Úvod k regulaci tepla

Elektronické systémy jsou stále hustší a teplejší, což znamená, že mnoho systémů bude vyžadovat nějakou metodu řízení zmíněného tepla. Přestože vývoj řešení regulace tepla není nutný pro všechny návrhy, základní pochopení toho, jak se teplo generuje, přemísťuje a odvádí, je nezbytné, aby se zabránilo poškození klíčových součástek v důsledku zvýšených teplot. V neposlední řadě je třeba uvažovat o regulaci tepla již v raných fázích návrhu, spíše než aby se urychleně řešila až ve finální verzi.

Základy regulace tepla

Vzhledem k tomu, že se od elektronických systémů požaduje stále více, teorie uvádí tři způsoby přenosu tepla, a tím i chlazení součástek: vedení, proudění a záření.

Možná nejúčinnější metoda přenosu energie, vedení, přenáší tepelnou energii fyzickým kontaktem mezi dvěma předměty, kde chladnější předmět přirozeně odebírá energii od teplejšího předmětu. Obecně platí, že tato metoda vyžaduje nejmenší povrch k pohybu největší energie.

Obrázek 1: Vedení tepla v praxi. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Druhý způsob, proudění, přerozděluje tepelnou energii prostřednictvím pohybu vzduchu. Když chladnější vzduch prochází kolem teplejšího předmětu, odebírá od předmětu teplo a s pokračováním pohybu v zařízení jej odvádí pryč. Tento způsob se může provádět buď přirozeným prouděním vzduchu, nebo nuceným prouděním vzduchu pomocí ventilátoru.

Obrázek 2: Proudění tepla v praxi. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Třetí způsob, záření, je emise energie v podobě elektromagnetických vln. Ve srovnání s předchozími způsoby je tento poněkud neefektivní a ve většině tepelných výpočtů se ignoruje, protože se obecně vztahuje pouze na vakuové aplikace, kde nejsou vedení ani proudění možné. Záření je v zásadě přenos tepla prostřednictvím elektromagnetických vln, které vznikají při vibraci horkých částic.

Obrázek 3: Proudění záření v praxi. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Ačkoli nejde o jeden ze tří základních tepelných konceptů nastíněných výše, je také důležité zmínit tepelný odpor neboli impedanci, která kvantifikuje účinnost přenosu tepla mezi předměty a je široce používána při navrhování řešení regulace tepla. Jednoduše řečeno – čím nižší tepelná impedance, tím lepší přenos energie. S využitím tepelné impedance a dané okolní teploty je možné přesně vypočítat, kolik energie může být rozptýleno před dosažením určitých teplot.

Součástky regulace tepla

Existují tři oblíbené přístupy k chlazení elektronických systémů: chladiče, ventilátory a Peltierovy články. Každý z nich může být použit samostatně, ale ještě větší účinnosti lze dosáhnout, když se tyto postupy integrují dohromady.

Chladiče jsou k dispozici v mnoha tvarech a velikostech. Používají se ke zlepšení účinnosti chlazení prouděním, a to snížením tepelné impedance mezi zařízeními, ke kterým jsou připojeny, a chladicím médiem, obvykle vzduchem. Dělají to zvětšením plochy povrchu proudění a jsou vyrobeny z materiálu, který má nižší tepelnou impedanci než typické polovodiče. Chladiče jsou levné a téměř nikdy neselhávají ani se neopotřebovávají, ale mají tendenci zvětšovat objem elektronických systémů, které ochlazují. Jako pasivní součástky jsou chladiče často spárovány s ventilátory, aby efektivněji odváděly rozptýlenou tepelnou energii pryč ze systému. Ventilátory nebo dmychadla vytvářejí stálý proud čerstvého chladného vzduchu přes chladič, aby se udržoval teplotní rozdíl mezi ním a chladicím vzduchem, a byl tak zajištěn trvale účinný přenos tepelné energie.

Ventilátory a dmychadla jsou k dispozici v široké škále tvarů a velikostí s mnoha různými možnostmi napájení. Klíčovou specifikací je proud vzduchu, který mohou generovat, obvykle měřený v kubických stopách za minutu (CFM). Některé ventilátory a dmychadla mají ovládací prvky jako součást řídicího systému založeného na zpětné vazbě, takže lze jejich rychlost upravit tak, aby odpovídala aktuálním potřebám chlazení. Ventilátory pomáhají zlepšit chlazení, ale konstruktéři si musí být vědomi toho, že vyžadují napájení a někdy i řídicí obvody. Na rozdíl od chladičů mohou být ventilátory také hlučné a mají pohyblivé části, díky nimž jsou náchylnější k poruchám.

