Soğutucu hesaplarına hakkında çok fazla kaynak göremediğim için bu konuyu açma ihtiyacı duyuyorum. En son birkaç yıl önce soğutucu hesabı yapmış konuyu kafamda kapatmıştım. Bugün tekrar hesap yapma ihtiyacı duyunca hiç bir şey hatırlamadığımı fark ettim. Normalde deneme yanılma yöntemini daha çok severim. Isınıyorsa soğutucu tak, test et, paketle... Ancak hesaplama yapmanın zaruri olduğu durumlar için buraya bir not düşelim. Böylece konuyu bilmeyenler öğrenir, öğrenince paylaşım yapar kaynak artar. Yarın bir gün unutunca kendim göz atarım. Konuya daha hakim arkadaşlar yanlışlarımı düzeltir, daha iyi öğrenirim.
Şimdi konuyu hiç bilmeyen arkadaşlara göre anlatıya çalışayım.
Tüm elektronik elemanlar için ek soğutma ihtiyacı olabilir. Prensip olarak hesaplamalar aynı şekilde yapılır. Örnekler ile anlatım, karşılaştırma ve bu işin jargonuna daha iyi anlamak için farklı üreticilerden 3 adet eleman seçiyorum.
1. Tip41 Datasheet : https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TIP41C-D.PDF
2. Irf540 Datasheet : https://www.vishay.com/docs/91021/91021.pdf
3. Lm317 Datasheet : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf
Yarı iletken üzerinde harcanan güç (kayıp güç) ısıya dönüşür ve ısı olarak parça üzerinden uzaklaştırılır. Bu gücü nasıl hesaplarız örnekleyelim;
Lm317 :
Giriş voltajımız 16Volt, Çıkış voltajımı 5Volt ve yükümüz 1A akım çekiyor.
Lm317 üzerindeki voltaj düşümü : 16 -5 = 11Volt hesaplanır. Lm317 üzerinden 1A (adj akımı ihmal) geçtiğine göre;
Lm317 üzerinde harcanan güç = 11 x 1 = 11Watt
Tip41 :
Transistör için hesaplama bir aşama daha karışık. Transisör üzerinden geçen akıma ve base akımına bağlı olarak transistör üzerinde bir miktar gerilim düşümü olur. Transistöre yeterince base akımı sağlanarak transistörün doyuma ulaştığında bile transistör üzerinde bir miktar gerilim düşümü olur ve bu değer kollektör akımı ile değişkenlik gösterir.
Transistör üzerinden 4A geçtiğini düşünelim. Yukarıdaki eğri incelendiğinde 4A için transistör üzerinde düşen gerilimin 350mVolt = 0,35Volt olduğu görülür.
O halde transistör (tip41) üzerinde harcanan güç = 0,35 x 4 = 1.4Watt olarak hesaplanır. (transistör doyuma ulaşmadığı durumlarda transistör üzerindeki gerilim düşümü daha yüksek olur. Dolayısı ile harcanan güç çok daha yüksek olur. 1.4W güç değeri 4A için en düşük tüketimdir.)
IRF540 :
Mosfetin transistör gibi doyuma ulaştığını ve 18A akım taşıdığını düşünelim. Mosfet üzerinde harcanan güç için Rds direnç değeri kullanılır.
Harcanan güç = I² x R = 18 x18 x 0,077 = 25W olarak hesaplanır.
Özetleyelim :
Lm317 için => 11Watt
Tip41 için => 1.4Watt
IRF540 için => 25Watt güç hesapladık.
Birinci aşamayı tamamladık. Birinci aşamanın sonunda kullanılan parça üzerinde ne kadar güç harcandığını hesapladık. Soğutucu hesaplamalarının birinci aşaması budur. Bu hesaplamalar için yegane kaynak kullanılan parçanın datasheet dosyasıdır.
