Chłodzenie radiatorem w układach elektronicznych

Urządzenia elektroniczne w czasie pracy generują ciepło, które trzeba jak najszybciej rozproszyć. Jeśli to się nie uda, może dojść do przegrzania podzespołów i w rezultacie do uszkodzenia układu elektronicznego.

Przy projektowaniu układów elektronicznych trzeba zwrócić szczególną uwagę na kwestie chłodzenia i doboru odpowiedniego radiatora. Jego parametry można obliczyć, biorąc przy tym pod uwagę różne zależności. Najpierw należy określić straty cieplne nagrzewającego się elementu. W kolejnym kroku trzeba obliczyć rezystancję termiczną radiatora, aby na koniec określić jego kształt i wielkość oraz wszystkie pozostałe warunki chłodzenia. W ten sposób można zapewnić układowi skuteczne rozpraszanie ciepła.

Straty cieplne

W elemencie elektronicznym, przez który przepuszczany jest prąd, następuje zamiana energii elektrycznej w ciepło. Dochodzi do generowania mocy strat cieplnych (P). Jak poznać jej wartość? Wystarczy zmierzyć na danym elemencie wartość prądu (I) i napięcia (U), a potem zastosować wzór P = U * I. Trzeba jednak zwrócić uwagę na rodzaj urządzenia. Na przykład w przypadku wzmacniaczy moc strat cieplnych to po prostu różnica między mocą zasilania a mocą wyjściową, jaka została doprowadzona do głośnika. Natomiast w przetwornicach impulsowych konieczne jest wzięcie pod uwagę nacięcia nasycenia, czasów i strat przełączenia.

Rezystancja termiczna radiatora

Różne podzespoły wydzielają ciepło, które musi zostać odprowadzone do otoczenia. Trzeba zatem zwrócić jeszcze uwagę na przepływ tego ciepła. Należy pamiętać, że w obwodzie elektrycznym mamy napięcie o pewnej wartości (U), natomiast w obwodzie termicznym znajduje się źródło ciepła o określonej wartości temperatury (T). O ile w obwodzie elektrycznym przepływa prąd przez rezystancję R, o tyle w obwodzie cieplnym moc cieplna (P) przepływa przez rezystancję termiczną (Rth). Wyraża się to w K/W. Stosuje się tu wzór Rth = T/P.

W katalogach części podawane są wartości wypadkowe rezystancji termicznej (Rthja). Projektant bierze pod uwagę drogę, jaką musi przebyć ciepło od elementu do otoczenia, projektując jego chłodzenie. Najpierw ciepło przechodzi od złącza do obudowy elementu, potem od obudowy do radiatora, a na koniec musi pokonać rezystancję termiczną radiator-otoczenie (Rthra). O ile inne wartości można znaleźć w katalogach, o tyle rezystancję termiczną radiatora trzeba obliczyć (Rthra).    

Dobór radiatora

Przekazywanie ciepła z radiatora do otoczenia odbywa się poprzez powietrze, konwekcję i promieniowanie. Rezystancja termiczna radiatora zależy natomiast od jego powierzchni, kształtu, koloru powierzchni, a nawet temperatury radiatora i ruch powietrza. To wszystko oznacza, że rezystancja termiczna radiatora nie jest wcale stała. Trzeba to uwzględnić, dobierając radiatory.

Skuteczne rozpraszanie ciepła ma kluczowe znaczenie dla poprawnego funkcjonowania każdego układu elektronicznego. Odpowiednio dobrany radiator zapewni właściwe chłodzenie, dlatego użycie takiego elementu nie może być dziełem przypadku.