Теплоотвод используется для того, чтобы отводить большую часть тепла, которое выделяется в каком-либо элементе (или наборе элементов) до безопасной температуры, продлевая тем самым срок службы всего устройства.
Если резистор греется, значит на нем теряется какая-то мощность. А если у резистора целых 10 Вт по номиналу, то недаром же есть более дорогой и занимающий намного больше места – чем, например, типовой резистор 0,5 Вт. Также из-за лишнего тепла и под резистором через много лет текстолит теряет цвет, медь начинает окисляться, крошиться…
Что делать в этом случае? Обычно достаточно удалить старое олово, зачистить контактные площадки и перепаять резистор (если он исправен – его цвет обычно не имеет значения – важно сопротивление), используя чуть больше олова, чем в корпусе других элементов. По возможности такой резистор хорошо припаять на как можно более длинные ножки – так, чтобы он был подальше от поверхности платы. Провода выводов частично заменяют теплоотвод, и в то же время большее расстояние от платы снижает нагрев платы. Проблема в том, что данный элемент большой и тяжелый. Приходится учитывать возможность его поломки от вибраций – относительно большая масса на длинном тонком проводе скорее всего будет вибрировать и понемногу отваливаться. Тогда что делать?
Здесь есть несколько способов. Один из них — придать выводам такую форму, чтобы они частично опирались на поверхность платы. Чем больше площадь контакта, тем ниже вероятность вибраций. Так можно сделать лишь тогда, когда есть элемент с длинными выводами – обычно новый. В случае старой детали с более короткими выводами, можем надеть на ножки керамические шарики (их можно получить при разборке старых нагревательных спиралей), которые использовались на выводах нагревательных элементов старых электрических плит. Длину их следует выбирать так, чтобы элемент к плате оставался на расстоянии от платы и припаивать только прижатый радиоэлемент. Благодаря этому он будет опираться на такую конструкцию, уменьшая свои колебательные импульсы.
Но почему деталь вообще греется? Потому что так и должно быть. Резисторы этого типа применяются, например, в случае простого получения стабилизированных напряжений для питания предварительного усилителя от напряжения питания силовых каскадов. Это проще и дешевле, чем вставлять трансформатор с дополнительными обмотками, но вместо этого возникает проблема с нагревом. Такие резисторы должны иметь возможность гасить разницу напряжений между питающим их силовым каскадом и напряжением, необходимым например для предусилителя. Например имеем усилитель мощности с напряжениями +/- 40 В и предусилитель должен питаться от напряжений +/- 15 В. Тогда 40 – 15 = 25 В. В зависимости от тока потребляемого предусилителем, мощность потерь может достигать 5 Вт в одной ветке питания!
Циркуляция воздуха и теплоотвод
Радиолюбители самодельщики забывают иногда об этом очень важном элементе. Радиатор на нагревающемся элементе есть, но сам корпус либо герметичный как у термоса, либо вентиляционные отверстия только в верхней панели. Как выглядит циркуляция воздуха в таком корпусе? Теплый воздух поднимается вверх – это мы все знаем из физики, но вместо этого воздуха должен идти более холодный воздух – ОТКУДА?
В корпус должен быть открыт доступ воздуха, и только тогда более теплый воздух поднимается вверх через отверстия. Должна быть подача холодного воздуха, чтобы теплый мог свободно мигрировать от радиатора, а затем из корпуса.
Поскольку имеем дело с потерями мощности в несколько ватт – нет проблем. С металлическими стенками корпуса (особенно если это алюминий) тепло будет нагревать металл, а тот, в свою очередь, будут охлаждаться потоком воздуха снаружи корпуса. Хуже когда эти мощности достигают десятков ватт. А если так, то почему бы не позаботиться об облегчении теплопередачи в окружающую среду. Тогда каждый электронный компонент вознаградит нас более длительной безотказной работой.
Итак, у нас есть радиатор. Путь охлаждающего воздуха должен быть как можно короче, ненужные повороты препятствуют потоку. Имеет ли значение форма радиатора? Конечно. Теплый воздух поднимается вверх за счет конвекции, а из этого следует, что ребра радиатора должны располагаться вдоль потоков проходящего воздуха. Не поперек, потому что это точно ухудшит теплоотдачу; тогда у воздуха нет шансов проникнуть глубоко в ребра – он будет вынужден крутиться и максимум обдувать верхушки ребер – при этом большая часть радиатора в охлаждении не участвует.
