Elke elektrische en elektronische component genereert in een circuit een bepaalde hoeveelheid warmte terwijl het circuit wordt uitgevoerd door middel van voeding. Typisch hoogvermogen halfgeleidende apparaten zoals vermogenstransistoren en de optische elektronica zoals lichtgevende dioden , genereren lasers in aanzienlijke hoeveelheden warmte en deze componenten zijn niet geschikt om warmte af te voeren, aangezien hun dissipatievermogen aanzienlijk laag is.
Hierdoor leidt het opwarmen van de componenten tot voortijdige uitval en kan dit leiden tot uitval van het hele circuit of de prestaties van het systeem. Dus om deze negatieve aspecten te overwinnen, moeten koellichamen worden voorzien voor koeldoeleinden.
Wat is een koellichaam?
Koellichaam
Koellichaam is een elektronische component of een apparaat van een elektronisch circuit die warmte van andere componenten (voornamelijk van de vermogenstransistors) van een circuit naar het omringende medium verspreidt en ze koelt om hun prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren en ook het voortijdig falen van de componenten voorkomt. Voor het koelen is het voorzien van een ventilator of koelapparaat.
Koellichaamprincipe
Fourier's wet van warmtegeleiding stelt dat als temperatuurgradiënt aanwezig is in een lichaam, de warmte wordt overgedragen van een hoge temperatuurregio naar een toelaatbare temperatuurregio. Dit kan op drie verschillende manieren worden bereikt, zoals conventie, straling en geleiding.
Koellichaamprincipe
Telkens wanneer twee objecten met een verschillende temperatuur met elkaar in contact komen, treedt geleiding op waardoor de snel bewegende moleculen van het hete object in botsing komen met de langzaam bewegende moleculen van de koelere objecten, waardoor thermische energie wordt overgedragen aan het koelere object. , en dit wordt thermische geleidbaarheid genoemd.
Evenzo draagt het koellichaam de warmte of thermische energie van een hoge-temperatuurcomponent over naar een lage-temperatuurmedium zoals lucht, water, olie, enz. Meestal wordt lucht gebruikt als een lage-temperatuurmedium en, als water als medium wordt gebruikt, dan wordt het koude plaat genoemd.
Soorten koellichamen
De koellichamen zijn ingedeeld in verschillende categorieën op basis van verschillende criteria. Laten we eens kijken naar de belangrijkste typen, namelijk actieve koellichamen en passieve koellichamen.
Soorten koellichamen
Actieve koellichamen
Deze zijn over het algemeen van het ventilatortype en gebruiken stroom voor koeldoeleinden. Ze kunnen ook worden aangeduid als koellichaam of ventilatoren. De ventilatoren worden verder geclassificeerd als kogellagertype en glijlagertype. De motorventilatoren met kogellagers hebben de voorkeur omdat hun werkbereik langer is en ze goedkoper zijn als het gaat om een lange overspanning. De prestaties van dit soort koellichamen zijn uitstekend, maar niet voor langdurige toepassingen omdat ze bestaan uit bewegende delen en zijn ook een beetje duur.
Passieve koellichamen
Deze hebben geen mechanische componenten en zijn gemaakt van aluminium lamellenradiatoren. Deze voeren thermische energie of warmte af door gebruik te maken van het convectieproces. Deze zijn het meest betrouwbaar dan de actieve koellichamen en voor een efficiënte werking van passieve koellichamen wordt aanbevolen om een continue luchtstroom over hun vinnen te behouden.
Aluminium koellichaam
Koellichamen zijn over het algemeen gemaakt van metalen en aluminium is het meest gebruikte metaal in koellichamen. We zijn ons bewust van het feit dat de thermische geleidbaarheid van elk metaal anders is. De thermische geleidbaarheid van metaal is evenredig met de warmteoverdracht in de koellichaam . Dus als de thermische geleidbaarheid van het metaal toeneemt, dan is de
warmteoverdrachtscapaciteit van het koellichaam zal ook toenemen.