Haddim olmayarak anfilikatör entegreleri içinde bir örnek vereyim. Lm3886 kullanıyoruz Besleme gerilimi +/-25Volt, 4Ohm hoparlör bağlı. Çıkış voltajını bilmediğimize göre entegre üzerindeki gücü nasıl hesaplarız. Bu sorunun cevabı yine dahasheet doyasındadır.
Lm3886 : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3886.pdf?ts=1610127404300&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F
Eğri incelendiğinde 4Ohm, +/-25Volt için Entegre Üzerinde Harcanan güç 32Watt olarak görülür.
2. Adım : En Yüksek Çalışma Sıcaklığı, Termal Direnç ve Soğutucu Seçimi
Öncelikle bazı temel bilgilerin ve tanımların üzerinden geçelim. Tanımlarda yer yer Türkçe ve İngilizce karışacak. Anladığımız dil Türkçe olmasına rağmen bazı tanımları İngilizce öğrenip kullanmakta fayda var. Zira karşınıza hep İngilizce çıkacak…
Junction : Parçanın iç bağlatı noktası veya Çekirdek bölümü, Parçanın iç kısmı
Case : Parçanın Kılıfı (TO3, TO220, Dpak vb…)
Heatsink : Soğutucu
Ambient : Ortam (Hava)
Temperature : Sıcaklık
Parça için izin verilen en yüksek çalışma sıcaklığı “Junction Temperature” olarak verilir.
Tip 41 için bu değer 150°C olarak verilmiş.
Lm317 için değer 150°C verilmiş.
Ayırca Lm317 için tavsiye edilen değer 125°C olarak Belirtilmiş.
150°C limit değer. 151°C de parçamız bozuluyor. Bu nedenle tavsiye değer biraz daha düşük.
IRF540 için değer 175°C verilmiş.
IRF540 için ayrıca Storage (saklama/depolama koşulu) olarak aynı değerler verilmiş. Dahasheetlerde Storage sıcakları genellikle ayrıca bir satırda verilir ve aksi belirtilmedikçe Junction ve Storage sıcaklıkları aynıdır. Dolayısı ile ihtiyaç halinde malzemenin en düşük çalışma sıcaklığıda stroge sıcaklığından tespit edilir.
Ambient (Ortam) sıcaklığı :
Devrenin etrafındaki ortamın (havanın) sıcaklığıdır. Parça için ek soğtucu ihtiyacı olsun veya olmasın parçadan akım geçtiği anda parça az yada çok ısınmaya başlar. 25°C oda sıcaklığında bulunan bir parça çalışmaya başlamadan önce Junction sıcaklığı hali hazırda 25°C dir. Parça çalışmaya (üzerinden akım geçmeye) başladığında oluşan sıcaklık 25°C nin üzerine eklenir. Bu nedenle çalışan bir parçanın sıcaklığı her zaman ortam sıcaklığının üzerinde olur. Öyle ise ortam sıcaklığı maksimum çalışma sıcaklığı için bağlayıcıdır.
Tj = P x Rt + Ta
Formülü kullanılarak Junction sıcaklığı elde edilir.
Formülde :
Tj : Junction Sıcaklığı ( °C )
P : Parça üzerinde harcanan güç (watt)
Rt : Toplam termal direnç (çekirdekten havaya kadar)
Ta : Ortam sıcaklığı ( °C )
Bilinmeyen değerimiz termal direnç olduğuna göre formülü düzenleyelim.
Rt = ( Tj – Ta ) / P
Formüle göre 11Watt (lm317 yukarıda hesapladık) için termal direnci tespit edelim. Devre kartımızın bulunduğu ortam kapalı bir kutuda sıcak bir yaz gününde 50°C olabilir. Bu nedenle ortam sıcaklığı 50°C olarak kabul edilecektir.
Rt = ( 150 – 50 ) / 11 = 100°C / 11W = 9,1 °C/W değeri hesaplanır.
Bu değer junction dan havaya kadar olan izin verilen en yüksek değerdir.
