Warmteontwikkeling enzo

Geen idee wat voor vuistregels daarvoor bestaan. Ik heb nog wel de TOR installaties meegemaakt (telex over radio) In de oudste generatie zaten dubbeltriodes die als flip-flop geschakeld waren. Er zaten er zoveel op elkaar gepakt in een kast dat er op de kast een ventilator lag die de warme lucht direct door het dak naar buiten joeg. Op die ventilator zat een beveiliging, als hij stopte ging gelijk de hele kast plat. Kennelijk kon het spul geen seconde zonder koeling.

Halfgeleiders zijn nogal kleine structuren in verhouding tot elektronenbuizen. Het halfgeleiderkristal moet onder een bepaalde temperatuur gehouden worden omdat deze anders beschadigt raakt, vandaar dat koeling noodzakelijk is. Een bijkomend probleem is dat deze structuren enkel hun warmte kunnen afvoeren via directe geleiding. Het lukt praktisch niet om warmte te verliezen via afstraling.

Elektronenbuizen zijn fysiek vele malen groter dan halfgeleiders, in tegenstelling tot halfgeleiders lukt het buizen wel om veel warmte kwijt te raken via straling. Daarnaast is het oppervlakte van de radiobuis ook significant groter, hierdoor daalt de thermische weerstand naar de omgeving ook in grote mate. De buis zelf is vacuum, dus de interne structuur kan enkel zijn warmte overbrengen via afstraling naar de glazen behuizing en via geleiding via de aansluitingen in de voet. Het glas kan een deel van de straling absorberen en deze via geleiding en convectie weer afvoeren aan de lucht of een koellichaam.

Op blz. 13 van deze pdf staat een en ander over temperaturen. Buizen vinden een beetje extra warmte over het algemeen niet erg...
(zolang het glas en de pinafdichtingen niet smelten/beschadigen)

Chapter03.pdf

Inderdaad, een hogere toegestane temperatuur en daarmee grotere _deltaT maakt dat je veel meer vermogen door een zekere Rth kunt duwen. Ook heb je minder massa aan lucht nodig.

Toch zijn op normale consumentenbuizen wel eens koelvinnen toegepast. In de jaren '60 had je een Zwitsers bedrijf dat neonreclames maakte die je zelf kon samenstellen. Dit werkte door de letters in een RF-veld te brengen, geen electrodes nodig. Dit waren armaturen van zeker een meter lang, in de eindtrap van de zender zaten gewone consumentenbuizen, ik meen 2 stuks UL84. Hier ging een nauwsluitende aluminium koelplaat omheen die zich over de volle lengte van het armatuur uitstrekte en door middel van convectie zijn warmte afgaf.

Zijn er nog steeds:

Op 2 november 2016 11:18:37 schreef fatbeard:
In een (vermogens) halfgeleider versterker wordt vaak nogal wat warmte geproduceerd, wat de levensduur niet ten goede komt.

Nee, Dat is niet waar. Een halfgeleider kan prima warmte produceren, en mag daardoor best 100 graden worden, hetgeen de levensduur niet significant hoeft te beinvloeden.

Waar het om gaat is dat de MAX temperatuur van de junctie (in vermogennshalfgeleiders) niet hoger mag worden dan 175 graden. Om dat te bewerkstelligen krijg je de koelvinnen en evt fans.

Ik ga er van uit dat ver vergelijkbare limieten zijn voor buizen. Een minimale en een maximale werk-temperatuur. Het is aan jou om te zorgen dat ie daarbinnen blijft.

[Bericht gewijzigd door rew op woensdag 2 november 2016 14:22:56 (13%)]

Een halfgeleider is kleiner en kan vaak ook nog meer vermogen dissiperen. Bovendien is een glazen buis ook niet echt gemaakt om warmte af te geven aan een koelblok, vaak zit er op een halfgeleider behuizing een stukje metaal aan de buitenkant dat verbonden is met de die. Een veel betere warmtegeleider dan glas.

