Účinné chladenie elektronických zariadení si vyžaduje výber správneho riešenia, ale aj zladenie z hľadiska účinnosti a technického výkonu. S rozvojom technológií sú počítače nútené spracovávať čoraz viac údajov a čelia zložitým úlohám. Výrobcovia sa snažia miniaturizovať elektronické zariadenia, ideálne do vreckovej veľkosti. Kým počítače, ktoré kedysi zaberali celé miestnosti, mali za úlohu len jednoduché výpočty, dnešné počítače sa zmestia do dlane a ich možnosti sa zdajú byť takmer neobmedzené.
Čo sa však nemení, je to, že elektronické obvody produkujú teplo. Keďže sa využíva čoraz väčší výpočtový výkon, úmerne tomu sa zvyšuje aj množstvo odvádzaného tepla. Pre nikoho nie je novinkou, že nadmerné teplo je jedným z najväčších nepriateľov elektronických systémov. Spôsobuje oveľa rýchlejšie opotrebenie elektronických komponentov, ako napríklad tranzistorov, rezistorov alebo relé. V osobitných prípadoch môžu vysoké teploty viesť dokonca k neopraviteľnému poškodeniu riadiaceho systému, pričom náklady na opravu takéhoto zariadenia môžu často prekročiť hranicu rentability. Aby elektronické systémy fungovali bezchybne a s maximálnou účinnosťou, je prioritou zabezpečiť primerané chladenie a ochranu pred prehriatím.
Základné princípy prenosu tepla a tepelný odpor
Miera odvodu tepla rastie s rastúcim teplotným rozdielom medzi chladeným objektom a okolitým prostredím. To znamená, že pri konštantnom zdroji tepla sa ustáli rovnováha medzi dodávaným a odoberaným teplom pri určitej teplote aktívneho prvku (zdroja tepla). Úlohou chladiča je dosiahnuť takú mieru odvodu tepla, aby bola táto teplota nižšia, než je maximálna dovolená prevádzková teplota. Treba brať do úvahy aj závislosť životnosti a poruchovosti zariadenia od prevádzkovej teploty (pozri Arrheniovu rovnicu).
Tepelný odpor a prenos tepla
Všetky fázy prenosu tepla od jeho zdroja do okolitého prostredia sú charakterizované tzv. tepelným odporom (príp. jeho prevrátenou hodnotou, tepelnou vodivosťou) jednotlivých nadväzujúcich chladiacich stupňov, udávanou v K/W. Teplo zo zdroja tepla (obvykle polovodičový integrovaný obvod) je odvádzané cez polovodičový substrát (podložku), na ktorom je obvod vytvorený, na vývody (piny) súčiastky a do plastového puzdra obvodu.
Vo výkonových súčiastkach a iných súčiastkach s významnými výkonovými stratami (napr. CPU, FPGA a iné) je preto potrebné vytvoriť lepšie podmienky na prestup tepla medzi aktívnou vrstvou a povrchom súčiastky, ako aj umožniť malý prechodový tepelný odpor medzi povrchom súčiastky a samotným chladičom. Puzdro má často vytvorené prvky umožňujúce ľahkú montáž na chladič.
Maximalizácia styčnej plochy a tepelne vodivé materiály
Prenos tepla medzi povrchom súčiastky a chladičom prebieha predovšetkým vedením tepla. Je potrebné predovšetkým zabezpečiť čo najväčšiu styčnú plochu medzi chladenou súčiastkou a chladičom. Pri nerovinnosti styčných plôch a pri ich zvýšenej drsnosti nie je možné ich priamym kontaktom dosiahnuť dostatočne veľkú plochu pre prestup tepla. Tam, kde neprichádza do úvahy dostatočná úprava rovinnosti a drsnosti, sa dajú využiť rôzne tepelne vodivé pasty, tmely a lepidlá. Pri ich aplikácii je potrebné sa snažiť o čo najtenšiu vrstvu, keďže majú obvykle tepelný odpor výrazne vyšší ako priamy kontakt chladeného povrchu a chladiča.
Pre dostatočný odvod tepla je potrebné udržať chladený povrch v tesnom kontakte s chladičom aj počas pohybov vyvolaných zmenami teploty, vibráciami a nárazmi. Je pritom potrebné dbať na rozdielnu teplotnú rozťažnosť jednotlivých súčastí, aby nedošlo k nedovoleným pnutiam a následnému poškodeniu.
