Что такое термосопротивление: Термосопротивление, описание, принцип работы, виды

Термосопротивление, описание, принцип работы, виды

В общепринятом смысле термосопротивление — это физическая величина, способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул. Однако чаще всего под этим термином подразумевают специальные приборы, способные этот параметр измерять — термометры сопротивления и терморезисторы.

Принцип работы термосопротивления

При нагреве проводника изменяется его сопротивление, а следовательно, и ток, проходящий через проводник. Интенсивность изменения зависит от нескольких факторов:

• температура и плотность окружающей среды;
• скорость жидкой или газообразной среды;
• размеры и материал самого проводника.

Если измерить зависимость сопротивления провода от этих неэлектрических величин, то на основе этой информации можно получать данные об изменении параметров окружающей среды. Собственно, в этом и заключается принцип, по которому работает термосопротивление.

Виды термосопротивлений

По материалу изготовления все термосопротивления можно разделить на следующие группы:

1. Проводниковое термосопротивление. Термопреобразователи сопротивления производятся в точном соответствии с ГОСТ 6651-2009. Как правило, они изготавливаются из чистых металлов: меди, никеля и платины. В основном представляют собой каркасную или безкаркасную катушку, выполненную из однородного проводника с контактными выводами. Характеризуются прямой зависимостью сопротивления от температуры, чем выше температура, тем выше сопротивление. Имеют большой температурный коэффициент измерения, точность, характеристику близкую к линейной.

   Медь используется при измерениях от -50 до 150—180 градусов Цельсия в среде, свободной от посторонних примесей. Если температура будет выше, металл окислится, а это снижает точность.

   Никель можно применять для измерений до 250—300 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что при температуре свыше 100 ºС зависимость сопротивления уже не является линейной.

   Она высчитывается по формулам, зависящим от марки никеля.

   Платина — это самый распространенный материал для промышленных приборов. Этот металл может использоваться при температуре до 1000—1200 градусов Цельсия, хотя на практике платиновое термосопротивление применяется до 650 ºС. Дело в том, что при температуре свыше 500 градусов Цельсия удобнее использовать датчики термопары. Кстати, стоит оговориться, что этот металл нельзя применять в восстановительных средах (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. п.).

2. Полупроводниковое термосопротивление. Терморезистор (термистор), полупроводниковое сопротивление из разнородного сплава, может иметь прямую или обратную характеристику (PTC-термистор или NTС-термистор) зависимости сопротивления от температуры. Изготавливаются методом порошковой металлургии в виде дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок. Имеют большой температурный коэффициент сопротивления, нелинейную характеристику, способны работать при значительных механических нагрузках и в сложных условия эксплуатации.

   NTC-термисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 (рис. 1-а) состоят из полупроводникового эмалированного стержня (1), контактных колпачков (2) и выводов (3).

   NTC-термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1-б) выпускаются в герметичном металлическом корпусе (2), за счет чего могут использоваться даже во влажной среде. Герметизация осуществляется при помощи стекла (3) и олова (4), а сам полупроводниковый стержень (1) обернут фольгой (5).

   • рис. 1-а              рис. 1-б

   Медно-кобальто-марганцевые терморезисторы вроде МКМТ-16 бусинкового типа (NTC-термисторы) (рис. 2) — это мини-измерители в стеклянном корпусе. В нем роль сопротивления играет шарик диаметром около 0,8 мм с платиновыми выводами диаметром 0,05 мм, к концам которых приварены проводники из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм.

   Все термопреобразователи сопротивления , предлагаемые нашей компанией, можно посмотреть в каталоге продукции.

Термосопротивления: Теория / Хабр

Недавно мне повезло побывать на производстве датчиков температуры, а точнее на швейцарском предприятии IST-AG, где делают платиновые и никелевые термосопротивления (RTD).

По этому поводу публикую две статьи, в которых читатель найдет довольно подробное описание этого типа датчиков, путеводитель по основным этапам производственного процесса и обзор возможностей, которые появляются при использовании тонкопленочных технологий.

В первой статье разбираемся с теоретической базой. Не слишком увлекательно, но весьма полезно.

(они же — термосопротивления или RTD)

---

Сначала имеет смысл разобраться с терминологией. Если вы хорошо знакомы с вопросом, то смело переходите ко второй части статьи. А может быть и сразу к третьей.