En anders heb je nog watergekoelde buizen:

Op 2 november 2016 14:21:50 schreef rew:
...
Ik ga er van uit dat ver vergelijkbare limieten zijn voor buizen. Een minimale en een maximale werk-temperatuur.
...

Ik dus ook, maar wat zijn die limieten en/of waar kan je er meer over vinden?
De overige electronica (zoals daar zijn weerstanden en condensatoren) van een buizenversterker heeft ook een maximale temperatuur...
En wat levensduur betreft: ik refereerde aan de versterker als geheel...

@JoWi: Een watergekoelde gitaarversterker is wel een leuke gimmick, maar niet echt praktisch...

@Arco: Interessant document, jammer dat het niet text-searchable is. En hoewel zeer uitgebreid, zo op het eerste gezicht weinig direct nuttige informatie voor mijn 'probleem'.
Er wordt wel gehint op het bestaan van een "limiting temperature", maar die heb ik eigenlijk nog nooit in een datasheet zien staan (nooit op gelet ook).

Het zal er wel op neer gaan komen dat de buizen zover uit elkaar komen te staan als praktisch haalbaar is. Maar dat vertelt me niet of ik er bijvoorbeeld een ventilator bij moet zetten...

Wil je een "warm" geluid, bouw je een buizenversterker en deze ga je vervolgens weer koelen ?
Ik snap dat niet hoor

@Arco: Interessant document, jammer dat het niet text-searchable is.

Ja, het complete Radiotron document (1600blz) ook niet, maar heeft wel een index.
http://www.tubebooks.org/Books/RDH4.pdf

Op 2 november 2016 17:35:08 schreef Gadget_inc:
Wil je een "warm" geluid, bouw je een buizenversterker en deze ga je vervolgens weer koelen ?
Ik snap dat niet hoor

De opzet is dan ook warm geluid, niet heet (Watt heet?)...
Een versterker koelen is makkelijker (in elk geval minder pijnlijk) dan m'n oren.
Maar... wanneer móet ik hem koelen?

Too cool or not to cool, that's the question.

@Arco: Dank!

Zolang de anodes en roosters niet smelten is er niks aan het handje.
Kathode hoef je sowieso niet te koelen.

Aanvulling nav post van @RAAF12 op maandag 7 nov 2016 01:34:52
.. en het glas van de buis niet smelt.

[Bericht gewijzigd door ohm pi op maandag 7 november 2016 19:59:58 (33%)]

Een buizenradio kon mooi als 'kacheltje' in je slaapkamer dienen. Zeker de eindbuis (EL84, ECL86) produceerde erg veel warmte.

Ook te vinden op tubebooks.org is "Kohl 1960 Materials and Techniques for Electron Tubes" met een interessante paragraaf over "Heat transfer in Electron Tubes". Verrassend is o.a. dat bij hoge anodetemperatuur de glasomhulling soms juist koeler kan blijven (bij eenzelfde gedissipeerd vermogen).

Ik heb hier op het forum wel eens als tagline 'Transistors have ratings. Tubes have guidelines' gezien. Daaruit meen ik dan te mogen concluderen dat het allemaal niet zo kritisch is - zolang het niet smelt

Ik ga de zeer mooie uitleg die hier al gegeven is niet herhalen, maar ik heb toch mijn bedenkingen over het gebruik van de term thermische weerstand bij buizen die ik in dit topic al tig keer gelezen heb.