Aluminium koellichaam
De thermische geleidbaarheid van het aluminium is 235 W / mK, het is het goedkoopste en lichtgewicht metaal. Aluminium koellichamen worden ook wel geëxtrudeerde koellichamen genoemd, omdat ze kunnen worden gemaakt met behulp van extrusie.
Gestempelde koellichamen
Deze zijn gemaakt van metalen die zijn gestempeld om een bepaalde vorm te vormen. Deze stempel creëert de koellichamen wanneer metaal door de stempelmachine wordt bewogen. Deze zijn goedkoper in vergelijking met geëxtrudeerde koellichamen.
Deze worden gebruikt voor toepassingen met een laag vermogen en hebben daarom een laag vermogen.
Koellichamen bewerken
Deze worden vervaardigd door een machinaal proces, vaak wordt een bendezaag gebruikt voor het verwijderen van een blok materiaal om tussenvinnen te maken met een precieze tussenruimte. Deze zijn duur omdat er veel metaal verloren kan gaan in het fabricageproces.
Bonded-Fin koellichamen
Deze worden vaak gebruikt voor fysiek grote toepassingen die verstandige prestaties vereisen, zoals elektrisch lassen en DC-DC-steentoepassingen Deze worden gemaakt door individuele vinnen van een metaal aan de onderkant van een koellichaam te hechten. Dit kan op twee manieren worden gedaan, namelijk thermische epoxy, die economisch is en de andere is door solderen, wat duur is.
Koellichamen met gevouwen vin
Deze koellichamen met gevouwen lamellen hebben een groot oppervlak en bevatten gevouwen koellichaammateriaal en hebben daarom zeer hoge prestaties en een zeer hoge warmtefluxdichtheid. In deze putten wordt lucht rechtstreeks via een of ander kanaal in warmteafleiders geleid. Dit maakt het geheel duur omdat de fabricagekosten en de leidingen zijn inbegrepen in de totale kosten van de gootsteen.
Afgeschaafde koellichamen
Het skiving-proces wordt gebruikt voor het vervaardigen van deze putten, waarbij zeer fijne blokken metalen, meestal koper, worden gemaakt. Vandaar dat deze worden genoemd als skived koellichamen. Dit zijn medium tot hoog presterende koellichamen.
Gesmede koellichamen
De metalen zoals koper en aluminium worden gebruikt om koellichamen te vormen door middel van compressiekrachten. Dit proces wordt het smeedproces genoemd. Daarom worden ze genoemd als gesmede koellichamen.
Koellichamen met enkele lamel
Deze zijn licht van gewicht en kunnen in krappe ruimtes worden geïnstalleerd. Ze hebben ook een laag tot hoog prestatievermogen en kunnen voor veel toepassingen worden gebruikt. Maar het grootste nadeel is dat ze een beetje duur zijn.
Gesmede koellichamen
Smeden is een koud werkend smeedproces, maar kan soms zelfs worden gedaan als een warm werkproces waarbij de afmetingen van een item worden veranderd in een matrijs. Deze zijn goedkoop, presteren gemiddeld en zijn beperkt in luchtstroombeheer.
Belang van koellichamen in elektronische schakelingen
- Een koellichaam is een passieve warmtewisselaar en is ontworpen om een groot oppervlak te hebben in contact met het omringende (koel) medium, zoals lucht. De componenten of elektronische onderdelen of apparaten die onvoldoende zijn om hun temperatuur te verlagen, hebben koellichamen nodig voor koeling. Warmte gegenereerd door elk element of component van elektronische schakeling moet worden afgevoerd om de betrouwbaarheid ervan te verbeteren en om vroegtijdig falen van het onderdeel te voorkomen.
- Het handhaaft thermische stabiliteit binnen de limieten voor elke elektrische en elektronische component van elk circuit of elektronische onderdelen van een systeem. De prestaties van het koellichaam zijn afhankelijk van factoren zoals de materiaalkeuze, het ontwerp van het uitsteeksel, de oppervlaktebehandeling en de luchtsnelheid.
