Продолжаем тему радиаторов и сегодня рассмотрим принудительное охлаждение. Иногда радиоэлемент не может достаточно охлаждаться одним лишь радиатором – приходится ставить кулер. И нужно учитывать, что вентилятор должен соответствовать предъявляемым к нему требованиям и размеру радиатора. Иногда может оказаться что лучше использовать меньший радиатор с согласованным вентилятором, чем больший с несогласованным. Тепло просто распространяется по радиатору от нагревающегося элемента и чем дальше от него, тем ниже температура радиатора – небольшой вентилятор охлаждает один конец такого радиатора, а элемент, который нужно охлаждать, – находится с другого.
Бывает радиолюбитель использует действительно большой радиатор, но силовые транзисторы прикручены к его краю, так что бОльшая его часть не имела шансов существенно охладить эти транзисторы. В таком случае может даже получиться, что никакой радиатор не поможет.
Также необходимо упомянуть самое узкое место всей системы охлаждения, которое представляет собой поверхность вкладыша радиатора.
Возьмем для примера микросхему TDA7294 – ее заявленная мощность составляет 100 Вт. Это усилитель класса АВ, поэтому его КПД около 60% в самых неблагоприятных условиях. Так что несложно посчитать, что нам нужно потерять (в смысле отвести от структуры микросхемы) целых 60 Вт. Это немало, тем более что имеется ограничение в виде максимальной температуры конструкции (поверхности кремниевой пластины на основании теплоотводящей вставки, видимой сзади микросхемы, на которой все микроструктуры транзисторов, резисторов и других элементов из которых состоит весь усилитель, расположенные внутри корпуса) – а это в свою очередь контролируется на постоянной основе системой СОАР, встроенным в саму структуру чипа электронным ограничителем мощности, чтобы защитить его от повреждений (не только от слишком высокой температуры).
Хорошо, но тогда какой радиатор использовать, чтобы получить эти 100 Вт? Тут сталкиваемся с непониманием данных из даташита. Эти 100 Вт – мощность, которую микросхема ТЕОРЕТИЧЕСКИ может отдать в нагрузку. Теоретически – значит в строго определенных условиях, а такие получить в обычных домашних нереально. Да и номинальная мощность дана для 10% искажений, а такой уровень Кни в музыкальном сигнале превратит музыку в погремушку. Тем не менее данную мощность можно временно «выжать» из чипа. Кратковременно, потому что после этого момента внутренняя конструкция нагреется настолько, что защита сработает и предотвратит дальнейшие подобные перегрузы.
Но этому мешает упомянутое узкое место, то есть малая поверхность радиаторной вставки. Такое большое количество тепла просто не в состоянии быстро просочиться через такой маленький радиатор, а потому и большой, прикрученный к чипу, его не отнимет, пусть даже он огромный как батарея и дополнительно охлаждаемый вентилятором. Реальная мощность которую можно получить при наилучшем охлаждении в реальных условиях, составляет около 70 Вт. И больше не будет, даже если очень постараться. Здесь тоже выступает принцип: чем дальше от радиатора, тем ниже его температура. Самая высокая будет там, где он крепится к радиатору.
Это узкое место приведено в документации каждой микросхемы – тепловое сопротивление корпуса, в котором находятся детали чипа. Данное термическое сопротивление корпуса больше термического сопротивления лучшего радиатора, а потому оно и выступает узким местом рассеивания тепла.
Несколько транзисторов на одном радиаторе – можно, но помните:
- Не ставьте их близко друг к другу, особенно когда все они нагреваются до одинаковой степени.
- Радиатор обычно электрически подключается к схеме. Так что если любые два элемента имеют разные электрические потенциалы, то присоединив их к общему радиатору без изолирующих прокладок, создадим короткое замыкание.
Вытяжка и обдув
Что лучше: дуть холодным воздухом на радиатор или вытягивать из него горячий воздух? Здесь всегда есть две стороны. Одни считают что от радиатора лучше получать горячий воздух, другие – что на него лучше дуть холодным.
Истина посередине. Всегда поток воздуха под давлением (даже настолько низким, насколько может производить вентилятор) более концентрированный и направляется туда куда нужно. Так что если есть такая возможность и надо в первую очередь охладить радиатор – дуем на него, но не забывая, что в этом случае нагретому воздуху должно куда выходить. Если этого не предусмотреть (например создав своеобразный туннель с вентилятором на одном конце и отверстием снаружи корпуса на другом), то лучше этого не делать.
