Перейти к содержимому
Форум журнала практической электроники «Датагор»
Набор для вскрытия электроники WOSAI 11 In 1
Сумка для инструментов 12"-14"-16", очень прочная 600D
Магнитный браслет мастера. Биты, гайки, саморезы, гвозди перестали теряться
Набор резаков, метал. ручка, цанга
Увлажнитель и очиститель воздуха. Когда шпарят батареи
Беспроводной звонок, 32 мелодии!
Набор термоусадок разного калибра, 385шт.
AAM2302 (DHT22) цифровой датчик влажности и температуры
Касса резисторов 0.25Вт, 64 номинала, всего 1280шт.
Водозащищённые навороченные мужские часы SANDA-G
Детские/стариковские GPS-часы-антипотеряшки и телефон
600шт., 3 цвета, 15 типов терминалов под обжим 22~12AWG

Гость victors

Площадь радиатора УМЗЧ и пик-фактор

Рекомендованные сообщения

Гость victors

Всем привет,

 

Появились, наверное, интересные вопросы, связанные с расчётом площади радиатора для УМЗЧ на ИС (или на транзисторах).

 

Вводная.

Есть УМЗЧ с биамплингом (моно), сделанный на TDA2005 в мостовом включении для канала НЧ и К174УН14 для канала СЧ-ВЧ. (Выбор ИС УМ не обсуждаем :-))

Суммарная выходная мощность двух ИС УМ, на пороге ограничения, при синусоидальном сигнале – 30Вт. ИС УМ должны быть размещены на общем радиаторе с пассивным, конвекционным охлаждением. Размер радиатора должен быть минимально возможным, притом, что температура радиатора не должна превышать 65градС при температуре в помещении 30 градС. Тепловое сопротивление кристалл – корпус для этих ИС – 3C/W

 

Вопросы.

Нужно ли учитывать пикфактор музыкального сигнала при расчёте радиатора ИС УМЗЧ?

 

(Если принять пик-фактор равным трём, то от 30Вт синусоидальной мощности останется только 10Вт. В три раза меньше. )

 

Как связаны синусоидальная мощность ИС УМЗЧ с её тепловой мощностью, при работе УМЗЧ в определённом классе (A, AB, B, D)?

 

(Другими словами – каков КПД УМЗЧ в том или другом классе на синусоидальном и музыкальном сигналах?)

 

Верно ли утверждение, что площадь радиатора Импульсного БП рассматриваемого УМЗЧ должна быть больше чем площадь радиатора ИС УМЗЧ? (У ИБП КПД тоже не равен единице и если УМЗЧ на 30 ВТ, то при КПД ИБП 85%, требуемая мощность ИБП составит 30*(100%-85%=34,5Вт). Или в три раза меньше, если учесть пик-фактор?).

 

В ИБП основное тепловыделение происходит на регулирующем транзисторе и выпрямительном диоде (в данном случае диод один – однополярное питание)

Каково соотношение площадей радиаторов для регулирующего транзистора и диода?

(В компьютерных ИБП площадь радиаторов практически совпадает, но там принудительное охлаждение – возможны некоторые компромиссы).

 

В интернете, кочуют две методики расчётов. Одна, простая, предлагает взять 10-20 см кв. площади радиатора на каждый Ватт рассеиваемой мощности, Другая, по точнее, предлагает учитывать тепловое сопротивление ИС и ряд других параметров. Но, складывается впечатление, что происходят эти методики из одного источника и годны, в основном, для расчёта радиаторов линейных стабилизаторов напряжения.

 

Мне интересен Ваш опыт осознанного, на основании расчётов, выбора площади радиатора для конкретного УМЗЧ. Как Вы этот расчёт делали, и удалось ли получить желаемый результат.

 

Заранее благодарю за вразумляющие ответы.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Если принять пик-фактор равным трём, то от 30Вт синусоидальной мощности останется только 10Вт. В три раза меньше.

