Soğutucular
Elektronikte soğutucu denince pek çoğumuzun aklına kalın alüminyum, bakır dilimli parçalar gelir. Aslında her türlü soğutucunun amacı aynıdır. İstenilen bir yerdeki ısı birikmesini önlemek, sıcaklığın artmasına izin vermemek, orada biriken ısıyı hemen çevreye yaymak.
Elektronik devrenin yapısına göre soğutucular farklı şekillerde karşımıza çıkarlar. Örneğin büyük bir verici lambası yada büyük bir bilgisayar sisteminin işlemci blokları öylesine fazla ısı üretiminde bulunurlar ki bunları soğutmak için bildiğimiz soğutucular yetmez. Bunların dış kılıfları içinden soğuk ve malzemenin kimyasal aşınmasını önleyen kanallarında kireçlenme yapmayan su yada benzeri sıvılar dolaştırılır.
Elektronikte kullanılan silisyum kökenli malzemelerin yarı iletken kısımları 200 oC da bozulur. Bu nedenle chip üzerinde biriken ısının hemen dışarı atılmasını sağlamak üzere malzemen chip kısmı genellikle alüminyum bir plaka üzerine, ısıl geçirgenliği yüksek bir yapıştırıcı ile yapıştırılmıştır. Sonrada üzeri uygun bir şekilde ya yine alüminyum bir kapakla yada plastikle kapatılmıştır. Fakat bu tür malzeme, transistör, diyot, triac yada benzeri güç elemanlarının kılıfları üzerlerinde biriken ısıyı dışarı atmaya, çevreye yaymaya yetmez. Bunları ayrıca bir soğutucunun üzerine koymak gereklidir. O zaman akıllarda şu sorular oluşur. Soğutucu ne kadar büyüklükte olacak, yatay mı duracak, dikey mi duracak, renkli olsa olur mu?
Bir yarı iletken kataloguna baktığımız zaman orada yarı iletkenin genellikle dış kılıfının ısıl direnci ve yarı iletkenin en çok hangi sıcaklıkta çalışacağını gösterir değerler buluruz. Bu değerler yarı iletkenin cinsine ve üreticisine göre değişir. Aynı şekilde bir soğutucu kataloguna baktığımız zaman, o soğutucuya ait ısıl direnç, verim, ısı yayma özelliklerinin değerlerini görürüz. Bu değerler de soğutucunun türüne ve imalatçısına göre değişir. Bu nedenle hazır soğutucuların kullanılacağı devrelerde gerçekten bir hesaplama sonucu bir soğutucu kullanılacaksa kullanılacak soğutucunun bütün parametrelerinin bilinmesi gerekmektedir. Elimizde böyle bir katalog varsa pek hesap yapmaya gerek kalmadan, katalog içinde verilen grafikler yardımı ile soğutucu uzunluğu ve dikey yada yatay yerleştirme pozisyonu elde edilir. Yada malzeme satıcısının insafına ve bilgisine sığınırız. Bazı özel durumlarda da ticari olarak satılan soğutucuları kullanmak fiziksel sorunlardan dolayı mümkün olamaya bilir. O zaman kendi soğutucumuzu kendimiz yapmak durumunda kalırız.
Şimdi biraz teorik bilgi;
Bir yarı iletkenin ısı akışını anlamak için elektriksel benzetmeler yapalım;
Elektrik Terimleri / Isı Terimleri
V - Voltaj (V) / T - Sıcaklık (oC)
I - Akım (A) / P - Güç (W)
R - Direnç (ohm) / Rth - Isıl direnç (oC/W)
Rth bazen Øth olarak da gösterilir.
Aşağıdaki şekilde bir yarı iletken eklemini ile çevresi arasındaki elektriksel benzetim görülmektedir.
Buradakiler;
P - Güç
TJA - Junction - Ambient Temperature (Eklem - Çevre sıcaklık farkı)
TJ - Junction Temperature (Eklem sıcaklığı)
TAmb - Ambient Temperature (Çevre sıcaklığı)
TJ - Junction Temperature (Eklem sıcaklığı)
TC - Case Temperature (Kılıf sıcaklığı)
THS - Heatsink Temperature (Soğutucu sıcaklığı)
Rthjcase - Junction to Case thermal resistance (Kılıf - eklem ısıl direnci)
Rthcs - Case to heatsink thermal resistance (Kılıf - Soğutucu ısıl direnci)
RthHSA Heatsink to Ambient thermal resistance (Kılıf - Çevre ısıl direnci)
Yukarıdaki şekil sadece bir yarı iletkenin çevre ortamı ile ısı ilişkisini göstermektedir. Burada henüz soğutucu, izolatör gibi parçalar yoktur.
