Elektronische componenten
KOELING VAN HALFGELEIDERS
9       KOELING VAN ELEKTRONISCHE COMPONENTEN
Koelplaten worden gebruikt om te voorkomen dat elektronische componenten te warm worden.
In het bijzonder bij halfgeleiders is de afvoer van het in warmte omgezette elektrisch vermogen
een noodzakelijk aandachtspunt.

Halfgeleiders hebben een vrij beperkt temperatuursgebied waarin zij goed functioneren. Lage temperaturen hebben meestal invloed op de mechanische constructie doordat er verschillende materialen gecombineerd worden in het ontwerp van elektronische componenten ontstaan er mechanische spanningen. Toegegeven dat dit de minste zorg is van de ontwerper van elektronische schakelingen.
Temperatuursverschillen benvloeden het instelpunt van elektronische schakelingen. Dit fenomeen moet door het ontwerp ondervangen worden. Het omzetten van elektrische energie in warmte is een ontwerpcriteria waar altijd rekening mee moet gehouden worden.
Bovendien worden de meeste halfgeleiders beschadigd bij temperaturen boven 150C tot 250C.

Het vermogen dat door componenten in warmte wordt omgezet noemt men het "gedissipeerd" vermogen P of Pd.

Belangrijke begrippen uit de thermodynamica

Warmte is energie evenals elektrische energie. Verder spreken we vereenvoudigd van warmte als we warmte energie bedoelen.
De hoeveelheid warmte wordt uitgedrukt in Joule.
Er is dus geen direct verband tussen warmte en elektrisch vermogen in Watt maar wel tussen warmte per tijdseenheid en vermogen:
W = J/s. (1Watt = is het vermogen dat 1 joule per seconde levert)
De temperatuur is de graat van warmte bij een bepaalde stof en een bepaalde massa van die stof.
Voorbeeld:
1Liter water bevat bij een temperatuur van 0C minder energie dan bij een temperatuur van 100C.
500Liter water bevat bij een temperatuur van 0C meer energie dan 1Liter bij een temperatuur van 100C.
Warmte wordt van n systeem (of massa) naar een ander overgedragen onder de enkele voorwaarde dat er een temperatuursverschil is tussen beide systemen (of massa's).

Warmte energie kan op drie manieren getransporteerd worden:

1  Door geleiding
Binnen eenzelfde massa of wanneer verschillende massa's hecht met elkaar verbonden worden verdeelt de warmte zich over beide materialen waardoor de graad van warmte, de temperatuur, daalt.
Dit is de belangrijkste manier van warmte transport (warmte afvoer) bij elektronische componenten.

2  Door convectie
Wanneer een vloeistof of gas in contact komt met een massa die een hogere temperatuur heeft, wordt door de massa warmte aan de vloeistof of het gas afgestaan. Deze warmte wordt door de vloeistof of het gas getransporteerd via voortdurende verplaatsing van de vloeistof of het gas.
Het is uiteindelijk de enige manier waardoor we energie kunnen blijven toevoegen aan een massa omdat ze voortdurend via convectie wordt afgevoerd.

3  straling
Warmte kan via straling, dus zonder medium, worden getransporteerd.
Lange golf warmtestraling  (infra rood straling) is minder belangrijk bij de koeling van elektronische componenten.


Warmtegeleiding
Het vermogen om warmte over te dragen heet thermische geleiding, maar we gebruiken voor de berekening van koelplaten altijd de reciproque waarde: de thermische weerstand Rth.

Lucht en kunststof zijn slechte warmtegeleiders. De warmte die een halfgeleider produceert, wordt niet gemakkelijk overgedragen aan de omringende lucht. Metaal is echter een hele goede warmtegeleider.

Hoe groter het metalen oppervlak, hoe gemakkelijker de warmte aan de omgevende lucht wordt overgedragen. Dat is precies wat een koelplaat doet: het metalen oppervlak van een transistor vergroten.

Omdat het soms niet nodig is om een koelplaat toe te passen en om voor ontwerpers van elektronische schakelingen voldoende ontwerpkeuzes toe te laten worden koelplaten steeds berekend en volgens de toepassing ingezet.
De thermische eigenschappen van een koelplaat worden weergegeven met n enkele uitdrukking:
Met hoeveel graden zal de temperatuur van de koelplaat stijgen wanneer je 1Watt energie toevoegt = thermische weerstand.

De thermische Rth uitgedrukt in K/W.

Voorbeeld
Koelplaat type Nr FK222  thermisch weerstand Rth = 20K/W voor een behuizing type TO220.
Wanneer je aan deze koelplaat 1Watt energie toevoegt zal de temperatuur met 20K stijgen.
Stel dat de omgevingstemperatuur (Ta) 20C is en je 1Watt energie toevoegt zal de oppervlakte van de koelplaat 40C warm worden.