Раз среднее напряжение меньше пикового в 3 раза, мощность меньше в 9 раз...

А самостоятельно слабО осциллографом посмотреть средние и пиковые значения?

Я смотрел, у меня получается не в 3 раза. Вернее, "часто пиковые", а то что в 3 раза бывает настолько редко,

что...

А если слушать, как её называют, музыку в стиле "стена звука" (я её называю "стена дерьма" или "цунами из канализации"), то там и пик-фактора как такового нет..

Так, что, Виктор, Вы опять интересуетесь высокоинтеллектуальными академическими проблемами...

Хотите сэкономить, ставьте небольшие теплоотводы, особенно если слушаете не на максимальной громкости,

хотите надёжности, чтобы в любых обстоятельствах нагрев был далеко от критического, не экономьте.

Кстати, на память, в ж. Радио в конце 70-х доказывали, что максимальный нагрев транзисторов в классе АВ не при максимальной мощности, а 1/3 от неё (если ошибаюсь, поправьте).

Правильным будет расчет на наихудший случай нагрузки, сигнала, температуры окружающей среды и реальных условий для вентиляции. А для радиолюбителя, делающего аппаратуру в личное пользование, допустим упрощенный подход: сгорит - отремонтирую.

Изменено пользователем chugunov

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Гость victors

Сергей,

 

Спасибо за Ваш отзыв.

Поступил так.

 

Чтобы быть ближе к природе, использовал стрелочный амперметр, включив его в цепь питания УМ. Подал музыкальный сигнал из Пинк Флойда, чтобы спектр был по богаче и поднимал громкость пока не появились ограничения по питанию. Получилось примерно 1,2А при напряжении питания 15 В. Это 18Вт, как я понимаю. Попутно измерил (рукой) температуру общего для двух ИС, временного, радиатора, использованного в макете - ну очень горячо, уже через несколько минут работы. Площадь радиатора - 123 см. кв. - совершенно понятно, что этого недостаточно. Похоже, нужно площадь утроить, если считать, что на каждый Ватт мощности полагается 20см. кв. площади радиатора.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Виктор!

Не силён я в этом вопросе. Но, наверное можно сделать так: прикинуть какой по книжкам КПД, учесть максимальную выходную мощность, получить тепловую мощность.

Далее, зная тепловое сопротивление кристалл-корпус транзистора/микросхемы, корпуса - радиатора и радиатора - окружающей среды, определить потребный радиатор.

Но, наверое, эмпирическая формула, которую вы привели, сработает не хуже, но много проще.

Тут я плохой советчик, могу только вспомнить первый закон, которому меня научили в одном НИИ, куда я пошел работать после школы лаборантом: "запас в жопу не ..ёт".

Грязно и пошло, но правда.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Верно ли утверждение, что площадь радиатора Импульсного БП рассматриваемого УМЗЧ должна быть больше чем площадь радиатора ИС УМЗЧ?

Конечно нет.

Эти вещи вообще никак не связаны. КПД ИБП может быть 95%, а выходного каскада - 20%...

 

По поводу расчёта радиаторов. Радиатор - вещь очень инерционная. Спектр сигнала не важен. Важна мощность, уходящая в тепло.

Например, для усилителя класса А рассеиваемая в тепло мощность может вообще в основном определяться не сигналом, а сквозным током выходного каскада (он же - "начальный ток" для устранения "ступеньки").

В тепло уходит мощность, рассеиваемая на транзисторе. Определяется по закону Ома - произведение тока на напряжение. Ток через выходной транзистор - сумма сквозного тока выходного каскада и тока в нагрузку. Чем больше выходное напряжение, тем больше ток в нагрузку, но меньше напряжение на транзисторе, поэтому действительно, максимум произведения тока на напряжение (мощность) получается при среднем значении напряжения и тока, как правильно сказал chugunov. Мощность рассеивания проще считать графически, так как так проще учесть конкретные особенности конкретной схемы выходного каскада.