Yukarıda şekilde görülen tüm ısıl dirençleri toplarsak ve adına da Rthjamb (Ambient to Junction thermal resistance - Eklem - çevre ısıl direnci) dersek;
Rthjamb = Rthjcase + Raoss + RthHSA
Buna göre;
TJA = TJ - TAmb
TJA = P * Rthjamb
Rthjamb = (TJ - TAmb) / P
Olarak bulunur.
Burada dikkat edilmesi gereken nokta TJ <= TJ(max), yani transistörün chipinin katalog da verilen en yüksek değerinin aşılmamasıdır.
Bu durumda;
Rthjamp <= (TJ- TAmp) / Ptot
Olarak düzeltilmelidir.
Eğer transistör gövdesi ile soğutucu arasında bir yalıtkan, örneğin mika pul kullanılırsa, o zaman Rthcs değeri 0,2 oC/W ile 0,5 oC/W arasında değişir.Aynı zamanda çeşitli maddelerden yapılmış olan soğutucular (örneğin bakır, alüminyum vs) yapıldıkları malzemeye göre farklı özellikler gösterir. Alüminyum diğerlerine göre daha ucuz olduğu için çoğunlukla tercih edilir.
Yukarıdaki özellikler kullanılarak kullanılacak soğutucunun alanı bulunur. Hesaplanan alan soğutucunun kullanım biçimine göre yani dikey yada yatay olmasına göre değişir. Dikey kullanım alanları yatay kulanım alanına göre daha azdır. Bunun nedeni dikey durumdaki soğutucularda hava akımının daha iyi olmasıdır.
Şimdi örnek hesaplamalar yapalım.
Transistörlü bir çıkış devresinde;
Rthjcase = 1 oC/W
Rthcs =0,5 oC/W (mika pul yalıtkan)
RthHSA = 2,5 oC/W (düşey durumlar için)
Tjmax = 175 oC
Tamb = 30 oC/W
Olursa çıkış devresinde harcanacak en büyük güç Ptot ne olur?
Ptot <= (TJmax - TAmb) / Rthjamb
Rthjamb = Rthjcase + Rthcs + RthHSA
Rthjamb = 1 + 0,5 + 2,5
Rthjamb = 4 oC/W
Ptot <= (175 - 30) / 4
Ptot <= 46,25W bulunur...
İkinci örnek;
Transistörlü bir çıkış devresinde
Rthjcase = 1 oC/W
Rthcs =0,5 oC/W (mika pul yalıtkan)
Tjmax = 175 oC
Tamb = 30 oC/W
Ptot = 42,25W
Olduğuna göre kullanılacak soğutucu alanını hem yatay hem dikey olarak hesaplayınız.
Rthjamb <= (175 - 30) / 42,25
Rthjamb <= 4 oC/W
Rthjamb = Rthjcase + Rthcs + RthHSA
RthHSA = Rthjamb - Rthjcase + Rthcs
RthHSA = 4 - 1 + 0,5
RthHSA = 2,5 oC/W
Olarak bulunur.
Şimdi aşağıdaki tablodan yararlanarak soğutucunun BİR YÜZÜNÜN alanını bulalım.
2,5 oC/W ye karşılık gelen bir yüzün alanı;
Düşey durumda 60 inch2
Yatay durumda 70 inch2
Yukarıdaki değerler soğutucunun bir yüzünün alanı olduğu için toplam alan;
Düşey durumda 120 inch2 yada 774 cm2
Yatay durumda 140 inch2 yada 903 cm2
Olarak bulunur. Burada bulduğumuz soğutucu levha halindeki bir alüminyum plakadır. Buna çeşitli şekiller vermek, kesip kanatlar haline getirmek yada hacmini hesaplayıp başka şekiller vermek artık sizin yaratıcı gücünüze kalıyor.
Sayfayı Yazdır
Anketler
Tavsiye Et
Bize Yazın
Ana Sayfa
Sanal Mağaza
Adres ve Telefon Numaraları için Tıklayın...