W dzisiejszym artykule pragniemy zbliżyć Wam kolejne, jakże ważne z perspektywy projektanta zagadnienia - związane z chłodzeniem układów elektronicznych. W artykule dowiesz się, dlaczego istotna jest kontrola temperatury pracy podzespołów oraz jak można ją osiągnąć. Przedstawiamy różne sposoby, w jakie może być realizowana funkcja chłodzenia, a także najlepsze praktyki w projektowaniu pozwalające na usprawnienie odprowadzania energii cieplnej.
Jak zapewne Wam doskonale wiadomo, nie istnieją procesy o stuprocentowej wydajności. Każdej przemianie energii towarzyszy pewna strata, najczęściej w postaci ciepła - wynika to bezpośrednio z zasad termodynamiki. Układy elektroniczne nie są wyjątkiem - podzespoły, ścieżki i przewody nagrzewają się trakcie działania.
Wiele współczesnych komponentów posiada stosunkowo wąski zakres temperatur pracy. Zbyt wysoka temperatura może zakłócić ich prawidłowe działanie, spowodować utratę parametrów lub nawet doprowadzić do ich awarii. Z tego właśnie powodu ważne jest zadbanie o odpowiednie odprowadzanie ciepła w celu utrzymania temperatury układu pod kontrolą.
Radiator jest najpowszechniej stosowaną metodą chłodzenia podzespołów elektronicznych. Jest to pasywny wymiennik ciepła, którego konstrukcja ma za zadanie zwiększenie powierzchni wymiany energii cieplnej do otoczenia. Energia przekazywana jest z podstawy radiatora do jego ożebrowania, skąd następnie oddawana jest do otaczającego je powietrza. Wymiana powietrza odbywa się na drodze konwekcji, dlatego żeberka radiatora powinny być zorientowane pionowo. Równie istotne jest zapewnienie stałego dopływu powietrza - na przykład poprzez stosowanie otworów wentylacyjnych w obudowie. Aby dodatkowo zwiększyć skuteczność radiatora, można wymusić przepływ powietrza przy pomocy wentylatora - mówimy wówczas o chłodzeniu aktywnym. Radiatory zbudowane są z metali o wysokiej przewodności cieplnej - z reguły jest to aluminium lub miedź. Najczęściej wybieranym rozwiązaniem są jednak radiatory aluminiowe, ponieważ pomimo nieco niższej przewodności cieplnej metalu są lżejsze i tańsze w produkcji. Istnieje wiele metod wytwarzania radiatorów - należą do nich między innymi wytłaczanie, frezowanie czy też kucie matrycowe. Możliwe jest także zintegrowanie radiatora bezpośrednio z obudową urządzenia - rozwiązanie to jest stosowane między innymi w zasilaczach modułowych oraz innych urządzeniach, które nie wymagają dużej wydajności chłodniczej.
Aby system chłodzący mógł skutecznie spełniać swoje zadanie, należy zapewnić efektywny transfer ciepła pomiędzy elementem chłodzonym a radiatorem. Pozwalają na to różnego rodzaju preparaty pośredniczące w wymianie ciepła - najczęściej są to pasty termoprzewodzące. Są one wykonane oparciu o substancje o wysokim przewodnictwie cieplnym - z reguły są to metale, silikony lub materiały ceramiczne. Ich zadaniem jest wypełnienie mikroskopijnych nierówności powierzchni elementów, dzięki czemu zwiększony zostaje obszar ich styku. W celu zapewnienia najlepszej wymiany energii cieplnej, warstwa pasty powinna być możliwie jak najcieńsza.
Podstawowym parametrem charakteryzującym pastę termoprzewodząca jest jej przewodność cieplna, określająca maksymalną moc odprowadzanego ciepła przy danej powierzchni styku, grubości oraz różnicy temperatur. Istotna jest także odporność na wysychanie, dzięki której pasta dłużej zachowuje swoje parametry i może skutecznie realizować swoje zadanie bez konieczności częstej wymiany.
Aby bardziej zbliżyć Wam temat, poniżej przedstawiamy przykład oferowanej przez nas pasty IE-HAY-410. Jest to silikonowa pasta termoprzewodząca ogólnego przeznaczenia, o przewodności cieplnej wynoszącej 1.42W/(m*K). Jej godną odnotowania cechą jest szeroki zakres temperatur pracy, wynoszący od -30°C aż do 280°C. Dzięki temu pasta ta sprawdzi się doskonale w wielu zastosowaniach, poczynając od czujników bimetalicznych, aż po zaawansowane układy chłodzące złożone z ogniw Peltiera. Zachęcamy do zapoznania się z ofertą past termoprzewodzących firmy InterElcom!
