Elektroonikakomponentide jahutus

Elektroonikakomponentide jahutus tähendab nendelt liigse soojuse ärajuhtimise meetodeid ja vahendeid. Igas elektroonikakomponendis muundub tööolukorras teatud osa kasutatud elektrienergiast soojuseks, mistõttu komponendi temperatuur tõuseb. Kui see muutub liiga kõrgeks, põhjustab see komponendi talitluses häireid või ka selle hävimise. Seepärast tuleb üleliigne soojus eemale juhtida ehk komponenti jahutada. Jahutamistoime põhineb soojusülekandel, mis võib toimuda kolmel viisil: soojusjuhtivuse, konvektsiooni ja kiirguse teel. Soojusjuhtivus on soojusülekande vorm, mille korral soojus kandub ühelt kehalt teisele vahetult läbi nende kokkupuutepinna. Soojusjuhtivus on peamine viis soojuse eraldamiseks elektroonikakomponentidelt. Konvektsioon on soojuse ülekanne keha pinnalt selle ümber liikuva vedeliku või gaasi (nt õhu) osakestele; liikumine võib olla tingitud jõududest, mida põhjustab temperatuuride erinevusest tulenev tihedusgradient. Sundkonvektsioon tekitatakse mehaaniliselt jahutava keskkonna osakeste liikumiskiiruse suurendamisega. Võrreldes soojusjuhtivusega on konvektsioonil soojuse eraldumises väike osatähtsus. Õhu sundkonvektsiooni tekitatakse ventilaatoriga. Kiirgus on termilise energia ülekandumine elektromagnetlainete näol. Elektroonikakomponentides on kiirgusel võrdlemisi väike roll (võrreldes soojusjuhtivusega). Kõige parema kiirgamisvõimega om tumedad ja matid pinnad. Radiaator suurendab kokkupuutepinda elektroonikakomponendi ja keskkonna vahel. See omakorda vähendab jahutava süsteemi termilist takistust. Enamasti kasutatakse radiaatorite valmistamiseks alumiiniumi. Vasel on küll parem soojusjuhtivus, kuid alumiinium on kergem ning odavam. Kui radiaatoris on ka vaskdetaile, kasutatakse nimetust hübriidradiaator. Vaatleme radiaatori toimet praktilise näite varal: pooljuhtseadise siirde maksimaalne lubatav temperatuur Tj = 150 °C ümbritseva keskkonna temperatuur Ta = 30 °C siirde ja korpuse vaheline termiline takistus Rjc = 5 K/W (kelvinit vati kohta) korpuse ja radiaatori vaheline termiline takistus Rcs = 2 K/W radiaatori ja keskkonna vaheline termiline takistus Rsa =1 K/W Süsteemi kogu termiline takistus on üksikute takistuse summa R kogu = R jc + R cs + R sa = 5 K/W + 2 K/W + 1 K/W = 8 K/W {\displaystyle R_{\text{kogu}}=R_{\text{jc}}+R_{\text{cs}}+R_{\text{sa}}=5\;{\text{K/W}}+2\;{\text{K/W}}+1\;{\text{K/W}}=8\;{\text{K/W}}} . Selline transistor võib maksimaalselt eraldada võimsust P = T j − T a R kogu = 120 K 8 K/W = 15 W {\displaystyle P={\frac {T_{\text{j}}-T_{a}}{R_{\text{kogu}}}}={\frac {120\;{\text{K}}}{8\;{\text{K/W}}}}=15\;{\text{W}}} . Suurema võimsuse korral ületab transistori siirde temperatuur maksimaalset lubatud temperatuuri. Kuju järgi võib radiaatoreid liigitada järgmiselt. Plaatradiaator – vask- või alumiiniumplaat, millele on antud pressimise teel sobiv kuju. Selliseid radiaatoreid saab kasutada suhteliselt väikse soojushulga hajutamiseks. Ribiradiaator koosneb plaadist, millel on soovitud vahemaade tagant ribid, mis on tavaliselt tekitatud pressimise teel. Ribide lisamine suurendab radiaatori õhuga kokkupuutuvat pindala ja seega võimaldavad sellised radiaatorid hajutada suuri soojushulki. Radiaatori termilised omadused sõltuvad ribide dimensioonidest ja nende geomeetriast. Valatud radiaatorid on spetsiaalselt