Итак, под определение «датчик температуры» попадают тысячи самых разных изделий. Под датчиком можно понимать и готовое измерительное устройство, где на дисплее отображается значение температуры в градусах, и интегральную микросхему с цифровым сигналом на выходе, и просто чувствительный элемент, на базе которого строятся все остальные решения. Сегодня мы говорим только о чувствительных элементах, которые, впрочем, тоже будем называть словом «датчик».

Термометры сопротивления, которые также известны как термосопротивления и RTD (Resistance Temperature Detector) — это чувствительные элементы, принцип работы которого хорошо понятен из названия — электрическое сопротивление элемента растет с увеличением температуры окружающей среды и наоборот. Вероятно вы слышали о термосопротивлениях как о платиновых датчиках температуры типа Pt100, Pt500 и Pt1000 или как о датчиках 50М, 50П, 100М или 100П.

Иногда термосопротивления путают с термисторами или термопарами. Все эти датчики используются в похожих задачах, но, даже несмотря на то что термисторы тоже являются преобразователями температура-сопротивление, нельзя путать термосопротивления, термисторы и термопары между собой. О разнице в строении и назначении этих элементов написана уже тысяча статьей, так что я, пожалуй, не буду повторяться.

Отмечу главное: средний термометр сопротивления стоит в разы дороже, чем средний термистор и термопара, но только термосопротивления имеют линейную выходную характеристику.

Линейность характеристики, а также гораздо более высокие показатели по точности и повторяемости результатов измерений, делают термосопротивления востребованными несмотря на разницу в цене.

---

Если коротко, характеристики термосопротивлений можно разбить на три группы:

1. Номинальная статическая характеристика (НСХ) и точность
2. Диапазон температур, на котором определяется НСХ и обеспечивается заявленная точность
3. Корпус датчика, тип и длина выводов

На мой взгляд, пояснений требует только первый пункт.

Номинальная статическая характеристика (НСХ)

НСХ — это функция (на практике чаще таблица значений), которая определяет зависимость сопротивление-температура.

Зависимость R(T), конечно, не является абсолютно линейной — на самом деле выходная характеристика термосопротивления описывается полиномом с известными коэффициентами. В простейшем случае это полином второй степени R(T) = R0 (1 + A x T + B x T

2), где R0 — номинальное сопротивление датчика, то есть значение сопротивления при 0°C.

Вид полинома и его коэффициенты описываются в различных национальных и международных стандартах. Действующий российский стандарт — ГОСТ 6651-2009. В Европе чаще используют DIN 60751 (он же IEC-751), однако одновременно с ним действует DIN 43760, в Северной Америке популярен стандарт ASTM E1137 и так далее. Несмотря на то что некоторые стандарты согласованы между собой, в целом картина довольно печальная и единого индустриального стандарта по факту не существует.

Наиболее популярные типы термосопротивлений — это платиновые датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 и др.), никелевые (Ni 6180, Ni 6720 и др.) и медные термосопротивления, например Cu 4280. Каждому типу датчиков соответствует свой полином R(T).

Приведенные наименования содержат название металла, который используется при изготовлении датчика, и коэффициент, который описывает отношение сопротивления датчика при 0 к сопротивлению при 100°C. Этот коэффициент, вместе со значением R0, определяет наклон функции R(T).

В разношерстных стандартах и, как следствие, в спецификациях на конкретные датчики, этот коэффициент может выражаться по-разному. Например, для платинового датчика может быть указан коэффициент альфа равный 0.00385 °C^-1, или температурный коэффициент 0.385%/°C, или TCR = 3850 ppm/K, однако во всех трех случаях подразумевается одна и та же зависимость R(T).

Используемый металл однозначно определяет степень полинома R(T), а коэффициенты полинома определяются температурным коэффициентом металла.