Peltierovy články jsou polovodičové součástky, které k přenosu tepla z jedné strany článku na druhou využívají Peltierův jev. Peltierovým článkům musí být poskytována energie, aby mohly přenášet tepelnou energii, což ve skutečnosti do systému dodává teplo, takže je nejlepší je používat s chladiči a ventilátory. Peltierovy články však mohou dosáhnout přesné regulace teploty a mohou chladit zařízení na teplotu nižší, než je okolní teplota. Stejně jako chladiče nemají pohyblivé části, takže jsou samy o sobě flexibilní a robustní, ale opět je možná bude nutné použít s ventilátory, chladiči a řídicími obvody, což zvyšuje náklady a složitost. Z těchto důvodů jsou Peltierovy články často vyhrazeny pro nejnáročnější aplikace, jako je odtahování tepelné energie z centra hustě zaplněných elektronických systémů.

Výpočet tepelných požadavků

Ať už jsou požadavky na konečný návrh jakékoli, existují dobře zavedené přístupy k navrhování efektivního řešení chlazení elektronických systémů. K ilustrování, jak by mohl technik přistupovat k vytvoření integrovaného řešení regulace tepla, uvádíme hypotetický problém a řešení:

V tomto příkladu se použije zařízení v pouzdře 10 × 15 mm, které ve svém ustáleném stavu generuje 3,3 W tepla. Okolní teplota provozního prostředí zařízení je 50 °C, ideální provozní teplota je 40 °C. Žádná část systému by neměla překročit 100 °C.

Obrázek 4: Graf výkonu Peltierova článku z katalogového listu CP2088-219. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Tyto technické údaje znamenají, že ke snížení teploty zařízení pod okolní teplotu je zapotřebí Peltierův článek. Společnost Same Sky nabízí Peltierův mikročlánek CP2088-219, který dokáže odebrat 3,3 W tepelné energie a snížit teplotu zařízení o 10 °C pod okolní teplotu. Peltierův článek se k zařízení připojuje pomocí teplovodivého materiálu (TIM) SF600G, který snižuje tepelnou impedanci mezi zařízením a chladičem. V katalogovém listu článku CP2088-219 (obrázek 4) se uvádí, že Peltierův článek vyžaduje 1,2 A při 2,5 V, což znamená, že jeho provoz přidá do systému 3 W tepelné energie.

K odebrání celkových 6,3 W tepelné energie z Peltierova článku je k jeho druhé straně připevněn chladič (HSS-B20-NP-12), opět pomocí TIM SF600G jako rozhraní. TIM má plochu 8,8 × 8,8 mm a tepelný odpor těsně pod 1,08 °C/W.

Za předpokladu proudění vzduchu přes chladič 200 lineárních stop za minutu (LFM) má chladič tepelný odpor 3,47 °C/W.

Tím se celkový tepelný odpor kombinace TIM a chladiče dostává na 4,55 °C/W.

K zajištění konzistentního průtoku vzduchu 200 LFM by bylo možné použít ventilátor řady CFM-25B.

Při nastavení se chlazené zařízení připojuje k Peltierovu článku pomocí TIM. Horní povrch Peltierova článku je připojen k chladiči přes další TIM a celá sestava je v rozmezí 200 LFM vzduchu o teplotě 50 °C.

Obrázek 5: Řešení regulace tepla pomocí Peltierova článku, chladiče, dvou vrstev TIM a ventilátoru. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Pomocí těchto dat lze vypočítat ustálenou teplotu zařízení. Peltierův článek bude udržovat svou chladnou stranu na 40 °C – za cenu přidání 3,3 W tepla do sestavy. Chladič bude muset odvést 6,3 W tepla do prostředí s prouděním vzduchu o teplotě 50 °C s celkovým tepelným odporem mezi Peltierovým článkem a okolním vzduchem 4,55 °C/W. Vynásobením 6,3 W krát 4,55 °C/W se určí nárůst teploty nad okolní prostředí, což je v tomto případě 28,67 °C nebo celkem 78,67 °C. To je hluboko pod požadavkem 100 °C, což vede k řešení regulace tepla, které splňuje potřeby systému.

Závěr

Regulace tepla je již nezbytná ve spotřebitelských aplikacích, jako je chlazení, vzduchotechnika, 3D tisk a odvlhčovače. Používá se také ve vědeckých a průmyslových aplikacích, jako jsou termocyklery pro syntézu DNA a vysoce přesné lasery. Chladiče, ventilátory a Peltierovy články mohou pomoci zajistit, aby složité elektronické systémy zůstaly v mezích svého tepelného návrhu. Ke zjednodušení tohoto kritického procesu výběru nabízí společnost Same Sky řadu součástek regulace tepla.