А вот дальше - хуже.

Если рассеиваемую мощность можно посчитать точно, то с температурой радиатора всё гораздо сложнее. Зависит и от материала, и от формы, и от окружающих предметов... Те радиолюбительские "10-20 см кв. площади радиатора на каждый Ватт рассеиваемой мощности" - это эмпирически полученное значение для примерно квадратной пластины толщиной 6 мм из чистого алюминия, висящей вертикально. И то с точностью в два раза. Поставьте её на поверхность - уже будет неправильно.

Импортные поставщики готовых радиаторов указывают в даташитах тепловое сопротивление "радиатор - воздух" при нулевой скорости потока воздуха (естественная конвекция) в свободном пространстве. Тогда вроде радиатор подобрать просто: если у данного радиатора "радиатор - воздух" 8 градусов на ватт, у транзистора "кристалл - радиатор" 2 градуса на ватт, то "кристалл - воздух" будет 10 градусов на ватт. Рассеиваем 10 ватт, получаем перегрев кристалла относительно воздуха 100 градусов. Температура воздуха + 20 - температура кристалла транзистора +120 градусов. Допустимая - +150. Нормально. Работаем.

 

А потом ставим всё в корпус. Привинченная к шасси часть радиатора не работает, часть закрыта проводами... Тепловое сопротивление радиатора увеличилось до 20 градусов на ватт. Температура воздуха в корпусе поднимается до +60. Температура кристалла - до +170. Нормально. Горим.

 

Есть, конечно, программы для тепловых расчётов, ... но реально можно сделать только на практике. Примерно прикидываешь, потом ставишь из того, что есть. :smile:

 

P.S.

Достаточно вспомнить, сколько грамотного народа разрабатывало советские телевизоры, и сколько из этих телевизоров погибло от салфеточки под слониками.

 

P.P.S.

Да, чуть не забыл.

Как я делал усилитель, который постоянно использую до сих пор.

Выходной каскад питается от +/- 35В. Нагрузка - 8 Ом.

Максимум, что может рассеяться на транзисторе при любом сигнале - (35/2 * 4,375/2)/2 = 19 Вт.

Пополам - потому что постоянного тока в динамик не бывает, сигнал всегда симметричный (даже если не синус).

Потом от лабораторного источника запитал отдельный транзистор постоянным током, резистором в базе установил 19 Вт и подобрал радиатор, чтобы на нём в точке, где привинчен транзистор, было не больше 70 градусов.

Изменено пользователем Lexter

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Гость victors

Николай,

 

Спасибо за обстоятельный и подробный ответ. Ваш опым по нагреву радиатора симулятором УМЗЧ, представляется очень интересным. Непонятна только формула, по которой, при питании УМЗЧ двухполярным напряжением амплитудой 35В, выходная мощность на нагрузке 8Ом, получается равной 19 Вт. Сколько же у Вас падает на транзисторах? Или это тот самый режим А, который Вы упоминали?

 

Я грел радиатор, подключив к нему макет УМЗЧ. Тоже помогло понять, что выбранный радиатор не годен для эксплуатации в режиме "дискотека".

 

Есть ещё два, годных по размеру радиатора. Если их тепловое сопротивление окажется велико - буду ставить вентилятор с термодатчиком.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Можно поставить вентилятор без термодатчика. Только тема закроется...

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Гость victors

Без термодатчика - не спортивно. Причём частота вращения должна регулироваться плавно, начиная с некоторой температуры, например, с 50град. С. :smile:

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Можно поставить вентилятор,пылесос будет

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
...Непонятна только формула, по которой, при питании УМЗЧ двухполярным напряжением амплитудой 35В, выходная мощность на нагрузке 8Ом, получается равной 19 Вт. Сколько же у Вас падает на транзисторах?...

Извиняюсь, что написал длинно и непонятно.