Например, для всех платиновых датчиков функция R(T) имеет следующий вид:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²) при T > 0
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x (T-100) x T³) при T < 0
где коэффициенты выбираются в зависимости от типа платины:

• Pt 3850 ppm/K (наиболее распространенная характеристика современных термосопротивлений)
  A = 3.9083 x 10^-3 °C^-1
  B = -5. 775 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.183 x 10^-12°C^-4
• Pt 3911 ppm/K (характеристика остается востребованной в РФ, т.к. в прошлом только она была внесена в ГОСТ)
  A = 3.9692 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.829 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.3303 x 10^-12°C^-4
  

Автомобильному стандарту Pt 3770 ppm/K, американскому Pt 3750 ppm/K или японскому Pt 3916 ppm/K будут соответствовать другие наборы коэффициентов.

Та же логика действует для меди и никеля. Например, НСХ всех никелевых датчиков описывается полиномом шестой степени:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x T³ + D x T⁴ + E x T⁵ + F x T⁶)
где коэффициенты определяются температурным коэффициентом никеля (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K и т.д.).

Осталось сказать о последнем параметре НСХ термометров сопротивления — о номинальном сопротивлении R0. Чаще всего используются датчики со стандартным R0 — 50, 100, 500 или 1000 Ом, однако иногда требуются тремосопротивления с R0 = 2000 и даже 10000 Ом, а также датчики с «не кратным» номинальным сопротивлением.

То есть каждому типу термосопротивления может соответствовать несколько НСХ с разными номинальными сопротивлениями R0. Для наиболее распространенных в РФ характеристик используют стандартные обозначения: Pt100 и Pt1000 соответствуют платине с температурным коэффициентом 3850 ppm/K и R0 = 100 и 1000 Ом соответственно. Унаследованные из советских справочников обозначения 50П и 100П — это датчики из платины с коэффициентом 3911 ppm/K и R0 = 50 и 100 Ом, а датчики известные как 50М и 100М — это медь 4280 ppm/K с номинальным сопротивлением 50 и 100 Ом.

Точность датчика
Точность термосопротивления — это то, насколько зависимость R(T) реального датчика может отклониться от идеальной НСХ. Для обозначения точности термосопротивлений используют понятие класса допуска (от же класс точности).

Класс допуска определяет максимальное допустимое отклонение от номинальной характеристики, причем задается это отклонение как функция температуры — при нуле градусов фиксируется наименьшее допустимое отклонение, а при уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Когда дело касается классов допуска, бардак в действующих стандартах только усугубляется — даже названия классов в разных источниках могут отличаться.

	Другие названия	Допуск, °С
Класс АA	Class Y 1/3 DIN 1/3 B F 0.1 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.1 (если речь о намоточном датчике)	±(0.1 + 0.0017 |T|)
Класс A	1/2 DIN 1/2 B F 0.15 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.15 (если речь о намоточном датчике)	±(0. 15 + 0.002 |T|)
Класс B	DIN F 0.3 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.3 (если речь о намоточном датчике)	±(0.3 + 0.005 |T|)
Класс C	Class 2B Class BB F 0.6 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.6 (если речь о намоточном датчике)	±(0.6 + 0.01 |T|)
—	Class K 1/10 DIN	±(0.03 + 0.0005 |T|)
—	Class K 1/5 DIN	±(0.06 + 0.001 |T|)

Приведенные в таблице допуски соответствуют большинству действующих стандартов для платиновых датчиков 3850 ppm/K, включая ГОСТ и европейский DIN 60751 (IEC-751), который с большой натяжкой можно назвать общепринятым.

Однако и здесь есть исключения

Например, в американском стандарте ASTM E1137 классы допуска платиновых датчиков именуются Grade и определяются иначе:

Grade A	±(0. 25 + 0.0042 |T|)
Grade B	±(0.13 + 0.0017 |T|)

Если же говорить о платине с другими температурными коэффициентами или о никелевых и медных датчиках, то можно обнаружить и другие определения допусков.

Класс допуска описывает не только максимальную величину допуска, но и диапазон температур, на котором этот допуск гарантируется. Вы, наверное, уже догадались, что в разных стандартах эти диапазоны могут существенно отличаться. Это действительно так, причем диапазон температур зависит не только от класса допуска и типа датчика, но и от технологии, по которой выполнен датчик — у намоточных датчиков диапазон всегда шире.

О том, что такое намоточные и тонкопленочные датчики — чуть ниже.

На картинке — кассы допуска для платиновых датчиков с температурным коэффициентом 3850 по стандарту DIN 60751 (IEC-751).

