Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. o znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umis ováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BN technická literatura redakce@ben.cz

6 CHLAZNÍ LKRONICKÝCH SOUÈÁSK (PØVŠÍM POLOVOIÈOVÝCH) Všechny elektronické souèástky, které vykazují elektrický èinný odpor, produkují pøi prùchodu elektrického proudu teplo (Joule Lencùv zákon). oto teplo je nutné ze souèástky odvést do okolí proto, aby pøíliš vysoká teplota podstatnì nemìnila parametry souèástky, pøípadnì souèástku nepoškodila, nebo nevedla k její destrukci. U vìtšiny elektronických souèástek øeší problém chlazení souèástky sám výrobce, a to takovou konstrukcí souèástky, která zajistí dodržení provozního teplotního režimu souèástky v celém povoleném rozpìtí okolní teploty. U nìkterých elektronických souèástek se však výkonové zatížení v provozu mùže lišit i o nìkolik øádù. Vybavení souèástky takovým pouzdrem, které by ji bylo schopno uchladit i v pøípadì maximálního zatížení, by bylo pro výkonovì ménì nároèné aplikace drahé a rozmìrné. Jako pøíklad mùže sloužit úvaha o tom, jak velké by muselo být pouzdro tranzistoru K501 (jehož parametry jsou P Cmax 150 W, I Cmax 20 A, U Cmax 40 V), kdyby výrobce mìl zajistit uchlazení plného jeho výkonu 150 W, pøi povolené okolní teplotì J 100 C. V tomto pøípadì by pouzdro tranzistoru muselo mít plochu nìkolika set cm 2, což by bylo výrobnì i ekonomicky neúnosné. V takových pøípadech ponechává výrobce elektronických souèástek na konstruktérovi, aby otázku odvodu tepla ze souèástky øešil pøípad od pøípadu (dle technických a aplikaèních možností konkrétního zaøízení). Možností je zde nepøeberné množství, od využití tepelné vyzaøovací plochy jejích konstrukèních dílù, pouzdra (krytu), až po odvod tepla chladicím médiem. Výkonové zatížení elektronických souèástek se v èase mùže mìnit. U rychlých periodických zmìn, to je takových, kdy doba periody obvodové velièiny je znaènì kratší než èasová (èasové) konstanta (konstanty) tepelného obvodu, se poèítá støední hodnota výkonu, který musí být odveden. U aperiodických nebo pomalých zmìn, kdy doba periody je znaènì vìtší než èasová (èasové) konstanta (konstanty) tepelného obvodu, se poèítá s nejnepøíznivìjším pøípadem, to je s maximálním výkonovým zatížením. ento pøípad znaènì zjednodušuje øešení, protože je možné øešit tepelný obvod pro ustálené podmínky (tedy bez uvažování tepelných kapacit a tím bez øešení pøechodových jevù popisovaných diferenciálními rovnicemi). Zmìny okolní teploty se zavádí do øešení, podle její periodicity. U rychlých zmìn, v porovnání s èasovou konstantou (konstantami) tepelného obvodu, bereme v úvahu prùmìrnou teplotu okolí. U aperiodických nebo pomalých jevù, bereme v úvahu nejvyšší teplotu okolí, která pøedstavuje nejnepøíznivìjší pøípad. 0. Fukátko, J. Fukátko: eplo a chlazení v elektronice II. A

Pøi výpoètu chladicích obvodù se používají následující velièiny Jj (Ji) je maximální teplota vnitøního systému souèástky (u polovodièových souèástek na pøíklad èipu). J a je teplota okolí. P z R ti je ztrátový výkon elektronické souèástky. je teplotní odpor mezi vnitøním systémem souèástky (na pøíklad èipu) a pouzdrem. Nízká hodnota tohoto teplotního odporu je rozhodující pro možnost úèinného chlazení. J p je teplota pouzdra souèástky Nìkteøí výrobci elektronických souèástek udávají maximální výkonové zatížení P max, platící pro povolenou maximální teplotu okolí, a to buï pro ideální chlazení (J p J a ), nebo bez chlazení, ménì èastìji pak s urèitým chladièem (napøíklad s chladièem Al 40 40 mm svisle apod.). 6.1 Ztrátový výkon elektronických souèástek eplo v souèástce vzniká v dùsledku jejího ztrátového výkonu. Pøitom je tøeba rozlišovat mezi trvalým ztrátovým výkonem (trvalým výkonovým zatížením) souèástky a pulzním výkonovým zatížením. 6.1.1 rvalé (klidové) výkonové zatížení 87, 7 >:9$@ (18) kde U je úbytek napìtí na souèástce pøi proudu I I je trvalý proud protékající souèástkou U polovodièové diody je P Z I F U F v pracovním bodì. U tranzistoru je ztrátový výkon dán elektrickým pøíkonem báze a kolektoru. F + % 8 &(, F + 8 %(,% (19) kde U C, I c, U B, I B jsou hodnoty platící pro klidový pracovní bod. 6.1.2 Pulzní výkonové zatížení (pro pravoúhlý impulz) W S 6 LPS 72 8, LPS 7 LPS >:VV:@ >:9$@ kde P s je støední výkon P im je výkon v pulzu t je šíøka pravoúhlého pulzu 0 je perioda (20) A 6 Chlazení elektronických souèástek 1