- De centrale verwerkingseenheden en grafische processors van een computer worden ook gekoeld met behulp van de koellichamen. Koellichamen worden ook wel warmteverspreiders genoemd, die vaak worden gebruikt als afdekkingen op het geheugen van een computer om de warmte af te voeren.
- Als er geen warmteafleiders zijn voor elektronische schakelingen, bestaat de kans op uitval van componenten zoals transistors, spanningsregelaars, IC's, leds en vermogenstransistors. Zelfs terwijl solderen van een elektronisch circuit , wordt aanbevolen om een koellichaam te gebruiken om oververhitting van de elementen te voorkomen.
- Koellichamen zorgen niet alleen voor warmteafvoer, maar worden ook gebruikt voor thermisch energiebeheer door warmte af te voeren wanneer warmte groter is. In het geval van lage temperaturen zijn koellichamen bedoeld om warmte te leveren door thermische energie vrij te geven voor een goede werking van het circuit.
Selectie van koellichaam
Voor de selectie van koellichaam moeten we de volgende wiskundige berekeningen overwegen:
Overwegen
Vraag: Warmtedissipatiesnelheid in Watt
T_j: Maximale junctietemperatuur van het apparaat in 0C
T_c: Kasttemperatuur van apparaat in 0C
T_a: Omgevingsluchttemperatuur bij 0C
T_s: Maximale temperatuur van het koellichaam zo netjes bij het apparaat in 0C
Thermische weerstand kan worden gegeven door
R = ∆T / Q
Elektrische weerstand wordt gegeven door
R_e = ∆V / I
De thermische weerstand tussen de kruising en de behuizing van het apparaat wordt gegeven door
R_jc = (∆T_jc) / Q
Geval tot zinken weerstand wordt gegeven door
R_cs = (∆T_cs) / Q
Zinken naar omgevingsweerstand wordt gegeven door
R_sa = (∆T_sa) / Q
De overgang naar omgevingsweerstand wordt dus gegeven door
R_ja = R_jc + R_cs + R_sa = (T_j-T_a) / Q
Nu is de vereiste thermische weerstand van Heat Sink
R_sa = (T_j-T_a) / Q-R_jc-R_cs
In de bovenstaande vergelijking zijn de waarden van T_j, Q en R_jc vastgesteld door de fabrikant en de waarden van T_a en R_cs zijn door de gebruiker gedefinieerd.
De thermische weerstand van het koellichaam voor toepassing moet dus kleiner zijn dan of gelijk zijn aan de hierboven berekende R_sa.
Bij het selecteren van het koellichaam moet met verschillende parameters rekening worden gehouden, zoals het toegestane thermische budget voor koellichamen, luchtstroomconditie (natuurlijk debiet, gemengd laag debiet, gedwongen convectie met hoog debiet).
Het volume van het koellichaam kan worden bepaald door de volumetrische thermische weerstand te delen door de vereiste thermische weerstand. Het bereik van de volumetrische thermische weerstand is als volgt in de onderstaande tabel.
De onderstaande grafiek toont de variatie in grootte van aluminium koellichaam en thermische weerstand als voorbeeld van het kiezen van het koellichaam op basis van de thermische weerstand.
Oppervlakte versus thermische weerstand van koellichaam
Dit artikel bespreekt in het kort over koellichamen, verschillende soorten koellichamen en het belang van koellichamen in elektronische schakelingen. Voor meerinformatie over de koellichamen, kunt u uw vragen posten doorcommentaar hieronder.
Fotocredits:
- Koellichaam door ecnmag
- Heat Sink Principle door streacom
- Heat Sink Types by elektronica-koeling
- Aluminium koellichaam door specialchem4polymers
- Oppervlakte versus thermische weerstand van koellichaam door designworldonline
