Ostatni z cyklu artykułów dotyczących zagadnienia (niezwykle ważnego zagadnienia), jakim jest chłodzenie elementów elektronicznych będzie trochę pogmatwany i być może niespójny, ponieważ zawierać będzie większość tych rzeczy, które umknęły mi w poprzednich artykułach.
Na początek jednak:
O tym, że z różnych względów nie można schłodzić dostatecznie elementu "zwykłym" radiatorem, już było wspomniane. Tu chciałbym nieco rozwinąć to zagadnienie i wyjaśnić kilka nie do końca jasnych (co niestety można zauważyć w poniektórych projektach DiY) spraw dotyczących chłodzenia wymuszonego, czyli dołożenia do radiatora wentylatora.
Przede wszystkim: wentylator powinien być dobrany do wymagań mu stawianych oraz do wielkości radiatora. Sami Koledzy przyznają mi rację, że głupio wygląda wentylator średnicy 4 cm w porównaniu do radiatora szerokiego na kilkanaście cm. Nie tylko wygląda, ale może też nie spełniać swojego zadania. Przecież nie ma szans, by schłodzić równomiernie całą powierzchnię? A skoro tak, to czy na pewno jest to dobry wybór? Czasem może się okazać, ze lepiej zastosować mniejszy radiator z dopasowanym wentylatorem niż większy z niedopasowanym. Po prostu ciepło rozchodzi się w radiatorze od elementu, który się grzeje i im dalej od niego, tym mniejsza temperatura radiatora - mały wentylator chłodzący jeden koniec takiego radiatora, podczas gdy element, który należy schłodzić jest na drugim końcu niewiele zdziała. Więc? Albo większy wentylator, albo lepiej umieszczony, albo mniejszy radiator i dobrany wentylator - prawda?
W jednym z projektów, jakie widziałem Autor zastosował naprawdę poważnej wielkości radiator (wzmacniacz mocy to był), ale tranzystory mocy przykręcił na jego brzegu, tak, że 7/8 jego długości nawet nie miała szans w znaczący sposób schłodzić tych tranzystorów. Coś więc nie wyszło... W takim wypadku może się nawet okazać, ze nie pomoże żaden radiator - czemu?
Tu należy wspomnieć o najwęższym gardle całego "układu chłodzenia" jakim jest... POWIERZCHNIA WKŁADKI RADIATOROWEJ.
Weźmy jako przykład układ scalony TDA 7294 - jego deklarowana moc (według danych katalogowych) wynosi aż 100W. Jest to wzmacniacz w klasie AB, więc jego sprawność to ok. 60% w najbardziej niekorzystnych warunkach (mniej więcej 3/4 mocy wyjściowej). Łatwo więc obliczyć, że musimy wytracić (w sensie odebrać ze struktury układu) aż 60W. To nie jest mało, tym bardziej, że mamy ograniczenie w postaci maksymalnej temperatury struktury (struktury, czyli powierzchni płytki krzemowej na podłożu radiatorowej wkładki widocznej z tyłu układu, na której umieszczono wszystkie mikrostruktury tranzystorów, rezystorów itp. składających się na cały wzmacniacz mieszczący się wewnątrz obudowy układu) - a ta z kolei jest na bieżąco nadzorowana przez układ SOAR, czyli elektronicznego ogranicznika mocy wbudowanego w samą strukturę układu, by w ten sposób chronić go przed uszkodzeniem (nie tylko zresztą od zbyt wysokiej temperatury). No dobrze, ale w takim razie, jaki radiator zastosować, by uzyskać te 100W? I tu jest problem, ale nie z doborem radiatora, a z nierozumieniem samych danych katalogowych. Otóż te 100W to moc, jaką ten układ może TEORETYCZNIE oddać do obciążenia. Teoretycznie, bo w ściśle określonych warunkach, a te są nierealne do uzyskania w normalnych warunkach.