I jmp je proud v pulzu U 2m je napájecí (špièkové) napìtí I cm je maximální (špièkový) proud Ztrátový výkon koncových zesilovaèù ve tøídì A je pøi plném vybuzení P z 0,5P c. Ztrátový výkon koncových zesilovaèù ve tøídì B a AB je pøi plném vybuzení 8 P, FP 8 P, FP 66 YêVW 8 P, FP π π 6.1. epelný odpor chladicího obvodu epelné pøechody jsou místa s rozdílnou teplotou, které jsou charakterizovány tepelným odporem. Pro øešení chladicího obvodu je nutné lokalizovat tepelné pøechody a stanovit jejich tepelný odpor. V následujících pøíkladech je naznaèen výpoèet tìchto odporù. þls 6LWXFH SRX]GUR 1iKUGQtVFKpP ϑ S ϑ S ϑ ( % & 5 WL ϑm S 5 WS Výpoèet tepelného odporu tranzistoru: tranzistor v pouzdøe O5 bez chladièe. 6LWXFH 1iKUGQtVFKpP 5 WO ϑ ϑfk ϑ ( % & 5 WO 5W ] 5WS ] FK ϑfk 5WFK ] ϑm S 5WL Výpoèet tepelného odporu tranzistoru:tranzistor v pouzdøe O5 s radiálním chladièem. ] 2. Fukátko, J. Fukátko: eplo a chlazení v elektronice II. A

U tohoto typu chladièù se vìtšinou tepelný odpor R t (mezi pouzdrem tranzistoru a chladièem) neuvažuje, protože pøevážná èást plochy pouzdra je kryta chladièem. Pouzdro se vìtšinou natírá pro spolehlivý tepelný kontakt silikonovým tukem (vazelínou). 6LWXFH ϑ 5 W 5 W 1iKUGQtVFKpP 5 W 5 W 5 W ϑ S ϑ FK ϑ Výpoèet tepelného odporu tranzistoru: výkonový tranzistor v kovovém pouzdøe umístìný na plošném chladièi Pøi použití plošného chladièe nemusí být pøechodový tepelný odpor R t zanedbatelný, a to pøedevším tehdy, když požadavky na chlazení málo pøevyšují možnosti samotného pouzdra tranzistoru, a proto použitý chladiè je malý. Legenda k pøíkladùm: R t1 je tepelný odpor mezi pouzdrem a chladièem, respektive podložkou (viz tab. 6) R tp je tepelný odpor mezi pouzdrem a okolím R tch je tepelný odpor mezi chladièem a okolím R ta je tepelný odpor izolaèní podložky R ti je tepelný odpor pøechodu èip pouzdro tranzistoru J p je teplota pouzdra J ch je teplota chladièe J j je teplota èipu J a je teplota okolí A 6 Chlazení elektronických souèástek

ab. 11 Korekèní faktory podle plochy chladící desky 7YUGHVN\ YRGRURYQiSORFKiGHVNSRYUFKþLVWê VYLVOiSORFKSRYUFKþLVWê YRGRURYQiSORFKiGHVNSRYUFKþHUQ Q VYLVOiSORFKSRYUFKþHUQ Q.RUHNþQtINWRU& V literatuøe se èasto vyskytuje výraz ideální chlazení. ímto pojmem se rozumí takové uspoøádání chladicího obvodu, kde chladiè zajistí na pouzdøe souèástky takovou teplotu, jakou má okolí. o znamená, že všechny tepelné odpory od pouzdra vnì mají hodnoty blížící se nule. V tomto pøípadì má obvod uspoøádání podle následujícího obrázku. Souèástka mùže být zatížena nejvyšším ztrátovým výkonem P z (J ch J a ) R ti. 5 FK ϑ FK ϑ ϑ M S ] 5WL Výpoèet tepelného odporu tranzistoru: výkonový tranzistor v kovovém pouzdøe umístìný na plošném chladièi 4. Fukátko, J. Fukátko: eplo a chlazení v elektronice II. A

7 RÙZNÉ ZPÙSOBY CHLAZNÍ POUŽÍVANÉ V LKRONIC (VIZ ÉŽ PØÍLOHU 1) Na obr. 4 [6] jsou uvedeny pøibližné hodnoty tepelného toku, který lze odvést pøi teplotním rozdílu J 40 K mezi elektronickým zaøízením a okolním prostøedím. V dalším budou jednotlivé zpùsoby chlazení podrobnìji probrány. URXG Qt YRWHY HQpP SURVWRUX URXG Qt YX]Y HQpP SURVWRUX 9ROQpSURXG Qt 1XFHQpSURXG Qt 1XFHQp SURXG Qt P Q VNXSHQVWYt 9HGHQt WHSO Obr. 4 HYQêFKOGLþ 9êP QtNWHSO.SOLQYHYUX Pøibližné hodnoty tepelného toku, který lze odvést pøi teplotním rozdílu J 40 K mezi elektronickým zaøízením a okolním prostøedím [6]. A 7 Rùzné zpùsoby chlazení používané v elektronice 5