Warmte verspreidt zich op 3 wijzen.
Door conductie, convectie en door straling.
Bij een vacuumbuis is er slechts een klein deeltje wat afgevoerd wordt langs de pootjes, dus door geleiding.
95% wordt uitsluitend door straling verspreid. Logisch, want vacuum kent geen geleiding en ook geen convectie.
Bij straling is de afgegeven energie evenredig met de 4e macht van de temperatuur. Deze straling is in tegenstelling met geleiding en convectie onafhankelijk van de omgevingstemperatuur.
De temperatuur zal een bepaalde waarde aannemen zodat de afgegeven energie gelijk is aan de opgewekte energie. Dat noemt men thermisch evenwicht. De hoeveelheid afgegeven straling is absoluut niet afhankelijk van het temperatuurverschil in en buiten de buis.
als het nu in de omgeving van de buis-40°C of 250°C is, de buis zal evenveel stralingswarmte afgeven. De term thermische weerstand is hier dus niet van toepassing. Want thermische weerstand van een materiaal is R= d/lambda de dikte van het materiaal gedeeld door de warmtegeleiding coëfficiënt die materiaalspecifiek is.(per m²). Het warmteverlies is dan het temperatuurverschil gedeeld door de totale warmteweerstand
Maar zoals gezegd, bij straling heeft dit geen betekenis.
Dat ideale plaatje wordt wel verstoord doordat een klein deel van de stralingswarmte door het glas geabsorbeerd wordt en terug uitgestraald wordt met een lagere golflengte. De rest wordt door convectie met de omgevende lucht verspreid. Ook hier gaan beide manieren van energieverlies samen voor een thermisch evenwicht zorgen: de temperatuur van het glas.

Overigens is dit niet van toepassing op grotere buizen omdat de anode daar van koper gemaakt is en tevens de buitenwand van de buis vormt en direct contactmaakt met een koelvin of een waterkoelsysteem. De meeste warmte wordt dan afgevoerd door conductie en convectie. Het stralingsaandeel is dan beperkt tot de temperatuur en de oppervlakte die de constructie nog heeft. Dat aandeel zal veel kleiner zijn omdat de temperatuur een stuk lager is dan de anodeoppervlakte binnen een glazen vacuumbuis

Op 5 november 2016 00:54:50 schreef grotedikken:
De hoeveelheid afgegeven straling is absoluut niet afhankelijk van het temperatuurverschil in en buiten de buis.
als het nu in de omgeving van de buis-40°C of 250°C is, de buis zal evenveel stralingswarmte afgeven.

Op zich waar, maar onvolledig; de buis zal ook stralingswarmte absorberen van de omgeving, en het verschil tussen het uitgestraalde en geabsorbeerde en geabsorbeerde thermische vermogen is uiteindelijk hoeveel je toe- of afvoert. Als de omgeving warmer is dan het inwendige van de buis, zal deze opwarmen, niet afkoelen, dat zijn de niet te overtreden wetten van de thermodynamica.

Voor de meest praktische doeleinden kun je het geabsorbeerde vermogen verwaarlozen, omdat de buis veel heter is dan de omgeving, juist omdat de uitstraling evenredig is met de temperatuur tot de 4de macht, in plaats van recht evenredig met het temperatuurverschil.

Voor de liefhebber de straling warmte van een EL84 bij de max Wa.
[Bron] Philips Application Bulletin 1953

Op 5 november 2016 09:31:56 schreef SparkyGSX:
[...]Op zich waar, maar onvolledig; de buis zal ook stralingswarmte absorberen van de omgeving, en het verschil tussen het uitgestraalde en geabsorbeerde en geabsorbeerde thermische vermogen is uiteindelijk hoeveel je toe- of afvoert. Als de omgeving warmer is dan het inwendige van de buis, zal deze opwarmen, niet afkoelen, dat zijn de niet te overtreden wetten van de thermodynamica.

Voor de meest praktische doeleinden kun je het geabsorbeerde vermogen verwaarlozen, omdat de buis veel heter is dan de omgeving, juist omdat de uitstraling evenredig is met de temperatuur tot de 4de macht, in plaats van recht evenredig met het temperatuurverschil.

Dat is een terechte opmerking, maar als je iemand die iets wil begrijpen iets uitlegt, mag je je niet in details verliezen. Als je alle factoren die voor een verwaarloosbaar deel meespelen aanhaalt ziet de vraagsteller algauw door de bomen het bos niet meer.

