การระบายความร้อนสามารถเปรียบเทียบกับวงจรไฟฟ้าที่คุ้นเคยได้ตามรูปนี้
โดย
- พลังงานสูญเสียที่เป็นความร้อน(ไม่ใช่อุณหภูมินะครับ)ที่เกิดขึ้น Power Dissipation (Q) เปรียบเสมือนแหล่งจ่ายกระแสคงที่
- ความยากง่ายในการถ่ายเทความร้อนจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งเรียกว่าความต้าน ทานความร้อน Thermal Resistance (R)เปรียบเสมือนความต้านทานในวงจร
- อุณหภูมิที่จุดต่างๆ Temperature จะเปรียบเทียบได้กับแรงดันที่จุดต่างๆในวงจร ซึ่งในรูปจะมี Tj: อุณหภูมิรอยต่อ , Tc: อุณหภูมิตัวถัง, Th: อุณหภูมิแผ่นระบายความร้อน, และ Tamb: อุณหภูมิสภาพแวดล้อม
จะได้สมการ Tj-Tc = Q x Rj-c, Tc-Th = Q x Rc-h, Th-Ta = Q x Rh-a
จากสมการข้างบน ถ้ารู้ Q และ R ต่างๆ และ Tamb ก็จะสามารถคำนวณหา Tj, Tc, Th ได้
- ค่า Q คำนวณได้จากแรงดัน และกระแสของอุปกรณ์ชิ้นนั้น
- ค่า R จะมีระบุในดาต้าชีทของอุปกรณ์ , ฮีทซิงค์ และขึ้นกับลักษณะการติดตั้งด้วย เช่นวางตั้ง วางนอน มีสารช่วยระบายความร้อน มีพัดลม ฯลฯ
- ค่า Tamb กำหนดจากสภาพแวดล้อมการทำงาน
สิ่งที่เราต้องการจากการคำนวณคือค่า Tj ต้องไม่สูงเกิดขีดอันตรายของอุปกรณ์ ซึ่งทั่วๆไปจะใช้ค่าประมาณ 150 องศาเซลเซียส
อย่าไปหลงทางว่าต้องการให้ฮีทซิงค์เย็นๆนะครับ ซิ่งแน่นอนว่าถ้ามันเย็นก็ย่อมดีกว่าร้อน แต่มันไม่จำเป็นต้องเย็นมากๆ
ตัวอย่างค่าพารามิเตอร์เกี่ยวกับความร้อนของ MOSFET เบอร์ IRF540 จากบริษัท Vishay
ระบุว่าค่า Rc-s เท่ากับ 0.5 องศาเซลเซียสต่อวัตต์ โดยมีเงื่อนไขว่าติดตั้งบนผิวเรียบและทาสารช่วยระบายความร้อน ส่วนค่า Rj-c เท่ากับ 1.0 องศาเซลเซียสต่อวัตต์
ถ้า สมมุติว่าในวงจรที่ออกแบบมา มีกำลังสูญเสียเกิดขึ้นที่อุปกรณ์ตัวนี้ 60 วัตต์ และอุณหภูมิสภาพแวดล้อมระหว่างการทำงานเท่ากับ 35 องศาเซลเซียส ถ้ากำหนด Tj ไว้ที่ไม่เกิน 150 องศาเซลเซียส จะสามารถคำนวณขนาดแผ่นระบายความร้อนได้โดย
1. คำนวณหา Tc
Tj-c = Q x Rj-c = 60 x 1 = 60
Tc = Tj - Tj-c = 150 - 60 = 90
2. คำนวณหา Rc-a
Rc-a = Tc-a / Q = (Tc - Ta) / Q = (90 - 35)/60 = 0.92
สเปคระบุ ค่า Rc-s เท่ากับ 0.5 องศาเซลเซียสต่อวัตต์ ดังนั้นจะสามารถคำนวณหาค่า Rs-a (ความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์) ได้ดังนี้
Rs-a = Rc-a - Rc-s = 0.92 - 0.5 = 0.42
นำค่า 0.42 ไปหาชนิด และขนาดของฮีทซิงค์ที่เหมาะสม โดยดูข้อมูลจากผู้ผลิตฮีทซิงค์
คำถามที่เกิดขึ้นก็คือ จะหาค่าความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์ได้อย่างไร
ถ้า ตัวงานไม่ได้มีข้อกำหนดเรื่องขนาดพื้นที่ติดตั้ง หรือปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นไม่สูงมากนัก วิธีที่ดูจะง่ายที่สูดคือ (และมั่วที่สุด) คือเลือกขนาดใหญ่ไว้ก่อน
แต่ถ้ามีข้อกำหนดเรื่อง พื้นที่หรือปริมาตร ก็ต้องพึ่งพาการคำนวณซึ่งมีหลายวิธี แต่ส่วนใหญ่จะเป็นวิธีประมาณการใกล้เคียง ถ้าต้องการค่าที่แน่นอนต้องใช้การคำนวณแบบไฟไนท์อิลิเม้นท์มาช่วย ซึ่งไม่ขอลงในรายละเอียด
ตัวอย่าง1 การคำนวณ หรือ ตัวอย่างที่2
ตัวอย่างค่าความต้านทานความร้อนโดยประมาณของฮีทซิงค์ชนิดต่างๆ
20 องศา C/W
30 องศา C/W
19 องศา C/W (วางตั้ง)