Przykro, prawda? Po co więc podawać takie moce? Dla uświadomienia możliwości drzemiących w okładzie (że jest zapas i dzięki temu w normalnych warunkach nie istnieje niebezpieczeństwo wysłania układu scalonego do krainy szczęśliwego krzemu) oraz dla celów marketingowych - utarło się bowiem, że moc znamionową podaje się dla zniekształceń rządu 10%, a taki poziom zniekształceń w sygnale muzycznym to już nie jest muzyka, a charkot. Niemniej jednak taką moc CHWILOWO można z układu "wycisnąć". "Chwilowo", bo po tej chwili wewnętrzna struktura nagrzeje się tak, że zadziała zabezpieczenie i skutecznie uniemożliwi dalsze takie fanaberie.
A co w takim razie z radiatorem? Czy nie po to jest by chłodzić układ?
No po to, ale przeszkadza mu w tym wspomniane na początku wąskie gardło, czyli niewielka powierzchnia wkładki radiatorowej. Tak duża ilość ciepła nie jest po prostu w stanie się "przecisnąć" przez tak mały radiatorek, a więc i duży przykręcony do układu) nie odbierze jej, nawet gdyby był ogromny i chłodzony dodatkowo baterią wentylatorów. Realna moc, jaką można uzyskać przy najlepszym chłodzeniu, jakie można zapewnić w realnych warunkach to tylko (a raczej aż!) ok. 70W. I więcej nie będzie, nawet gdyby ktoś nie wiem jak się starał (no chyba, że układ umieściłby w suchym lodzie to może
). Tu też dochodzi do głosu to, o czym pisałem wyżej; im dalej od radiatora, tym mniejsza jego temperatura. Najwyższa (co logiczne) będzie w miejscu mocowania do radiatora. Teraz równie ważna informacja uzupełniająca: to wąskie gardło jest podane w danych katalogowych każdego okładu elektronicznego - to oporność termiczna układu (a także np. tranzystora), a raczej jego OBUDOWY, w jaką układ/tranzystor jest "ubrany". Zwracajmy więc uwagę na Rth-j case - to jak się okazuje, może nam zaoszczędzić wiele rozczarowań.
Niestety, wielu "młodych zdolnych" nie zauważa tak istotnej informacji, mało tego zatrzymuje się w lekturze karty katalogowej na tabelce opisanej jako "ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS" nie zauważając (lub woląc nie zauważać) wszystkiego, co jest potem... a jest:
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/T/D/A/7/TDA7294.shtml
Można się wiec dowiedzieć, że wspomniana rezystancja termiczna obudowy jest większa od rezystancji termicznej najlepszego radiatora i że to właśnie ona (obudowa) jest wspomnianym wąskim gardłem odprowadzenia ciepła.
Oczywiście, że można. Należy jednak pamiętać o kilku (omówionych wcześniej) rzeczach oraz użyć wyobraźni... Tak! Wyobraźnia jest niezbędnym elementem każdego amatora i każdego konstruktora.
A że czasem jej brak, można się dowiedzieć studiując nie tylko projekty "młodych zdolnych", ale i nawet fachową literaturę (a w każdym razie pretendującą do takiego miana), jaką jest np. EdW. W którymś ze starszych numerów natknąłem się na zamieszczony tam projekt "Wzmacniacza 400W." Czytam i co widzę? Dwa układy TDA 7294 połączone w mostek... Nie wiem naprawdę, kto wpadł na tak szatański pomysł, by wciskać taki kit "młodym zdolnym" - bo to do nich jest adresowane to pisemko. Nie wiem i nie chcę wiedzieć, bo musiałbym się chyba na tego "kogoś" obrazić za rozpowszechnianie fałszywych informacji.
Zostawmy to, nie kopmy leżącego...
Ad rem:
Kilka elementów na jednym radiatorze - można oczywiście, pamiętać jednak należy, by:
•Nie umieszczać ich blisko siebie, zwłaszcza gdy wszystkie będą się nagrzewać w podobnym stopniu. Czytając to, co napisałem wcześniej można się domyśleć czemu - w ten sposób sami tworzymy wąskie gardło, a chyba nam na tym nie zależy.
