Koellichaam berekenen

Hoi elektronica specialisten.
Ik heb een beetje zelfstudie gedaan ivbm berekeningen van koellichamen, en dit in excel uitgewerkt.
Zou er iemand zo lief willen zijn om dit even na te kijken?
Dank op voorhand! :)

http://i59.tinypic.com/33kwy6q.jpg

Moet je een koelplaat hebben van 200 cm2 die 4 mm dik is, het is nogal wat.
440 cm2 bij 2 mm dik mag ook. net ietsje zwaarder.

Een transistor heeft een safe operating area en die staat in de datasheet.
Dat betekent dat de dissipatie hoger is als de spanning over EC overgang groter is.
De reden daarvoor is dat de stroom dan de randen kiest van de emitter area.

Voorbeeld van een 2N3055 Pmax =115W
Maar bij CE=45V mag er 0.9A doorheen.
Dus bij elke power toepassing kijken wat de SOA van de tor is.

edit

hier staat de SOA van de 2N3055
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2N3055-D.PDF

De oer 3055 van RCA is anders geconstrueeerd en ook de SOA is afwijkend.

[Bericht gewijzigd door RAAF12 op (19%)]

Al naar gelang de temperatuur moet je ook nog rekening houden met de power derating curve. Op de maximale temperatuur mag je vaak maar een fractie van het vermogen verstoken.

De waarde (Rj-c) en (Rc-HS) optellen en aftellen van (Rth mb-a) is toch correct hé?

De bedoeling is dat ik eenvoudig een ruwe inschatting kan doen om een koellichaam te bestellen.

Mijn TOR (2n3055) kan 200°C aan, ik reken op 150°C is dat ok? Ik neem aan dat tegen de limiet werken niet goed is..

Het verlies van 0.5 K/W (Rc-HS)is aangenomen.. Is dat ok?

dank voor de reactie!

Het maakt ook uit of je het koellichaam verticaal of horizontaal opstelt in de ruimte. Als de koelribben vertikaal staan heb je er door convectie betere koeling.
En een gezwart oppervlakte (of geruwd) koelt beter dan glanzend aluminium.
De moraal is dat als je het goed wil doen je nog meer variabelen kan opnemen in de sheet.

Op 9 juni 2014 19:05:50 schreef RAAF12:

En een gezwart oppervlakte (of geruwd) koelt beter dan glanzend aluminium.

Eindelijk iemand die het met mij eens is :-)
Volgens de boeken scheelt zwart ruim 30% :-)

klopt, ik heb dat het eerst gehoord van een installateur, ivm zwarte radiatoren voor de cv. meende wel dat het tussen 15 en 20% was, 30% heb ik nooit gehoord..

Op 9 juni 2014 19:00:17 schreef Climber:
Mijn TOR (2n3055) kan 200°C aan, ik reken op 150°C is dat ok? Ik neem aan dat tegen de limiet werken niet goed is..

In de meeste situaties is 150°C wel heel erg veel, de helft is ivm aanraking al niet fijn.

Het verlies van 0.5 K/W (Rc-HS)is aangenomen.

Dat klinkt wel ongeveer juist, als je geen isolator gebruikt (dus alleen pasta). Van isolatoren wordt soms ook de Rth opgegeven, die moet je apart opnemen in de berekeningen.
Denk eraan dat je bij een isolator aan twee kanten pasta hebt (als je pasta moet gebruiken), dus twee keer meerekenen.

Voor geïnteresseerden staat hier een uiterst leerzame (niet te vergeten informatieve) uiteenzetting over koelplaten enzo, met nuttige tabellen en overzichten...

Op 9 juni 2014 19:56:24 schreef testman:
klopt, ik heb dat het eerst gehoord van een installateur, ivm zwarte radiatoren voor de cv. meende wel dat het tussen 15 en 20% was, 30% heb ik nooit gehoord..

Ik twijfelde altijd tussen 30 en 60 %.
Volgens de boeken is het 33-35%

Omgekeerd evenredig klopt dit getal ook (zie ook mythbusters) , dus ik geloof het inmiddels wel.

Het zal ook niet helemaal voor niets zijn, dat men de moeite neemt koelprofielen (ook intern) zwart te annodiseren, waarbij die laag ook nog eens elektrisch issolerend is.