Определения классов допуска для тонкопленочных и намоточных платиновых датчиков Pt 3850 ppm/K

Тонкопленочный датчик Pt 3850 ppm/K			Намоточный датчик Pt 3850 ppm/K
Класс допуска	Диапазон температур		Класс допуска	Диапазон температур
	DIN 60751 (IEC-751) / ГОСТ			DIN 60751 (IEC-751)	ГОСТ
Класс АА (F 0.1)	0… +150°С		Класс АА (W 0.1)	-100… +350°С	-50… +250°С
Класс А (F 0.15)	-30… +300°С		Класс А (W 0. 15)	-100… +450°С
Класс B (F 0.3)	-50… +500°С		Класс B (W 0.3)	-196… +600°С	-196… +660°С
Класс С (F 0.6)	-50… +600°С		Класс С (W 0.6)	-196… +600°С	-196… +660°С

К слову, если в документации на термосопротивление указан диапазон измеряемых температур, который шире диапазона, предусмотренного указанным классом допуска, то заявленный класс допуска не будет действовать на всём рабочем диапазоне. Например, если датчик Pt1000 класса A предназначен для измерения температур от -200 до +600°C, то он будет иметь точность ±(0.15+0.002|T|) только при температурах до +300°C, а дальше скорее всего будет обеспечиваться класс В.

Я привожу все эти подробности о терминологии и разночтениях в стандартах чтобы донести одну простую мысль: выбирая термосопротивление легко запутаться и неверно истолковать характеристики элемента. Важно понимать какие именно требования вы предъявляете к элементу (в абсолютных цифрах, а не в классах) и сравнивать их с абсолютными цифрами из документации на конкретный датчик.

---

Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.

Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.

При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.

Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.

На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.

В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:

1. Высокие номинальные сопротивления. Тонкопленочная технология позволяет производить датчики с R0=1000 Ом той же ценой, что и датчики с номинальным сопротивлением 50, 100 или 500 Ом. К тому же, изготавливаются датчики и с более высоким номинальным сопротивлением, например 2000 и 10000 Ом.
2. Малый размер. Тонкопленочный датчик можно сделать гораздо более миниатюрным по сравнению с намоточным. Стандартный датчик Pt1000, например, может иметь габариты всего 1.6 x 1.2 мм.
3. Прямоугольная форма и миниатюрный размер пленочных датчиков позволяют выпускать не только выводные термосопротивления, но и SMD-компоненты стандартных размеров — 1206, 0805 и так далее.

У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.

---

В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

upd #1: Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.

upd #2: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru

Понимание разницы между тепловым сопротивлением и теплопроводностью – C-Therm Technologies Ltd.

Введение

Тепловое сопротивление (R) и теплопроводность (C) материалов являются обратными величинами и могут быть получены из теплопроводности (k) и толщины материалов. Прибор для измерения теплопроводности C-Therm Trident измеряет теплопроводность и, следовательно, открывает путь к определению теплового сопротивления и теплопроводности.

На этой странице мы собираемся описать и объяснить, как получить тепловое сопротивление и теплопроводность из теплопроводности.

Измерение теплопроводности с помощью Trident

Теплопроводность (значение k)

Теплопроводность – это скорость установившегося теплового потока через единицу площади однородного материала, вызванного единичным градиентом температуры в направлении, перпендикулярном этой единице площади, Вт/м⋅K .

Где,

L – Толщина образца (м)
T – Температура (K)
q – Расход тепла (Вт/м2)

Уравнение 1 – Теплопроводность

Термическое сопротивление (значение R)

Термическое сопротивление – это разница температур в стационарном состоянии между двумя определенными поверхностями материала или конструкции, которая индуцирует удельный тепловой поток через единицу площади, К⋅м2/Вт. Таким образом, в соответствии с этим определением и уравнением 1 можно получить уравнение 2.

Как указано в уравнении 2, значение термического сопротивления можно определить, разделив толщину на теплопроводность образца. При испытании на тепловое сопротивление для определения сопротивления используется расходомер тепла. Щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию об испытании термостойкости вашего образца.

Уравнение 2 – Термическое сопротивление

Теплопроводность

Теплопроводность – это временная скорость стационарного теплового потока через единицу площади материала или конструкции, вызванная единичной разностью температур между поверхностями тела, Вт/м2⋅К. Значение C, следовательно, является обратной величиной значения R и может быть выражено уравнением (3).

