Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров. Как рассчитать радиатор

Один из наиболее важных вопросов создания комфортных условий проживания в доме или квартире – это надежная , правильно рассчитанная и смонтированная, хорошо сбалансированная система отопления. Именно поэтому создание такой системы – главнейшая задача при организации строительства собственного дома или при проведении капитального ремонта в квартире многоэтажки.

Несмотря на современное разнообразие систем отопления различных типов, лидером по по пулярности все же остается проверенная схема: контуры труб с циркулирующим по ним теплоносителем, и приборы теплообмена – радиаторы, установленные в помещениях. Казалось бы – все просто , батареи стоят под окнами и обеспечивают т ребуемый нагрев… Однако, необходимо знать, что теплоотдача от радиаторов должна соответствовать и площади помещения, и целому ряду других специфических критериев. Теплотехнические расчеты , основанные на требованиях СНиП – достаточно сложная процедура, выполняемая специалистами. Тем не менее , можно выполнить ее и своими силами, естественно, с допустимым упрощением. В настоящей публикации будет рассказано, как самостоятельно провести расчет батарей отопления на площадь обогреваемого помещения с учетом различных нюансов.

Но, для начала, нужно хотя бы бегло ознакомиться с существующими радиаторами отопления – от их параметров во многом будут зависеть и результаты проводимых расчетов .

Кратко о существующих типах радиаторов отопления

• Стальные радиаторы панельной или трубчатой конструкции.
• Чугунные батареи.
• Алюминиевые радиаторы нескольких модификаций.
• Биметаллические радиаторы.

Стальные радиаторы

Этот тип радиаторов не снискал себе особой популярности, несмотря на то, что некоторым моделям придается весьма элегантное дизайнерское оформление. Проблема в том, что недостатки таких приборов теплообмена существенно превышают их достоинства – невысокую цену¸ относительно небольшую массу и простоту монтажа.

Тонкие стальные стенки таких радиаторов недостаточно теплоёмки – быстро нагреваются, но и столь же стремительно остывают. Могут возникнуть проблемы и при гидравлических ударах – сварные соединения листов иногда дают при этом течь . Кроме того, недорогие модели, не имеющие специального покрытия, подвержены коррозии, и срок службы таких батарей невелик – обычно производители дают им довольно небольшую по длительности эксплуатации гарантию.

В подавляющем большинстве случаев стальные радиаторы представляют собой цельную конструкцию, и варьировать теплоотдачу изменением числа секций не позволяют. Они имеют паспортную тепловую мощность, которую сразу же нужно выбирать, исходя из площади и особенностей помещения, где они планируются к установке. Исключение – некоторые трубчатые радиаторы имеют возможность изменения количества секций, но это обычно делается под заказ, при изготовлении, а не в домашних условиях.

Чугунные радиаторы

Представители этого типа батарей наверняка знакомы каждому еще с раннего детства – именно такие гармошки устанавливались ранее буквально повсеместно .

Возможно, такие батареи МС -140— 500 и не отличались особым изяществом, но зато верно служили не одному поколению жильцов. Каждая секция подобного радиатора обеспечивала теплоотдачу в 160 Вт. Радиатор сборный, и количество секций, в принципе, ничем не ограничивалось.

В настоящее время в продаже немало современных чугунных радиаторов. Их уже отличает более элегантный внешний вид, ровные гладкие наружные поверхности, которые облегчают уборку. Выпускаются и эксклюзивные варианты, с интересным рельефным рисунком чугунного литься.

При всем этом, такие модели в полной мере сохраняют основные достоинства чугунных батарей:

• Высокая теплоемкость чугуна и массивность батарей способствуют длительному сохранению и высокой отдаче тепла.
• Чугунные батареи, при правильной сборке и качественном уплотнении соединений, не боятся гидроударов, перепадов температур.
• Толстые чугунные стенки мало восприимчивы к коррозии и к абразивному износу.Может использоваться практически любой теплоноситель, так что такие батареи одинаково хороши и для автономной, и для центральной систем отопления.

Если не принимать в расчёт внешние данные старых чугунных батарей, то из недостатков можно отметить хрупкость металла (недопустимы акцентированные удары), относительную сложность монтажа, связанную в больше мере с массивностью. Кроме того, далеко не любые стеновые перегородки смогут выдержать вес таких радиаторов.

Алюминиевые радиаторы

Алюминиевые радиаторы, появившись сравнительно недавно, очень быстро завоевали популярность. Они относительно недороги, имеют современный, достаточно элегантный внешний вид, обладают отменной теплоотдачей.

Качественные алюминиевые батареи способны выдерживать давление в 15 и более атмосфер, высокую температуру теплоносителя – порядка 100 градусов. При этом тепловая отдача от одной секции у некоторых моделей достигает порой 200 Вт. Но при этом они небольшой массой (вес секции – обычно до 2 кг) и не требуют большого объема теплоносителя (емкость – не более 500 мл).

Алюминиевые радиаторы представлены в продаже как наборными батареями, с возможностью изменения количества секций, так и цельными изделиями, рассчитанными на определенную мощность.

Недостатки алюминиевых радиаторов:

• Некоторые типы весьма подвержены кислородной коррозии алюминия, с высоким риском газообразования при этом. Это предъявляет особы требования к качеству теплоносителя, поэтому такие батареи обычно устанавливают в автономных системах отопления.
• Некоторые алюминиевые радиаторы неразборной конструкции, секции которых изготавливаются по технологии экструзии, могут при определенных неблагоприятных условиях дать течь на соединениях. При этом провести ремонт – попросту невозможно, и придется менять всю батарею в целом.

Изо всех алюминиевых батарей самые качественные – изготовленные с применением анодного оксидирования металла. Этим изделиям практически не страшна кислородная коррозия.