Op 9 juni 2014 16:57:12 schreef Druiloor:
Moet je een koelplaat hebben van 200 cm2 die 4 mm dik is, het is nogal wat.
440 cm2 bij 2 mm dik mag ook. net ietsje zwaarder.

Voor mij geen enkel probleem. Een aantal m2 kan ik zo meenemen. Een plaatje van 20x20 is bij ons zelfs als het over is gewoon afval.

Toch heb ik juist weer gehoord dat zwart of wit voor warmte afstralen helemaal niets uitmaakt als het maar een kleur heeft. Blijkbaar is de verf zelf een goede warmtestraler.

Mijn TOR (2n3055) kan 200°C aan, ik reken op 150°C is dat ok? Ik neem aan dat tegen de limiet werken niet goed is..

Waarschijnlijk kan je tor max 200°C net overleven maar dan kan het zeker geen 24W meer aan. Die waarde is daar veel lager of wellicht bijna 0. Je moet dus ook kijken bij welke temperatuur hij ook nog dat vermogen aan kan.

Verder is je gedacht heel goed dat je altijd uit de buurt moet blijven van de max waarden want dat zijn waarden waarbij ze net aan net niet overlijden maar wel heel erg snel verouderen en er uiteindelijk wel aan overlijden.

[Bericht gewijzigd door benleentje op (35%)]

Over het algemeen kun je wel aanhouden, dat als je een koellichaam niet langer als 2 seconden kunt beethouden (65...70°) het te heet is.
Wat je ook nog mee moet nemen in je berekeningen is geforceerde of natuurlijke koeling...

@Arco

Ja, druppeltje spuug op je vingertop, is altijd wel bij de hand, en dan even aanraken, als het dan sissend wegkookt dan kun je je conclusies trekken zonder je vingers te branden.

@benleentje

Toch heb ik juist weer gehoord dat zwart of wit voor warmte afstralen helemaal niets uitmaakt als het maar een kleur heeft. Blijkbaar is de verf zelf een goede warmtestraler.

Alle tegenstrijdige berichten kun je een eind aanmaken door met een 2N3055 op elk een evengrote (vierkante decimeter) heatsink elk 20 watt te dissiperen uit een labvoeding en dan de temperatuur te meten, horizontaal en vertikaal uitsluitend straling en convectie, geen geforceerde koeling.

Maar misschien meten die infrarood aanwijsthermometers wel niet goed als de ene heatsink zwart en ruw en de andere glanzend en blank is.

Waarschijnlijk kan je tor max 200°C net overleven maar dan kan het zeker geen 24W meer aan. Die waarde is daar veel lager of wellicht bijna 0. Je moet dus ook kijken bij welke temperatuur hij ook nog dat vermogen aan kan.

Volgens mij is dat verdisconteerd in de som van die thermische weerstanden van junction naar behuizing, van behuizing naar heatsink en van heatsink naar omringende lucht.

Als hij max 200 graden mag hebben en hij bereikt dat door goede externe koeling bij 50 watt, dan mag hij 50 watt hebben. De limiet is natuurlijk dat je zoveel dissipeert dat de junction 200 graden wordt TERWIJL je het TO3 huis op Tambient 20 of minder celcius houdt in een bak stromend water of zo.

Tjah waterkoeling, dat zou het zijn.. :)

Bedankt voor alle reactie's, zeer leerrijk!

Nog een vraag: helpt het als je 2 transistors parallel plaatst, of wekken die samen even veel temperatuur op?

[Bericht gewijzigd door Climber op (12%)]

Als beide transistors het halve vermogen dissiperen, dus het totale gedissipeerde vermogen niet toeneemt, helpt het iets teruggerekend op de heatsinkafvoer. Dat kun je constateren uit het feit dat verdubbelen van het oppervlak van je heatsink minder dan 2 keer het vermogen van 1 transistor toelaat. Daaruit volgt dus zelfs de grootte van het voordeel.

Voorts is uiteraard bij halvering van de dissipatie per transistor de overgang junction huis en huis heatsink gehalveerd.

De basis is natuurlijk, dat als je ergens een warmtebron hebt in een punt van een heatsink, die heatsink niet overal even heet wordt.