Elektrická izolácia a tepelná vodivosť
Niekedy je potrebné dosiahnuť elektrickú izoláciu medzi povrchom súčiastky a chladičom. Vtedy sa medzi súčiastku a chladič umiestňuje tenká podložka z hmoty, ktorá má dobré elektrické izolačné vlastnosti, ale pritom je aj pomerne dobrým tepelným vodičom. Tradične sa na tento účel používali pláty sľudy, a v menej náročných aplikáciách kúsok špeciálneho papiera či textilu impregnovaného rôznymi látkami.
Bežné metódy chladenia elektronických systémov
Existuje niekoľko najbežnejších systémov chladenia a odvodu tepla používaných v elektronických systémoch. Líšia sa predovšetkým veľkosťou, ktorá je jedným z hlavných kritérií výberu chladiaceho systému pre konkrétnu aplikáciu, ale aj chladiacim médiom alebo účinnosťou odvodu tepla.
Aktívne vzduchové chladenie: Ventilátory
Ventilátor je základné chladiace zariadenie, s ktorým sa stretávame v každej domácnosti alebo priemyselnom podniku. Prvým a najčastejším využitím ventilátorov v elektronických zariadeniach je odvádzanie tepla. Takéto komponenty nájdeme v stolových počítačoch aj v prenosných počítačoch. Prítomnosť ventilátora si zvyčajne uvedomíme, keď spustíme náročný program alebo hru, kedy počítač pracuje na maximálny výkon, čo zároveň generuje viac tepelnej energie.
Ventilátory sú zariadenia vybavené motorom, ktorý poháňa lopatky rotora. Konvekčné pohyby vzduchu, ktoré sú vynútené otáčajúcim sa rotorom ventilátora, spôsobujú, že teplo vznikajúce v elektronickom zariadení sa rozptyľuje a odvádza preč. Tepelná energia sa odvádza cez mriežky umiestnené v skrini počítača. Pohyb ventilátora spúšťa snímač teploty. Keď dôjde k prekročeniu určitej hodnoty, rotor ventilátora sa začne otáčať a jednotka sa ochladzuje. Objem vzduchu, ktorý ventilátor spracuje, sa vypočíta v metroch kubických za hodinu. Dôležitou výhodou ventilátorov je, že fungujú aj ako "vysávač" vo vnútri počítačovej jednotky.
Za zmienku stojí aj to, že ventilátory, ktoré v súčasnosti ponúkajú poprední výrobcovia, prechádzajú prísnymi testami hlučnosti, takže ich prevádzka nie je používateľovi na obtiaž. Pri používaní aktívneho chladenia hrozí aj riziko poškodenia niektorej zo súčiastok ventilátora, ako napríklad hnacieho ústrojenstva alebo samotného poháňaného rotora.
Pasívne vzduchové chladenie: Chladiče (Heatsinky)
Ďalšou bežne používanou súčasťou chladiaceho systému je chladič (heatsink). Vyrába sa vo forme rebrovaného kovového prvku a najčastejšie sa používa v spojení s vyššie opísanými ventilátormi na zvýšenie účinnosti odvodu tepla. Podľa všeobecných zásad prenosu tepla platí, že čím väčšia je plocha, ktorá pohlcuje tepelné žiarenie, tým väčší je chladiaci výkon. V chladiči sú za maximalizáciu plochy prestupu tepla zodpovedné vhodne tvarované rebrá. Nie je preto prekvapujúce, že čím väčší je chladič, tým intenzívnejšie bude chladenie. Najväčším obmedzením sú preto rozmery zariadenia, pre ktoré bude daný komponent pracovať. Chladič musí zabezpečiť rozvod tepla z pomerne malej plochy súčiastky a rozptýliť ho do okolia. Tieto chladiče neobsahujú žiadne pohyblivé časti a na svoju funkciu nepotrebujú žiadnu energiu dodávanú zvonku.
Ďalším veľmi dôležitým aspektom je vzdialenosť chladiča od vyhrievanej súčiastky. Čím je vzdialenosť menšia, tým je odvod tepla účinnejší. Na maximalizáciu prenosu tepla sa na rozhraní medzi dvoma povrchmi často používa teplovodivá páska. Pre zvýšenie rozvodu tepla je blok vytvorený z tepelne dobre vodivého kovu, obvykle hliníka, u najnáročnejších aplikáciách z medi (príp. ich kombinácie). Pre zvýšenie odvodu tepla žiarením sú obvykle čiernené (eloxované).