19 Вт - это максимальная (пиковая) мощность, рассеиваемая в тепло на транзисторе. Её рассеивает радиатор, нагревая воздух.

Мощность, отдаваемая в нагрузку, в нагрузке и рассеивается. Процентов 5 - в мощность звука, остальное - в тепло (КПД динамиков).

 

А выходная мощность усилителя, действительно,

пиковая - (35 В)^2 / (8 Ом) = 150 Вт,

максимальная синусоидальная - (0,707 * 35 В)^2 / 8 Ом = 76 Вт.

 

В расчёте я пренебрёг сквозным током выходного каскада и потерями напряжения на резисторах - датчиках тока и т.п..

 

Реально усилитель обычно работает при выходной мощности 10 - 20 Вт.

Запас по пик-фактору при этом достаточный. Ни ограничения сигнала, ни компрессии не наблюдается - музыкальных записей с такими пиками обычно не бывает.

Температура в корпусе при этом где-то градусов на 10 выше окружающей, температура радиатора - ешё градусов на 10. То есть, при комнатной 20 градусов, температура радиатора - градусов 40.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Гость audiokiller

Радиатор служит для охлаждения. А греется - из-за выделяющейся мощности - произведения напряжения на ток (как функций, т.е. мгновенных значений). Куда девается тепло? 1. Нагревает. Т.е. "мощность поглощается" теплоемкостью. 2. Уходит в пространство, повышая энтропию Вселенной. Это происходит на всех уровнях - от кристалла до корпуса устройства.

 

Поскольку работа большинства устройств составляет цикл нагрев-охлаждение (например, выходной транзистор в любом классе), то принято делать расчет по средней мощности - она даст среднюю температуру. И даже такой расчет довольно сложен - мгновенная мощность, рассеиваемая на транзисторе (что выходном, что в импульсном БП) - это довольно сложная функция от выходного напряжения, а ее еще надо усреднить. Поэтому обычно считают "плюс-минус лапоть": выходная мощность = 100 Вт, КПД = 60%, следовательно средняя мощность на одном транзисторе 33 Вт. Но это даже без учета того, что КПД не является константой. :smile:

 

Так вот, при таком "усредненном" расчете пик-фактор не учитывается. Принимается так: Раз выходная мощность в среднем 100 Вт, то и тепло в среднем будет... Только тут точность наинизейшая. Помогает то, что с одной стороны, обычно берут радиатор с запасом, с другой стороны - и на все 100 Вт не всегда включают.

 

Теперь рассмотрим процесс в реале. Максимальная мгновенная мощность на выходнике у усилителя возникает когда выходное напряжение примерно равно 0,5...0,7 максимального. Т.е. при изменении выходного сигнала от 0 до макс. тепловой цикл получается таким: слабый нагрев - сильный нагрев - слабый нагрев (или даже охлаждение). И тут все зависит не столько от самого пик-фактора, сколько от уровня громкости - насколько близко будем работать к этому максимальному по температуре режиму. Идем дальше. Нас будут интересовать еще 2 параметра: тепловая инерция (скорость теплопередачи) и теплоемкость. В динамике процесс нагрева происходит так. Температура радиатора - примерно const из-за его большой тепловой инерции и пропорциональна средней мощности (как конденсатор в блоке питания сглаживает пульсации и выдает среднее напряжение). Теперь допустим, что мощность на n-p переходе выходника выросла. Переход начинает греться. Он реализован в кристалле, греется и кристалл. Т.к. теплоемкость кристалла мала, то выделение мощности 33 Вт поднимет его температуру на 330 градусов (эти цифры с потолка). Но он не сгорает, т.к. не успевает нагреться - он отдает тепло корпусу транзистора. Процесс передачи тепла - как ток в электричестве: чем выше разность температур, тем интенсивнее. Т.е. корпус транзистора отбирает тепло у кристалла тем сильнее, чем больше разность температур. Но температура кристалла ограничена разрушением, поэтому, чем холоднее корпус, тем эффективнее. Корпус опять же, обладает теплоемкостью, поэтому тоже начинает нагреваться. Как только нагрелся больше, чем температура радиатора, начинает отдавать тепло ему.

