风冷散热器的业余应用和测算

longshort

　　在体积受限制的环境中使用散热器，通常都选择风冷形式。这类散热器（或称热沉，heat sink）带有翼状散热片，片与片之间的间距在2.72mm左右，正好可以让3mm直径的风扇固定用的自攻螺丝旋入，同时也不影响空气的流通。一个例子是旧电脑中拆下的散热器，或者网上能找到的那种散热器型材。

　　

１９

　　图中的风扇型号是7025，即边长70mm厚度25mm，电源使用交流220V，耗电4W。风扇的启动由安装在热沉上的温度开关来控制，在设定的温度达到或超过时接通电源，在温度下降到回差温度时断开电源。这样的做法可以避免风扇的启闭操作对设备的影响，例如对小信号通路的干扰，和占用内部电源的功率；并且因为是间隙工作，对风扇的寿命、噪声的产生、灰尘的累积状况都有改善。

　　温度控制根据不同材料的管子和使用环境决定。对于安装在机箱外侧的情况，为避免过高的启动温度造成可能的人体部位烫伤，应设置较低的温度。对于锗功率管，由于壳温达到或超过50摄氏度时穿透电流会急剧上升而失去对器件的有效控制，因此风扇的启动温度绝对不能达到或超过50摄氏度。对于硅器件，启动温度可以高一些，但也不应超过65摄氏度，否则散热器过烫，可能对偶尔接触的人体部位造成伤害。温度开关（或称温度继电器）选择TO220封装的形式，方便而廉价。

　　以下用两个例子分别对硅、锗器件的风冷散热器功率承受能力的估算。

　　测量使用胜利86B万用表的温度测量功能，通过自带的K型热偶实现。

（待续）

longshort

（一）直流负载器（所谓电子负载）
　　链接：http://www.crystalradio.cn/forum ... &extra=page%3D1

　　这个负载器所用的散热器大小为150mm*69mm*36mm，按自然对流散热方式的话，承载功率估计大约50W上下，且发热明显。

　　

直流负载器的散热器

　　从自然冷却到强制风冷，加上一台风扇就可完成。为了让每片散热翼都有均衡的空气流过，风扇两边裸露的翼面需要用一块铝板挡住，以便限定空气的流动路径，这样可以提高风冷的效率。

　　冷却风扇的标称启动温度是40°C，实测多次在45°C~47.6°C之间；而停止温度在29°C~30°C之间，回差比较大。这也可能是测量用的K型热偶卡在翼片的部位接触不够紧密所致。

　　测量时的环境温度是14.6°C：

　　

６５

　　负载电压18V，负载电流5.001A，承载功率为90.018W。数分钟以后风扇打开，持续十分钟后热沉温度稳定在33.8°C不再上升。

　　

６６

　　此时将负载电流调到6A左右，实测是5.998A；电压是17.508V，承载功率为105.013W。此时热沉温度缓慢上升到35.6°C，持续十分钟后稳定不变。

　　

６７

　　设计时的最高环境温度是35°C，与当前温度的差是20.4°C。于是在承载功率为105W时，热沉温度为35.6+20.4=56(°C)。

　　显然，两个承载功率之间的温度差是1.8°C，功率差是14.995W。于是可以知道，这个热沉在风冷的形式下，每瓦功率产生1.8/14.995=0.12(°C/W)的热阻。

　　在负载器的设计中，预定了额定功率是180W，最大功率是300W。

　　在额定功率为180W的情况下，与105W的差额是75W，热沉上能够产生的温升是75*0.12=9°C，于是此时的热沉温度为56+9=65°C。这是在环境温度为35°C的情况下达到的热沉温度，因此在这时应以额定功率或额定功率以下运行。

　　若以最大功率运行，那么功率差是300-105=195W，温升是195*0.12=23.4(°C)，则在环境温度为35°C时的热沉温度为56+23.4=79.4(°C)，这是个可以烫伤的温度，小心千万不要碰上。