Внешне все алюминиевые радиаторы примерно похожи, поэтому необходимо очень внимательно читать техническую документацию, делая выбор.

Биметаллические радиаторы отопления

Подобные радиаторы по своей надежности оспаривают первенство с чугунными, а по тепловой отдаче – с алюминиевыми. Причина тому заключается в их особой конструкции.

Каждая из секций состоит из двух, верхнего и нижнего, стальных горизонтальных коллекторов (поз. 1), соединенных таким же стальным вертикальным каналом (поз.2). Соединение в единую батарею производится высококачественными резьбовыми муфтами (поз. 3). Высокая теплоотдача обеспечивается наружной алюминиевой оболочкой.

Стальные внутренние трубы выполнены из металла, которые не подвержен коррозии или имеет защитное полимерное покрытие. Ну а алюминиевый теплообменник ни при каких обстоятельствах не контактирует с теплоносителем, и коррозия ему абсолютно не страшна.

Таким образом, получается сочетание высокой прочности и износоустойчивости с отличными теплотехническими показателями.

Цены на популярные радиаторы отопления

Радиаторы отопления

Такие батареи не боятся даже очень больших скачков давления, высоких температур. Они, по сути, универсальны, и подходят для любых систем отопления, правда, наилучшие эксплуатационные характеристики они все же показывают в условиях высокого давления центральной системы – для контуров с естественной циркуляцией они малопригодны.

Пожалуй, единственных их недостаток – высокая цена по сравнению с любыми другими радиаторами.

Для удобства восприятия размещена таблица, в которой приведены сравнительные характеристики радиаторов. Условные обозначения в ней:

• ТС – трубчатые стальные;
• Чг – чугунные;
• Ал – алюминиевые обычные;
• АА – алюминиевые анодированные;
• БМ – биметаллические.

Видео: рекомендации по выбору радиаторов отопления

Возможно, вас заинтересует информация о том, что собой представляет

Как рассчитать нужное количество секций радиатора отопления

Понятно, что установленный в помещении радиатор (один или несколько) должен обеспечить прогрев до комфортной температуры и компенсировать неизбежные теплопотери, независимо от погоды на улице.

Базовой величиной для вычислений всегда выступает площадь или объем комнаты. Сами по себе профессиональные расчеты – весьма сложны, и учитывают очень большое число критериев. Но для бытовых нужд можно воспользоваться упрощенными методиками.

Самые простые способы расчета

Принято считать, что для создания нормальных условий в стандартном жилом помещении достаточно 100 Вт на квадратный метр пл ощади. Таким образом, следует всего лишь вычислить площадь комнаты и умножить ее на 100.

Q = S × 100

Q – требуемая теплоотдача от радиаторов отопления.

S – площадь обогреваемого помещения.

Если планируется установка неразборного радиатора, то это значение и станет ориентиром для подбора необходимой модели. В случае, когда будут устанавливаться батареи, допускающие изменение количества секций, следует провести еще один подсчет :

N = Q / Qус

N – рассчитываемое количество секций.

Qус – удельная тепловая мощность одной секции. Эта величина в обязательном порядке указывается в техническом паспорте изделия.

Как видите, расчеты эти чрезвычайно просты, и не требуют каких-либо особых знаний математики – достаточно рулетки чтобы измерить комнату и листка бумаги для вычислений. Кроме того, можно воспользоваться и таблицей, расположенной ниже – там приведены уже рассчитанные значения для комнат различной площади и определённых мощностей обогревательных секций.

Таблица секции

Однако, нужно помнить, что эти значения – для стандартной высоты потолка (2,7 м ) многоэтажки. Если высота комнаты иная, то лучше просчитать количество секций батареи, исходя из объема помещения. Для этого применяется усредненный показатель – 41 В т т епловой мощности на 1 м³ объема в панельном доме, или 34 Вт – в кирпичном.

Q = S × h × 40 (34 )

где h – высота потолка над уровнем пола.

Дальнейший расчет – ничем не отличается от представленного выше.

Подробный расчет с учетом особенностей помещения

А теперь перейдем к более серьезным расчетам . Упрощенная методика вычисления, приведенная выше, может преподнести хозяевам дома или квартиры «сюрприз». Когда установленные радиаторы не будут создавать в жилых помещениях требуемого комфортного микроклимата. И причина тому – целый перечень нюансов, которых рассмотренный метод просто не учитывает. А между тем , подобные нюансы могут иметь весьма важное значение.

Итак, за основу вновь берется площадь помещения и всё те же 100 Вт на м². Но сама формула уже выглядит несколько иначе:

Q = S × 100 × А × В × С × D × Е × F × G × H × I × J

Буквами от А до J условно обозначены коэффициенты, учитывающие особенности помещения и установки в нем радиаторов. Рассмотрим их по по рядку:

А – количество внешних стен в помещении.

Понятно, что чем выше площадь контакта помещения с улицей, то есть, чем больше в комнате внешних стен, тем выше общие теплопотери. Эту зависимость учитывает коэффициент А :

• Одна внешняя стена – А = 1,0
• Две внешних стены – А = 1,2
• Три внешний стены – А = 1,3
• Все четыре стены внешние – А = 1,4

В – ориентация помещения по сторонам света.

Максимальные теплопотери всегда в комнатах, в которые не поступает прямого солнечного света. Это, безусловно, северная сторона дома, и сюда же можно отнести восточную – лучи Солнца здесь бывают только по утрам, когда светило еще «не вышло на полную мощность».

Южная и западная стороны дома всегда прогреваются Солнцем значительно сильнее.

Отсюда – значения коэффициента В :

• Комната выходит на север или восток – В = 1,1
• Южная или западная комнаты – В = 1, то есть, может не учитываться.