Следовательно, значение теплопроводности можно рассчитать, разделив теплопроводность на толщину образца.

Уравнение 3 – Теплопроводность

Области применения

Тепловое сопротивление и теплопроводность можно удобно рассчитать исходя из теплопроводности и толщины материала. Платформа теплопроводности C-Therm Trident – это гибкий, быстрый, неразрушающий, высокочувствительный и экономичный инструмент, который может напрямую измерять теплопроводность и тепловую эффузию самых разных образцов, упрощая процесс определения теплового сопротивления и теплопроводности. .

Посмотрите ниже, чтобы узнать больше о том, как измерять теплопроводность конкретных приложений и материалов.

Следующий шаг: выбор метода измерения теплопроводности

Существует множество методов измерения теплопроводности – узнайте о преимуществах и ограничениях каждого из них, включая:

ИГЛА линейного источника переходных процессов (ASTM D5334 и D5930)

Модифицированный источник переходных процессов (ASTM D7984)

Выбор метода имеет решающее значение для получения точных и репрезентативных данных о теплопроводности для вашего применения. Узнайте больше, загрузив бесплатную копию Руководства по выбору метода. Скачать здесь

УПРОЩЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Запросить цену

Понимание теплового сопротивления — SparkFun Learn

• Главная
• Учебники
• Понимание теплового сопротивления

≡ Страниц

Авторы: Алекс Великан

Избранное Любимый 4

Введение

При работе с маломощными устройствами управление температурным режимом не является большой проблемой. Как только вы начнете добавлять моторы, светодиодные ленты и потребление тока в проекте увеличится, детали могут начать нагреваться. Если вы не справитесь с нагревом, детали могут перегреться, что сократит срок службы компонента. В этом руководстве мы расскажем, что такое тепловое сопротивление, как оно используется для управления температурой и как максимально увеличить срок службы вашего проекта.

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы со следующими понятиями, мы рекомендуем ознакомиться с этими учебными пособиями, прежде чем продолжить.

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и силы тока.

Избранное Любимый 69

Тепловое сопротивление

Чтобы понять, как потери мощности влияют на вырабатываемое тепло, сначала необходимо понять тепловое сопротивление (R _θ ). Подобно тому, как электрическое сопротивление сопротивляется потоку тока в омах, тепловое сопротивление сопротивляется потоку тепла в кельвинах на ватт или в градусах Цельсия на ватт. Мы можем использовать тепловое сопротивление, чтобы оценить, насколько горячей может стать конкретная деталь при различных нагрузках, в зависимости от того, насколько легко тепло может передаваться из одного места в другое. В электронике тепло начинается в источнике, таком как полупроводниковый переход, и распространяется, чтобы в конечном итоге рассеяться в окружающем воздухе.

Если переход полупроводника превысит максимальную температуру, он сломается, и вся магия испарится. Чтобы убедиться, что мы этого не делаем, нам нужно посмотреть, насколько эффективно устройство может использовать мощность…..

Закон Ома и тепловое сопротивление

Мы можем использовать закон Ома для расчета температуры из радиатор к переходу, и везде между ними по закону Ома. Как упоминалось ранее, электрическое сопротивление очень похоже на тепловое сопротивление. Мы можем использовать закон Ома, который гласит, что V = I*R, и заменить напряжение на температуру (T) и ток на мощность (P), что дает нам:

Эквивалентная тепловая схема показана ниже, где:

• T_Junction (T _J ): температура перехода
• R _θJC : тепловое сопротивление соединения с корпусом
• T_Case (T _C ): температура перехода
• R _θCH : термостойкость корпуса к радиатору
• T_Heatsink (T _H ): температура радиатора
• R _θHA : термостойкость радиатора к окружающему воздуху
• T_Ambient (T _A ): температура окружающего воздуха

Чтобы лучше понять, как используется тепловое сопротивление, давайте рассмотрим следующий пример:

• Рассеиваемая мощность: 2 Вт
• R _θJC = 4°C/Вт
• R _θCH = 0,25°C/Вт
• R _θHA = 6°C/Вт
• Т _А = 25°С

Начнем с теплового эквивалента закона Ома:

Мы хотим найти повышение температуры нашего перехода , поэтому T становится T _J . Наша рассеиваемая мощность, P, составляет 2 Вт. И наши тепловые сопротивления соединены последовательно, поэтому, как и резисторы, соединенные последовательно в цепи, мы можем сложить значения вместе:

Температура перехода на 20,5°C выше температуры окружающей среды (в данном случае на 25°C), что означает абсолютную температуру. 20,5°C + 25°C, что будет 45,5°C.