　　因此能够长时间用到300W耗散功率的最高环境温度，为　35-(79.4-65)=20.6°C。

　　最后还需要解决一个问题，那就是安装在热沉上的晶体管，究竟可以承载多少功率？

　　本例中的热沉上，安装的晶体管是IRF3205，三个并联使用。从datasheet可知，IRF3205在25°C时的最大耗散功率是200W，三个总共600W。结到封装的热阻是0.75°C/W，封装到热沉的热阻是0.5°C/W，因而典型的总热阻为1.25°C/W。结温最高175°C，从25°C开始，每升高1°C就要降低(1.25/150)*600=5W的功率耗散，这被称为“降额因子”，其实就是总热阻单位值与结温余数比的倒数与总功率的乘积。

　　由于本风冷热沉到环境的热阻是0.12°C/W，因而总热阻变为1.25+0.12=1.37(°C/W)，降额因子变为(1.37/150)*600=5.48(W/°C)。

　　假如在确保安全的情况下，环境温度为35°C时的热沉温度达到79.4°C，那么需要降额的功率为(79.4-25)*5.48=298(W)，在最大功率中扣除，即为 600-298=302(W)；刚刚满足最大功率的要求。

　　若确保热沉温度不超过65°C，那么在最高环境温度为35°C的情况下，降额功率为5.48*(79.4-65)=78.912(W)，在最大功率中扣除，得302-78.912=223.088(W)；也即在环境温度35°C的情况下，最大安全使用的耗散功率是223W。

（待续）

longshort

（二）可调电源
　　链接：http://www.crystalradio.cn/forum ... =1579506&extra=

　　这个电源使用的调整管散热器是利用旧电脑拆机的热沉，其实和上述直流负载器的热沉是一种类型，尺寸为83mm*69mm*36mm。安装的晶体管为一个锗大功率管3AD18D，环境温度为25°C时，在无限大面积散热板上的标称耗散功率为50W。

　　

可调电源的散热器

　　考虑锗晶体管的封装温度必须限制在50°C以下，则风扇的设计启动温度为35°C，实测启动温度在37°C~42°C之间，断开温度在25.5°C~26.5°C之间。气温达到或超过30°C时，风扇电源可能不会关断，不过这无关紧要。

　　测量时的环境温度为13.7°C：

　　

13_7°C

　　电源输入为20.552V，输出为10.067V，则调整管压降为10.485V，工作电流4.992A，调整管上的功耗为52.341W，十分钟后热沉温度稳定在26.3°C：

　　

5A_26_3°C

　　（高位数字正处于脉冲间隙之间，故看不见显示）


　　工作电流6.008A，电源的输入电压为19.838V，输出电压为9.0058V，调整管上的功耗为65.08W，十分钟后热沉温度稳定在27.5°C：

　　

6A_27_5°C

　　功率差为65.08-52.341=12.739(W)，热沉上的温度差为27.5-26.3=1.2(°C)，可得热阻为1.2/12.739=0.0942°C/W，这个结果比前述直流负载器的热沉热阻还要低，原因是本例中的晶体管和热沉是未加绝缘而紧密接触的。

　　从实验结果中可以看到，5A时的调整管功耗已经超过了50W，而6A时更是达到了65W，这已经远超datasheet中的功率参数限制了。这个结果比较意外，充分体现了北极熊的粗壮和抗躁性，因为3AD18的版型设计原本就来自于苏联。

　　由于测量时的环境温度为13.7°C，所以在35°C的环境温度下的参数才是应该达到的性能。

　　在最高环境温度35°C时，与测量时的温差为35-13.7=16.3(°C)，5A输出电流时的热沉温度为26.3+16.3=42.6(°C)。

　　环境温度同上，6A时的热沉温度为27.5+16.3=43.8(°C)，没有超过50°C。

　　如果定义锗功率管安全工作的最高热沉温度为48°C，与43.8°C的温差为4.2°C，那么这时的最大可承载功率与65W的差值为4.2/0.0942=44.586(W)，这意味着本例的风冷热沉最高可承载109W的功率。对于锗晶体管，3AD57（Icm=30A, Pcm=100W）可以达到这样大的功率承受能力。