 

А вот у радиатора появляется еще один эффект (который у кристалла и корпуса транзистора влияет мало): тепло "растекается" по радиатору довольно долго. Т.е. под транзистором уже жарко, а края радиатора еще холодные. Поэтому в этот момент времени радиатор малоэффективен. Охлаждение идет не за счет площади радиатора, а за счет его теплоемкости. Именно тут помогает "массивность" и толщина подошвы радиатора. А вот как только тепло "разольется" по радиатору, он начнет его интенсивно излучать вовне. И если у воздуха есть возможность радиатор обтекать, то радиатор отлает тепло воздуху. И отчасти отдает тепло излучением (выше где-то 85 градусов излучение черного радиатора уже хорошо заметно). Причем никакой обдув и т.п. "в первую секунду" не помогает, пока тепло по радиатору не разойдется.

 

Поэтому что получается: при резком увеличении выделении тепла на переходе, кристалл резко греется, а охлаждение малоэффективно. Кстати, поэтому аппаратура с казалось бы большими и холодными радиаторами быстро дохнет: кристаллы выходников импульсно перегреваются и деградируют. Помогает только одно (точнее 2): радиатор в точке крепления транзистора должен быть максимально холодным и достаточно "массивным" (теплоемким), чтобы успевал поглотить импульс тепла, не дожидаясь его распространения по телу радиатора. Кстати, этому сильно мешают всяческие прокладки. Уж лучше ставить выходник на медную (алюминиевую) пластину, а уж ее через прокладку к радиатору.

 

И 2-й способ помощи: не допускать транзистор и близко к границе ОБР. Т.е. при расчете схемы учитывать не только среднюю мощность, но и импульсную (с учетом реактивной нагрузки), и работать в облегченном режиме. Параллелить транзисторы, например (хотя тогда ловим увеличенную емкость переходов и индуктивность соединительных проводов).

 

В усилителе и блоке питания процессы схожи, разница в амплитудах и "точках максимального тепловыделения" (это может быть, например, максимальный ток). В импульсном блоке питания транзистор работает в ключевом режиме, и мощность на нем изменяется 0 - макс. - 0. В диодах примерно также. А частота высокая, поэтому уже сам корпус транзистора (диода) имеетпостоянную температуру, т.к. за такой которткий период тепловые переходные процессы не успевают закончиться. Но тем не менее, там теплоемкость радиатора тоже важна (а иногда и более важна) - посмотрите в UPSах - там ключи ставят вообще на куски алюминия, даже без ребер.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Гость victors

Игорь,

 

Спасибо за подробные пояснения.

 

По ходу работы установил силовой транзистор и диод ИБП на небольшие радиаторы - 80 и 30 см. кв. На максимальной нагрузке музыкальным сигналом, на границе ограничения в УМ, они практически не греются.

 

Другое дело радиатор ИС УМЗЧ - 350 см. кв. недостаточно для TDA2005 (мост НЧ) и К174УН14 (СЧ-ВЧ) при напряжении питания 15 В и среднем токе (от ИБП) 1,2А. НО радиатор с зазором между пластинами 2мм взят от процессора Intel PIII и использован БЕЗ принудительной вентиляции.

 

Плату буду разводить под радиатор от P-IV с толстой подошвой. Он тоже под принудительное охлаждение, но в корпусе от PC PS, куда всё это укладывается, место под вентилятор предусмотрено штатно.

 

Ешё раз спасибо за привлечение внимания радиолюбителей к толщине подошвы радиатора.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

  • Сейчас на странице   0 пользователей

    Нет пользователей, просматривающих эту страницу

︽ Наверх страницы ︽
×