•Druga sprawa (podstawowa jak nie wiem co) to to, co jest oczywiste - wkładka radiatorowa przeważnie (bo są wyjątki) jest połączona elektrycznie z układem! Jeśli więc dwa jakiekolwiek elementy są na innych potencjałach elektrycznych, to przez mocowanie ich do wspólnego radiatora bez podkładek izolujących tworzymy piękne zwarcie. Pamiętajmy więc o podkładkach i sprawdzeniu, czy przy okazji ich dokręcania nie uszkodziliśmy ich - sprawdzajmy ZAWSZE, czy omomierz nie zapiszczy, krzycząc że jest źle.
Tu zawsze są dwie strony dyskutantów. Jedni uważają, że lepiej odbierać gorące powietrze z radiatora drudzy, ze korzystniej nań dmuchać zimnym.
Prawda jest mniej więcej po środku. Zawsze strumień powietrza pod ciśnieniem (nawet tak niewielkim jakie wytworzy wentylator) jest bardziej skupiony i trafi tam, gdzie chcemy, żeby trafił. Jeżeli więc mamy taką możliwość i zależy nam na schłodzeniu przede wszystkim radiatora - dmuchamy na niego, ale nie zapominając, że tak jak kij ma zawsze dwa końce, tak i w tym wypadku to nagrzane powietrze musi mieć gdzie uciec - i to jak najkrótszą drogą! Jeśli tego nie zapewnimy (np. tworząc coś w rodzaju tunelu z wentylatorem na jednym końcu, a otworem na zewnątrz obudowy na drugim), to lepiej tego nie robić. Wyobraźmy sobie, jak powietrze zachowa się w danej sytuacji i pomyślmy, jak mu ułatwić cyrkulację.
Nie ma sensu dmuchać na radiator, gdy wentylator nie ma skąd pobrać chłodnego powietrza - gdy kratka wentylacyjna dla "wlotu" powietrza jest w innym końcu obudowy, w dodatku zasłonięta przez duże elementy - transformator, kondensatory utrudniające swobodny przepływ... chociaż czasem takie rozwiązanie jest korzystne - gdy np. zależy nam by niejako "przy okazji" schłodzić i wspomniany transformator.
Należy jednak w takim wypadku pamiętać, że radiator nie będzie tak skutecznie schładzany - po pierwsze dostanie się nań powietrze już nieco ogrzane ciepłem z innych elementów (transformatora np.), a po drugie ciśnienie, jakie będzie w stanie wytworzyć wentylator będzie mniejsze, bo powietrze zostanie przyhamowane przeciskając się pomiędzy innymi elementami w obudowie.
Może więc lepszym wyjściem będzie wyciąganie nagrzanego powietrza z obudowy?
Może. Ale jak w poprzednim wypadku tak i w tym musimy wyobrazić sobie jak powietrze będzie się wówczas zachowywać - jakimi drogami dopłynie do wentylatora zanim opuści obudowę; czy np. nie ominie radiatora, na którego ochłodzeniu nam najbardziej zależy? Powietrze bowiem lubi mieć jak najmniejszy opór po drodze i jeśli coś stanie mu na drodze - ominie to coś i popłynie po drodze najmniejszego oporu. To oczywiste, ale lepiej o tym pamiętać.
Dlatego też osobiście jestem zwolennikiem dokładnego przeanalizowania wszystkich aspektów - może się bowiem okazać, że będziemy musieli wybrać np. inną obudowę lub całkowicie przearanżować wnętrze tej, którą mamy.
Z głową.
Nie ma sensu podłączać wentylatora bezpośrednio do zasilania, gdy radiator nagrzewa się tylko w określonych sytuacjach. Po co ma hałasować i mielić powietrze bez powodu? Co innego, gdy urządzenie wymaga stałego chłodzenia, bo elementy w nim zawsze emitują taką samą lub zbliżoną ilość ciepła. Ale gdy mamy do czynienia ze wzmacniaczem i nie jest to wzmacniacz w klasie A - lepszym wyjściem jest poszukanie innego rozwiązania.
Takim rozwiązaniem jest regulator obrotów wentylatora. Najprościej regulować napięcie - obroty większości wentylatorów DC są zależne od napięcia, ale nie do końca liniowo... Niestety.