С – коэффициент, учитывающий степень утепленности стен.

Понятно, что теплопотери из отапливаемого помещения будут зависеть от качества термоизоляции внешних стен. Значение коэффициента С принимают равным:

• Средний уровень - стены выложены в два кирпича, или предусмотрено их поверхностное утепление другим материалом – С = 1,0
• Внешние стены не утеплены – С = 1,27
• Высокий уровень утепления на основе теплотехнических расчетов – С = 0,85.

D – особенности климатических условий региона.

Естественно, что нельзя равнять все базовые показатели требуемой мощности обогрева «под одну гребенку » — они зависят и от уровня зимних отрицательных температур, характерного для конкретной местности. Это учитывает коэффициент D. Для его выбора берутся средние температуры самой холодной декады января – обычно это значение несложно уточнить в местной гидрометеорологической службе.

• — 35 ° С и ниже – D= 1,5
• — 25÷ — 35 ° С – D= 1,3
• до – 20 ° С – D= 1,1
• не ниже – 15 ° С – D= 0,9
• не ниже – 10 ° С – D= 0,7

Е – коэффициент высоты потолков помещения.

Как уже говорилось, 100 Вт/м² — это усредненное значение для стандартной высоты потолков. Если она отличается, следует ввести поправочный коэффициент Е :

• До 2,7 м – Е = 1, 0
• 2,8 – 3, 0 м – Е = 1, 05
• 3,1 – 3, 5 м – Е = 1, 1
• 3,6 – 4, 0 м – Е = 1,15
• Более 4,1 м – Е = 1,2

F– коэффициент, учитывающий тип помещения, расположенного выше

Устраивать систему отопления в помещениях с холодным полом – бессмысленное занятие, и хозяева всегда в этом вопросе принимают меры. А вот тип помещения, расположенного выше, часто от них никак не зависит. А между тем, если сверху жилое или утепленное помещение, то общая потребность в тепловой энергии значительно снизится:

• холодный чердак или неотапливаемое помещение – F= 1,0
• утепленный чердак (в том числе – и утепленная кровля) – F= 0,9
• отапливаемое помещение – F= 0,8

G– коэффициент учета типа установленных окон.

Различные оконные конструкции подвержены теплопотерям неодинаково. Это учитывает коэффициент G :

• обычные деревянные рамы с двойным остеклением – G= 1,27
• окна оснащены однокамерным стеклопакетом (2 стекла) – G= 1,0
• однокамерный стеклопакет с аргоновым заполнением или двойной стеклопакет (3 стекла) — G= 0,85

Н – коэффициент пл ощади остекления помещения.

Общее количество теплопотерь зависит и от суммарной площади окон, установленных в помещении. Эта величина рассчитывается на основании отношения площади окон к площади помещения. В зависимости от полученного результата находим коэффициент Н :

• Отношение менее 0,1 – Н = 0, 8
• 0,11 ÷ 0,2 – Н = 0, 9
• 0,21 ÷ 0,3 – Н = 1, 0
• 0,31÷ 0,4 – Н = 1, 1
• 0,41 ÷ 0,5 – Н = 1,2

I– коэффициент, учитывающий схему подключения радиаторов.

От того, как подключены радиаторы к трубам подачи и обратки , зависит их теплоотдача. Это тоже следует учесть при планировании установки и определения нужного количества секций:

• а – диагональное подключение, подача сверху, обратка снизу – I = 1,0
• б – одностороннее подключение, подача сверху, обратка снизу – I = 1,03
• в – двустороннее подключение, и подача, и обратка снизу – I = 1,13
• г – диагональное подключение, подача снизу, обратка сверху – I = 1,25
• д – одностороннее подключение, подача снизу, обратка сверху – I = 1,28
• е – одностороннее нижнее подключение обратки и подачи – I = 1,28

J– коэффициент, учитывающий степень открытости установленных радиаторов.

Многое зависит и от того, насколько установленные батареи открыты для свободного теплообмена с воздухом помещения. Имеющиеся или искусственно созданные преграды способны существенно снизить теплоотдачу радиатора. Это учитывает коэффициент J :

а – радиатор расположен открыто на стене или не прикрыт подоконником – J= 0,9

б – радиатор прикрыт сверху подоконником или полкой – J= 1,0

в – радиатор прикрыт сверху горизонтальным выступом стеновой ниши – J= 1,07

г – радиатор сверху прикрыт подоконником, а с фронтальной стороны — части чно прикрыт декоративным кожухом – J= 1,12

д – радиатор полностью прикрыт декоративным кожухом– J= 1,2

⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰⃰

Ну вот, наконец, и все. Теперь можно подставлять в формулу нужные значения и соответствующие условиям коэффициенты, и на выходе получится требуемая тепловая мощность для надежного обогрева помещения, с учетом все нюансов.

После этого останется или подобрать неразборный радиатор с нужной тепловой отдачей, или же разделить вычисленное значение на удельную тепловую мощность одной секции батареи выбранной модели.

Наверняка , многим такой подсчет покажется чрезмерно громоздким, в котором легко запутаться. Для облегчения проведения вычислений предлагаем воспользоваться специальным калькулятором – в него уже заложены все требуемые величины. Пользователю остается лишь ввести запрашиваемые исходные значения или выбрать из списков нужные позиции. Кнопка «рассчитать» сразу приведет к получению точного результата с округлением в большую сторону.

Устройство и принципы функционирования радиатора для светодиодов. Правила выбора материала и площади детали. Делаем радиатор своими руками легко и быстро.

Распространенное мнение, что светодиоды не нагреваются – заблуждение. Возникло оно потому, что маломощные светодиоды на ощупь не горячие. Все дело в то, что они оснащены отводчиками тепла – радиаторами.