Нет смысла дуть на радиатор когда вентилятору неоткуда тянуть холодный воздух – когда вентиляционная решетка для “впуска” воздуха находится на другом конце корпуса, дополнительно затененном крупными элементами – трансформатором, конденсаторами, которые препятствовать свободному течению. Тем более в этом случае следует помнить, что радиатор будет охлаждаться не так эффективно – во-первых, на него будет попадать воздух уже слегка нагретый теплом от других радиоэлементов, во-вторых, давление, которое кулер сможет генерировать, будет ниже, потому что воздух будет тормозиться протискиваясь между другими элементами в корпусе.
А если вытягивать нагретый воздух из корпуса? Возможно. Но нужно представить, как будет вести себя воздух – какие пути он пройдет к вентилятору, прежде чем покинет корпус; не обойдет ли он, например, радиатор, охлаждение которого требуется в первую очередь? Потому что воздух любит иметь на своем пути наименьшее сопротивление, и если что-то встанет на его пути – он обойдет его. Именно поэтому требуется тщательный анализ всех аспектов охлаждения.
Нет смысла подключать вентилятор напрямую к блоку питания, когда радиатор нагревается только в определенных ситуациях. Зачем ему шуметь и гонять воздух без причины? Другое дело когда устройство требует постоянного охлаждения, потому что элементы в нем всегда выделяют одинаковое количество тепла.
Так что смотрим в сторону регулятора скорости вращения вентилятора. Самый простой способ – регулировать напряжение. Скорость большинства вентиляторов постоянного тока зависит от напряжения, правда не совсем линейно.
В подавляющем большинстве случаев вентилятор стоит на месте, пока на него не поступит достаточно высокое напряжение; например для компьютерных кулеров оно будет чуть меньше половины номинального напряжения. Лучше чтоб напряжение соотносилось с определенной температурой, которую считаем необходимой для поддержки вентиляторного охлаждения – при выборе вентилятора по максимальной мощности его обороты стабилизируются сами собой до уровня, необходимого для поддержания выше допустимой температуры, тогда не будем вынуждены все время слушать ненужный шум.
В качестве альтернативного метода возьмём термистор. В случае с термистором помните, что ток течет через него все время – даже когда вентилятор остановлен и температура ниже чем необходимо для его включения. Следовательно, на термисторе будет выделяться тепло, он будет греться сам. Именно поэтому имеется необходимость выбора определенного термистора для конкретного вентилятора. Но если термистор будет стоять на радиаторе, то даже если радиатор немного нагреется «сам по себе», тепло он будет принимать и существенно на работу вентилятора это не повлияет. В зависимости от мощности сопротивление термистора будет разным. Для вентиляторов с током потребления 0,1 А и рабочим напряжением 12 В оно будет в районе нескольких сотен Ом.
Выходит в дополнение к определенному типу вентилятора нужно подобрать термистор с определенными значениями. Даже при использовании вентилятора той же мощности может оказаться что он имеет другие характеристики и начнет вращаться при более высоком напряжении, а при определенной температуре его вращение будет отличаться от вентилятора другого типа.
Что касается первого способа – схему такого регулятора можно легко найти на наших сайтах.
Кстати, номинальное напряжение вентилятора не означает что на него нельзя подать чуть больше. У многих 12 В вентиляторов это напряжение может достигать и 14 В, так что есть запас на падение напряжения самого регулятора. Благодаря этому можем быть уверены, что вентилятор ни в коем случае не выйдет из строя, таку как сам регулятор тоже немного ограничит это напряжение.
Каждый параметр может отличаться в реальных условиях от приводимых в документации. Нельзя слепо верить всему, что читаете в даташитах, потому что приведенные там значения получены в теоретических случаях – а они имеют мало общего с практикой. Поэтому всегда нужно делать поправку в худшую сторону.
То же самое относится и к выбору радиатора. Тот факт, что значение дано для конкретного профиля, не означает что выбрав такой же профиль, но, например, в 2 раза длиннее, в итоге получим в 2 раза более низкое тепловое сопротивление. Кроме того, способность получать тепло от элемента и рассеивать его в окружающую среду, зависит от разницы температур радиатора и воздуха. Чем теплее воздух, тем ниже способность элемента охлаждать. А ведь всегда может случиться так, что придет супер жаркое лето.
Еще одним ограничением является пыль, которая даже без принудительного охлаждения любит оставаться там, где тепло. И её толстый слой так же эффективно ограничивает возможности радиатора, как и пуховое одеяло. Было бы хорошо как можно больше заблокировать входные/выходные отверстия для воздуха фильтром. Конечно это не освобождает от периодической чистки, но делать это придется заметно реже.
ОК, на сегодня всё, информацию полезную вы получили и это позволит в будущем меньше тратиться на замену сгоревших от перегрева транзисторов и микросхем.