Sonucu ve birimi yorumlayacak olursak;
Bu noktada araya girip basit bir örnek vermek istiyorum. Bir motor için 1500 Devir/Dakika dersek ne anlıyoruz? Motor her bir dakikada 1500 devir dönüyor. Şimdi 9,1 °C/W değerini yorumlayalım. Sıcaklık her 1 Watt için 9,1°C artıyor. Tersten hesap yapalım. 1Watt için 9,1°C ise 11W için junction üzerinde : 11 x 9,1= 100°C ısı oluşturduk(ekledik). Başlangıç için ortam sıcaklığı 50°C idi. 100+50=150°C maksimum sıcaklığı elde etmiş olduk.
Termal Direnç(ler) :
Toplam termal direncin çekirdekten havaya kadar olan direnç olduğundan bahsetmiştik. Toplam termal dirençi oluşturan ara dirençler vardır şimdi bunları inceleyelim.
Rt = Rjc + Rcs + Rsa
Rjc : Jonction – Case ( çekirdek ile dış kılıf{TO-220} arası termal direnç)
Rcs : Case – {Heat}Sink (Kılıf ile soğutucu arası termal direnç)
Rsa : {Heat}Sink – Ambient ( Soğtucu ile hava arası termal direnç)
Lm317 için Maksimum Rt değerini 9,1 °C/W olarak hesaplamıştık. Datasheet e tekrar göz atalım.
Karşımıza iki farklı (KCS-KCT) TO220 çıkıyor. Adet de termal direnç verilmiş. Bunu şimdilik burada bırakıp başka bir üreticinin dökümanına bakalım.
https://www.st.com/resource/en/datasheet/lm317.pdf
ST nin dökümanı daha anlaşılır. Her zaman birden çok üreticinin dökümanlarını karşılaştırın. Burada da ek olarak TO-220FP var. TO220FP komple izoleli olan kılıf tipidir. Ti nin dökümanındaki KCS, KCS ise nispeten görünüşü aynı olan ancak termal özellikleri farklı olan serilerdir. Kıyaslama yapıldığında KCT serisinin standart seri, KCS serisinin düşük termal dirençli özel bir seri olduğu görülür.
ST nin değerlerini referans alarak devam edelim.
Daha önce bahsetmediğim Rja değeri verilmiş. Bu değer hiç soğutucu kullanılmadığı durumda Rt değerini verir.
Not : Bazı datashhetlerde değerler kelvin olarak verilmektedir. Termal direnç ler sıcaklık farkı oransal bir değer olduğu için K/W ile °C/W aynı değere sahiptir. Bu nedenle K/W olarak bir değer ile karşılaşır iseniz °C/W olarak yorumlayabilirsiniz.
Bizim örneğimizde Lm317 için Maksimum Rt değerini 9,1 °C/W olarak hesaplamıştık. Soğutucusuz kullanım için olan 50°C/W değeri, olması gereken değerin çok üzerindedir. Bu Durumda Soğutucu kullanılmaz ise parça hemen yanacaktır. O zaman bu değer ile işimiz yok.
Rjs 5°C/W verilmiş. Toplam 9,1°C/W olmalı ve çekirdek kılıf arası 5°C/W olduğuna göre;
Rt = Rjc + Rcs +Rsa
9,1 = 5 + Rcs +Rsa
Rcs + Rsa = 4,1°C/W ve altında olmak zorundadır.
Rcs değeri :
Rcs nin kılıf ile soğutucu arası olduğundan bahsetmiştik. Parçanın soğutucuya bağlanma şekline göre Rcs değişiklik gösterir ve genel olarak nispeten küçük değerlidir. Kılıf yüzey alanı büyüdükçe (TO3 Gibi) Rcs değeri daha da azalır. Genel olarak Kabaca Rcs değeri 1°C/W alınabilir. Termal gres kullanımı bu değeri %30-50 arası düşürür.
Rcs değerini de tespit ettiğimizde göre
Rt = Rjc + Rcs +Rsa
9,1 = 5 + 1 +Rsa
Rsa = 3,1°C/W ve altında olmak zorundadır.