Принцип действия теплоотвода

Главным потребителем тепла, выделяемого светодиодом, является окружающий воздух. Его холодные частицы подходят к нагретой поверхности теплообменника (радиатора), нагреваются и устремляются вверх, освобождая место новым холодным массам.

При столкновении с другими молекулами происходит распределение (рассеивание) тепла. Чем больше площадь поверхности радиатора, тем интенсивнее он передаст тепло от светодиода воздуху.

Подробнее о принципах работы светодиодов читайте .

Количество поглощенного воздушной массой тепла с единицы площади не зависит от материала радиатора: эффективность естественного «теплового насоса» ограничено его физическими свойствами.

Материалы для изготовления

Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.

Окружающий воздух может принять не более 5-10 Вт с единичной поверхности. При выборе материала для изготовления радиатора следует принять во внимание выполнение следующего условия: теплопроводность его должна быть не менее 5-10 Вт. Материалы с меньшим параметром не смогут обеспечить передачу всего тепла, которое может принять воздух.

Теплопроводность выше 10 Вт будет технически избыточной, что повлечет за собой неоправданные финансовые затраты без увеличения эффективности радиатора.

Для изготовления радиаторов традиционно используют алюминий, медь или керамику. В последнее время появились изделия, выполненные из теплорассеивающих пластмасс.

Алюминиевые

Основным недостатком алюминиевого радиатора является многослойность конструкции. Это неизбежно приводит к возникновению переходных тепловых сопротивлений, преодолевать которые приходится с помощью применения дополнительных теплопроводящих материалов:

• клейких веществ;
• изолирующих пластин;
• материалов, заполняющих воздушные промежутки и пр.

Алюминиевые радиаторы встречаются чаще всего: они хорошо прессуются и вполне сносно справляется с отводом тепла.

Алюминиевые радиаторы для светодиодов 1 вт

Медные

Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, поэтому в некоторых случаях ее использование для изготовления радиаторов оправдано. В целом же данный материал уступает алюминию в плане легкости конструкции и технологичности (медь – менее податливый металл).

Изготовление медного радиатора методом прессования – наиболее экономичным – невозможно. А обработка резанием дает большой процент отходов дорогостоящего материала.

Медные радиаторы

Керамические

Одним из наиболее удачных вариантов теплоотводчика является керамическая подложка, на которую предварительно наносятся токоведущие трассы. Непосредственно к ним и подпаиваются светодиоды. Такая конструкция позволяет отвести в два раза больше тепла по сравнению с металлическими радиаторами.

Лампочка с керамическим радиатором

Пластмассы теплорассеивающие

Все чаще появляется информация о перспективах замены металла и керамики на терморассеивающую пластмассу. Интерес к этому материалу понятен: стоит пластмасса намного дешевле алюминия, а ее технологичность намного выше. Однако теплопроводность обычной пластмассы не превышает 0,1-0,2 Вт/м.К. Добиться приемлемой теплопроводности пластмассы удается за счет применения различных наполнителей.

При замене алюминиевого радиатора на пластмассовый (равной величины) температура в зоне подвода температур возрастает всего на 4-5%. Учитывая, что теплопроводность теплорассеивающей пластмассы намного меньше алюминия (8 Вт/м.К против 220-180 Вт/м.К), можно сделать вывод: пластический материал вполне конкурентоспособен.

Лампочка с радиатором из термопластика

Конструктивные особенности

Конструктивные радиаторы делятся на две группы:

• игольчатые;
• ребристые.

Первый тип, в основном, применяется для естественного охлаждения светодиодов, второй – для принудительного. При равных габаритных размерах пассивный игольчатый радиатор на 70 процентов эффективнее ребристого.

Радиаторы игольчатого типа для мощных и смд светодиодов

Но это не значит, что пластинчатые (ребристые) радиаторы годятся только для работы в паре с вентилятором. В зависимости от геометрических размеров, они могут применяться и для пассивного охлаждения.

LED-лампа с ребристым радиатором

Обратите внимание на расстояние между пластинами (или иглами): если оно составляет 4 мм – изделие предназначено для естественного отвода тепла, если зазор между элементами радиатора всего 2 мм – его необходимо комплектовать вентилятором.

Оба типа радиаторов в поперечном сечении могут быть квадратными, прямоугольными или круглыми.

Расчет площади радиатора

Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:

• параметры окружающего воздуха;
• площадь рассеивания;
• конфигурацию радиатора;
• свойства материала, из которого изготовлен теплообменник.

Но все эти тонкости нужны для проектировщика, разрабатывающего теплоотвод. Радиолюбители чаще всего используют старые радиаторы, взятые из отслужившей свой срок радиоаппаратуры. Все, что им надо знать – какова максимальная рассеиваемая мощность теплообменника.

Ф = а х Sх (Т1 – Т2), где

• Ф – тепловой поток (Вт);
• S – площадь поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м). Подсчитывая площадь, следует иметь в виду, что ребро или пластина имеет две поверхности отвода тепла. То есть площадь теплоотвода прямоугольника площадью 1 см2 составит 2 см2. Поверхность иглы рассчитывается как длина окружности (π х D), умноженная на ее высоту;
• Т1 – температура теплоотводящей среды (граничной), К;
• Т2 – температура нагретой поверхности, К;
• а – коэффициент теплоотдачи. Для неполированных поверхностей принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Есть еще одна упрощенная формула, полученная экспериментальным путем, по которой можно рассчитать необходимую площадь радиатора:

S = x W, где

• S – площадь теплообменника;
• W – подведенная мощность (Вт);
• M – незадействованная мощность светодиода.

Для ребристых радиаторов, изготовленных из алюминия, можно воспользоваться примерными данными, представленными тайваньскими специалистами:

• 1 Вт – от 10 до 15 см2;
• 3 Вт – от 30 до 50 см2;
• 10 Вт – около 1000 см2;
• 60 Вт – от 7000 до 73000 см2.