Termoelektrické chladenie: Peltierove moduly
Veľmi zaujímavým riešením chladenia elektronických obvodov sú Peltierove moduly. Konštrukcia zariadenia pozostáva z paralelne usporiadaných keramických dosiek, medzi ktorými sú striedavo umiestnené polovodiče typu n a typu p. Priamy kontakt medzi nimi je zabezpečený pomocou medených plôšok ako dopravného prostriedku pre elektróny. Pretekajúci elektrický prúd spôsobuje teplotné zmeny na prechode rozdielnych polovodičov.
Bezporuchovosť, relatívne malá a kompaktná konštrukcia alebo absencia chladiva sú hlavnými výhodami tohto chladiaceho systému. Dôležitým aspektom je aj možnosť rozšíriť a zvýšiť kapacitu Peltierovho článku pomocou ďalších modulov. Teplá strana prvého modulu sa potom pripojí k "studenej" strane ďalšieho modulu. Schopnosť prijímať teplo teda závisí od dostupnosti priestoru a od hodnoty elektrického prúdu. Články nájdu uplatnenie v náročných podmienkach prostredia, ako je napríklad vysoká prašnosť. Tieto zariadenia za pomoci dodávanej energie (obvykle elektrickej) dokážu aktívne prenášať teplo z jedného bodu do druhého, a to aj oproti prirodzenému teplotnému spádu.
Pokročilé metódy chladenia
Kvapalinové chladiace systémy
Účinný odvod tepla v pokročilej výkonnej elektronike si vyžaduje vysoký chladiaci výkon. Pritom stojí za to vedieť, že tepelná kapacita vzduchu, t. j. množstvo energie, ktoré je vzduch schopné uskladniť, je približne 1, zatiaľ čo voda má kapacitu 4000. Nie je ťažké uhádnuť, že náročné elektronické zariadenia využívajú kvapalinové chladiace systémy. Takzvané vodné bloky sú skonštruované na princípe obtekania chladiča vodou alebo inou chladiacou kvapalinou v uzavretom plášti. Za pohyb kvapaliny je zodpovedný systém čerpadiel.
Systémy kvapalinového chladenia si vyžadujú vysoký stupeň výrobnej presnosti, pretože kontakt s vodou nebude prospešný pre elektricky napájané systémy. Aj keď je systém naplnený elektricky nevodivou látkou a samotný kontakt nezničí zariadenie, strata média zastaví proces chladenia. Hoci táto technológia bola známa už v 40. rokoch 20. storočia, priemyselné využitie našla až o 20 rokov neskôr.
Extrémnym prípadom kvapalinového chladenia je priame ponorenie chladených súčiastok či zostáv do prúdiacej chladiacej kvapaliny. Zásadná je pritom dokonalá elektrická nevodivosť chladiva, jeho absolútna čistota a zabezpečenie jeho dostatočného pohybu v každom mieste chladeného zariadenia. Takýmto spôsobom je možné chladiť aj vysokovýkonné obvody, ktoré musia byť z konštrukčných dôvodov umiestnené tesne vedľa seba vo veľkom množstve.
Tepelné trubice (Heatpipe)
Tepelné trubice (heatpipe) slúžia na prenos tepla z miesta, kde je zdroj tepla, ale nedá sa tam zabezpečiť dostatočné chladenie, na iné miesto (až do jedného metra), kde sa účinné chladenie zabezpečiť dá. Podobne sa trubice používajú aj na odvod tepla z hermeticky uzatvoreného priestoru, kde sa nedá zabezpečiť prívod vzduchu. "Teplý koniec" trubice je pripevnený na zdroji tepla, a zo "studeného konca" je teplo odvádzané chladičom.
Tepelná trubica je obvykle v tvare pomerne tenkej, sploštenej rúrky, z čoho je odvodený aj anglický názov heatpipe. Rúrka je uzavretá a je naplnená pracovnou kvapalinou s nízkou teplotou varu. Prirodzený pohyb chladiva od chladeného miesta k chladiču je v týchto chladičoch zabezpečený obvykle gravitačným obehom. Ide znova o prenos tepla z chladeného miesta ku výmenníku, ktorý sám je chladený vzduchom (obvykle hnaným ventilátorom).
Chladenie výkonových transformátorov
Pokiaľ ide o zabezpečenie efektívnej prevádzky a dlhej životnosti výkonových transformátorov, chladenie je kľúčovým faktorom. Transformátory tvrdo pracujú na hospodárení s elektrickou energiou a účinné chladenie im pomáha fungovať spoľahlivo a bezpečne. Pozrime sa na niektoré bežné metódy chladenia používané vo výkonových transformátoroch a na to, kde sa zvyčajne používajú.
1. Chladenie ONAN (Oil Natural Air Natural)
ONAN je jednou z najjednoduchších a najpoužívanejších metód chladenia. V tomto systéme olej transformátora prirodzene cirkuluje, aby absorboval teplo z jadra a vinutí. Teplo sa potom prenáša do okolitého vzduchu prirodzenou konvekciou. Táto metóda je ideálna pre menšie transformátory alebo tie, ktoré pracujú v chladnejšom prostredí. Je jednoduchá, nákladovo efektívna a spolieha sa na prirodzené procesy, ktoré udržiavajú transformátor chladný. Chladenie ONAN sa bežne používa v stredne veľkých transformátoroch, kde je zaťaženie mierne a podmienky prostredia sú priaznivé. Často sa vyskytuje v mestských rozvodniach alebo oblastiach s miernym podnebím.
2. Chladenie ONAF (Oil Natural Air Forced)
ONAF vylepšuje metódu ONAN pridaním núteného chladenia vzduchom. V tomto usporiadaní sa ventilátor používa na vháňanie vzduchu cez chladiace rebrá transformátora, čím sa zvyšuje rýchlosť odvádzania tepla. Táto metóda pomáha zvládať vyššie teploty a je vhodná pre transformátory s väčšou zaťažiteľnosťou. Chladenie ONAF je vhodné pre transformátory v miestach s vyššími okolitými teplotami alebo tam, kde je transformátor vystavený vyššiemu zaťaženiu. Často sa používa v priemyselných prostrediach alebo oblastiach s teplejším podnebím.
3. Chladenie OFAF (Oil Forced Air Forced)
OFAF kombinuje nútenú cirkuláciu oleja s núteným chladením vzduchom. Čerpadlo cirkuluje olej cez transformátor, zatiaľ čo ventilátory fúkajú vzduch cez chladiace povrchy, aby sa zlepšil odvod tepla. Táto metóda zabezpečuje robustné chladenie a používa sa pre transformátory s vysokým výkonom, ktoré musia zvládať značné tepelné zaťaženie. Chladenie OFAF je ideálne pre veľké výkonové transformátory v ťažkých priemyselných aplikáciách alebo prostrediach s vysokými teplotami. Často sa používa v elektrárňach, veľkých rozvodniach a kritickej infraštruktúre, kde je spoľahlivosť kľúčová.
4. Chladenie OFWF (Oil Forced Water Forced)
OFWF využíva nútenú cirkuláciu oleja v kombinácii s vodným chladením. Olej sa čerpá cez transformátor a potom cez výmenník tepla, kde sa teplo prenáša do cirkulujúcej vody. Ohriata voda sa potom ochladzuje v chladiacej veži alebo inom systéme vodného chladenia. Táto metóda poskytuje vysokoúčinné chladenie a používa sa vo veľmi výkonných transformátoroch. Chladenie OFWF sa zvyčajne používa vo veľkých elektrárňach alebo zariadeniach so značnými nárokmi na energiu. Je určené pre transformátory, ktoré pracujú v extrémnych podmienkach alebo tam, kde je obmedzený priestor.
5. Chladenie OWAF (Oil Water Air Forced)
OWAF integruje olejové, vodné a nútené vzduchové chladenie. Na prenos tepla z transformátora sa používa olej, na absorbovanie tepla z oleja voda a vzduch na odvádzanie tepla z vody. Táto kombinácia ponúka vysokú účinnosť chladenia a používa sa pre najväčšie a najkritickejšie transformátory. Chladenie OWAF je vhodné pre transformátory s ultravysokou kapacitou v oblastiach s extrémnymi prevádzkovými podmienkami. Bežne sa používa vo veľkých elektrických rozvodniach, veľkých priemyselných lokalitách a kritických systémoch prenosu energie.
Výber správnej metódy chladenia výkonového transformátora závisí od jeho veľkosti, zaťažiteľnosti a prevádzkového prostredia. Každá metóda chladenia ponúka jedinečné výhody prispôsobené špecifickým potrebám a pomáha zabezpečiť spoľahlivú a efektívnu prevádzku transformátorov. Pochopením týchto metód chladenia môžeme lepšie oceniť technológiu, ktorá zabezpečuje bezproblémovú prevádzku našich elektrických systémov.
Špecifické aplikácie: Chladenie komunikačných spínaných zdrojov
Návrh chladiacej technológie pre komunikačný spínaný zdroj musí najprv spĺňať rôzne technické požiadavky priemyslu. Pre lepšie prispôsobenie sa špeciálnemu prostrediu komunikačnej miestnosti sa vyžaduje, aby bol spôsob chladenia vysoko prispôsobivý zmenám teploty okolia. V súčasnosti existujú tri bežne používané spôsoby chladenia usmerňovačov: prirodzené chladenie, čisté ventilátorové chladenie a kombinácia prirodzeného chladenia a chladenia ventilátorom. Vo výpočtovej technike je najväčším zdrojom tepla procesor. K dispozícií je viacero typov chladičov procesora.
Prirodzené chladenie usmerňovačov
Prirodzené chladenie má vlastnosti bez mechanického zlyhania, vysokú spoľahlivosť; žiadne prúdenie vzduchu, menej prachu, čo prispieva k rozptylu tepla; žiadny hluk. Metóda prirodzeného chladenia je tradičná metóda chladenia v ranom štádiu spínania napájania. Táto metóda sa spolieha hlavne na veľké kovové radiátory na priamy odvod tepla. Prestup tepla Q=KA△t (koeficient prestupu tepla K, plocha prenosu tepla A, teplotný rozdiel △t). Keď sa výstupný výkon usmerňovača zvýši, zvýši sa teplota jeho výkonových komponentov a zvýši sa aj teplotný rozdiel △t. Preto, keď je plocha výmeny tepla usmerňovača A dostatočná, nedochádza k časovému oneskoreniu v rozptyle tepla a teplotný rozdiel výkonových komponentov je malý a jeho tepelné namáhanie a malý tepelný šok. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je však veľký objem a hmotnosť chladiča. Vinutie transformátora má čo najviac znížiť nárast teploty, aby sa zabránilo tomu, že zvýšenie teploty ovplyvní jeho pracovný výkon, takže rezerva na výber materiálu je veľká a objem a hmotnosť transformátora sú tiež veľké. Náklady na materiál usmerňovača sú vysoké a údržba a výmena sú nepohodlné.
Ventilátorové chladenie usmerňovačov
S vývojom technológie výroby ventilátorov sa prevádzková stabilita a životnosť ventilátorov výrazne zlepšili a priemerný čas medzi poruchami je 50 000 hodín. Použitie ventilátorov na odvod tepla môže znížiť objemný chladič, výrazne zlepšiť objem a hmotnosť usmerňovača a výrazne znížiť náklady na suroviny. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je, že stredný čas medzi poruchami ventilátora je kratší ako 100 000 hodín usmerňovača, a ak ventilátor zlyhá, bude to mať veľký vplyv na poruchovosť zdroja. Preto, aby bola zaistená životnosť ventilátora, rýchlosť ventilátora sa mení s teplotou vo vnútri zariadenia. Jeho rozptyl tepla Q=Km△t (koeficient prestupu tepla K, m kvalita vzduchu prestupu tepla, teplotný rozdiel △t). Kvalita vzduchu pri výmene tepla súvisí s otáčkami ventilátora. Keď sa výstupný výkon usmerňovača zvýši, teplota jeho výkonových komponentov sa zvýši a zmenu teploty výkonových komponentov môže usmerňovač zaznamenať a následne zvýšiť otáčky ventilátora.
Pri tomto systéme dochádza k veľkému oneskoreniu v čase. Ak sa často mení záťaž alebo silne kolíše sieťový vstup, spôsobí to rýchle zmeny chladu a tepla vo výkonových komponentoch. Tepelné namáhanie a tepelný šok spôsobený náhlym rozdielom teplôt polovodičov spôsobí trhliny v rôznych materiálových častiach komponentov.
tags: #chladenie #vykonovych #suciastok