W znamienitej większości przypadków wentylator stoi, dopóki nie otrzyma odpowiednio wysokiego napięcia; przykładowo dla wentylatorów komputerowych (dwu- lub trzypinowych) to napięcie wyniesie nieco mniej niż połowa napięcia nominalnego. Możemy to "olać", jeżeli ustawimy regulator w taki sposób, by to napięcie było skorelowane z określoną temperaturą, jaką uznamy za konieczną do wspomagania chłodzenia wentylatorem - gdy dobierzemy wentylator odpowiednio do mocy maksymalnej, jego obroty same się będą stabilizować na niezbędne do zachowania nie większej niż dopuszczalnej temperatury, a my nie będziemy zmuszani do słuchania zbędnego szumu przez cały czas. W zależności od konkretnego układu takiego regulatora, może występować na nim pewien spadek napięcia, co raczej nie wpłynie na maksymalne obroty wentylatora w stopniu znaczącym do jego wydajności.
Inna metoda (też prosta, ale bardziej uciążliwa) to zastosowanie wyłącznika bimetalicznego (są do kupienia zgrabne, niewielkie czujniki z jedną parą styków zwiernych w dodatku zwieranych dla podanej na nich temperaturze). Wstawiamy taki przykręcony do radiatora bimetal (trzeba tylko sprawdzić, czy jego obudowa nie jest połączona z jednym z biegunów) w szereg z zasilaniem wentylatora i już. Gdy temperatura przekroczy znamionową wartość - bimetal zamknie obwód i wentylator zacznie pracować z pełną mocą... (no właśnie z pełną mocą, a więc z maksymalnym hałasem - nie zawsze to korzystne), gdy temperatura spadnie poniżej tej, dla której bimetal się rozłączy - wyłączy wentylator. No właśnie - te czujniki bimetaliczne mają histerezę - oznacza to, że o ile np. włącza się przy 60°C, to wyłączy się dopiero, gdy temperatura spadnie poniżej np. 40°C. Trzeba sprawdzić więc, jaką wartość ma histereza konkretnego czujnika - żeby się nie okazało, że wyłączy się tylko w zimie, gdy temperatura na zewnątrz bimetalu nie spadnie poniżej temperatury, w jakiej pracuje w lecie...
Są i metody bardziej skomplikowane - przedstawiłem te najprostsze bo uznałem, że w większości wypadków zadowolą potrzeby "młodych zdolnych".
Jako taką pośrednią na koniec przedstawię metodę, jaką stosuję, gdy mam sterować wentylatorem małej mocy - ta metoda wymaga zastosowania tylko jednego elementu - czyli tak jak w wypadku bimetalu, ale zachowuje przy tym zależność obrotów od temperatury. Niestety, wymaga nieco zachodu - trzeba bowiem dobrać ten element do konkretnego wentylatora, a ponadto napięcie maksymalne na radiatorze nie osiągnie wartości napięcia zasilania.
Kto wie, jaki to element, ręka w górę...
Jasiu, dobrze. Tak, ten element to termistor. W wypadku termistora trzeba pamiętać, że:
Przez termistor płynie prąd cały czas - nawet, gdy wentylator stoi, a temperatura jest niższa od potrzebnej do jego załączenia. W związku z tym na nim samym (termistorze) będzie się wydzielało ciepło, sam się będzie podgrzewać. Dlatego też pisałem o konieczności dobrania konkretnego termistora do konkretnego wentylatora i wyjaśnia to od razu, czemu pisałem o wentylatorze małej mocy.
O ile jednak termistor będzie na radiatorze, nawet jak się trochę nagrzeje "sam z siebie" radiator, to ciepło odbierze i nie wpłynie ono znacząco na pracę wentylatora.
Oczywiście - w zależności od mocy oporność termistora będzie różna. Dla wentylatorów o pobieranym prądzie rzędu 0,1A i napięciu pracy 12V wyniesie ona w okolicy kilkuset omów.
To, co pisałem o niższym napięciu zasilania wentylatora w stosunku do napięcia zasilania - też zależy od tej wartości - a konkretnie od wartości rezystancji termistora w temperaturze, jaką uznamy za maksymalną - w tym momencie kolejny czynnik utrudniający jego dobranie to właśnie oporność (a więc i spadek napięcia na termistorze, a mniejsze na wentylatorze); może się bowiem okazać, że wentylator nie osiągnie wystarczających do skutecznego schłodzenia radiatora obrotów.
Jest więc trochę kombinowania; w dodatku do konkretnego typu wentylatora musimy dobierać termistor o konkretnych wartościach. Nawet wykorzystując wentylator o takiej samej mocy może się bowiem okazać, że ma on inną charakterystykę i zacznie się obracać przy wyższym napięciu, a przy określonej temperaturze jego obroty będą się różnić od innego typu wentylatora.
Ten sposób wykorzystałem w ciągu lat kilkudziesięciu zaledwie kilkukrotnie - właśnie z wyżej podanych trudności.
Co do sposobu opisanego jako pierwszy - schemat takiego regulatora można znaleźć bez problemu w sieci czy nawet na forum, koszt wszystkich elementów tego prostego układu jest rządu kilku złotych (nie licząc samego wentylatora rzecz jasna) - pozostawiam to Wam jako "zadanie domowe". Bimetale są dostępne, jak pisałem, bez większych problemów i również koszt ich nie przekracza granicy zdrowego rozsądku. Koszt termistora też co najwyżej kilka złotych. konkretny sposób zależy więc tylko od Was i wymagań, jakie mu postawicie.
Przy okazji informacja: Napięcie znamionowe wentylatora (np. 12V) nie oznacza od razu, że nie wolno podać mu nieco większego. Można, byle z głową na karku i wiedząc, co się robi. Dla wielu wentylatorów to napięcie może wynieść nawet 14V, mamy więc "zapas" na spadek napięcia samego regulatora. Dzięki temu mamy pewność, że w żadnym wypadku wentylator nie zostanie uszkodzony, ponieważ sam regulator również nieco "ograniczy" to napięcie (spadek napięcia na złączu tranzystora czy układu LM). Oczywiście oznacza to konieczność możliwości uzyskania napięcia stałego 14V w urządzeniu, w którym przewidujemy zastosowanie takiego rozwiązania.
Każdy parametr może się różnić w realnych warunkach od parametru katalogowego. Przypomnę raz jeszcze, że nie można na ślepo wierzyć we wszystko, co wyczytamy w danych katalogowych, ponieważ podawane tam wartości są wartościami uzyskanymi w wypadkach teoretycznych - a te z praktyką mają niewiele wspólnego. Należy więc zawsze dokładnie przestudiować kartę katalogową i wyciągnąć wnioski.
Podobnie jest z doborem radiatora.
To, że podana jest dla konkretnego profilu jakaś wartość, nie oznacza, że wybierając taki sam profil, ale np. dwa razy dłuższy, uzyskamy 2x mniejszą rezystancję termiczną. Ponadto (o czym jeszcze nie wspominałem) zdolność odbierania ciepła z elementu i odprowadzania go do otoczenia zależy od różnicy temperatur radiatora vs. powietrza. Im powietrze cieplejsze, tym mniejsza zdolność schładzania elementu - to ważne i w wielu wypadkach bywa "zapominane" (celowo lub z nieświadomości). A przecież zawsze może się zdarzyć, że próby "wytrzymałościowe" będziemy robili w zimie, a potem przyjdzie lato stulecia i płacz, bo przecież coś, co było sprawdzone i działało, się zepsuło.
Kolejnym takim ograniczeniem jest... kurz.
Sam miałem swego czasu podobną przygodę; jakaś impreza plenerowa, początek lata, kwitną drzewka, a raczej przekwitają i cały teren spowity jest kłaczkami/wacikami z nasionkami wewnątrz. Oczywiście wszystko ładnie, pięknie. Impreza się skończyła nad ranem, sprzęt zwinięty odstawiony do magazynu i całe szczęście, że zauważyłem na wlotach wentylacyjnych owe kłaczki.
Postanowiłem rozebrać końcówkę i przeczyścić. Gdyby nie to, że wieczór był dość chłodny, mogłoby być nieszczęście - wewnątrz wzmacniacza biało wręcz od tych kłaczków. Nie muszę mówić, jak bardzo ograniczyła ta "puchowa kołderka" możliwości radiatora...
Z kurzem jest podobnie - pracując w serwisach audio wielokrotnie spotykałem się z tym problemem, a kurz nawet bez wymuszonego chłodzenia lubi się lokować tam gdzie ma ciepło. Czemu? Może jest ciepłolubny, nie wiem. Wiem tylko, że jego gruba warstwa równie skutecznie ogranicza możliwości radiatora jak wspomniana "pierzynka".
Jeśli więc nie mamy zamiaru co pół roku rozbierać swojego sprzętu w celu czyszczenia wnętrza (oby nie naprawy!) - lepiej przewidzieć wcześniej taką możliwość i podejść z większą rezerwą do swoich wyliczeń. Dobrze też albo zastopować możliwie duże wloty/wyloty powietrza (co przy okazji poprawi przepływ, a kurz nie "zatka" ich skutecznie), albo zastosować filtr - siateczka, czy tiul powinna się nadać. Oczywiście nie zwalnia to od okresowego czyszczenia tejże, a w każdym razie kontroli - jak siateczka będzie nosić wyraźne ślady osadzającego się kurzu - czas na sprzątanie.
Intensywność odkurzania zależy od miejsca zamieszkania. Nie muszę chyba tłumaczyć, że są okolice w których kurzy się bardziej niż w innych. Sam doświadczyłem tego po przeprowadzce - w poprzedniej lokalizacji mieszkałem na 4 piętrze i odkurzanie sprzętu raz na pół roku to było już nawet z zapasem (w sensie, że można było i rzadziej). Okoliczności (zdrowie) zmusiło mnie do zamiany mieszkania na parter - praktycznie co miesiąc sprzęt wygląda jak w poprzednim mieszkaniu po roku.
Na szczęście poza tym, że brudzi się front, z chłodzeniem aż takich problemów nie ma; radiator wspomagany wentylatorem, a poza tym dobrany ze sporym zapasem. To dla mnie bardzo wygodne, by nie powiedzieć przyjazne, ponieważ z racji na ograniczenia zdolności manualnych (RZS, zanik mięśni) odsuwanie wszystkiego w celu dostanie się do radiatora stanowi duży problem.
Mam nadzieję, że nie zanudziłem Was tą (ostatnią już) częścią o radiatorach i chłodzeniu, i bardzo mi będzie miło, jeśli ktoś wykorzysta zawarte w tym cyklu rady oraz spostrzeżenia w swoich konstrukcjach.
Pozdrawiam.
Na początek jednak:
Chłodzenie wymuszone
O tym, że z różnych względów nie można schłodzić dostatecznie elementu "zwykłym" radiatorem, już było wspomniane. Tu chciałbym nieco rozwinąć to zagadnienie i wyjaśnić kilka nie do końca jasnych (co niestety można zauważyć w poniektórych projektach DiY) spraw dotyczących chłodzenia wymuszonego, czyli dołożenia do radiatora wentylatora.
Przede wszystkim: wentylator powinien być dobrany do wymagań mu stawianych oraz do wielkości radiatora. Sami Koledzy przyznają mi rację, że głupio wygląda wentylator średnicy 4 cm w porównaniu do radiatora szerokiego na kilkanaście cm. Nie tylko wygląda, ale może też nie spełniać swojego zadania. Przecież nie ma szans, by schłodzić równomiernie całą powierzchnię? A skoro tak, to czy na pewno jest to dobry wybór? Czasem może się okazać, ze lepiej zastosować mniejszy radiator z dopasowanym wentylatorem niż większy z niedopasowanym. Po prostu ciepło rozchodzi się w radiatorze od elementu, który się grzeje i im dalej od niego, tym mniejsza temperatura radiatora - mały wentylator chłodzący jeden koniec takiego radiatora, podczas gdy element, który należy schłodzić jest na drugim końcu niewiele zdziała. Więc? Albo większy wentylator, albo lepiej umieszczony, albo mniejszy radiator i dobrany wentylator - prawda?
W jednym z projektów, jakie widziałem Autor zastosował naprawdę poważnej wielkości radiator (wzmacniacz mocy to był), ale tranzystory mocy przykręcił na jego brzegu, tak, że 7/8 jego długości nawet nie miała szans w znaczący sposób schłodzić tych tranzystorów. Coś więc nie wyszło... W takim wypadku może się nawet okazać, ze nie pomoże żaden radiator - czemu?
Tu należy wspomnieć o najwęższym gardle całego "układu chłodzenia" jakim jest... POWIERZCHNIA WKŁADKI RADIATOROWEJ.
Weźmy jako przykład układ scalony TDA 7294 - jego deklarowana moc (według danych katalogowych) wynosi aż 100W. Jest to wzmacniacz w klasie AB, więc jego sprawność to ok. 60% w najbardziej niekorzystnych warunkach (mniej więcej 3/4 mocy wyjściowej). Łatwo więc obliczyć, że musimy wytracić (w sensie odebrać ze struktury układu) aż 60W. To nie jest mało, tym bardziej, że mamy ograniczenie w postaci maksymalnej temperatury struktury (struktury, czyli powierzchni płytki krzemowej na podłożu radiatorowej wkładki widocznej z tyłu układu, na której umieszczono wszystkie mikrostruktury tranzystorów, rezystorów itp. składających się na cały wzmacniacz mieszczący się wewnątrz obudowy układu) - a ta z kolei jest na bieżąco nadzorowana przez układ SOAR, czyli elektronicznego ogranicznika mocy wbudowanego w samą strukturę układu, by w ten sposób chronić go przed uszkodzeniem (nie tylko zresztą od zbyt wysokiej temperatury). No dobrze, ale w takim razie, jaki radiator zastosować, by uzyskać te 100W? I tu jest problem, ale nie z doborem radiatora, a z nierozumieniem samych danych katalogowych. Otóż te 100W to moc, jaką ten układ może TEORETYCZNIE oddać do obciążenia. Teoretycznie, bo w ściśle określonych warunkach, a te są nierealne do uzyskania w normalnych warunkach.
A co w takim razie z radiatorem? Czy nie po to jest by chłodzić układ?
No po to, ale przeszkadza mu w tym wspomniane na początku wąskie gardło, czyli niewielka powierzchnia wkładki radiatorowej. Tak duża ilość ciepła nie jest po prostu w stanie się "przecisnąć" przez tak mały radiatorek, a więc i duży przykręcony do układu) nie odbierze jej, nawet gdyby był ogromny i chłodzony dodatkowo baterią wentylatorów. Realna moc, jaką można uzyskać przy najlepszym chłodzeniu, jakie można zapewnić w realnych warunkach to tylko (a raczej aż!) ok. 70W. I więcej nie będzie, nawet gdyby ktoś nie wiem jak się starał (no chyba, że układ umieściłby w suchym lodzie to może
Niestety, wielu "młodych zdolnych" nie zauważa tak istotnej informacji, mało tego zatrzymuje się w lekturze karty katalogowej na tabelce opisanej jako "ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS" nie zauważając (lub woląc nie zauważać) wszystkiego, co jest potem... a jest:
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/T/D/A/7/TDA7294.shtml
Można się wiec dowiedzieć, że wspomniana rezystancja termiczna obudowy jest większa od rezystancji termicznej najlepszego radiatora i że to właśnie ona (obudowa) jest wspomnianym wąskim gardłem odprowadzenia ciepła.
Kilka tranzystorów na jednym radiatorze - można?
Oczywiście, że można. Należy jednak pamiętać o kilku (omówionych wcześniej) rzeczach oraz użyć wyobraźni... Tak! Wyobraźnia jest niezbędnym elementem każdego amatora i każdego konstruktora.