Однако следует учесть, что вышеприведенные данные неточные, так как они указываются в диапазонах с достаточно большим разбегом. К тому же определены данные величины для климата Тайваня. Их можно использовать только для проведения предварительных расчетов.

Получить наиболее достоверный ответ об оптимальном способе расчета площади радиатора можно на следующем видео:

Сделать своими руками

Радиолюбители редко берутся за изготовление радиаторов, поскольку этот элемент – вещь ответственная, напрямую влияющая на долговечность светодиода. Но в жизни бывают разные ситуации, когда приходится мастерить теплоотводчик из подручных средств.

Вариант 1

Самая простая конструкция самодельного радиатора – круг, вырезанный из листа алюминия с выполненными на нем надрезами. Полученные сектора немного отгибаются (получается нечто, похожее на крыльчатку вентилятора).

По осям радиатора отгибаются 4 усика для крепления конструкции к корпусу лампы. Светодиод можно закрепить через термопасту саморезами.

Вариант 1 – самодельный радиатор из алюминия

Вариант 2

Радиатор для светодиода можно изготовить своими руками из куска трубы прямоугольного сечения и алюминиевого профиля.

Необходимые материалы:

• труба 30х15х1,5;
• пресс-шайба диаметром 16 мм;
• термоклей;
• термопаста КТП 8;
• профиль 265 (Ш-образный);
• саморезы.

В трубе для улучшения конвекции сверлятся три отверстия диаметром 8 мм, а в профиле – отверстия диаметром 3,8 мм – для его крепления саморезами.

Светодиоды приклеиваются к трубе – основанию радиатора – при помощи термоклея.

В местах соединения деталей радиатора наносится слой термопасты КТП 8. Затем производится сборка конструкции с помощью саморезов с пресс шайбой.

Способы крепления светодиодов к радиатору

Светодиоды прикрепляют к радиаторам двумя способами:

• механическим;
• приклеиванием.

Приклеить светодиод можно на термоклей. Для этого на металлическую поверхность наносится капелька клеящей массы, затем на нее садится светодиод.

Для получения прочного соединения светодиод необходимо на несколько часов придавить небольшим грузом – до полого высыхания клея.

Однако большинство радиолюбителей предпочитают механическое крепление светодиодов. Сейчас выпускаются специальные панели, с помощью которых можно быстро и надежно смонтировать светодиод.

В некоторых моделях предусмотрены зажимы для вторичной оптики. Монтаж выполняется просто: на радиатор устанавливается светодиод, на него – панелька, которая крепится к основанию саморезами.

Но не только радиаторы для светодиода можно изготовить самостоятельно. Любителям заниматься растениями рекомендуем ознакомиться со светодиодной .

Качественное охлаждение светодиода является залогом долговечности светодиода. Поэтому к подбору радиатора следует подходить со всей серьезностью. Лучше всего использовать готовые теплообменники: они продаются в магазинах радиотоваров. Стоят радиаторы недешево, зато легко монтируются и светодиод защищает от избытка тепла надежнее.

Нередко, проектируя мощное устройство на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, а иногда и десятками ватт.

К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало. Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.

Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод - радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.

Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.

Андрей Повный

Микросхема УМЗЧ обязательно должна быть установлена на радиаторе – ведь даже в состоянии покоя на ней рассеивается мощность, равная P0=UпI0=(2 25) 0,07=3,5 Вт. Чтобы рассчитать необходимую площадь радиатора, вычислим максимальную рассеиваемую мощность для случая работы в идеальном классе В:
где Uп – полное напряжение источника питания, Rн – сопротивление нагрузки, Р0 – мощность, рассеиваемая в режиме покоя.
При полном напряжении источника питания Uп =50 В, Rн =8 Ом на корпусе микросхемы должна рассеиваться мощность около 19,3 Вт. Ясно, что температура кристалла при работе всегда должна быть ниже 150ºС. Примем температуру окружающего воздуха 53 ºС, тогда тепловое сопротивление переход – окружающая среда должно быть меньше, чем: (150-53)/19,3=5,0 ºС/Вт.

Обычно сумма тепловых сопротивлений корпус – радиатор и радиатор – окружающая среда оказываются меньше, чем 2,0 ºС/Вт. Тепловое сопротивление корпус – радиатор зависит от способа установки микросхемы. Если использовано непосредственное соединение металл – металл, тепловое сопротивление будет примерно 1,0 ºС/Вт при использовании теплопроводной пасты и 1,2 ºС/Вт при ее отсутствии.

При наличии слюдяной прокладки между корпусом и радиатором тепловое сопротивление можно считать равным 1,6 ºС/Вт и 3,4 ºС/Вт соответственно при применении теплопроводной пасты и без нее. Рассмотрим для примера крепление микросхемы к радиатору через слюдяную прокладку с применением теплопроводной пасты. Тепловое сопротивление радиатора должно быть меньше чем 5,0 – 2,0 - 1,6 = 1,4 ºС/Вт. Это рекомендуемое тепловое сопротивление радиатора для данной конструкции.

