散热片热阻测量实验 (原创) admin    18/03/04



概述

    我们在设计一些功率电路时往往需要考虑散热问题,用多大的散热片,能达到什么样的散热效果,之前都靠“经验”。但“经验”往往不是那么准确,用大了显得浪费,用小了要改版更为麻烦, 因此有必要对这些散热片做一个定量的测试。这样,在设计之初,就能大概知道其效果了。

    散热器的散热效果可以用热阻来描述。热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特(K/W)或摄氏度每瓦特(℃/W)。

R=(T2-T1)/P        公式1

    上式中,T2为物体一端的温度、T1为物体另一端的温度,P为热源的功率。

测量原理

    我们先来测量一下TO-220封装不带散热片时的从其金属基片到周围空气之间的热阻。发热器件为一颗TO-220封装的13005三极管,电源为电压和电流均可调节的实验电源,R2为测量温度用的热敏电阻。

图1  测试原理图

    器件型号

  • R1 100Ω/2W;
  • R2 MF52AT热敏电阻, 10KΩ@25℃,B值3950。
  • R3 8.2Ω/0.125W。
  • R4 0.22Ω/2W。
  • Q1 MJE13005。

    图2为电路实物,手头没有100Ω/2W的电阻,用了一枚100Ω/5W的水泥电阻代替,热敏电阻(图中红圈位置)用502胶水粘在TO-220的金属基片上。

图2  TO-220热阻测量实物

    MF52AT热敏电阻阻值和温度的关系为

T=1/(1/298-Ln(10/R)/3950)-273        公式2

    式中R为热敏电阻实际测量的阻值(单位KΩ),Ln为自然对数符号。

    步骤一,通电前先测量R2的阻值,根据公式2计算出当前环境温度T1,在本次实验中测得R=15.23(KΩ),T1=15.83℃。

    步骤二,调节实验电源的输出电压为12V,限制电流从0~300Ma逐步调整,待电流在某一值上稳定3分钟后,测量R4两端的电压记为Ue,测量13005C、E极简的电压Uce,和R2的阻值。计算结果填入下表。

表1:

电压Uce(V)电压Ue(V)功率(W)温敏阻值(KΩ)温度(℃)热阻(℃/W)
8.910.03531.431.5274.3740.96
8.890.04231.711.184.5440.21

    注:如果没有实验电源,可以用一个12V/2A的普通稳压电源代替,但R1需要改为200Ω可调电阻,通过调整R2来改变工作电流,R4的阻值也可适当增加,以便提高稳定性。

常用散热片测试

图3  常用散热片

    给13005加装图中散热片后再次测试,获得如下结果

表2(黑色散热片25x19x8mm):

电压Uce(V)电压Ue(V)功率(W)温敏阻值(KΩ)温度(℃)热阻(℃/W)
100.03921.783.5050.6319.55
10.160.06332.921.6272.4319.37

表3(银色散热片20x15x10mm):

电压Uce(V)电压Ue(V)功率(W)温敏阻值(KΩ)温度(℃)热阻(℃/W)
9.640.0321.403.3052.2025.96
9.750.05122.271.5973.0025.21

铝壳散热测试

    开关电源常用其铝壳作为散热器,图4为一种30W开关电源的外壳(尺寸:143x58x41mm),其上固定安装了两个功率原件(热源),我们假定两个热源均是TO220封装的,热源的功率也是一样的,看看它的散热效果如何?

图4  铝壳散热测试实物图

    两个热源均由13005晶体管组成,其电路如图5所示

图5  铝壳散热测试电路图

    测试获得如下结果

表4(开关电源的外壳):

电压Uce(V)电压Ue(V)功率(W)温敏阻值(KΩ)温度(℃)热阻(℃/W)
11.520.05062.656.6334.547.07
12.990.1086.382.5059.816.90

结果分析

    从表1可以看出,TO220散热基片到开放空间空气之间的热阻约40℃/W,如果周围环境温度为45℃,器件功耗2W的话,器件金属基片上的温度将达到45+40*2=125℃,芯片内部温度更高,已达半导体器件的工作极限。 而同等条件下,如果安装上一片表3所示的小形散热片,金属基片上的温度=45+25*2=95℃,可安全地工作。

    从表4可以看出,基片到空气的热阻约7℃/W,如果两个管子的功耗均为10W,则基片和环境温度差为70℃,如果环境温度为45℃,基片温度达115℃,如果芯核到基片的热阻是1℃/W的话, 芯核温度将达到125℃,已达工作极限。



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