Где найти значения теплового сопротивления? Для таких деталей, как стабилизаторы напряжения, диоды, транзисторы и другие полупроводники, в техническом описании будет раздел для информации о температуре, в основном переход к воздуху (R _θJA ), если какой-либо тип радиатора не использовался, или переход к корпусу. (R _θJC ), если будет использоваться радиатор, который будет иметь собственное тепловое сопротивление и рассматривается в следующем разделе. Типичные данные теплового сопротивления будут выглядеть примерно так, как показано на изображении ниже.

Как передавать тепло

Металлические ребристые радиаторы

Радиаторы всех форм и размеров с единственной целью: передавать тепло воздуху. Назначение каждого ребра на радиаторе — создать как можно большую площадь поверхности для взаимодействия воздуха и отвода тепла от радиатора, что помогает отводить тепло от перехода полупроводника. Тем не менее, тепловое сопротивление радиатора может быть немного сложным, потому что радиатор с металлическими ребрами работает с разной скоростью в зависимости от количества воздуха, проходящего через ребра. В типовом паспорте радиатора указаны не только размеры детали, но и тепловые характеристики, которые выглядят так:

Стрелки на каждой линии графика соответствуют оси, которую они представляют. Например, красная подсветка показывает, что на открытом воздухе (то есть без вентилятора) рассеивание 10 Вт мощности приведет к повышению температуры радиатора примерно на 78°C по сравнению с температурой окружающей среды. Если бы вместо этого у вас было около 400 футов / мин воздуха, протекающего вдоль ребер радиатора, зеленая линия показывает, что радиатор имел бы тепловое сопротивление около 1,8 ° C / Вт, или на 18 ° C выше температуры окружающей среды, рассеивая те же 10 Вт мощности. .

Переходные отверстия

Если вам необходимо добавить радиатор в конструкцию, такую ​​как импульсные источники питания, где важно располагать компоненты как можно ближе к ИС, переходные отверстия могут не только передавать сигналы с одной стороны печатной платы на другую , но они тоже могут передавать тепло!

Если вам не хочется заниматься математикой, набор инструментов для печатных плат от Saturn PCB Design Inc содержит множество отличных инструментов для решения множества уравнений, которые может использовать инженер-электрик. В частности, одна из вкладок предназначена для свойств перехода:

Изображение предоставлено SaturnPCB

Чтобы получить тепловое сопротивление переходных отверстий, я ввел в поля, выделенные красным, свойства имеющейся у меня печатной платы. Установка слоя на 2 слоя, и диаметр сквозного отверстия должен быть единственной настройкой, которую вам, возможно, потребуется изменить. Толщина покрытия и высота переходных отверстий стандартны для большинства печатных плат. После нажатия кнопки «Решить» в синем поле в правом нижнем углу я получил тепловое сопротивление, которое составило 179,3 ° C / Вт на переходное отверстие. При 10 переходных отверстиях тепловое сопротивление падает до 17,9°С/Вт. Если бы вы собирались рассчитать температуру перехода сейчас, вы бы добавили еще одно тепловое сопротивление последовательно для переходных отверстий, которое будет добавлено к другим тепловым сопротивлениям при выполнении расчета.

Радиатор печатной платы

Когда дело доходит до передачи тепла в печатной плате, математика может довольно быстро усложниться, что является одной из причин, по которой для сквозного теплового сопротивления использование инструмента от Saturn PCB является более простым способом. Еще сложнее использовать печатную плату в качестве радиатора. Существует тепловое сопротивление не только меди, которое зависит от площади поверхности, но и паяльной маски, материала подложки, который также передает тепло окружающим изолированным медным плоскостям. Для подробного объяснения вы можете прочитать этот отчет о применении от Texas Instruments. Для облегчения усвоения информации у Пола Брайсона есть отличная запись в блоге на эту тему, в которой он дает несколько отличных советов и выводов, которые можно найти здесь.