Полезно оценить результаты расчетов радиатора с помощью какой-нибудь программы, например, . Самый прикидочный расчет площади охлаждающей поверхности радиатора: 20 квадратных сантиметров на каждый ватт рассеиваемой микросхемой мощности.
Для радиаторов, выполненных из алюминиевых сплавов с ребрами не тоньше 3 мм при шаге ребер не менее 10 мм и свободном потоке воздуха площадь радиатора можно оценить следующей приближенной формулой: S[кв см]≈600/Rθр-с[ºС/Вт]=600/1,4=430 кв см.
Как уже указывалось, микросхема LM1875 снабжена эффективной схемой тепловой защиты. Когда температура кристалла микросхемы достигнет 170 ºС, схема тепловой защиты срабатывает, и усилитель выключается. Включение происходит после понижения температуры кристалла до 145 ºС. Однако, если температура кристалла снова начнет повышаться, то теперь отключение произойдет уже при 150 ºС.

http://proacustic.ru/teplootvod.html

ОУ, выходная мощность которых превышает 1 Вт, обычно требуют установки теплоотвода (радиатора) для охлаждения кристалла. Напомню, что усилитель, работающий в режиме AB, имеет КПД около 50%. Это означает, что он выделяет столько же мощности в виде тепла, сколько отдает в нагрузку. Поэтому для охлаждения кристалла микросхемы (транзистора) необходимо использовать теплоотвод.

Максимальная температура, при которой кристалл близок к разрушению, но еще сохраняет работоспособность, составляет 150 °С. При этом температура корпуса ниже в связи с тепловыми потерями при переходе от кристалла к корпусу и, как правило, не превышает 100 °С. Нормальная температура кристалла составляет 75 °С, а радиатора -50-60 °С. Такая температура соответствует болевому порогу кожи человека, поэтому есть очень простое правило: если вы не обжигаетесь, коснувшись радиатора рукой, его температура находится в норме (конечно, при условии хорошего контакта между радиатором и тепловыделяющим элементом).

Стоит также отметить, что срок службы микросхемы напрямую зависит от ее температуры. Существует правило, гласящее, что при увеличении температуры кристалла на 10 °С срок его службы падает вдвое. Это значит, что при увеличении температуры кристалла с 60 до
100 °С срок его службы снизится уже в 1 б раз! Поэтому эффективное.охлаждение - залог надежной и долгой работы устройства.

Радиаторы, используемые для охлаждения радиоэлементов, классифицируются по строению на:

Ребристые (рис. 2.17, а);

Игольчатые (рис. 2.17, б).
По типу вентиляции:

С естественной вентиляцией;

С принудительной вентиляцией.

Эти типы радиаторов отличаются плотностью расположения ребер или игл. Для радиаторов с естественной вентиляцией расстояние между ребрами (иглами) должно быть не менее 4 мм. К тому же такие радиаторы рассчитаны для работы только в вертикальном положении, когда воздух под действием естественных сил движется между ребрами. Если расстояние между ребрами (иглами) составляет около 2 мм, то такой радиатор рассчитан на принудительную вентиляцию и требует установки вентилятора.

По применяемым материалам:

Цельные алюминиевые;

Цельные медные;

Алюминиевые с медным основанием.

Существуют методики точного расчета радиаторов, учитывающие рассеиваемую мощность, параметры окружающей среды, конфигурацию, материал радиатора и т.д. Однако эти методики нужны на этапе проектирования теплоотвода. Радиолюбители редко самостоятельно изготавливают радиаторы, чаще используя готовые, взятые из старой радиоаппаратуры. В конечном итоге нас интересует только один параметр - максимальная рассеиваемая мощность для этого радиатора. Чтобы определить его, достаточно знать всего две характеристики: тип
вентиляции и площадь рассеивающей поверхности (проще говоря, площадь радиатора).

Площадь ребристого радиатора вычисляется как сумма площадей всех его ребер и площади основания. Заметьте, что у одного ребра две излучающие поверхности. Это значит, что ребро размером 1×1 см имеет площадь 2 см2. Площадь игольчатого радиатора вычисляется как сумма площадей всех его игл и площади основания. Площадь одной иглы можно вычислить по формуле:

S= π ( r 1 + r 2 ) l

(r 1 - радиус нижнего основания усеченного конуса; r 2 - радиус верхнего основания усеченного конуса; l - образующая усеченного конуса (длина боковой стороны))

После этого допустимая рассеиваемая мощность может быть оценена по формуле:

где Р - допустимая рассеваемая мощность, Вт; S - площадь радиатора, см2; к - коэффициент, учитывающий тип вентиляции. Для естественной вентиляции к = 33, для принудительной вентиляции к = 11.

Тепловое сопротивление радиатора может быть оценено по формулеRth=(51*k)/S , описанной здесь: http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=32031

Размерность теплового сопротивления - градус/Ватт. То есть насколько температура кристалла будет выше температуры корпуса при выделении 1 Вт тепла.
Тепловое сопротивление перехода корпус - окружающая среда можно посчитать по приблизительной формуле: Rth=(51*k)/S , где Rth – тепловое сопротивление радиатора в C/W, S – площадь радиатора (в данном случае - площадь детали) в см2, k – коэффициент, учитывающий тип вентиляции (Для естественной вентиляции k = 33, для принудительной вентиляции k = 11).
Тепловые сопротивления детали и радиатора нужно сложить, задать температуру окружающей среды и выделяемую мощность, чтобы получить температуру кристалла.
Чтобы не ломать сильно голову по поводу теплопроводности материалов, скажу что тепловое сопротивление перехода кристалл - корпус обычно находится в пределах от 1 C/W для мощных ИС, и до 3 C/W для маломощных.

В последние годы в радиолюбительской практике все чаще применяются системы охлаждения для процессоров персональных компьютеров (cooler - кулеры). Кулеры современных процессоров рассчитаны на рассеивание мощности около 100 Вт даже при небольшой вентиляции.