11 องศา C/W (วางตั้ง)
บทความโดย : pa_ul
หน้าหลัก
โดย
- พลังงานสูญเสียที่เป็นความร้อน(ไม่ใช่อุณหภูมินะครับ)ที่เกิดขึ้น Power Dissipation (Q) เปรียบเสมือนแหล่งจ่ายกระแสคงที่
- ความยากง่ายในการถ่ายเทความร้อนจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งเรียกว่าความต้าน ทานความร้อน Thermal Resistance (R)เปรียบเสมือนความต้านทานในวงจร
- อุณหภูมิที่จุดต่างๆ Temperature จะเปรียบเทียบได้กับแรงดันที่จุดต่างๆในวงจร ซึ่งในรูปจะมี Tj: อุณหภูมิรอยต่อ , Tc: อุณหภูมิตัวถัง, Th: อุณหภูมิแผ่นระบายความร้อน, และ Tamb: อุณหภูมิสภาพแวดล้อม
จะได้สมการ Tj-Tc = Q x Rj-c, Tc-Th = Q x Rc-h, Th-Ta = Q x Rh-a
จากสมการข้างบน ถ้ารู้ Q และ R ต่างๆ และ Tamb ก็จะสามารถคำนวณหา Tj, Tc, Th ได้
- ค่า Q คำนวณได้จากแรงดัน และกระแสของอุปกรณ์ชิ้นนั้น
- ค่า R จะมีระบุในดาต้าชีทของอุปกรณ์ , ฮีทซิงค์ และขึ้นกับลักษณะการติดตั้งด้วย เช่นวางตั้ง วางนอน มีสารช่วยระบายความร้อน มีพัดลม ฯลฯ
- ค่า Tamb กำหนดจากสภาพแวดล้อมการทำงาน
สิ่งที่เราต้องการจากการคำนวณคือค่า Tj ต้องไม่สูงเกิดขีดอันตรายของอุปกรณ์ ซึ่งทั่วๆไปจะใช้ค่าประมาณ 150 องศาเซลเซียส
อย่าไปหลงทางว่าต้องการให้ฮีทซิงค์เย็นๆนะครับ ซิ่งแน่นอนว่าถ้ามันเย็นก็ย่อมดีกว่าร้อน แต่มันไม่จำเป็นต้องเย็นมากๆ
ตัวอย่างค่าพารามิเตอร์เกี่ยวกับความร้อนของ MOSFET เบอร์ IRF540 จากบริษัท Vishay
ระบุว่าค่า Rc-s เท่ากับ 0.5 องศาเซลเซียสต่อวัตต์ โดยมีเงื่อนไขว่าติดตั้งบนผิวเรียบและทาสารช่วยระบายความร้อน ส่วนค่า Rj-c เท่ากับ 1.0 องศาเซลเซียสต่อวัตต์
ถ้า สมมุติว่าในวงจรที่ออกแบบมา มีกำลังสูญเสียเกิดขึ้นที่อุปกรณ์ตัวนี้ 60 วัตต์ และอุณหภูมิสภาพแวดล้อมระหว่างการทำงานเท่ากับ 35 องศาเซลเซียส ถ้ากำหนด Tj ไว้ที่ไม่เกิน 150 องศาเซลเซียส จะสามารถคำนวณขนาดแผ่นระบายความร้อนได้โดย
1. คำนวณหา Tc
Tj-c = Q x Rj-c = 60 x 1 = 60
Tc = Tj - Tj-c = 150 - 60 = 90
2. คำนวณหา Rc-a
Rc-a = Tc-a / Q = (Tc - Ta) / Q = (90 - 35)/60 = 0.92
สเปคระบุ ค่า Rc-s เท่ากับ 0.5 องศาเซลเซียสต่อวัตต์ ดังนั้นจะสามารถคำนวณหาค่า Rs-a (ความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์) ได้ดังนี้
Rs-a = Rc-a - Rc-s = 0.92 - 0.5 = 0.42
นำค่า 0.42 ไปหาชนิด และขนาดของฮีทซิงค์ที่เหมาะสม โดยดูข้อมูลจากผู้ผลิตฮีทซิงค์
คำถามที่เกิดขึ้นก็คือ จะหาค่าความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์ได้อย่างไร
ถ้า ตัวงานไม่ได้มีข้อกำหนดเรื่องขนาดพื้นที่ติดตั้ง หรือปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นไม่สูงมากนัก วิธีที่ดูจะง่ายที่สูดคือ (และมั่วที่สุด) คือเลือกขนาดใหญ่ไว้ก่อน
แต่ถ้ามีข้อกำหนดเรื่อง พื้นที่หรือปริมาตร ก็ต้องพึ่งพาการคำนวณซึ่งมีหลายวิธี แต่ส่วนใหญ่จะเป็นวิธีประมาณการใกล้เคียง ถ้าต้องการค่าที่แน่นอนต้องใช้การคำนวณแบบไฟไนท์อิลิเม้นท์มาช่วย ซึ่งไม่ขอลงในรายละเอียด
ตัวอย่าง1 การคำนวณ หรือ ตัวอย่างที่2
ตัวอย่างค่าความต้านทานความร้อนโดยประมาณของฮีทซิงค์ชนิดต่างๆ
20 องศา C/W
30 องศา C/W
19 องศา C/W (วางตั้ง)
11 องศา C/W (วางตั้ง)
บทความโดย : pa_ul