　　与前述例子相同，若定义热沉最高工作温度为65°C，对于硅晶体管，这时的最大可承载功率与65W的差值为(65-43.8)/0.0942=225W，则硅管的最大承载功率为225+65=290W。注意这时的晶体管一定是与热沉无绝缘紧密安装的，与前述直流负载器热沉上的晶体管安装有本质的区别。


（待续）

longshort

（三）从上述两个实验中得到的结论：

（１）只要条件具备，国产3AD18一类的锗功率管具有比较大的过载能力；

（２）风冷方式可以大幅度降低热沉到环境大气的热阻（从60.75°C/W到0.5°C/W，见IRF3205的datasheet）；

（３）晶体管与热沉的安装采用无绝缘方式，可以大幅度降低封装到热沉的热阻（从0.5°C/W到0.0942°C/W）；

（４）热沉安装在机箱外部的方式，有利于冷却空气的对流，提高散热效率。


（四）两种热沉在自然散热下的测试参考：

直流负载器热沉在自然散热时的热阻（氧化铝陶瓷绝缘安装，水平放置，环境温度14.1°C）：

　　　　负载电压18V，负载电流500mA，承载功率9W，稳定的热沉温度为33.5°C；

　　　　负载电压18V，负载电流250mA，承载功率4.5W，

　　　　　　　　水平放置的稳定热沉温度为25.8°C，垂直放置的稳定热沉温度为24.8°C。

　　　　功率差4.5W，温度差7.7°C，热阻为7.7/4.5=1.711°C/W；

　　　　最高环境温度35°C对当前温度的差是20.9°C，9W时的热沉温度为20.9+33.5=54.4°C；

　　　　在热沉温度达到65°C时，附加的承载功率为(65-54.4)/1.711=6.195(W)；

　　　　于是自然散热情况下的最大耗散功率为9+6.195=15.195(W)，这和臆想估计的50W差别很大。

　　　　相比同一热沉温度下的风冷最大耗散功率223W，自然散热的效率只是风冷散热下的6.814%。


可调电源热沉在自然散热时的热阻（不绝缘安装，水平放置，环境温度14.1°C，以锗管为例）：

　　　　调整管电压6.5V，负载电流750mA，承载功率4.875W，稳定的热沉温度为30.6°C；

　　　　调整管电压6.5V，负载电流250mA，承载功率1.625W，

　　　　　　　　水平放置的稳定热沉温度为21.1°C，垂直放置的稳定热沉温度为20.5°C。

　　　　功率差为4.875-1.625=3.25(W)，温度差为30.6-21.1=9.5(°C)，热阻为9.5/3.25=2.923(°C/W)；

　　　　最高环境温度35°C对当前温度的差是20.9°C，4.875W时的热沉温度为20.9+30.6=51.5(°C)；

　　　　这个温度已经超出允许的限度，为限制到48°C，取温差为48-51.5=-3.5(°C)；

　　　　最高环境温度下的附加功率为-(3.5/2.923)=-1.1974(W)；

　　　　于是在最高环境温度为35°C时，自然散热情况下的最大耗散功率为4.875+(-1.1974)=3.6776(W)，
　　　　或3.7W。这个结果与想象的距离很大，这么大个东西，对于锗管竟然只有不到4W的自然耗散能力。