Для крепления микросхемы к основанию радиатора можно использовать шурупы с плоской шляпкой либо, при наличии метчика, нарезать резьбу в радиаторе и закрепить микросхему винтом. Между основанием радиатора и корпусом микросхемы обязательно должен быть слой термопасты для улучшения теплопроводности. Наилучшие показатели теплопроводности показывают пасты типа КПТ-81 или «Алсил-3». Их можно купить в любом компьютерном магазине или магазине радиодеталей. Теплопроводность термопаст составляет при-
мерно 0,7- с учетом того, что площадь контакта - 1 -2 см2, тепловое сопротивление термопасты - примерно 10~4 °С/Вт (несоизмеримо мало по сравнению с тепловым сопротивлением перехода кристалл-подложка либо радиатора и окружающей среды), поэтому при тепловом расчете системы охлаждения этой потерей можно пренебречь.

http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=32031

Что бы совсем разобратся нужно на конкретном примере. К примеру есть ИМС длина 2см ширина 1см толщина 0,5 см Мощность 535 мВт Температура воздуха 22 по цельсию. Как считать?

1. Определяем излучающую площадь микросхемы. Учтем, что она брюхом скорее всего будет прилегать к плате, так что там конвекции не будет. Возьмем эквивалентную площадь брюха как ½ от геометрической площади:
   2(2*0,5)+2(1*0,5)+1*2+1*1=2+1+2+1=6 см2 – полная излучающая площадь микросхемы
   2. Подсчитаем тепловое сопротивление перехода корпус – воздух:
   Rth=(51*k)/S=(51*33)/6=280,5 C/W
   3. Микросхема судя по всему маломощная, прими её тепловое сопротивление равным 3 C/W (или можно рассчитать точно, если знаете как)
   4. Общее тепловое сопротивление равно 280,5+3=283,5 C/W Это значит что температура кристалла будет на 283,5 градуса выше температуры окр. среды при выделении 1 Вт. тепла.
   5. Определяем температуру кристалла: 283,5*0,535+22=173 =)
   6. Определяем температуру корпуса: 280,5*0,535+22=172

   Резонный вопрос – есть ли здесь ошибка? Ошибка может быть в определении Rth корпуса микросхемы... эта формула используется для определения теплового сопротивления ребристых радиаторов, по этому в области малых значений площади может давать не верный результат. Еще недостатком методики является то, что мы не учитываем охлаждения микросхемы через саму плату.

   P.S. хотя если предположить, что микросхема обдувается (k=11). то получается вполне вменяемый результат - 93 C/W

Сначала простой случай, расчет радиатора по данным тепловыделения при постоянном токе.

Для примера рассмотрим расчет радиатора для MOSFET-а IRLR024N

В этом примере предполагается, что MOSFET включается и долгое время находится в полностью открытом состоянии. Например, переключение производится не чаще чем с частотой 1 Гц.

В даташите нас интересуют параметры теплового сопротивления Junction-to-Case (сопротивление переход-корпус), Junctione-to-Ambient (PCB mount) (переход-окружающая среда при монтаже на 1кв.дюйм медной заливки на плате), Junction-to-Ambient (корпус-окружающая среда).

RθJC = 3.3 К/Вт
RθJApcb= 50 К/Вт
RθJA = 110 К/Вт

(Кельвины и Цельсии не играет роли, так как речь о разницах).

Цифра 110 К/Вт означает, то при выделяемой мощности 1Вт разница температур между внешней средой и переходом будет 110 градусов. Например, если границе корпус-воздух будет 40 градусов, то это значит, что переход внутри транзистора имеет температуру 40+110=150 градусов. Если выделяется 2Вт, то внутри будет 40+110*2=260 градусов.

Предположим, что напряжение на затворе будет 3.3В. А ток будет 3А. Из графика «Typical Transfer Characteristics» находим, что при напряжении 3.5В ток составляет 8А. Т.е. сопротивление составляет 0,4375 Ом. При этом смотрим на график «Normalized On-Resistance Vs. Temperature» и видим, что при 90 градусах сопротивление растет в 1.5 раза.

Допускаем по дизайну нагрев до 90 градусов, а сопротивление считаем 0.4375*1.5= 0,6563 Ом.

Получаем, что рассеиваться на транзисторе будет P=I^2*R=3*3*0,6563=5,9067 = 6 Вт.

Предполагается, что транзистор будет работать в окружении, где температура воздуха будет до 30 градусов (что очень оптимистично, так как он греет воздух вокруг себя).

Итак, запас по температуре составляет 90-30=60 градусов. Получается что максимальное общее теплового сопротивления равно (90-30)/6Вт=10 К/Вт

При этом сопротивление переход-корпус уже съело 3.3 К/Вт. У нас остается 8.3 К/Вт.

Монтаж радиатора будет производится на силиконовый клей. Предположим, что наш клей - HC910. Проводимость его 1.7 Вт/м*К.

У нас площадь приклеивания будет 0.25д*0.24д=0.01м*0.009м=0,0000054 кв.м.

Толщина слоя нанесения 0.0001м (0.1 мм). Эта оценка подтверждена документацией на подобные клеи.

Тепловое сопротивление слоя клея равно = толщина/(площадь*проводимость)=0,53 К/Вт

Остается 7.77 К/Вт на сам радиатор. Выбираем в магазине каком-нибудь.

И это будет довольно крупный радиатор. Примерно 10х10х5 см за нормальные деньги.

Теперь решим вопрос, а какой допустимый ток, при котором можно обойтись без радиатора вообще.

Возьмем вариант, когда транзистор припаян к площадке на плате площадью 1кв. дюйм. RθJApcb= 50 К/Вт. Предположим, что все устройство работает в коробочке и воздух в ней, за счет других компонентов и этого MOSFET-а, может нагреваться до 50 градусов. Предел нагрева для выбранного транзистора 175 градусов. Но мы возьмем максимум 125. Тогда максимальная допустимая мощность будет (125К-50К) / 50К/Вт= 1,5 Вт.

Если же он не припаян к площадке, то RθJA = 110 К/Вт, и получаем максимальную мощность (125К-50К) / 110К/Вт= 0,6 Вт.

