Výpočty tepelných odporů chladicích profilů

Pro bezvadnou funkci polovodičových součástek je nezbytné dodržet maximální povolenou teplotu přechodové vrstvy (hradla) udanou výrobcem. Maximální teplota přechodové vrstvy se dá bez doplňkového chlazení dodržet pouze při požadavku nepatrného výkonu. Při vyšších požadovaných výkonech musí být polovodiče opatřeny chladiči, které zajistí dodatečný odvod tepla.

Odvedený teplotní výkon chladiče spočívá v první řadě na schopnostech materiálu odvádět teplo, velikosti jeho plochy a hmotnosti chladicího tělesa. Barva plochy povrchu, poloha a způsob umístění, teplota a rychlost okolního vzduchu, to jsou proměnné veličiny a výrazně se liší případ od případu. Další veličina, která má podstatný vliv, je způsob montáže a použitá izolace při upevnění polovodičů na chladiče. Tuto veličinu lze ovšem spolehlivě ověřit pokusy a výsledky pak použít při výpočtech.

Mezinárodně neexistuje žádná platná norma, která závazně stanovuje měřicí metody pro zjišťování hodnot tepelných odporů chladičů pro návrhy použití v elektronických obvodech.

Diagramy a hodnoty uváděné v katalozích chladičů jsou blízké praktickým zjištěním a nabízejí pro běžné případy možnosti volby vhodných chladičů pro dané aplikace.

I když většinou informace a data vycházejí z nejlepších poznatků při měřeních vlastností chladicích profilů, přesto odpovědnost za funkčnost a využití produktů leží výhradně na uživateli, který by měl před zamýšleným použitím přezkoušet jejich bezvadnou funkci.

Při výběru vhodného chladiče je vedle použitého pouzdra součástky velmi důležitá velikost prostoru určeného pro jeho umístění. Pro výpočet tepelného odporu je nutné dosadit do následující rovnice hodnoty stanovené výrobcem polovodičů a určené daným zapojením.

Rovnice pro výpočet tepelného odporu RthK:

Aby v daném použití max. teplota přechodu polovodiče nebyla překročena, je nutné si tuto teplotu ověřit. Teplota přechodu polovodiče není přímo změřitelná, avšak v tomto případě můžeme změřenou teplotu pouzdra polovodiče považovat pro výpočet za dostatečně vyhovující.

i = maximální teplota přechodu polovodiče v °C (údaje výrobce), z bezpečnostních důvodů se doporučuje odečíst 20–30 °C od udané teploty.

u = teplota okolí v °C. Je nutné přihlédnout k vlastnímu tepelnému vyzařování chladiče a teplotu povýšit o 20–30 °C.

 = rozdíl teplot mezi teplotou přechodu polovodiče a teplotou okolí.

G = celková teplota pouzdra polovodiče.

P = max. ztrátový výkon chlazeného polovodiče (W).

Rth = tepelný odpor celkem v K/W.

RthG = vnitřní tepelný odpor polovodiče (údaje výrobce).

RthM = tepelný odpor montážní plochy.

Pro pouzdro TO 3 můžeme dosadit následující hodnoty:

Pomocí těchto vypočítaných hodnot vyhledáme v katalogu podle grafů tepelných závislostí u jednotlivých chladicích profilů vhodný chladič.