　　　　相比同一热沉温度下的风冷最大耗散功率109W，自然散热的效率只是风冷散热下的3.374%。


（结束）

三大属相

很有指导意义。你的温度回差在5--10度较理想。

longshort

三大属相 发表于 2018-12-15 12:10
很有指导意义。你的温度回差在5--10度较理想。

谢谢回复 ！其实我比较希望回差在5摄氏度左右，但市售的温度开关通常偏差较大，所以也只好勉为其难了。

三大属相

够没品牌温度开关。或利用运放做成滞回比较器，控制在5-6度。

三大属相

出现错字：是购买品牌温度开关。

longshort

三大属相 发表于 2018-12-15 12:25
够没品牌温度开关。或利用运放做成滞回比较器，控制在5-6度。

双金属片的温度开关本来偏差就较大，在这种应用中的控制不是问题。运放不适合用在这里，温度开关直接控制小功率交流风机启停是非常简洁方便的事。

bzq2000

不错的讲解，散热也有这么多说道！学习了！

bg1trk

longshort 发表于 2018-12-15 12:21
谢谢回复 ！其实我比较希望回差在5摄氏度左右，但市售的温度开关通常偏差较大，所以也只好勉为 ...

很不错的科普，楼主费心了。

温控还是热敏电阻做个开关电路吧，温度开关做保护还行，做温控毕竟粗糙了点。

longshort

bg1trk 发表于 2018-12-15 20:26
很不错的科普，楼主费心了。

温控还是热敏电阻做个开关电路吧，温度开关做保护还行，做温控毕竟粗 ...

谢谢加分！

控制方式要跟着需求走，并非有技术含量的都是必需的。在本例中的热传导速度足够慢，双金属开关足够应付，而且电路简单方便有效，交流电路中的4W小功率切换无须劳烦弱电电路控制，为热敏电阻所需要在热沉上加工产生的工作量和多余的控制电路工作量完全可以避免，而且也没有电力继电器的需求，体积、复杂度一概降到最低，何乐而不为。

至于“粗糙”的感觉大可不必，温控对象决定了控制的精细程度。用恒温基准所要求的控制精度去要求冷却风扇的启停温度，浪费材料、时间和工作量不说，控制的可靠性也会降低。事实上并不是机电元件的可靠性就一定比电子元件低，电路越复杂元件越多，可靠性越低，这也是常识。

汉江水

写的很详细，非常好，赞一个。纠正一个小错误：过去国产晶体管的耗散功率的条件是在室温25℃，湿度不大于75％，晶体管靠近管子部位的散热器温度对锗管而言为55℃时的散热板尺寸，对3AD18而言，耗散功率50w是在室温25℃，湿度不大于75％，晶体管安装于散热板中心，散热板平放不涂黑的铝板且散热板近晶体管壳位置温度为55℃，这时的散热板为300x300x4mm，并不是无限大散热器（国外是无穷大散热器，这就是为什么国外标大的管子实际达不到的原因）。总之一句话3AD18的50w是在平放且不涂黑的铝板尺寸为300x300×4mm的尺寸条件下实测出的，而不是无限大散热器的虚标值。

longshort

汉江水 发表于 2022-12-8 11:56
写的很详细，非常好，赞一个。纠正一个小错误：过去国产晶体管的耗散功率的条件是在室温25℃，湿度不大于75 ...

您好，谢谢指教！ 难得有人提供这么详细的数据，非常感谢！

查了下手册，在300x300×4mm散热板的尺寸条件下，无论是否涂黑、竖直还是平放，都只限定为20W的耗散，只有在壳温等于小于环境空气温度即25°C的情况下，才能允许达到50W的耗散。




可能我所获得的相关认识与您所拥有的不同，所以才有此次实际测试。

在风冷的情况下，湿度不是重要的，局部环境会因为空气的流动和冷却降低周边空间的湿度，这是个很有用的大气特性。

就我所掌握的锗管工作状况而言，管壳温度绝对不可超过50°C，否则随时可能产生失控而烧毁，到达55°C时的管子壳温时已经不可控，不用说输出功率了，不知您的数据出处是否可靠。

无论怎样，都要再次谢谢您！

虾米

虽然没有仔细看繁琐的计算，但是从L大大的结果可以看出结论。赞一个