4. Расчет тепловых режимов
Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, то используют тонкие изолирующие прокладки плюс смазка, а также изолирующие вкладыши для монтажных винтов. Прокладки делаются из слюды, изолируемого алюминия, двуокиси бериллия BeO2, нитрида бора, окиси алюминия. В качестве теплопроводящих смазок используются кремнийорганические компаунды. Например, ПМС–100 ГОСТ 13032–77 или КПТ–8 ГОСТ 19783–74 /6/. Тепловое сопротивление между корпусом элемента и радиатором, вносимое прокладкой, составляет 0,14–0,4 °С/Вт. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, тепловое сопротивление корпус-радиатор составляет 0,1–0,2 °С/Вт /11, 17/. В этом случае необходимо изолировать радиатор от корпуса прибора.
Температура перехода транзистора находится как
(4.1)
где ТС – температура окружающей среды; Р – мощность, рассеиваемая на переходе; RTп-к, RTк-р, RTр-с – тепловые сопротивления переход-корпус, корпус-радиатор, радиатор-среда соответственно. Из (4.1) находим требуемое значение теплового сопротивления радиатора
(4.2)
Температура корпуса полупроводникового прибора
(4.3)
Разность температур радиатора и внешней среды
(4.4)
Поскольку для микросхемы известно значение теплового сопротивления переход-среда, определим максимальную температуру перехода
(4.5)
где RТп-с=RTп-к+ RTк-р+ RTр-с – тепловое сопротивление переход-среда. Мощность, рассеиваемая микросхемой DA1 составляет
(4.6)
где IAmax=10 мА – максимальный ток силового транзистора микросхемы A1; IAу=4 мА – ток, потребляемый микросхемой A1 в цепи управления.
В нашем случае РА=(8,74–2–0,6)·10–102·0+34,6·4=199,8 мВт. ТП=35+0,2·110=57°С<150°С. Полученное значение меньше максимально допустимой температуры перехода, т. е. микросхема A1 не нуждается в дополнительном теплоотводе.
Мощность, рассеиваемая на транзисторе VT5, составляет согласно (2.10) PV2=1,57 Вт. В справочных данных на транзисторы приводится только тепловое сопротивление переход-корпус транзистора /11, 16/. Задаемся максимальной температурой перехода ТП=105 °С, меньшей, чем ее максимально допустимое значение. Убеждаемся, что при этом температура корпуса транзистора не превышает максимально допустимое значение ТК=105–1,57·10=89,3<100 °C. Полагаем, что транзистор имеет хороший тепловой контакт с радиатором, принимаем RTк-р=0,1°С/Вт. Из (4.2) находим требуемое значение теплового сопротивления внешнего радиатора RТр-с=(105–30)/1,57–10–0,1=37,7°С/Вт. Разность температур радиатора и внешней среды согласно (4.4) составляет ТР–С=105–1,57(10+0,1)–30=59,2°С. По рассчитанным значениям выбираем пластинчатый радиатор с минимальными размерами 20/45/3 мм.
В качестве VT1 предполагалось использовать четыре параллельно соединенных транзисторов. На каждом транзисторе рассеивается мощность Р1=20 Вт. Задаемся максимальной температурой перехода ТП=115 °С. Убеждаемся, что температура корпуса транзистора при этом меньше предельно допустимого значения ТК=115–20·1=95<100 °С. Полагаем, что все транзисторы крепятся на радиатор без электроизоляционных прокладок с использованием теплопроводящей мастики. Для такого крепления принимаем RТк-р=0,1 °С/Вт /17/. Требуемое значение теплового сопротивления радиатора согласно (4.2) равно RТр-с=(115–30)/20–1–0,1=3,15 °С/Вт. Разность температур радиатора и внешней среды находим из (4.4), ТР–С=115–20(1+0,1)–30=63 °С. Выбираем ребристый радиатор с размерами 120/40/32 мм. Поскольку коллекторы транзисторов имеют одинаковый потенциал их удобно крепить на общий радиатор. Площадь основания такого радиатора может быть на 10–15% меньше суммарной площади отдельных радиаторов /5, 17/.
Мощность, рассеиваемая на диодах VD1–VD2, составляет 6 Вт. Задаемся максимальной температурой перехода ТП=105°С, меньшей, чем ее максимально допустимое значение. Убеждаемся, что при этом температура корпуса диода не превышает максимально допустимое значение ТК=105–6·3,5=84<130°C, т. е. диоды VD1–VD2 не нуждается в дополнительном теплоотводе.