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放熱板の作り方

お世話になります、パワーデバイス(トランジスタ等)に放熱板を付けたいのですが、データシートから見てどのように計算するのでしょうか?すでに経験されたかたがいらしゃったらアドバイスをお願いしたいのですが、

  • IKUZOさんこんにちは、NAKAです。

    放熱板を作ると、熱抵抗とかを計測評価しないといけないと思いますけど、材料とか、構造-熱解析の方法を知りたいのでしょうか?NAKAは、市販のデータが載っているヒートシンクしか使う程度の事しか考えたことないです。あるいそのヒートシンクより十分に大きなアルミ板をつけるとか金属筐体につけるとか......汗)

    最高周囲温度が50℃で、あるトランジスタのTjが150℃でトランジスタの損失が1Wで、放熱グリスの熱抵抗が0.2℃/Wの時、((150-50)/1)-0.2=99.8℃/Wにマージンを加えてヒートシンクメーカのカタログから選ぶくらいです。自然対流なのか強制的にファンで冷やすのか?(熱抵抗-風速特性などのデータが必要かも)とかヒートシンクの向きによる熱抵抗の違い等、ヒートシンクメーカにデータをもらって検討することが必要になってくるので、結局マージンをどれだけとるかなのか?なのかもしれませんね。

  • In reply to NAKA:

    楽しそうなことやってますね。

    まず、パワーデバイスが何W発熱するか想定すると、それに見合う熱抵抗からヒートシンクに必要な性能が見積もれると思います。
    わたしもNAKAさん同様市販品を使うことが多いですね。

    自作する場合はアルミ表面に油性マジックで色をつけたり、アルマイト塗装しないと赤外放熱分が稼げないので、アルミむき出し状態は避けたいですね。

    あと、流体力学が得意な人にレイノルド数を計算してもらえば、ヒートシンクの構造から空気の粘度による自然対流への影響なんかも計算することができますよ。

    一般的に自然対流の場合は空気の粘度による影響を減らすためフィンの間隔を広げて(5mm程度以上)、
    強制冷却ならフィンの間隔を2mmくらいまで狭くすることで冷却能力を稼ぐことができます。

  • In reply to Kirin:

    趣味の範囲でしょうか?プロの範囲でしょうか?タイトルは"放熱板の作り方"ですが、"放熱板の選び方"でしょうか?

    趣味の"放熱板の選び方"だとNAKAさんの付け足しですが。データシートの接合温度(Tjmax)と周囲温度(Ta)、デバイスの損失(Pc)で(Tjmax-Ta)/Pc以下の熱抵抗の放熱板を選べばOKだと思います。例えば、24Vから13.5V1Aの真夏でTa=40℃でTjmax=150℃の電源なら(150-40)/((24-13.5)*1)=10.4[℃/W]以下の放熱板です。最近の秋葉原では熱抵抗を表示してないし、店員もチンプンカンプンなので経験的に3℃/W位のを購入してシリコングリスべた塗りで組み立てます。最終的にはトランジスタに触って結果オーライです。むか~しの初歩のラジオで勉強したレベルです。

    プロの"放熱板の選び方"だと。チップ→パッケージ→シート→放熱板→周辺空気で考えるべきです。ウン十年前に、通信教育で勉強したのですがテキストもすでに破棄していて、すっかり忘れてます。当時、上司がテキストの熱設計のページを絶賛してました。あまり良い教科書がないそうです。いろいろと聞きまわるしかないようです。カフェるねでなんですが、富士電機のアプリケーションノート(www.fujielectric.co.jp/.../MOSFET_J_140926_01.pdf)は多少参考になります。(職場の1年先輩が会社の補助を期待して始めた通信教育ですが、第一回で挫折して、私が引継ぎ、修了書を入手しました。会社の金で勉強して、先輩に一杯飲ませてもらいました。)

    趣味の"放熱板の作り方"だと、欲しい熱抵抗からアルミ板の表面積を実験データのグラフから求めるでOKに思えます。グラフは書籍などにあると思います。オーバークロックを趣味にしている人は、パッケージとシートシンクを磨いてトータルの熱抵抗を下げているそうです。ホームページを見ると結構楽しいです。プロはもっと詳細に設計するそうです。私はパワー系の仕事をしたことがないので、"詳細"は勉強したことがありません。

    熱抵抗はチップ上の抵抗体で発熱させて、ダイオードでチップ温度を計測することで求まります。興味だけで、仕事をするふりで、計測したことがあります。メーカデータといい線で一致しました。パッケージ表面と周辺温度で十分と思いますが最後は計測ですね。

  • In reply to kijo:

    え?放熱板って計算してくっつけるものなんですか?

    いつも何も考えずにやってた。

    くっつけてから放射温度計で測って、70度ならまぁ良いかとか適当。

    >アルミむき出し状態は避けたいですね。

    そう言うものですか~

    なんも考えてなかったです(^^;

  • In reply to Moo:

    NAKAさんいつもお世話になります、<熱抵抗>ですね、<材料>これはアルミか銅と思います、市販品がちょうどおさまれば良いのですが、たぶん探せばあると思うのですが、基本的にどのような導き方をするのだろうと思った次第でして、<Tjが150℃でトランジスタの損失が1Wで、放熱グリスの熱抵抗が0.2℃/Wの時、((150-50)/1)-0.2=99.8℃/Wにマージンを加えてヒートシンクメーカのカタログから選ぶ>ということで、回答ありがとうございます、さらにこれを2ミリ厚で100ミリ×100ミリ等と計算できると思うのですが

  • In reply to IKUZO:

    Kirinさんいつもお世話になります、<何W発熱するか想定すると、それに見合う熱抵抗からヒートシンクに必要な性能を見積もる>ということで<フィン>これは出来れば付けたいのですが、<市販>のものですと必ずそうなっていますよね、現状の製品に対して手当てをしないといけないことになってまして、基本的なことが自分でわかっていないのかもと、

  • In reply to IKUZO:

    kijoさん元気で何よりです、<趣味の範囲でしょうか?プロの範囲でしょうか?>趣味でアンプを製作したりしています、その場合は特別大きい放熱器を取り付けて放熱で問題は特に考えたことはないのですが、仕事では限られたスペースの中でパワートランジスタを駆動させ破壊させたことが過去に何度もありまして、今回ではトライアックで電灯線を制御する基板を製作しましてその基板に電気ストーブ400Wを接続してトライアックに手をあてると熱くなる、大丈夫ということで、

  • In reply to IKUZO:

    Mooさんありがとうございます、私も<何も考えずにやってた>(適当)でした、トランジスタの熱損失は大きいもの、放熱スペースはなるだけ大きい、でもこれでは本当の設計が出来ていない、ということで今回製品が出来たあとで一体何ワットまで使用できるのということで、8A800Vのトライアックに基板パターンの放熱で電気ストーブ400Wを接続すると手をあてると熱くなる5分ぐらいは持つと思うのですが10年間はそのままでは使用できない(たぶん1時間ほどで熱破壊に?)そのように使用したいと思うなら補助的に放熱器を追加するしかないのですが、基本的なところを知りたいということで、

  • In reply to IKUZO:

    チョコです。

    ちょっと大きいファイルですが、下記URLのFAQの30ページにある"3.5 熱設計"の中に

    熱抵抗に関する解説が記載されています。

    考え方の基本的なことから順に説明されているので、一度読むことをお勧めします。

    RENESASのHPのFAQはバラバラなので、このPDFが一番いいかと思います。

    documentation.renesas.com/.../r00zz0001jj0400_faq.pdf

  • In reply to チョコ:

    >さらにこれを2ミリ厚で100ミリ×100ミリ等と計算できると思うのですが

    書籍でも見かけたことはあるのですが、"アルミ板"&"熱抵抗"で検索すれば、一応、解答は得られます。

    PC上の放熱板設計のツールもあるらしいですよ。"ヒートシンク設計ツール"で検索すればヒットします。

    アンテナの風圧や電界強度なども同様なのですが、いろいろな算出方法がインターネットや書籍でに登場します。インターネットは著者が不明確な場合も多く、無責任な発表もあります。それなりの研究者の書籍でも理論式は無く実験データが書かれていたり、それなりの理論式が有ったりとか、様々です。いろいろとチェックしてみることをお勧めします。

  • In reply to kijo:

    久しぶりに参加します。メールがチョコチョコと入ってくるので気になっていました。熱抵抗のわかりやすいサイトを紹介します。www.picfun.com/heatsink.html

    しかし、SMDは基板のパターンが薄いので、正確な計算は難しいでしょうね。参考まで

  • In reply to やま:

    アルミむき出しの件ですが、放熱効果からすると黒色のアルマイトが良い様です。

    またアルミむき出しの怖い経験ですが、電源を修理するときに、電源を切って数分たって、プラスドライバで放熱板を外そうとして、一瞬 アース側のマイナス端子触れたようで、火花が飛びました。一次側のコンデンサに電荷が残っており、FETのソースとドレインを短絡し、電源の制御ICとFETが壊れ、電流制限抵抗が断線しました。

    基板に触る前に、電力抵抗でコンデンサを放電させないといろいろ危ない目にあいます。(余談です)

  • In reply to やま:

    >趣味でアンプを製作したりしています、

    趣味での話なら

    取り敢えず入手可能で筐体に取り付け可能な最大サイズを選択する

    akizukidenshi.com/.../cheatsink

    売り物ならそれなりに熱計算しないと保証できないけど

    趣味の製作なら熱計算したとしてもその通りの物を入手出来るとは限らない

    と、言うより入手できる物から選択する以外の手段は無いのが普通

    売り物ならそれ専用の放熱板を作ってしまえるが <お金次第

    趣味で放熱板までも自作する人は珍しい

    なので、計算するより作って実験した方が早い

    放熱面積だけでなく風量も大きなウェイトを占めるし

    自然冷却で追いつかなかったらファン追加してしまう

    >8A800Vのトライアックに基板パターンの放熱で電気ストーブ400W

    直感的な発熱量は負荷の概ね1割~2割と見積もる

    つまり400wなら概ね40w~80w位と見当

    40wの発熱量はどれくらいかと言うと

    40wの半田ゴテと同等な表面積でハンダを溶かせる温度まで上がる

    www.fa.omron.co.jp/.../lineup.html

  • In reply to lumiheart:

    キャンディーズが黒シャーシの放熱が良いとTVCMをやってましたね。ケース内なのでむき出しとはいえませんが、2cm角アルミ板をそのままの放熱板などは良く見ます。古くはコの字に曲げただけのアルミ放熱板とTO3トランジスタがケース背面に実装された電源もみかけたことがあります。レギュレータのヒートシンクの必要性の判断など趣味でも、計算あるいはPmax-Taグラフで確認したほうが良いと思います。ある程度の計算ができないとPmax-Taグラフも理解できないと思います。確かに趣味のオーディオやRFのアンプなどはビジュアルが優先するので、自作なら不必要に大きな放熱板をケース外につけたりします。正面からフィンが見えるような製品も多いですね。

  • In reply to kijo:

    > キャンディーズが黒シャーシの放熱が良いとTVCMをやってましたね。

    これですな。