valmistatud teatud komponenditüübi jaoks. Kuna nad ümbritsevad tihedalt komponenti, siis võimaldavad nad hajutada suuri võimsusi. Erijuhul võib korpus ja radiaator moodustada terviku. Konvektsiooni mõju suurendamiseks on oluline, et radiaatori ribid oleksid paigutatud vertikaalselt. See võimaldab õhul efektiivsemalt liikuda. Elektroonikakomponentide ja radiaatori kokkupuutepind on alati teatud määral krobeline, mistõttu suureneb puutepinna termiline takistus. Selle takistuse vähendamiseks kasutatakse termopastat, mis täidab komponendi ja radiaatori kokkupuutepinna vahelised tühikud. Pasta on tavaliselt halli värvi viskoosne vedelik süstla või tuubi sees. Pasta on tavaliselt toodetud metalliühendite baasil, mistõttu neil on hea elektrijuhtivus. Komponendi kruvimisel radiaatori külge tuleb arvestada, et osa pastat tõrjutakse välja ja see võib lülitust kahjustada. Lisaks sellele võib pasta pikapeale ära kuivada, nii et kontakt komponendi ja radiaatori vahel halveneb ning komponent võib hävida. Termopasta alternatiiviks on termopadi, mis temperatuuri tõustes täidab radiaatori ja komponendivahelise pilu. Termopatju on lihtne paigaldada ja nad ei kuiva ära. Sundkonvektsioon tekitatakse ventilaatoriga. Eristatakse mitut tüüpi radiaatoreid, nagu propeller (propeller fan), toruga aksiaalne (tubeaxial fan), tiibaksiaalne (vaneaxial fan) ja mitmekordsed ventilaatorid (multistage axial bower). Neil kõigil on erinev ehitus ning sellest tulenevalt ka võimekus. Ventilaatorid võivad olla kahe, kolme või nelja ühendusjuhtmega. Kahe juhtmega ventilaatoril on toite- ja maajuhe, kolme juhtmega ventilaatoril on lisaks kolmas juhe kiiruse reguleerimiseks. Nelja juhtmega ventilaatoril on veel pulsilaiusmodulatsiooni (PWM) signaali sisend. Ventilaatorite juhtimiseks on järgmised moodused. Juhtimiseta – ventilaator on kogu aeg sisse lülitatud. Selle mooduse eeliseks on lihtsus, kuid väheneb ventilaatori eluiga. Sisse/välja-juhtimine – sellise kiirusreguleerimise puhul lülitatakse pidevalt ventilaatori toidet suure sagedusega sisse ja välja. Sellega kaasnevat müra saab muuta kuulmatuks, kui kasutada piisavalt kõrget lülitamissagedust (üle 20 kHz). Lineaarne juhtimine toitepinge muutmisega. Sellise meetodi puhul on vajalik pingemuundur. Pulsilaiusmodulatsiooniga on võimalik saavutada väga tõhus lahendus ventilaatorite tüürimiseks. Oluline on ka ventilaatori paigutus. Ventilaatorile tuleb valida koht, kus õhuvoolule tekiks võimalikult vähe takistusi. Soojust hajutav komponent peaks paiknema võimalikult lähedale õhuäravoolu kohale. Mõnikord saab ventilaatori paigutusega suurendada loomuliku konvektsiooni. Sukeljahutus Understanding The Basic Thermal Properties Of SMT Devices, S. B. Durgin, International Manufacturing Services Inc. Application Note AN-1057, L. Edmunds, International Rectifier Füüsika üldkursus 3, I. Saveljev, Tallinn, Valgus 1979 Optimum design and selection of heat sinks, S. Lee, Aavid Engineering Inc., Laconia New Hampshire, 1995 The Selection and Use of Thermal Interface Material for Solid State Relay Applications, P. Bachman, Crydom Inc., 2011 Thermal Interface Material Comparison: Thermal Pads vs. Thermal Grease, AMD, Aprill 2004 Why and How to Control Fan Speed for Cooling Electronic Equipment, M. Burke, Analog Dialogue 38-02, Veebruar 2004 Selecting a Cooling Fan, Globe Motors, 2002