В качестве ориентира для грубого вы можете использовать график из поста Пола Брайсона ниже:

Изображение предоставлено Полом Брайсоном с brysonics.com реальный мир. В этих примерах я буду использовать два разных типа стабилизаторов напряжения: линейный стабилизатор, в частности LM7805, а также преобразователь постоянного тока. Посмотрим, насколько хорошо они соответствуют цифрам, которые мы получаем из спецификаций.

Линейный регулятор

Имея недорогой и малошумный регулятор напряжения, как вы можете ошибиться? Линейные регуляторы — отличный выбор для многих применений, но им не хватает эффективности. Мы можем увидеть базовую конструкцию линейного регулятора ниже:

Изображение предоставлено EE Times

Чтобы определить, насколько сильно нагревается линейный регулятор, давайте начнем с понимания того, что входная мощность должна равняться выходной мощности. В идеале система должна быть эффективна на 100%, но в реальном мире будут некоторые потери, и эта потеря мощности рассеивается в виде тепла (стр. 9).0103 Д ). Это можно выразить следующей формулой:

Это означает, что рассеиваемая мощность может быть выражена как:

В электронике мощность может быть выражена как произведение напряжения и тока. Это означает, что мы можем переписать первое уравнение как:

У линейных стабилизаторов входной и выходной ток одинаковы, поэтому мы можем упростить уравнение до следующего:

Теперь нужно посмотреть на тепловые характеристики линейного регулятора. LM7805 имеет следующие тепловые сопротивления для используемого корпуса TO-220:

Без радиатора (R

_θJA )

В этом первом примере мы увидим, насколько сильно нагревается линейный регулятор при нагрузке всего 200 мА. LM7805 имеет выходное напряжение 5 В, а входное напряжение будет около 12 В. Подставив эти числа в наше уравнение потерь мощности сверху, мы получим:

Чтобы выяснить, насколько сильно будет нагреваться без радиатора, нам нужно использовать тепловое сопротивление перехода к воздуху, которое составляет 50°C/Вт. Используя формулу из раздела теплового сопротивления и предполагая, что температура окружающего воздуха составляет 23°C, мы можем рассчитать температуру перехода:

Чтобы сравнить это с реальным миром, я измерил входное напряжение 12,1 В и выходное напряжение под нагрузкой 4,90 В. Я использовал фиктивную нагрузку постоянного тока, установленную на 200 мА, подключенную к выходу. Используя измеренные значения, рассеиваемая мощность составляет:

Ожидаемая температура перехода должна быть:

Как показано на тепловом изображении выше, после включения нагрузки и нагревания регулятора температура установилась на уровне около 98°. С. Довольно близко, но это хороший пример того, почему важно добавлять поля к числам. Из-за отсутствия точности источник питания был немного выше, чем мы рассчитали, а под нагрузкой регулятор имеет допуск выходного напряжения 4%, что может позволить выходному напряжению упасть до 4,8 В и оставаться в пределах спец.

С радиатором (с использованием R

_θJC )

Теперь, с добавлением радиатора, вместо использования теплового сопротивления от перехода к воздуху нам нужно использовать значение для перехода к корпусу, которое составляет около 5°. С/В. Изучив техническое описание радиатора, который я использую, мощность ~1,4 Вт на открытом воздухе приведет к повышению температуры на 25°C:

Поскольку радиатор обеспечивает повышение температуры вместо теплового сопротивления, нам потребуется сначала рассчитайте повышение температуры перехода, используя тепловое сопротивление от перехода к радиатору, а затем добавьте повышение температуры от радиатора и температуру окружающего воздуха, чтобы получить температуру перехода. Использование термопасты снижает тепловое сопротивление от корпуса до радиатора (~0,25°C/Вт), без него мы будем считать тепловое сопротивление около 1°C/Вт. Таким образом, уравнение температуры перехода принимает следующий вид:

Фактические напряжения были такими же, как и без радиатора: Vin = 12,10 В, Vвых = 4,90 В, Iвых = 200 мА. Это привело к тем же 1,44 Вт мощности, которые фактически необходимо было рассеивать, что только увеличило расчетную температуру перехода до 56,64 ° C. После включения питания и включения нагрузки я подождал, пока температура достигнет установившегося уровня, и измерил температуру регулятора, которая составила около 54°C.