3,1°C/W kullanacağımız soğutucunun maksimum termal direncidir. Tercihen daha düşük değerli bir soğutucu kullanılmalıdır.
Aşağıdaki soğutucu 3,3°C/W değerindedir. Termal macunda kullanılırsa 11watt ısı dağılımı için ucu ucuna kullanılabilir.
LM317 için değerleri rastgele seçtim ve anlıyorum ki lm317 bu şartlar altında limitlerine yakın çalışıyor. Bu aşamada işimiz bitmesine rağmen ek bilgi olarak sıcaklık Değerlerini hesaplayalım :
Harcanan güç 11W idi.
Rt = Rjc + Rcs +Rsa
9,1 = 5 + 0,8 +3,3
Soğutucu Termal değeri 3,3°C/W olduğuna soğutucu için;
11 x 3,3 = 36,3°C
TO220 için;
11 x 0,8 = 8,8°C
Junction için;
11 x 5 = 55°C
İlk aşamada ortam sıcaklığı 25°C olsun.
25°C Ortam + 36,3°C =61,3°C Soğutucu üzerindeki sıcaklık,
61,3°C + 8,8°C = 70,1°C TO220 üzerindeki sıcaklık,
70,1°C + 55°C = ~125°C Junction sıcaklığı hesaplanır. Bu değerleri 25°C ortam sıcaklığı için hesapladık. Ortam 50°C sıcaklığa ulaşır ise Junction sıcaklığı 150°C ye çıkacaktır.
Şimdi geriye dönüp LM317 için dahasheet te verilen diğer termal değerlerin anlamlarına bakalım.
Rja : Soğutucu kullanılmadığı durumda toplam Junctiondan havaya toplam termal direnç
Rjc(top) : Lm317 kasasının Junctiondan plastik yüzeyine olan termal direnç
Rjc(bot) : Lm317 kasasının Junctiondan metal yüzeyine olan termal direnç. Soğutucu bağlantısı bu noktadan yapıldığı için hesaplamalarda bu değerin kullanılması uygundur.
Rjb : Lm317 nin pcb yüzeyine olan termal dirençi
ΨJT ve ΨJB gibi termal karakterizasyon parametreleri, 1990'larda Katı Hal Teknoloji Derneği (JEDEC) tarafından tanımlanan termal ölçümlerdir. Bu ölçümler, modern paket tipindeki cihazların bağlantı sıcaklığını tahmin etmek için daha uygundur. Bu ölçümler, modern paket tipindeki cihazların bağlantı sıcaklığını tahmin etmek için daha uygundur.
Artık termal dirençleri ve ısı transferlerini biraz anladığımıza göre son olarak parça üzerindeki güç hesaplama konusuna geri dönerek datashet lerde geçen Power Dissipation konusuna değinmek istiyorum.
Tip41 in datasheet inden;
Datasheet te başa veri yok ve bu hali ile anlaşılırlık için hiç yardımcı olmuyor.
Başka bir datasheet e bakalım : https://www.bourns.com/docs/technical-documents/obsolete-parts/TIP41_obsolete.pdf?sfvrsn=5a367c0b_1
Şimdi burası daha anlaşılır.
1. Satırda Ortam sıcaklığı 25 derece iken soğutucu kullanır iseniz parça üzerinde 65W 'a kadar güç harcayabilirsiniz diyor.
2. Satırda Ortam sıcaklığı 25 derece iken soğutucu kullanmaz iseniz parça üzerinde2W 'a kadar güç harcayabilirsiniz diyor.
Son olarak Derate (azaltma) faköründen de bahsedelim. Termal direnç değerinin tersidir.
Note 2 de case için 0,52W/°C olarak verilmiş. Yine case için termal direnç 1,92°C/W olarak verilmiş. Bir sağlama yaparak bunu doğrulayalım...
