У сьогоднішній статті ми прагнемо наблизити вам наступні, надзвичайно важливі з перспективи проєктувальника питання – пов’язані з охолодженням електронних систем. У статті ви дізнаєтеся, чому важливо контролювати температуру роботи компонентів і як це можна досягти. Ми представляємо різні способи реалізації функції охолодження, а також найкращі практики проєктування, які дозволяють покращити відведення теплової енергії.
Як вам, напевно, добре відомо, не існує процесів із стовідсотковою ефективністю. Кожній трансформації енергії супроводжує певна втрата, найчастіше у вигляді тепла – це безпосередньо випливає з принципів термодинаміки. Електронні системи не є винятком – компоненти, доріжки та провідники нагріваються під час роботи.
Багато сучасних компонентів мають відносно вузький діапазон робочих температур. Занадто висока температура може порушити їхнє правильне функціонування, спричинити втрату параметрів або навіть призвести до їхньої поломки. Саме тому важливо подбати про належне відведення тепла, щоб підтримувати температуру системи під контролем.
Радіатор є найпоширенішим методом охолодження електронних компонентів. Це пасивний теплообмінник, конструкція якого має на меті збільшити площу обміну тепловою енергією з оточенням. Енергія передається з основи радіатора до його ребер, звідки потім віддається у атмосферне повітря. Обмін повітря відбувається за рахунок конвекції, тому ребра радіатора мають бути орієнтовані вертикально. Також дуже важливо забезпечити постійний приплив повітря – наприклад, через отвори для вентиляції у корпусі. Щоб додатково підвищити ефективність радіатора, можна примусово забезпечити потік повітря за допомогою вентилятора – тоді говорять про активне охолодження. Радіатори виготовляють з металів із високою теплопровідністю – зазвичай це алюміній або мідь. Найчастіше обирають алюмінієві радіатори, оскільки, незважаючи на дещо нижчу теплопровідність, вони є легшими і дешевшими у виробництві. Існує багато методів виготовлення радіаторів – серед них екструзія, фрезерування та штампування. Також можливе інтегрування радіатора безпосередньо з корпусом пристрою – це рішення застосовують, зокрема, у модульних блоках живлення та інших пристроях, які не потребують високої охолоджувальної потужності.
Для ефективної роботи системи охолодження необхідно забезпечити ефективний теплообмін між охолоджуваним елементом та радіатором. Для цього використовують різноманітні препарати, що посередничають у тепловому обміні – найчастіше це теплопровідні пасти. Вони виготовлені на основі речовин із високою теплопровідністю – зазвичай це метали, силікони або керамічні матеріали. Їхнє завдання – заповнення мікроскопічних нерівностей поверхонь компонентів, що збільшує площу їхнього контакту. Для забезпечення найкращого теплообміну шар пасти має бути максимально тонким.
Основним параметром, що характеризує теплопровідну пасту, є її теплопровідність, яка визначає максимальну потужність відведеного тепла при заданій площі контакту, товщині шару та різниці температур. Важливою є також стійкість до висихання, що дозволяє пасті довше зберігати свої властивості та ефективно виконувати завдання без необхідності частих замін.
Щоб краще ознайомити вас із темою, нижче наведено приклад пасти, яку ми пропонуємо, – IE-HAY-410. Це силіконова теплопровідна паста загального призначення з теплопровідністю 1.42 Вт/(м·К). Її варто відзначити завдяки широкому діапазону робочих температур від -30°C до 280°C. Завдяки цьому паста чудово підходить для багатьох застосувань – від біметалевих датчиків до складних охолоджувальних систем, що складаються з пельтьєвських елементів. Запрошуємо ознайомитися з пропозицією теплопровідних паст компанії InterElcom!
| Символ | IE-HAY-410 |
| Тип | Силіконова теплопровідна паста |
| Теплопровідність | 1.42 Вт/(м᛫К) |
| Діапазон робочих температур | -30÷280°C |
| Доступна упаковка | Пакетик (0,5 г), шприц (20 г), баночка (100 г) |
Окрім паст, є також інші рішення для подібних функцій. До них належать, наприклад, теплопровідні підкладки – вони підходять там, де неможливо точно контролювати відстань між охолоджуваним елементом і радіатором. Для вибору існують також спеціальні клеї та самоклеючі стрічки. Деякі типи компонентів дозволяють застосовувати силіконові муфти і підкладки, що забезпечують легке кріплення до радіатора за допомогою гвинтів.
На перший погляд може здатися, що широко використовувані друковані плати не пристосовані для використання як елементи охолодження. Однак значна частина компонентів покладається на конструкцію плати для відведення зайвого тепла та, відповідно, для забезпечення оптимальних умов роботи. До них належать, насамперед, такі елементи, як мікроконтролери, потужні світлодіоди, транзистори, а також інтегральні схеми перетворювачів та підсилювачів. Вони використовують так званий тепловий пад – спеціально пристосований вивід, який у поєднанні з платою дозволяє ефективно відводити теплову енергію від компонента. Радіатором при цьому виступає суцільна мідна область, розмір і форма якої мають відповідати потребам конкретного компонента. Ефективність такого охолодження можна підвищити, застосовуючи спеціальні радіатори, що кріпляться безпосередньо до плати PCB.
Іншим варіантом є використання друкованих плат на алюмінієвій основі. Вони дозволяють ще ефективніше відводити теплову енергію, а також легко інтегруватися з іншими охолоджувальними системами. Використовують їх насамперед у LED-освітленні, де виділяється велика кількість тепла, тоді як прості схеми не вимагають використання більш ніж одного шару.
Читайте також: Світлодіод – характеристики найважливіших параметрівДо завдань проєктувальника друкованих плат входить врахування тепла, що генерується компонентами, та його відведення. Нехтування цим аспектом може призвести до скорочення терміну служби компонентів або їхньої передчасної поломки. Особливо це стосується компонентів, чутливих до перегріву, таких як потужні світлодіоди. Щоб упевнитися, що елемент має належне охолодження, варто орієнтуватися на рішення, рекомендовані виробником у каталожній карті. Для складніших систем корисними можуть бути комп'ютерні симуляції.
Доброю стратегією уникнення проблем із перегрівом є обмеження виділення тепла в системах. Для цього варто використовувати сучасні рішення та технології, розроблені з метою максимальної ефективності роботи. Чудовим прикладом може бути застосування перетворювача напруги замість лінійного регулятора, або заміна мережевого трансформатора ефективним імпульсним блоком живлення. Важливо також дбати, щоб компоненти не працювали на максимальній потужності тривалий час, оскільки це зазвичай супроводжується утворенням більшої кількості тепла. Це дозволяє легше контролювати температуру систем і, відповідно, гарантує довгу і безвідмовну роботу.
Проєктування та створення надійного пристрою може виявитися справжнім викликом, тому найкраще довірити це завдання професіоналам. Компанія InterElcom спеціалізується на проєктуванні та виробництві електронних систем, а також на дистрибуції широкого асортименту компонентів. Наша кваліфікована та досвідчена команда піклується про те, щоб наша продукція відповідала навіть найжорсткішим вимогам клієнтів. Розроблені нами рішення можна зустріти не лише в освітлювальній галузі, але й у багатьох секторах промисловості, де вони вже роками надійно виконують свої функції. Приєднуйтесь до кола задоволених клієнтів компанії InterElcom – зв’яжіться з нами вже сьогодні!
