Koeling van halfgeleiders
Onderstaand artikel is bedoeld om het gebruik en montage van koelplaten te verduidelijken. Waarom dit artikel?
In diverse bouwbeschrijvingen staan kreten als: 'Gebruik een forse koelplaat' e.d. Hoe groot een forse koelplaat is wordt aan de fantasie van de bouwer overgelaten. Bij zelf ontworpen schakelingen weet men niet hoe groot de koelplaat moet worden. Koelplaten zijn duur. Of de koelplaat uit de junk-box of bij de vlooienmarkt gebruikt kan worden is vaak niet bekend.
Waarom koeling?
De halfgeleider in de behuizing van b.v. een transistor wordt warm omdat een vermogen wordt gedissipeerd. Deze warmte moet worden afgevoerd aan b.v. de lucht omdat de halfgeleider anders te warm wordt en defekt gaat.
Thermische weerstanden
Schematisch zijn drie thermische weerstanden te overbruggen:
Fig. 1. (T staat voor temperatuur, Rth voor thermische weerstand).
Een weerstand tussen de halfgeleider (J) en de behuizing van de halfgeleider (C), deze noemen we RthJC.
Een weerstand tussen de behuizing (C) en de koelplaat (S), deze noemen we RthCS.
Een weerstand tussen de koelplaat (S) en de lucht (A), deze noemen we RthSA.
Hebben we invloed op die thermische weerstanden?
RthJC: geen enkele, deze zit in de behuizing.
RthCS: enigszins, door te zorgen voor een goed thermisch kontakt tussen behuizing en koelplaat:
- zorg voor schone gladde kontakt oppervlakken;
- de plaats waar de behuizing gemonteerd wordt moet vrij zijn van anodisering (of verf);
- de montagebouten of schroeven moeten voorzien zijn van een veer-ring (i.v.m. thermische uitzetting);
- deze schroeven of bouten moeten met een bepaald moment zijn aangetrokken (goed vast schroeven);
- gebruik van thermisch geleidende pasta (koelpasta), dit kan de thermische weerstand met de helft verkleinen.
In de praktijk is de waarde van RthCS in de orde van 0,15 °C/W tot b.v. 0,3 °C/W met een mica isolatieplaatje tussen de koelplaat en de te koelen behuizing (bij gebruik van koelpasta).
RthSA: veel, dit is tenslotte de koelplaat zelf (opgegeven door de fabrikant in °C/W of K/W).
Belangrijk is wel dat de opgegeven RthSA voor een bepaalde koelplaat alleen geldt als:
- de koelribben vertikaal staan waardoor natuurlijke konvektie mogelijk is (als de lucht niet vrij langs kan stromen kan de thermische weerstand tot 20% groter worden);
- de koelplaat zwart geanodiseerd is (blanke koelplaten hebben een thermische weerstand die 10 tot 15% groter is).
De waarde RthSA kan varieren van 0,4 °C/W voor forse koelplaten tot 110 °C/W voor hele kleine.
Wat voor koelplaat gebruikt moet worden is te berekenen door de volgende formule toe te passen, waarbij PD het door de halfgeleider gedissipeerde vermogen is in Watts.
Deze formule wordt ook wel de 'Thermische wet van Ohm' genoemd.
In databoeken wordt o.a. opgegeven: de maximale temperatuur van J (TJ) en de waarde van RthJC.
Omdat u en ik geen databoeken hebben waar dergelijke gegevens in staan als TJ en RthJC, is het bovenstaande leuk om te weten, maar niet erg praktisch.
Een praktijkvoorbeeld
Als amateur hebben we b.v. de volgende gegevens:
TC: We geven de temperatuur aan die de behuizing van de halfgeleider mag worden, b.v. 50 °C.
TA: We geven de temperatuur aan die in de shack kan heersen, b.v. 30 °C (hittegolf?).
PD: Dit is het vermogen wat de betreffende halfgeleider zal dissiperen, b.v. 40 Watts.
Fig. 2.
Met de volgende (eenvoudige) formule kunnen we zien hoe groot de koelplaat moet worden.
Als we de getallen invullen:
Zoals eerder aangegeven zal RthCS 0,3 °C/W kunnen zijn, deze trekken we van de 5 °C/W af, zodat RthSA 4,7 °C/W moet zijn.
Omdat RthSA in dit geval veel groter is dan RthCS, is het overdreven erg veel aandacht te besteden aan RthCS d.m.v. koelpasta. Veel aandacht verdient RthCS indien RthSA klein is (het zijn tenslotte twee thermische weerstanden in serie).
Om een indruk te krijgen wat voor soort koelplaat bruikbaar of maakbaar is, is bij dit artikel een aantal typen opgegeven, voorzien van informatie over de RthSA. Vergelijk de maatvoering (let ook op de lengte) met wat in de junkbox of vlooienmarkt ligt.
Chris, PA3CRX.