Maar dit soort vragen kun je met wat nadenken zelf beantwoorden als je de gang van zaken hebt begrepen, denk ik.

@fatbeard:
Goed artikel! bedankt

Er heeft overigens ook ooit een heel goed artikel in Radio Elektronica gestaan over het onderwep. 't Zou me alleen een aantal weken vroeg naar bed kosten om het op te zoeken.

@benleentje:
Probleem is inderdaad niet alleen de dissipatie, maar ook thermische shock door thermische pulsen. Dat is een belangrijke reden om ver uit de buurt van het maximum te blijven.
Een van de gevolgen is mechanische stress door uitzetetn en krimpen van de juncties en de chip.

Zwart zal beter stralen. Als het zwart verf is zal die echter een beetje isoleren, wat weer iets van de warmte vasthoudt. De meeste koelelementen zijn echter niet geverfd, mmar geëloxeerd. Die laag is vele malen dunner dan verf...

Zwart koellichaam is 30% beter dan een blank alu. dat is de waarde waarmee men normaal werkt. Montage vert/hor maakt ook veel uit en de luchtvochtigheid en luchtdruk ook :-).

Normaal moet je de koellichaam temperatuur niet boven de 50 graden laten komen bij 20 graden omgevingstemperatuur, dan kun je intern nog altijd een junctie temperatuur van 120 graden hebben.

[Bericht gewijzigd door IoT op (36%)]

@Tidak: Graag gedaan. :)

Er is trouwens door de diverse halfgeleiderbakkers ook het (on?)nodige geschreven over dit onderwerp: zowat elke bakker heeft er (minstens) een document over (application note, information brief, design guide; of zoals ik ze zelf wel eens noem: desinfocation nobriguis)...
Een van de documenten die op mij indruk maakte (omdat het juist over het pulsgedrag ging) is van Infineon: Thermal Resistance, Theory and Practice.

De zichtbare kleur van een koelplaat is trouwens niet echt relevant, het gaat erom hoeveel infrarood er afgestraald wordt. Dat kan namelijk kompleet verschillen van de zichtbaar licht afstraling: sommige gitzwarte viltstiften bijvoorbeeld zijn volstrekt onzichtbaar in infrarood licht (en zouden dus geen zier uitmaken). Waarschijnlijk zoeken koelplaatfabrikanten een kleurstof uit die ook infrarood goed afstraalt.
Zie ook http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation#Surface_effects en http://en.wikipedia.org/wiki/Heatsink#Surface_color

Weer zo'n mooie paper! :)

Inderdaad moet het 'zwart' voor IR zijn, maar ook gewoon licht is energie (=warmte), dus hoe donkerder en hoe meer het zich gedraagt als een fysische 'zwarte straler' hoe beter de warmte afgifte.
Anderzijds zal een zwart lichaam ook weer meer warmte absorberen uit de omgeving, wat dan weer nadelig zou zijn.

Het zwart van een koelplaat zal vaak een oxidelaag zijn en geen verf. Door de dikte van de oxidelaag te varieeren kan men de kleur aanpassen. Het proces heet eloxeren.

Op 11 juni 2014 00:45:38 schreef Tidak Ada:
Inderdaad moet het 'zwart' voor IR zijn, maar ook gewoon licht is energie (=warmte),

Dat klopt... in theorie. Het afstralen van energie in het "zichtbaar licht" spectrum begint pas significante vormen aan te nemen bij 300-400 graden. Dus voor electronica irrelevant.

@climber: volgens mij doe je het goed, heb je het begrepen. Neem wel ruime marge t.o.v. wat je uitrekent. De praktijk is altijd ongunstiger dan je denkt.

Bij normale transistoren, dissipieer je als ie "aan" is 0.2V * I. Deel je dat door twee torren, is het totaal nog steeds ongeveer 0.2V * I. Gebruik je daarentegen mosfets, die hebben een RDSON, dus doordat er dan twee parallel staan halveert ook de geleidingsspanning en halveert dus het vermogen....

Maar gezien jou "VCE = 8V" was je niet van plan om de tor in verzadiging te sturen, dus dan helpt deze truuk niet.

[Bericht gewijzigd door rew op (44%)]

Thanks mate's! :)