Powierzchnia radiatora dla 10W – obliczenia, dobór, profile aluminiowe TO-220, Fischer, Aavid

Pytanie

jaka powierzchnia radiatora dla mocy rozpraszanej 10wat

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Przy konwekcji naturalnej i dopuszczalnym wzroście temperatury radiator–powietrze ΔT ≈ 40 °C potrzeba ok. 300–400 cm² efektywnej powierzchni aluminiowego radiatora, aby bezpiecznie rozproszyć 10 W.
• Przy wymuszonej cyrkulacji (mały wentylator, ~1 m/s) wystarcza 100–150 cm².

Kluczowe punkty
• Obliczenia opiera się na równaniu A = P/(h·ΔT).
• h (współczynnik wymiany ciepła) ≈ 5–10 W/(m²·K) dla naturalnej i 20–50 W/(m²·K) dla wymuszonej konwekcji.
• Rzeczywistą potrzebę określa się z rezystancji cieplnej θSA wymaganej przez element półprzewodnikowy.

Szczegółowa analiza problemu

1. Model cieplny

Drogę cieplną przedstawia się rezystancjami szeregowymi:
Tj = Ta + P·(θJC + θCS + θSA)
gdzie θSA to rezystancja radiator–powietrze, którą dobieramy.

Przykład (tranzystor TO-220):
Pd = 10 W, Tj,max = 150 °C, Ta = 40 °C, θJC = 1,5 K/W, θCS = 0,5 K/W
θSA,max = (150-40)/10 – 1,5 – 0,5 ≈ 9 K/W

2. Przeliczenie θSA na powierzchnię

Przybliżenie dla płyty lub gęstego ożebrowania:
A = P / (h·ΔT) (1)

Zakładamy ΔT = 40 K (radiator do 80 °C)
• Konwekcja naturalna: h = 7 W/(m²·K) → A ≈ 0,036 m² ≈ 360 cm²
• Konwekcja wymuszona: h = 30 W/(m²·K) → A ≈ 0,011 m² ≈ 110 cm²

Odpowiada to θSA ≈ ΔT/P = 4 K/W (naturalna) i 1,1 K/W (wymuszona). W przykładzie wystarcza 9 K/W, więc 300-400 cm² spełnia wymagania z dużym zapasem.

3. Wpływ geometrii i materiału

• Aluminium (~200 W/m·K) – standard; miedź (~370 W/m·K) – mniejsza objętość, wyższa masa/koszt.
• Żeberka pionowe, odstęp 8-10 mm przy naturalnej konwekcji.
• Czarne anodowanie zwiększa emisję promieniowania o ~25 %.
• Tłoczone profile ≈2–3 K/W na 10 cm długości przy pd=10 W – patrz katalogi (Fischer SK 406, Aavid IRF-xxx).

4. Weryfikacja praktyczna

1. Oblicz θSA z (Tj,max – Ta)/P – θJC – θCS.
2. W katalogu producenta wybierz radiator o mniejszej lub równej θSA (wartość dla identycznych warunków przepływu!).
3. Pomiary termoparą lub diodą p-n (metoda Vf-T) potwierdzają poprawność dobranego radiatora.

Aktualne informacje i trendy

• Radiatory hybrydowe z ciepłowodami (heat-pipe) i komorami fazowymi pozwalają zejść poniżej 1 K/W przy kompaktowych wymiarach.
• Druk 3D metali umożliwia struktury siatkowe o ekstremalnym stosunku powierzchni do masy.
• Coraz powszechniejsze są powłoki nanocerne (CNT, MXene) – wzrost h o 20-40 %.
• Normy IPC-2221B oraz JEDEC JESD 51-12:2020 aktualizują procedury pomiaru θSA w warunkach rzeczywistych (narastanie T-ramp).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dla prostych obudów TO-220 „reguła 10 cm²/W” (≈100 cm² dla 10 W) bywa zbyt optymistyczna, gdy element pracuje w zamkniętej obudowie.
• Gdy obie strony radiatora mają swobodny dostęp powietrza, powierzchnia efektywna ≈ 2× powierzchnia geometryczna.
• Materiał termoprzewodzący (pasta <0,1 K/W·cm², podkładka silikonowa 0,2-1 K/W·cm²) często decyduje o 20-30 % całkowitego oporu.

Aspekty etyczne i prawne

• Zgodność z RoHS/REACH – unikać stopów z Pb, Cd.
• Dyrektywa Ecodesign: wentylatory >125 W podlegają klasom sprawności.
• Bezpieczeństwo: izolacja galwaniczna przy napięciach sieciowych (podkładki mica, Kapton).

Praktyczne wskazówki

• Montuj tranzystor centralnie – minimalizuje gradienty termiczne.
• Utrzymuj szczelinę 10-15 mm od ścian obudowy, by nie dławić konwekcji.
• Dokręcaj śrubę TO-220 0,3-0,5 Nm; zbyt duży moment pogarsza RθCS (odchylenie obudowy).
• Test dynamiczny: 10 W impuls 1 min – obserwuj dT/dt, krytyczne dla stabilizatorów impulsowych.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Jeśli temperatura otoczenia przekracza 60 °C (np. przemysł), powierzchnię należy podwoić.
• Pobór mocy może wzrosnąć w zależności od stanu pracy (np. tranzystor w klasie AB) – zawsze projektuj z 30 % marginesem.
• Reguły „cm²/W” są orientacyjne; dokładność ±50 % – zalecane symulacje CFD lub testy prototypowe przy wyższych gęstościach mocy.

Sugestie dalszych badań

• CFD (ANSYS Icepak, Autodesk CFD) – weryfikacja przepływu w obudowie.
• Analiza spektralna impedancji cieplnej Zth (metoda Foster/Cauer) – diagnostyka słabych połączeń.
• Badanie nowych materiałów TIM: pasty boron-nitride, grafenowe termopady <3 W/m·K.
• Optymalizacja kształtu żeber algorytmami generatywnymi (topology optimization).

Krótkie podsumowanie

Aby odprowadzić 10 W przy typowych warunkach pokojowych i naturalnej konwekcji, potrzebujesz radiatora aluminiowego o efektywnej powierzchni ≈ 0,03–0,04 m² (300–400 cm²) lub o rezystancji cieplnej θSA ≤ 9 K/W. Wymuszony przepływ powietrza pozwala zejść do 100–150 cm². Precyzyjny dobór wymaga obliczenia θSA z uwzględnieniem temperatur granicznych i parametrów elementu oraz weryfikacji w warunkach docelowej aplikacji.