Расчет по корпусу приведенный здесь более реалистичный, чем с радиатором. Однако, если устройство должно работать в различных условиях, то требуется внесение понижающего коэффициента для высот. Например, для высоты 2000м коэффициент 0.8 (т.е. не 0.6Вт, а 0,5Вт) для высоты 3500м – 0.75.

При 125 градусах Rds(on) будет составлять 1.75 * Rds(on) при 20 градусах, т.е. 0,4375 * 1,75=0,765625 Ом. P=I^2*R => I=SQRT(P/R)

Получаем, что при припайке на площадку на плате максимальный ток будет Imax=корень(1.5/0.765625)=1.4A Без площадки Imax=корень(0,6/0,765625)=0,9A

Часть 2: Расчет тепловыделения MOSFET при ШИМ

Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность в случае использования ШИМ. Пусть сигнал ШИМ на затвор поступаем напрямую с микроконтроллера. Максимальный ток 25мА. Во время ШИМ есть 4 фазы: открытие затвора, высокий уровень, закрытие затвора, низкий уровень. Выделение тепла идет во всех фазах, кроме низкого уровня. Во время высокого уровня мощность равна U*I, как обычно. Мощность в фазе открытия затвора зависит от времени открытия, которое зависит от емкости затвора и тока драйвера. Пусть в нашем примере частота пусть будет 240Гц. Коэф. заполнения: 0.5. Ток 3А. Пусть это будет управление светодиодами, транзистор включен со стороны общего провода. Напряжение питания 5В.

Рассчитать теоретически точно потери по всех фазах довольно сложная задача, так как параметры и результаты расчет зависят друг от друга и есть процессы происходящие в подложке. Но на практике такая точность и верность теории не требуется. Есть приблизительные оценки потерь в фазах открытия и закрытия, которые дают практические цифры, которые можно использоваться при вычислении тепловыделения. Для расчета эффективности (КПД) этот метод не годится.

Потери в фазе высокого уровня (фазе полного открытия) мы считали в первой части и там нет ничего сложного. Для закрытия и открытия оказывается важным вид нагрузки: резистивная или индуктивная.

Потери при переключении возникают из-за того, что в процессе переключения через транзистор проходит большой ток при большом напряжении. Можно взять идеализированную форму этого процесса и рассчитать потери с приемлемой точностью для практического расчета тепловыделения.

Для резистивной нагрузки
Psw=1/2 * Fs *Vds*Id*tsw

Для индуктивной
Psw=1/6 * Fs *Vds*Id*tsw

Где
Fs- частота
Vds – напряжение сток-исток (в закрытом состоянии)
Id- ток проходящий через транзистор (в открытом состоянии)
tsw - время переключения

Время переключения в первом приближении можно рассчитать по графику зависимости зарядка на затворе от напряжения затвор-исток.

При напряжении 3.3В по графику заряд будет не более 4nC
tsw= ЗарядЗатвора/ТокДрайвера =4nC/0.025A=160.4ns
Считаем процессы закрытия и открытия симметричными. Тогда итоговые потери переключения, например, для резистивной нагрузки:

Psw=1/2 * Fs * Vds * Id *tsw= 1/2 * 240* 20*3*160ns=1 мВт

Время во включенном состоянии намного больше времени переключения, поэтому время переключения игнорируем (для больших частот это не так). Тогда потери в проводящей фазе равны D*I^2* Rds(on), где D – коэф. заполнения
Pcond=0.5*3*3* 0,6563 = 2,95 Вт

Видно, что потери на переключение пренебрежительно малы в сравнении с потерями в открытой фазе.

Voff – напряжение сток-исток, когда mosfet выключен
, 5В Fs – частота переключения, 240 Гц
Рассчитаем
Psw2=(130*10-12)*5^2*240=0,78 мкВт

Т.е. на 3 порядка меньше основных потерь при переключении. А потери при переключении на 3 порядка меньше потерь проводимости.

Ради интереса рассчитаем потери при частоте 2МГц, D=0,8 и тоге 20 А.
Psw=10,6Вт
Pcond=210 Вт
Psw2=0.78мкВт

Видно, что даже при таких условиях потери на переключение на порядок меньше потерь проводимости. Т.е. когда вы будете искать радиатор на 210 Вт, дополнительные 10Вт просто попадут в инженерный запас, который вы обязательно должны сделать (около 20%).

Кроме этого рассчитывать надо крайний случай, которым является D=0.99, Pcond=260 Вт при этом Psw сохраняется прежним.

Из приведенных формул можно сделать интересные выводы:

1. Чтобы сократить потери на переключение, надо сократить время переключения. Для этого надо иметь мощный драйвер, который может отдавать большой ток в затвор.
2. Малый ток затвора ограничивает скорость переключения. В нашем примере время включения и выключения было в районе 160 нс. Т.е. даже если только открывать и закрывать затвор минимальный период будет равен 320нс, т.е. максимальная частота, с которой можно открывать и закрывать затвор током драйвера в 25мА составит примерно 3МГц.
3. Вклад частоты в потери линейный, а общий вклад потерь при переключении не существенный.
4. При частотах до 1МГц и при токах до 20А вклад потерь при переключении составляет 1-2% от общих потерь и может быть смело проигнорирован. В этом случае потери на mosfet-е можно просто считать как Iout^2*Rdn(on)*D
5. Выходное сопротивление управляющего сигнала и емкость затвора представляющий собой ФНЧ с частотой 1/Rout*Cgs,где Cgs=Ciss-Crss, но из фактических значений для любого разумного случая это сотни мегагерц минимум.

Дополнительное чтение с более сложными расчетами, дающими примерно такой же результат по тепловыделению, но правильные для расчета КПД.