1 / 1,92 = 0,52
Azaltma faktörü şöyle yorumlanır; 25°C ortam sıcaklığı için 65W maksimum güç idi. Ortam Sıcaklık değerinin her bir derece artışında parçanın üzerinde harcanabilecek güç 0,52W azalır.
Kaynaklar :
en.wikipedia.org
en.wikipedia.org
Texas Instrument Application Note : How to Properly Evaluate Junction Temperature with Thermal Metrics
Şimdi konuyu hiç bilmeyen arkadaşlara göre anlatıya çalışayım.
Tüm elektronik elemanlar için ek soğutma ihtiyacı olabilir. Prensip olarak hesaplamalar aynı şekilde yapılır. Örnekler ile anlatım, karşılaştırma ve bu işin jargonuna daha iyi anlamak için farklı üreticilerden 3 adet eleman seçiyorum.
1. Tip41 Datasheet : https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TIP41C-D.PDF
2. Irf540 Datasheet : https://www.vishay.com/docs/91021/91021.pdf
3. Lm317 Datasheet : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf
Yarı iletken üzerinde harcanan güç (kayıp güç) ısıya dönüşür ve ısı olarak parça üzerinden uzaklaştırılır. Bu gücü nasıl hesaplarız örnekleyelim;
Lm317 :
Giriş voltajımız 16Volt, Çıkış voltajımı 5Volt ve yükümüz 1A akım çekiyor.
Lm317 üzerindeki voltaj düşümü : 16 -5 = 11Volt hesaplanır. Lm317 üzerinden 1A (adj akımı ihmal) geçtiğine göre;
Lm317 üzerinde harcanan güç = 11 x 1 = 11Watt
Tip41 :
Transistör için hesaplama bir aşama daha karışık. Transisör üzerinden geçen akıma ve base akımına bağlı olarak transistör üzerinde bir miktar gerilim düşümü olur. Transistöre yeterince base akımı sağlanarak transistörün doyuma ulaştığında bile transistör üzerinde bir miktar gerilim düşümü olur ve bu değer kollektör akımı ile değişkenlik gösterir.
Transistör üzerinden 4A geçtiğini düşünelim. Yukarıdaki eğri incelendiğinde 4A için transistör üzerinde düşen gerilimin 350mVolt = 0,35Volt olduğu görülür.
O halde transistör (tip41) üzerinde harcanan güç = 0,35 x 4 = 1.4Watt olarak hesaplanır. (transistör doyuma ulaşmadığı durumlarda transistör üzerindeki gerilim düşümü daha yüksek olur. Dolayısı ile harcanan güç çok daha yüksek olur. 1.4W güç değeri 4A için en düşük tüketimdir.)
IRF540 :
Mosfetin transistör gibi doyuma ulaştığını ve 18A akım taşıdığını düşünelim. Mosfet üzerinde harcanan güç için Rds direnç değeri kullanılır.
Harcanan güç = I² x R = 18 x18 x 0,077 = 25W olarak hesaplanır.
Özetleyelim :
Lm317 için => 11Watt
Tip41 için => 1.4Watt
IRF540 için => 25Watt güç hesapladık.
Birinci aşamayı tamamladık. Birinci aşamanın sonunda kullanılan parça üzerinde ne kadar güç harcandığını hesapladık. Soğutucu hesaplamalarının birinci aşaması budur. Bu hesaplamalar için yegane kaynak kullanılan parçanın datasheet dosyasıdır.
Haddim olmayarak anfilikatör entegreleri içinde bir örnek vereyim. Lm3886 kullanıyoruz Besleme gerilimi +/-25Volt, 4Ohm hoparlör bağlı. Çıkış voltajını bilmediğimize göre entegre üzerindeki gücü nasıl hesaplarız. Bu sorunun cevabı yine dahasheet doyasındadır.
Lm3886 : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3886.pdf?ts=1610127404300&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F
Eğri incelendiğinde 4Ohm, +/-25Volt için Entegre Üzerinde Harcanan güç 32Watt olarak görülür.