| Symbol | IE-HAY-410 |
| Rodzaj | Pasta termoprzewodząca silikonowa |
| Przewodność cieplna | 1.42 W/(m᛫K) |
| Zakres temperatur pracy | -30÷280°C |
| Dostępne opakowania | Saszetka (0.5g), strzykawka (20g), słoiczek (100g) |
Oprócz past, dostępne są także inne rozwiązania realizujące podobną funkcję. Należą do nich między innymi podkładki termoprzewodzące - sprawdzają się one przede wszystkim tam, gdzie nie jest możliwa ścisła kontrola dystansu pomiędzy elementem chłodzonym a radiatorem. Do wyboru są także specjalne kleje i taśmy samoprzylepne. Niektóre rodzaje komponentów pozwalają również na zastosowanie koszulek i podkładek silikonowych, umożliwiających ich łatwy montaż do radiatora przy pomocy śrub.
Z pozoru wydawać się może, że stosowane powszechnie płytki drukowane nie nadają się do wykorzystania jako elementy chłodzące. Okazuje się jednak, że znaczna grupa komponentów polega na konstrukcji płytki w celu odprowadzania zbędnego ciepła, a co za tym idzie - zapewnienia sobie optymalnych warunków pracy. Należą do nich przede wszystkim elementy takie jak mikrokontrolery, diody LED o dużej mocy, tranzystory, a także układy scalone przetwornic oraz wzmacniaczy. Wykorzystują w tym celu tzw. pad termiczny - specjalnie przystosowane wyprowadzenie, które łącząc się z płytką umożliwia skuteczne odprowadzanie energii cieplnej z układu. Funkcję radiatora pełni wówczas jednolity obszar miedzi, którego wielkość i kształt powinny odpowiadać zapotrzebowaniom danego komponentu. Wydajność tego typu chłodzenia możemy dodatkowo zwiększyć stosując specjalne radiatory montowane do bezpośrednio do płytki PCB.
Inną możliwością jest zastosowanie płytek drukowanych z podłożem aluminiowym. Pozwalają one na jeszcze bardziej efektywne odprowadzanie energii cieplnej, a także łatwą integrację z innymi układami chłodzącymi. Są one stosowane przede wszystkim w oświetleniu LED, gdzie wydzielana jest duża ilość ciepła, natomiast nieskomplikowane obwody nie wymagają wykorzystania więcej niż jednej warstwy.
Przeczytaj także: Dioda LED – charakterystyka najważniejszych parametrówDo zadań projektanta obwodów drukowanych należy uwzględnienie ciepła wytwarzanego przez komponenty oraz jego odprowadzania. Niedopatrzenie w tym zakresie może doprowadzić do skrócenia żywotności podzespołów lub ich przedwczesnej awarii. Dotyczy to w szczególności komponentów wrażliwych na przegrzanie, takich jak na przykład diody LED o dużej mocy. Aby mieć pewność, że dany element ma zapewnione optymalne chłodzenie, warto wzorować się na rozwiązaniach sugerowanych przez producenta w karcie katalogowej. Z kolei w przypadku bardziej złożonych układów pomocne mogą okazać się symulacje komputerowe.
Dobrą strategią na uniknięcie problemów z przegrzewaniem jest ograniczenie wytwarzania ciepła w układach. W tym celu warto stosować nowoczesne rozwiązania i technologie, które tworzone są z myślą o jak najwyższej sprawności pracy. Doskonałym przykładem może być zastosowanie przetwornicy napięcia zamiast regulatora liniowego, lub zastąpienie transformatora sieciowego wydajnym zasilaczem impulsowym. Istotne jest również zadbanie o to, aby komponenty nie pracowały ze swoją maksymalną mocą przez dłuższy czas, ponieważ z reguły wiąże się to z generowaniem większej ilości ciepła. Pozwala to łatwiej kontrolować temperaturę układów, a co za tym idzie - zapewnić ich długą i bezawaryjną pracę.
Zaprojektowanie oraz zbudowanie niezawodnego urządzenia może okazać się nie lada wyzwaniem, dlatego najlepiej powierzyć to zadanie fachowcom. Firma InterElcom specjalizuje się w projektowaniu oraz produkcji układów elektronicznych, a także dystrybucji szerokiej gamy komponentów. Nasza wykwalifikowana i doświadczona kadra nieustannie dba o to, aby nasze produkty spełniały nawet najbardziej rygorystyczne wymagania stawiane przez Klientów. Stworzone przez nas rozwiązania spotkać można nie tylko w branży oświetleniowej, lecz również w wielu sektorach przemysłu, gdzie już od lat niezawodnie wypełniają swoje zadania. Dołącz do grona zadowolonych klientów firmy InterElcom - skontaktuj się z nami już dziś!
