperatura alvo máxima do componente ao realizar os cálculos, apenas para garantir a segurança.

Não use esta fórmula para projetar o resfriamento de uma usina nuclear.

Há um excelente artigo de blog localizado em http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ que fornece uma explicação detalhada dos cálculos necessários para dimensionar uma placa plana para ser usado como um dissipador de calor. Eles também fornecem os cálculos à planilha; no entanto, você precisará fornecer seu endereço de e-mail para obter o link para download.