На этот раз температура оказалась ниже, чем мы рассчитывали. Скорее всего, ошибка возникла из-за того, что для радиатора было считано повышение температуры в неподвижном воздухе, вместо 25°C она могла быть ближе к 23°C. В последнем примере мы будем использовать стабилизатор для поверхностного монтажа и попытаемся оценить, насколько сильно нагревается регулятор, используя печатную плату в качестве радиатора.

Пример: преобразователь постоянного тока в постоянный для поверхностного монтажа

Мы используем плату Buck-Boost, в которой используется преобразователь постоянного тока TPS63070. Плата размером 1,25×1,25 дюйма с использованием 1 унции меди. Следует также отметить, что регулятор находится в центре платы и состоит более чем из 95% меди. Из-за размера я собираюсь сделать некоторые предположения, используя общую площадь платы для теплового сопротивления и все 41 переходное отверстие для теплового сопротивления переходного отверстия.

Для начала нам нужно выяснить, сколько энергии нам нужно рассеять. В преобразователе постоянного тока входной ток не равен выходному току, поэтому мы не можем использовать ту же формулу, что и для линейного регулятора. Вместо этого мы можем оценить, используя график эффективности из таблицы данных:

На графике КПД показана зависимость КПД от выходного тока, который отличается в зависимости от входного и выходного напряжения. Для этого теста мы будем использовать те же значения, что и раньше, имея входное напряжение 12 В и выходное напряжение 5 В. На этот раз мы увеличим ток нагрузки до 1,0 А. Используя приведенный выше график эффективности 5 В, эффективность должна составлять около 93%, что делает наши потери мощности 7% от выходной мощности.

Для тепловых сопротивлений я использовал калькулятор теплового сопротивления переходных отверстий и приблизительно оценил тепловое сопротивление с переходными отверстиями примерно в 4,4°C/Вт, используя значения из инструмента расчета переходных отверстий. Для оценки теплового сопротивления печатной платы плата будет поднята над столом, чтобы предотвратить использование стола в качестве радиатора. 2. Основываясь на площади поверхности повышающе-понижающей платы, я могу оценить тепловое сопротивление печатной платы примерно в 65°C/Вт.

В техническом описании TPS63070 указаны следующие тепловые характеристики:

Нажмите на изображение, чтобы рассмотреть его поближе.

Тепловое сопротивление перехода к корпусу неприменимо, однако тепловое сопротивление перехода к плате составляет около 13°C/Вт. Используя значения теплового сопротивления, мы можем подставить это в уравнение температуры перехода:

Как и раньше, я включил фиктивную нагрузку и позволил плате нагреваться до тех пор, пока температура не перестанет расти. Как показано ниже, я зафиксировал температуру около 54°C.

Ресурсы и дальнейшие действия

Вы можете выполнить те же расчеты для различных силовых частей. Например, вы можете посмотреть сопротивление между стоком и истоком MOSFET, чтобы увидеть, насколько сильно он может нагреваться при различных токах. Или, если у вас есть диод для защиты от обратного тока, вы можете использовать прямое падение напряжения и ток. Все эти компоненты будут генерировать некоторое количество тепла, но теперь вы можете сделать обоснованное предположение о том, сколько.

Хотите использовать свой новый набор навыков? Попробуйте эти замечательные уроки!

Руководство по подключению одновременного считывателя RFID-меток

Базовое руководство по началу работы со считывателем RFID-меток, а также по чтению и записи нескольких RFID-меток на нескольких футах!

Избранное Любимый 8

Руководство по подключению переменной нагрузки — пересмотренное издание

В этом руководстве показано, как собрать и использовать плату переменной нагрузки SparkFun. Его можно использовать для проверки стабильности блока питания при различных нагрузках, срока службы батареи, предохранительных отключений и других конструктивных элементов тестируемых блоков питания.

Избранное Любимый 3

Направляющая для подключения Buck-Boost

В этом руководстве показано, как подключить и использовать плату SparkFun Buck-Boost.