2. Adım : En Yüksek Çalışma Sıcaklığı, Termal Direnç ve Soğutucu Seçimi
Öncelikle bazı temel bilgilerin ve tanımların üzerinden geçelim. Tanımlarda yer yer Türkçe ve İngilizce karışacak. Anladığımız dil Türkçe olmasına rağmen bazı tanımları İngilizce öğrenip kullanmakta fayda var. Zira karşınıza hep İngilizce çıkacak…
Junction : Parçanın iç bağlatı noktası veya Çekirdek bölümü, Parçanın iç kısmı
Case : Parçanın Kılıfı (TO3, TO220, Dpak vb…)
Heatsink : Soğutucu
Ambient : Ortam (Hava)
Temperature : Sıcaklık
Parça için izin verilen en yüksek çalışma sıcaklığı “Junction Temperature” olarak verilir.
Tip 41 için bu değer 150°C olarak verilmiş.
Lm317 için değer 150°C verilmiş.
Ayırca Lm317 için tavsiye edilen değer 125°C olarak Belirtilmiş.
150°C limit değer. 151°C de parçamız bozuluyor. Bu nedenle tavsiye değer biraz daha düşük.
IRF540 için değer 175°C verilmiş.
IRF540 için ayrıca Storage (saklama/depolama koşulu) olarak aynı değerler verilmiş. Dahasheetlerde Storage sıcakları genellikle ayrıca bir satırda verilir ve aksi belirtilmedikçe Junction ve Storage sıcaklıkları aynıdır. Dolayısı ile ihtiyaç halinde malzemenin en düşük çalışma sıcaklığıda stroge sıcaklığından tespit edilir.
Ambient (Ortam) sıcaklığı :
Devrenin etrafındaki ortamın (havanın) sıcaklığıdır. Parça için ek soğtucu ihtiyacı olsun veya olmasın parçadan akım geçtiği anda parça az yada çok ısınmaya başlar. 25°C oda sıcaklığında bulunan bir parça çalışmaya başlamadan önce Junction sıcaklığı hali hazırda 25°C dir. Parça çalışmaya (üzerinden akım geçmeye) başladığında oluşan sıcaklık 25°C nin üzerine eklenir. Bu nedenle çalışan bir parçanın sıcaklığı her zaman ortam sıcaklığının üzerinde olur. Öyle ise ortam sıcaklığı maksimum çalışma sıcaklığı için bağlayıcıdır.
Tj = P x Rt + Ta
Formülü kullanılarak Junction sıcaklığı elde edilir.
Formülde :
Tj : Junction Sıcaklığı ( °C )
P : Parça üzerinde harcanan güç (watt)
Rt : Toplam termal direnç (çekirdekten havaya kadar)
Ta : Ortam sıcaklığı ( °C )
Bilinmeyen değerimiz termal direnç olduğuna göre formülü düzenleyelim.
Rt = ( Tj – Ta ) / P
Formüle göre 11Watt (lm317 yukarıda hesapladık) için termal direnci tespit edelim. Devre kartımızın bulunduğu ortam kapalı bir kutuda sıcak bir yaz gününde 50°C olabilir. Bu nedenle ortam sıcaklığı 50°C olarak kabul edilecektir.
Rt = ( 150 – 50 ) / 11 = 100°C / 11W = 9,1 °C/W değeri hesaplanır.
Bu değer junction dan havaya kadar olan izin verilen en yüksek değerdir.
Sonucu ve birimi yorumlayacak olursak;
Bu noktada araya girip basit bir örnek vermek istiyorum. Bir motor için 1500 Devir/Dakika dersek ne anlıyoruz? Motor her bir dakikada 1500 devir dönüyor. Şimdi 9,1 °C/W değerini yorumlayalım. Sıcaklık her 1 Watt için 9,1°C artıyor. Tersten hesap yapalım. 1Watt için 9,1°C ise 11W için junction üzerinde : 11 x 9,1= 100°C ısı oluşturduk(ekledik). Başlangıç için ortam sıcaklığı 50°C idi. 100+50=150°C maksimum sıcaklığı elde etmiş olduk.