Некоторые формы радиатора диктуют его применение заранее – например, есть радиаторы, подходящие для корпусов ТО220 – причем разной длины – от коротких (идеальных для рассеивания не более пару Вт) до самых длинных, которые может справиться с потерей мощности до 10 Вт. Будет ли такой транзистор, прикрепленный к радиатору, холодным? Нет, это невозможно. Будет прохладнее, причём достаточно, чтобы спокойно работать много лет.
Радиаторы от компьютера
Популярны среди радиолюбителей, но не всё с ним так весело. Чем он плох? Вроде в оригинале он работал с процессором который излучал почти 100 Вт, но в оригинале к нему был прикреплен вентилятор, и вы конечно заметили насколько малы расстояния между ребрами, что ухудшает естественную медленную конвекцию.
Теперь о максимальных потерях мощности, например силового транзистора. Иногда сталкиваемся с таким рассуждением: если написано что максимальная мощность потерь для данного радиоэлемента составляет например 100 Вт, то такая мощность, если она будет выделяться при работе на транзисторе, не сделает ничего плохого для элемента. Но откуда берется это максимальное начальное значение? Из документации. А такой параметр (мощность потерь) там не один. Достаточно вникнуть в графики, чтобы понять, что же происходит на самом деле. Почему было дано это значение и в связке с какими другими параметрами оно актуально.
Вообще причину тепловыделения нужно максимально устранять, а не бороться с ней. Радиатор лишь способствует передаче тепла в окружающую среду, не более того, его установка не уменьшит количество выделяемого тепла.
Есть еще и тот факт, что в теплопроводе само тепло «хотело бы раствориться» равномерно по всему объему. Это можно подтвердить простым экспериментом: медный стержень длиной около 20 см, левый конец держим в рукоятке, устойчивой к высоким температурам, но являющейся теплоизолятором (допустим теплообмен между стержнем и ручкой отсутствует). Нагреваем правый конец зажигалкой. Через некоторое время кончик левой также становится горячим, но холоднее, чем правый. Через какое-то время перестаём греть. Вся поверхность стержня отдает тепло в воздух, но прежде чем весь стержень остынет, разница температур между концами стержня уменьшится. Чем толще брусок металла для этого эксперимента, тем быстрее выровняются температуры, хотя нагреть его будет труднее.
Почему греется мощный резистор при работе с большой мощностью, понятно. Это кажется неизбежным злом, так как такое решение в основном продиктовано более низкой себестоимостью производства устройства, подходящий трансформатор конечно был бы лучшим решением, но более дорогим.
Также стоит отметить что теплоотвод не увеличивает площадь или объем активного элемента, выделяющего тепло (проволока в резисторе, полупроводник в транзисторе). Возьмем в качестве примера резистор 5 Вт и предположим, что он имеет сопротивление 10 Ом и фактически потребляет 4 Вт во время работы (и отдает всю эту мощность в виде тепла). Думается, что если проблема в температуре резистора, то стоит подумать об установке двух резисторов по 5 Вт (или трёх), пока это технически возможно, а еще лучше если резисторы будут не рядом друг с другом, а на расстоянии.
Оба резистора в этом случае будут иметь сопротивление 5 Ом (последовательное соединение даст сопротивление 10 Ом) или 20 Ом (параллельное соединение даст сопротивление 10 Ом), чтобы получить эквивалент одного резистора 10 Ом. Тогда каждый резистор отдельно будет потреблять и отдавать по 2 Вт мощности, поэтому он будет генерировать половину тепла. Это естественно только увеличивает площадь поверхности тепловыделяющего активного элемента, поэтому все это дело вырабатывает то же количество тепла, но уже больше рассеивается.
Еще пример из практики. Имея блок питания на 12 В нужно еще и 5 В с током 300 мА. Проще всего купить стабилизатор 7805. Теоретически да, но может оказаться, что стабилизатор сильно греется и выходное напряжение немного падает. Это связано с принципом работы линейного стабилизатора. Лучше будет использовать два стабилизатора последовательно, то есть 7809, а затем 7805, лучше всего разнесенные друг от друга. Оба стабилизатора вместе будут выделять такое же количество тепла как и один, но риск перегрева ниже. Возможное добавление радиаторов только облегчит отвод тепла, не более того. Иногда единственное разумное решение – использовать гораздо более дорогой преобразователь DC-DC, который благодаря другому принципу работы не так сильно греется.
Словом, имея необходимость понизить напряжение вы будете либо использовать дешевые элементы, но очень теплые, либо более дорогие детали, но почти холодные.
