В сегодняшней статье мы хотим познакомить вас с очередными, столь важными с точки зрения конструктора вопросами - связанными с охлаждением электронных систем. В статье вы узнаете, почему важен контроль температуры работы компонентов и как его можно достичь. Мы представляем различные способы реализации функции охлаждения, а также лучшие практики проектирования, позволяющие улучшить отведение тепловой энергии.
Как вам, вероятно, хорошо известно, не существует процессов с стопроцентной эффективностью. Каждому преобразованию энергии сопутствуют определённые потери, чаще всего в виде тепла – это напрямую вытекает из законов термодинамики. Электронные системы не исключение – компоненты, дорожки и провода нагреваются в процессе работы.
Многие современные компоненты имеют относительно узкий диапазон рабочих температур. Слишком высокая температура может нарушить их правильную работу, вызвать потерю параметров или даже привести к отказу. Именно поэтому важно обеспечить надлежащее отведение тепла для поддержания температуры системы под контролем.
Радиатор является наиболее часто используемым методом охлаждения электронных компонентов. Это пассивный теплообменник, конструкция которого направлена на увеличение площади теплообмена с окружающей средой. Энергия передаётся с основания радиатора на его ребра, откуда затем отдаётся окружающему воздуху. Обмен воздуха происходит за счёт конвекции, поэтому ребра радиатора должны быть ориентированы вертикально. Не менее важно обеспечить постоянный приток воздуха – например, используя вентиляционные отверстия в корпусе. Для дополнительного повышения эффективности радиатора можно заставить воздух двигаться при помощи вентилятора – тогда речь идёт о активном охлаждении. Радиаторы изготавливаются из металлов с высокой теплопроводностью – обычно это алюминий или медь. Наиболее популярным решением являются алюминиевые радиаторы, так как, несмотря на несколько меньшую теплопроводность металла, они легче и дешевле в производстве. Существует множество методов изготовления радиаторов – среди них экструдирование, фрезерование и штамповка. Также возможно интегрировать радиатор непосредственно с корпусом устройства – такое решение применяется, например, в модульных блоках питания и других устройствах, не требующих высокой охлаждающей мощности.
Чтобы система охлаждения эффективно работала, необходимо обеспечить эффективный теплообмен между охлаждаемым элементом и радиатором. Для этого применяются различные вещества, способствующие теплообмену – чаще всего это термопроводные пасты. Они основаны на материалах с высокой теплопроводностью – обычно это металлы, силиконы или керамические материалы. Их задача — заполнить микроскопические неровности поверхности компонентов, что увеличивает площадь контакта. Для обеспечения наилучшего теплообмена слой пасты должен быть как можно тоньше.
Основным параметром, характеризующим термопроводную пасту, является её теплопроводность, определяющая максимальную мощность отводимого тепла при заданной площади контакта, толщине и разнице температур. Важна также устойчивость к высыханию, благодаря которой паста дольше сохраняет свои характеристики и может эффективно выполнять свои функции без частой замены.
Чтобы более подробно познакомить вас с темой, ниже приведён пример пасты, предлагаемой нами IE-HAY-410. Это силиконовая термопроводная паста общего назначения с теплопроводностью 1.42 Вт/(м·К). Её примечательной особенностью является широкий диапазон рабочих температур от -30°C до 280°C. Благодаря этому паста отлично подойдёт для множества применений, начиная от биметаллических датчиков до сложных систем охлаждения с использованием элементов Пельтье. Приглашаем ознакомиться с предложением термопроводных паст компании InterElcom!
| Обозначение | IE-HAY-410 |
| Тип | Силиконовая термопроводная паста |
| Теплопроводность | 1.42 Вт/(м·К) |
| Диапазон рабочих температур | -30 до 280°C |
| Доступные упаковки | Пакетик (0.5 г), шприц (20 г), баночка (100 г) |
Помимо паст, существуют и другие решения, выполняющие аналогичную функцию. К ним относятся, например, термопроводные прокладки – они особенно эффективны там, где невозможно точно контролировать зазор между охлаждаемым элементом и радиатором. Также доступны специальные клеи и клейкие ленты. Некоторые компоненты допускают применение силиконовых колпачков и прокладок, которые позволяют легко крепить их к радиатору с помощью винтов.
На первый взгляд может показаться, что широко используемые печатные платы не подходят для использования в качестве охлаждающих элементов. Однако выясняется, что значительное число компонентов использует конструкцию платы для отвода избыточного тепла и, соответственно, обеспечения оптимальных условий работы. К ним относятся, прежде всего, такие элементы, как микроконтроллеры, мощные светодиоды, транзисторы, а также интегральные схемы преобразователей и усилителей. В этом случае используется так называемый тепловой контакт (pad) - специально приспособленный вывод, который при соединении с платой обеспечивает эффективный отвод тепла из системы. Функцию радиатора выполняет цельный медный участок, размеры и форма которого должны соответствовать требованиям конкретного компонента. Эффективность такого охлаждения можно дополнительно повысить с помощью специальных радиаторов, устанавливаемых непосредственно на плату ПП.
Другой вариант – использование печатных плат с алюминиевой подложкой. Они обеспечивают еще более эффективное отведение тепла, а также удобную интеграцию с другими системами охлаждения. Такие платы применяются прежде всего в LED-освещении, где выделяется большое количество тепла, при этом простые схемы не требуют более одной слоя.
Читайте также: Светодиод – характеристика основных параметровЗадачей конструктора печатных плат является учёт тепла, вырабатываемого компонентами, и его отведение. Пренебрежение этим аспектом может привести к сокращению срока службы компонентов или их преждевременным отказам. Особенно это касается чувствительных к перегреву компонентов, таких как мощные светодиоды. Чтобы быть уверенным, что элемент обеспечен надлежащим охлаждением, полезно ориентироваться на рекомендации производителя, указанные в техническом паспорте. В случае более сложных систем могут помочь компьютерные симуляции.
Хорошей стратегией для предотвращения проблем с перегревом является снижение тепловыделения в системах. Для этого стоит применять современные решения и технологии, разработанные с целью максимальной эффективности работы. Примером может служить использование преобразователя напряжения вместо линейного регулятора, или замена сетевого трансформатора на эффективный импульсный блок питания. Также важно следить, чтобы компоненты не работали на максимальной мощности длительное время, так как это обычно связано с генерацией большего количества тепла. Это облегчает контроль за температурой системы и, соответственно, обеспечивает долгую и безотказную работу.
Проектирование и создание надёжного устройства может оказаться серьезной задачей, поэтому лучше доверить это дело профессионалам. Компания InterElcom специализируется на проектировании и производстве электронных систем, а также на дистрибуции широкого ассортимента компонентов. Наш квалифицированный и опытный коллектив постоянно заботится о том, чтобы наши продукты соответствовали даже самым строгим требованиям клиентов. Наши решения применяются не только в осветительной отрасли, но и во многих индустриальных секторах, где уже много лет надёжно выполняют свои задачи. Присоединяйтесь к числу довольных клиентов компании InterElcom - свяжитесь с нами уже сегодня!