Termal Direnç(ler) :
Toplam termal direncin çekirdekten havaya kadar olan direnç olduğundan bahsetmiştik. Toplam termal dirençi oluşturan ara dirençler vardır şimdi bunları inceleyelim.
Rt = Rjc + Rcs + Rsa
Rjc : Jonction – Case ( çekirdek ile dış kılıf{TO-220} arası termal direnç)
Rcs : Case – {Heat}Sink (Kılıf ile soğutucu arası termal direnç)
Rsa : {Heat}Sink – Ambient ( Soğtucu ile hava arası termal direnç)
Lm317 için Maksimum Rt değerini 9,1 °C/W olarak hesaplamıştık. Datasheet e tekrar göz atalım.
Karşımıza iki farklı (KCS-KCT) TO220 çıkıyor. Adet de termal direnç verilmiş. Bunu şimdilik burada bırakıp başka bir üreticinin dökümanına bakalım.
https://www.st.com/resource/en/datasheet/lm317.pdf
ST nin dökümanı daha anlaşılır. Her zaman birden çok üreticinin dökümanlarını karşılaştırın. Burada da ek olarak TO-220FP var. TO220FP komple izoleli olan kılıf tipidir. Ti nin dökümanındaki KCS, KCS ise nispeten görünüşü aynı olan ancak termal özellikleri farklı olan serilerdir. Kıyaslama yapıldığında KCT serisinin standart seri, KCS serisinin düşük termal dirençli özel bir seri olduğu görülür.
ST nin değerlerini referans alarak devam edelim.
Daha önce bahsetmediğim Rja değeri verilmiş. Bu değer hiç soğutucu kullanılmadığı durumda Rt değerini verir.
Not : Bazı datashhetlerde değerler kelvin olarak verilmektedir. Termal direnç ler sıcaklık farkı oransal bir değer olduğu için K/W ile °C/W aynı değere sahiptir. Bu nedenle K/W olarak bir değer ile karşılaşır iseniz °C/W olarak yorumlayabilirsiniz.
Bizim örneğimizde Lm317 için Maksimum Rt değerini 9,1 °C/W olarak hesaplamıştık. Soğutucusuz kullanım için olan 50°C/W değeri, olması gereken değerin çok üzerindedir. Bu Durumda Soğutucu kullanılmaz ise parça hemen yanacaktır. O zaman bu değer ile işimiz yok.
Rjs 5°C/W verilmiş. Toplam 9,1°C/W olmalı ve çekirdek kılıf arası 5°C/W olduğuna göre;
Rt = Rjc + Rcs +Rsa
9,1 = 5 + Rcs +Rsa
Rcs + Rsa = 4,1°C/W ve altında olmak zorundadır.
Rcs değeri :
Rcs nin kılıf ile soğutucu arası olduğundan bahsetmiştik. Parçanın soğutucuya bağlanma şekline göre Rcs değişiklik gösterir ve genel olarak nispeten küçük değerlidir. Kılıf yüzey alanı büyüdükçe (TO3 Gibi) Rcs değeri daha da azalır. Genel olarak Kabaca Rcs değeri 1°C/W alınabilir. Termal gres kullanımı bu değeri %30-50 arası düşürür.
Rcs değerini de tespit ettiğimizde göre
Rt = Rjc + Rcs +Rsa
9,1 = 5 + 1 +Rsa
Rsa = 3,1°C/W ve altında olmak zorundadır.
3,1°C/W kullanacağımız soğutucunun maksimum termal direncidir. Tercihen daha düşük değerli bir soğutucu kullanılmalıdır.
Aşağıdaki soğutucu 3,3°C/W değerindedir. Termal macunda kullanılırsa 11watt ısı dağılımı için ucu ucuna kullanılabilir.