Wat ik wilde opmerken is dat bij geleiding van de warmte zoals dat bij een transistor op een koelplaat gebeurt sprake is van een aantal in serie geschakelde thermische weerstanden. van de chip naar de behuizing, van de behuizing naar de koelplaat. Deze weerstanden zijn lineair. Dat wil zeggen dat een dubbel temperatuurverschil een dubbel warmtetransport geeft. De thermische wet van Ohm.
Bij een thermische straler die de warmte vooral door straling afgeeft is dat verband de 4e macht. Dat geeft een enorm verschil.

Een bron van 250°C (575K)zoals een anode, geeft ongeveer 100x zoveel straling af als bij 20°C (293K). Dat lijkt weliswaar geen 4e macht, maar dat komt omdat er met de absolute temperatuur gerekend wordt.

Dus de return van de omgeving die je bedoeld is een factor 100 kleiner. Bovendien is het een complexe berekening. Het gaat niet om twee ongeveer even grote oppervlaktes die warmtestraling uitwisselen. De buisanode heeft een zeer klein oppervlak tov de omgeving. de door de omgeving ontvangen warmte zal dus nog veel kleiner zijn dan 1%

Die laatste zin klopt niet. Als hij wel klopte, zou bijvoorbeeld een voorwerp met een temperatuur van 100 graden in een omgeving van eveneens 100 graden toch afkoelen, 'omdat het voorwerp een kleiner oppervlak heeft dan de omgeving'. Met hetzelfde recht zou je dan kunnen zeggen dat het voorwerp juist opwarmt, omdat de omgeving een veel groter oppervlak heeft dan het voorwerp, zodat het van de omgeving juist veel straling ontvangt.

Beide opvattingen zijn onjuist; net als in de astronomie en in de antennetechniek geldt ook hier het wederkerigheidsprincipe (reciprociteit): wat goed uitstraalt naar de rest, ontvangt ook goed van de rest.

Van de berekening lijkt weinig te kloppen. 250 graden Celcius is 523 K. En (523/293)^4 = 10.15 , bepaald geen factor 100 dus.
Albert

Er worden bij buizen weldegelijk thermische maatregelen genomen. De belangrijkste rede is hier echter de glas-metaal verbinding in de doorvoer van de aansluitingen. er worden buiten speciale koper legeringen en glassoorten (uraniumglas, Pyrex glas en Silica) die de hoge temperaturen van de doorvoeren weerstaan èn en nagenoeg gelijke uitzettingscoëfficiënt dienen te hebben.
Daarnaast zie je vaak koelvinnetjes op de supportstaafjes van anode roosters en aan de kathode verbindingen. Let maar eens op dat er in sommige buizen boven aan die supportstafjes kleine vinnetjes zitten, meestal gezwart. Die moeten door straling hitte afvoeren.

Foto ©Jeremy Harmer, Virtual Valve Museum

Bovenin zijn hier duidelijk poelplaatjes aangebracht, mogelijk ook onder de onderste mica. Ook de bekende 6BQ5 (= EL84) is met dit soort vinnetjes uitgerust.
Andere methoden voor extra koeling zijn het vergroten van het anode oppervlak door uitstekende vleugels en het aanbrengen van gaten in de anode om warmte uit het inwendige naar buiten te laten treden. Hiervoor werden zelfs gaas-anodes toegepast.

Er is hierboven ook al gesproken over uitwendige koelvinnen. Deze zijn bedoeld om de doorvoerpen van een top anodeaansluiting zodanig te koelen dat de doorvoer niet beschadigt door thermische stress of zelfs het smelten van het glas. Bekend is de gedraaide aluminium anodekap van o.a. Eimac.

Als ultiem middel wordt ook met geforceerde luchtkoeling gewerkt, waarvoor speciale (zeer dure) buisvoeten worden gebruikt. Een tsngentiaalventilator zorgt hier voor overdruk in het chassis, die dan via de buisvoet langs de ballon van de buis gevoerd wordt, meestal in combinatie met een cilinder rond de buis, zodat de koeling nog efficiënter wordt.

Ultimo is waterkoeling en dampkoeling, zoals die bij grote zendbuizen en gelijkrichters en magnetrons wordt toegepast.