Andere thermische weerstanden die belangrijk zijn:
De thermische weerstand tussen de halfgeleider en de behuizing van de component : Rth J-C.
De thermische weerstand tussen de behuizing van de component en de koelplaat : Rth C-H.
De thermische weerstand tussen de halfgeleider en de stilstaande omgevingslucht : Rth J-A.
De thermische weerstand tussen de component en de stilstaande omgevingslucht : Rth C-A.
Berekingsmethode

Alle gegevens kunnen eenvoudig berekent worden of worden in de datasheet van de component gepubliseerd.

Gegevens uit de datasheet:
de maximum temperatuur van de junctie, de thermische weerstand van de component, het type component behuizing.

Berekende gegevens:
gedissipeerde vermogen

Keuze van de ontwerper:
omgevingstemperatuur waarin de schakeling gebruikt kan worden.

Om zoveel mogelijk warmte met een zo klein mogelijke koelplaat via de lucht af te voeren moeten we het beschikbare temperatuursverschil bepalen.

We vertrekken hierbij van de maximaal toegelaten junctie temperatuur 150C.
Mocht er geen enkele thermische weerstand bestaan tussen de junctie en de omgevende lucht dan hebben we nu een temperatuursverschil van 150C - 50C = 100K ter beschikking. (K om aan te duiden dat dit een absolute temperatuur is).

Bereken het temperuursverschil dat over de verschillende verbindingen ontstaat.
over Rth J-C van de component:
Uit de datasheet Rth J-C = 2K/W. Voor onze toepassing bij 5W is dat tc = 2 . 5 = 10K

We hebben nu geen 100 temperatuursverschil meer beschikbaar maar nog maar 100K - 10K = 90K

Als er geen extra thermische weerstanden zijn (wat voor veel berekeningen affectief kan) dan kunnen we nu de eigenschappen van de nodige koelplaat berekenen.
Je kan ook alle Rth's optellen en vermenigvuldigen met het gedissipeerde vermogen.
Aangezien de Rth van een koelplaat wordt uitgedrukt in K/W en wij de temperatuur kennen voor 5W wordt
Rth = 90K/5W = 18K/W

Nu zoek je een koelplaat die geschikt is voor de component in kwestie en kies je een model met een Rth gelijk of kleiner dan de berekende Rth. Een goed ontwerper weet dat er na verloop van tijd stof op de koelplaat terecht komt en dat het toestel in de omgeving van b.v. een verwarmingsradiator of iets dergelijks kan terecht komen... dus hij neemt altijd een ruime marge tussen de berekende waarde en de toegepaste koelplaat in de richting van een grotere koelplaat met een lagere Rth.
9.1       Berekening van de koelplaat
De thermische weerstand van koelplaten wordt uitgedrukt in graden absolute temperatuur toename per watt elektrisch vermogen die wordt toegevoerd.
De tijd valt in de vergelijking weg want elke seconde er vermogen wordt toegevoerd wordt er, bij gelijkblijvende temperatuur, evenveel vermogen afgevoerd. Daardoor bereikt de koelplaat een bepaalde temperatuur bij een bepaald toegevoerd vermogen.
Om warmte te kunnen afvoeren moet de temperatuur van de koelplaat altijd hoger zijn dan die van de lucht waaraan de warmte moet worden afgestaan. Hoe hoger het temperatuursverschil hoe meer warmte wordt afgevoerd.
Hoe groter de oppervlakte van de koelplaat, hoe lager de thermische weerstand Rth van de koelplaat en hoe meer warmte wordt afgevoerd en bij gevolg hoe lager het temperatuursverschil om deze warmte te kunnen afvoeren.
Basis eigenschappen van een koelplaat
Voorbeeld berekening van een koelplaat
U = VCE
I = IC
P=U . I = 5 . 1 = 5W
Het in de junctie gedissipeerde vermogen is 5W
-
Ontwerp opmerkingen

De montage methode heeft invloed op de Rth van de koelplaat.
Het gebruik van z.g. koelpasta bijvoorbeeld kan bijdrage tot een lagere Rth terwijl een kunstof isolatie of mica dan weer een hoger Rth tot gevolg heeft.

Informatie hierover vindt je in de data sheet van de producten en de koelplaten.
Rth van deze koelpasta = 0.011K/W (Kerafol)
Voor low-kost koelpasta kan je 0.5K/W aannemen.
Wanneer tussen de behuizing en de koelplaat aangebracht verbeterd koelpasta aanzienlijk de thermische weerstand door elke oneffenheid waar zich anders lucht bevindt op te vullen.
Voor een silikonenisolatieplaatje of mica plaatje kan je als vuistregel Rth op 1C/W in de berekening van de koelplaat opnemen al zijn er ook met zeer lage Rth.
Menu