LM317 için değerleri rastgele seçtim ve anlıyorum ki lm317 bu şartlar altında limitlerine yakın çalışıyor. Bu aşamada işimiz bitmesine rağmen ek bilgi olarak sıcaklık Değerlerini hesaplayalım :
Harcanan güç 11W idi.
Rt = Rjc + Rcs +Rsa
9,1 = 5 + 0,8 +3,3
Soğutucu Termal değeri 3,3°C/W olduğuna soğutucu için;
11 x 3,3 = 36,3°C
TO220 için;
11 x 0,8 = 8,8°C
Junction için;
11 x 5 = 55°C
İlk aşamada ortam sıcaklığı 25°C olsun.
25°C Ortam + 36,3°C =61,3°C Soğutucu üzerindeki sıcaklık,
61,3°C + 8,8°C = 70,1°C TO220 üzerindeki sıcaklık,
70,1°C + 55°C = ~125°C Junction sıcaklığı hesaplanır. Bu değerleri 25°C ortam sıcaklığı için hesapladık. Ortam 50°C sıcaklığa ulaşır ise Junction sıcaklığı 150°C ye çıkacaktır.
Şimdi geriye dönüp LM317 için dahasheet te verilen diğer termal değerlerin anlamlarına bakalım.
Rja : Soğutucu kullanılmadığı durumda toplam Junctiondan havaya toplam termal direnç
Rjc(top) : Lm317 kasasının Junctiondan plastik yüzeyine olan termal direnç
Rjc(bot) : Lm317 kasasının Junctiondan metal yüzeyine olan termal direnç. Soğutucu bağlantısı bu noktadan yapıldığı için hesaplamalarda bu değerin kullanılması uygundur.
Rjb : Lm317 nin pcb yüzeyine olan termal dirençi
ΨJT ve ΨJB gibi termal karakterizasyon parametreleri, 1990'larda Katı Hal Teknoloji Derneği (JEDEC) tarafından tanımlanan termal ölçümlerdir. Bu ölçümler, modern paket tipindeki cihazların bağlantı sıcaklığını tahmin etmek için daha uygundur. Bu ölçümler, modern paket tipindeki cihazların bağlantı sıcaklığını tahmin etmek için daha uygundur.
Artık termal dirençleri ve ısı transferlerini biraz anladığımıza göre son olarak parça üzerindeki güç hesaplama konusuna geri dönerek datashet lerde geçen Power Dissipation konusuna değinmek istiyorum.
Tip41 in datasheet inden;
Datasheet te başa veri yok ve bu hali ile anlaşılırlık için hiç yardımcı olmuyor.
Başka bir datasheet e bakalım : https://www.bourns.com/docs/technical-documents/obsolete-parts/TIP41_obsolete.pdf?sfvrsn=5a367c0b_1
Şimdi burası daha anlaşılır.
1. Satırda Ortam sıcaklığı 25 derece iken soğutucu kullanır iseniz parça üzerinde 65W 'a kadar güç harcayabilirsiniz diyor.
2. Satırda Ortam sıcaklığı 25 derece iken soğutucu kullanmaz iseniz parça üzerinde2W 'a kadar güç harcayabilirsiniz diyor.
Son olarak Derate (azaltma) faköründen de bahsedelim. Termal direnç değerinin tersidir.
Note 2 de case için 0,52W/°C olarak verilmiş. Yine case için termal direnç 1,92°C/W olarak verilmiş. Bir sağlama yaparak bunu doğrulayalım...
1 / 1,92 = 0,52
Azaltma faktörü şöyle yorumlanır; 25°C ortam sıcaklığı için 65W maksimum güç idi. Ortam Sıcaklık değerinin her bir derece artışında parçanın üzerinde harcanabilecek güç 0,52W azalır.
Kaynaklar :
Heat sink - Wikipedia
Thermal conductance and resistance - Wikipedia
Ekler
Son düzenleme:
