Chłodzenie i radiatory

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie metod chłodzenia układów mocy i projektowania obwodów cieplnych 2. Model termiczny przyrządu mocy Problemy termiczne są obecnie podstawowym źródłem uszkodzeń zarówno układów scalonych jak i przyrządów mocy. Prawidłowe zaprojektowanie układu chłodzącego jest niezbędnym elementem każdej praktycznej aplikacji. Numeryczne trudności związane z rozwiązywaniem równań wymiany ciepła sprawiają, że prowadzi się na ogół analizę uproszczoną - jednowymiarową. Na rysunku pierwszym jest przedstawiony jednowymiarowy model termiczny przyrządu mocy. W stanie ustalonym schemat upraszczamy do czterech rezystancji termicznych. Tobudowa

Tzłącze

Rth c-r

Rth j-c

Totoczenia

Tradiator Rth r-a

P

Cj

Cc

Rth c-a

Cr

Rys 1: Schemat zastępczy układu cieplnego przyrządu półprzewodnikowego a) Rthj-c – rezystancja termiczna przyrząd – obudowa – wewnętrzna rezystancja przyrządu. Parametr należy odczytać z katalogu. Użytkownik przyrządu nie może wpłynąć na jego wartość. b) Rthc-a – rezystancja termiczna obudowa – otoczenie – jest zależna od powierzchni, kształtu i materiału z którego wykonano obudowę. W układach z radiatorem na ogół można ją zupełnie pominąć. W danych katalogowych niekiedy występuje łącznie z Rthj-c (Rthj-a = Rthj-c + Rthjc-a) c) Rthc-r – rezystancja termiczna przejścia obudowa – radiator – jest zależna od powierzchni styku, gładkości, płaskości i czystości stykających się powierzchni oraz siły dociskającej radiator do elementu. W celu zmniejszenia rezystancji Rthc-r stosuje się często pasty silikonowe (z tlenkiem aluminium jako wypełniaczem) lub podkładki z miękkiego metalu. d) Rthr-a – rezystancja termiczna radiatora e) Cj – pojemność cieplna przyrządu półprzewodnikowego f) Cc – pojemność cieplna obudowy g) Cr – pojemność cieplna radiatora 3. Radiatory Radiator jest tym elementem obwodu cieplnego o którym decyduje projektant urządzenia. Dobór właściwego radiatora jest niezbędny do właściwej pracy przyrządu. Najprostszą formą radiatora jest płaska płytka wykonana z dobrego przewodnika ciepła (najczęściej aluminium). W przypadku niewielkich struktur (mających jednakową temperaturę w każdym punkcie) rezystancja termiczna płytki jest odwrotnie proporcjonalna do jej powierzchni. Z uwagi na to,

że radiator ogrzewany jest punktowo i rozkład temperatury na jego powierzchni nie jest jednakowy, jego wypadkowa rezystancja termiczna jest większa i wyraża się wzorem: Rth 

d S λ C

3,3

 d

C

650 C S

(1)

- grubość płyty [mm] - powierzchnia całkowita płyty [cm2] - współczynnik przewodności cieplnej materiału - współczynnik ustawienia płyty i stanu powierzchni 1,00 – poziomo, nie obrabiana 0,85 – pionowo, nie obrabiana 0,50 – poziomo, czerniona 0,43 – pionowo, czerniona

Radiatory w postaci płaskich płyt są stosowane niezmiernie rzadko i tylko do obwodów wymagających rezystancji termicznej radiatora nie mniejszej niż 5 K/W. Na ogół stosowane są elementy użebrowane lub kształtowane w celu uzyskania możliwie dużej powierzchni oddającej ciepło przy dogodnej konstrukcji. Rezystancja termiczna radiatora zależy od jego długości, objętości obrysowej i temperatury (większa temperatura powietrza powoduje jego szybsze unoszenie, a więc i lepszą efektywność chłodzenia). Radiatory użebrowane pracujące w warunkach konwekcji naturalnej stosuje się przy wymaganiach rezystancji termicznej z przedziału 1 – 5 K/W. W celu uzyskania rezystancji termicznej poniżej 1 K/W należy stosować konwekcję wymuszoną. Przy większej prędkości przepływu czynnika chłodzącego można zastosować mniejszą powierzchnię chłodzenia przy tej samej efektywności. Stosowanie konwekcji wymuszonej jest jednak bardziej kłopotliwe, zawodne (szczególnie niebezpieczna dla układu mocy jest awaria wentylatora) i dokuczliwe (hałas) niż wykorzystanie tylko konwekcji naturalnej. 1. Projektowanie układu chłodzącego Konstruktor układu ma wpływ na dwa parametry występujące w obwodzie cieplnym: moc traconą w elemencie i rezystancję termiczną radiator-otoczenie. W katalogach można odszukać rezystancję termiczną złącze-obudowa i dopuszczalną temperaturę złącza. Temperaturę otoczenia należy ustalić w założeniach konstrukcyjnych. Problemem na ogół stawianym przed konstruktorem jest dobranie właściwej rezystancji termicznej radiatorotoczenie przy określonej mocy generowanej w układzie. element dioda standardowa dioda szybka dioda Schottky’ego tyrystor tranzystor mocy IGBT

Tjmax 190 ˚C 150 ˚C 150 ˚C 125 ˚C 175 ˚C 200 ˚C

Dane: P, Tjmax, Rj-c, Rc-r, Tamb Szukane: Rthr-a Rthra 

T j max  Tamb P

 Rthjc  Rthcr

(2)

2. Inne sposoby chłodzenia Czasem w wyjątkowych sytuacjach stosuje się inne sposoby chłodzenia układu mocy. 

chłodzenie cieczowe oparte jest na konwekcji wymuszonej. Jako cieczy używa się na ogół wody (jest nieszkodliwa dla zdrowia, tania, ma dużą przewodność cieplną i ciepło właściwe, małą lepkość, dobrą wytrzymałość napięciową) rzadziej oleju transformatorowego. Obieg cieczy jest obiegiem zamkniętym i wymuszonym pracą pompy. Ciecz chłodzona jest za pośrednictwem chłodnicy powietrznej lub wymiennika ciepła chłodzonego bieżącą wodą.



ogniwo Peltiera

W 1834 Francuz Jean Charles Peltier odkrył, że gdy przez złącze dwóch różnych przewodników stałych płynie prąd, wtedy na złączu tym jest wydzielane lub pochłaniane ciepło. Ilość ciepła jest proporcjonalna do ładunku przepływającego przez złącze, a więc do pierwszej potęgi natężenia prądu. Ciepło Peltiera dodaje się, lub odejmuje od ciepła Joule’aLenza, które zależy od kwadratu natężenia prądu. Efekty związane z ciepłem Peltiera mogą być znaczne.

dQ  P12 Idt

(3)

gdzie: I dQ P 1-2

– prąd w obwodzie – wydzielone lub pochłonięte ciepło – współczynnik Peltiera

Przyczyną zjawiska Peltiera są różnice średnich energii nośników prądu w różnych materiałach stykających się ze sobą. Przejście nośnika ładunku z jednego materiału do drugiego wiąże się z koniecznością oddania bądź pobrania energii w zależności od kierunku prądu. Produkcja baterii chłodniczych o odpowiednio dużej wydajności wymaga użycia ściśle określonych materiałów o optymalnych parametrach:  (siła termoelektryczna),  (przewodność właściwa) i  (przewodność cieplna).. Dobrymi materiałami do budowy elementów chłodniczych są związki bizmutu, selenu i telluru oraz antymonu, selenu i telluru. Użyte materiały powinny charakteryzować się odpowiednim domieszkowaniem. Ogniwo termoelektryczne zbudowane jest z dwóch gałęzi. Gałąź ujemna wykonana jest z półprzewodnika typu n (Bi-Se), zaś gałąź dodatnia z półprzewodnika typu p (Bi-Te). Przy konstrukcji baterii chłodniczych z otrzymanych próbek pojawia się kilka problemów.

Pierwszym z nich jest otrzymanie połączeń między gałęziami łatwych i tanich w seryjnej produkcji o małej oporności właściwej. Najczęściej stosuje się metodę polegającą na lutowaniu bizmutem. Drugim problemem podczas produkcji baterii jest otrzymanie dobrej izolacji cieplnej między końcami próbek. Z tego powodu zatapia się połączone próbki w masie plastycznej. Materiały używane do zatapiania muszą posiadać jak najmniejszą przewodność cieplną, nie mogą przewodzić prądu , muszą łatwo przyklejać się do powierzchni i posiadać odpowiedni współczynnik rozszerzalności cieplnej. Te warunki bardzo dobrze spełnia żywica epoksydowa. Ostatnim problemem jest odprowadzenie największej ilości ciepła od ogrzewanych złącz baterii. Jako radiatorów używa się radiatorów aluminiowych o płaskiej powierzchni styku pokrytej warstwą izolującą z Al2O3. Niekiedy ogrzane końce próbek chłodzi się obiegiem cieczy. 

chłodzenie dwustanowe wykorzystuje zjawiska zachodzące w rurze cieplnej. Jeden z końców rury jest ożebrowany, a drugi dociśnięty do przyrządu mocy. Wewnątrz rury znajduje się ciecz (na ogół woda). Ciecz zostaje odparowana przy przyrządzie i przemieszcza się do drugiego końca gdzie zostaje skroplona. Następnie cienkimi kapilarami spływa w kierunku elementu zamykając obieg. Warunkiem efektywnego chłodzenia jest wykorzystanie cieczy o dużym cieple parowania.

4. Schemat układu pomiarowego

+

OBCIĄŻENIE

ZASILANIE

R2

R1

RZ

┴

D3

D4

R3

R4

T1

T2

T3

M1

POMIAR TEMPERATURY T1 – tranzystor IGBT – IRG4BC20S (obudowa TO-220AB) T2 – tranzystor IGBT – IRG4BC20S + radiator płaski T3 – tranzystor IGBT – IRG4BC20S + radiator żebrowany

D1

D2

M1 – tranzystor MOS – IRF530 (obudowa TO-220A) D1 – dioda + radiator płaski D2 – dioda D3 – D4 – diody 1N4007 (obudowa DO41) R1 – R2 - AX50WR 47R – 47 Ω, 12 W – bez radiatora R3 – R4 - 50 Ω Czujnik temperatury – KTY81 – 210 1. Zadania do wykonania: a) Wykonać pomiary temperatury obudowy w funkcji czasu dla trzech tranzystorów IGBT. Wykorzystać jako obciążenie zewnętrzną opornicę suwakową. Napięcie zasilacza ustawić na 50 V, a bramki na 10V. Zanotować wartość rezystancji obciążenia, prądu w obwodzie i napięć na tranzystorze. Obserwacje wykonywać aż do stanu ustalonego. b) Wykonać pomiary temperatury obudowy w funkcji czasu dla dwóch diod PIN i dla prądów o wartościach 1A, 2A, 2,5A. Zanotować wartości napięcia na diodzie. Obserwacje wykonywać aż do stanu ustalonego 5. Co w sprawozdaniu a)     

Wykresy temperatury w funkcji czasu dla poszczególnych pomiarów Obliczenia rezystancji termicznej obudowa-otoczenie i radiator-otoczenie Wykres impedancji termicznej obudowa-otoczenie Obliczenia pojemności termicznej obudowa-otoczenia Wnioski

b)     

Wykresy temperatury w funkcji czasu dla poszczególnych pomiarów Obliczenia rezystancji termicznej obudowa-otoczenie i radiator-otoczenie Wykres impedancji termicznej obudowa-otoczenie Obliczenia pojemności termicznej obudowa-otoczenie Wnioski

3. Pytania a) Omówić sposoby chłodzenia układów elektronicznych. b) Jak wygląda model termiczny przyrządu mocy? Narysować schemat i wyjaśnić znaczenie poszczególnych elementów schematu. c) Od czego zależy rezystancja termiczna przejścia obudowa – radiator? d) Od czego zależy rezystancja termiczna radiatora? e) Dlaczego rezystancja dużych radiatorów nie zależy proporcjonalnie od powierzchni (tak jak dla małych radiatorów)? f) Z czego wynika zależność rezystancji termicznej od temperatury? g) W jaki sposób należy dobrać radiator do konkretnego układu mocy? h) Na czym polega chłodzenie cieczowe? i) Na jakiej zasadzie działa ogniwo Peltiera?

j) Na czym polega chłodzenie dwufazowe?