A że czasem jej brak, można się dowiedzieć studiując nie tylko projekty "młodych zdolnych", ale i nawet fachową literaturę (a w każdym razie pretendującą do takiego miana), jaką jest np. EdW. W którymś ze starszych numerów natknąłem się na zamieszczony tam projekt "Wzmacniacza 400W." Czytam i co widzę? Dwa układy TDA 7294 połączone w mostek... Nie wiem naprawdę, kto wpadł na tak szatański pomysł, by wciskać taki kit "młodym zdolnym" - bo to do nich jest adresowane to pisemko. Nie wiem i nie chcę wiedzieć, bo musiałbym się chyba na tego "kogoś" obrazić za rozpowszechnianie fałszywych informacji.
Zostawmy to, nie kopmy leżącego...
Ad rem:
Kilka elementów na jednym radiatorze - można oczywiście, pamiętać jednak należy, by:
•Nie umieszczać ich blisko siebie, zwłaszcza gdy wszystkie będą się nagrzewać w podobnym stopniu. Czytając to, co napisałem wcześniej można się domyśleć czemu - w ten sposób sami tworzymy wąskie gardło, a chyba nam na tym nie zależy.
•Druga sprawa (podstawowa jak nie wiem co) to to, co jest oczywiste - wkładka radiatorowa przeważnie (bo są wyjątki) jest połączona elektrycznie z układem! Jeśli więc dwa jakiekolwiek elementy są na innych potencjałach elektrycznych, to przez mocowanie ich do wspólnego radiatora bez podkładek izolujących tworzymy piękne zwarcie. Pamiętajmy więc o podkładkach i sprawdzeniu, czy przy okazji ich dokręcania nie uszkodziliśmy ich - sprawdzajmy ZAWSZE, czy omomierz nie zapiszczy, krzycząc że jest źle.
Czy lepiej jest dmuchać na radiator zimnym powietrzem, czy odsysać z niego nagrzane powietrze?
Tu zawsze są dwie strony dyskutantów. Jedni uważają, że lepiej odbierać gorące powietrze z radiatora drudzy, ze korzystniej nań dmuchać zimnym.
Prawda jest mniej więcej po środku. Zawsze strumień powietrza pod ciśnieniem (nawet tak niewielkim jakie wytworzy wentylator) jest bardziej skupiony i trafi tam, gdzie chcemy, żeby trafił. Jeżeli więc mamy taką możliwość i zależy nam na schłodzeniu przede wszystkim radiatora - dmuchamy na niego, ale nie zapominając, że tak jak kij ma zawsze dwa końce, tak i w tym wypadku to nagrzane powietrze musi mieć gdzie uciec - i to jak najkrótszą drogą! Jeśli tego nie zapewnimy (np. tworząc coś w rodzaju tunelu z wentylatorem na jednym końcu, a otworem na zewnątrz obudowy na drugim), to lepiej tego nie robić. Wyobraźmy sobie, jak powietrze zachowa się w danej sytuacji i pomyślmy, jak mu ułatwić cyrkulację.
Nie ma sensu dmuchać na radiator, gdy wentylator nie ma skąd pobrać chłodnego powietrza - gdy kratka wentylacyjna dla "wlotu" powietrza jest w innym końcu obudowy, w dodatku zasłonięta przez duże elementy - transformator, kondensatory utrudniające swobodny przepływ... chociaż czasem takie rozwiązanie jest korzystne - gdy np. zależy nam by niejako "przy okazji" schłodzić i wspomniany transformator.
Należy jednak w takim wypadku pamiętać, że radiator nie będzie tak skutecznie schładzany - po pierwsze dostanie się nań powietrze już nieco ogrzane ciepłem z innych elementów (transformatora np.), a po drugie ciśnienie, jakie będzie w stanie wytworzyć wentylator będzie mniejsze, bo powietrze zostanie przyhamowane przeciskając się pomiędzy innymi elementami w obudowie.
Może więc lepszym wyjściem będzie wyciąganie nagrzanego powietrza z obudowy?
Może. Ale jak w poprzednim wypadku tak i w tym musimy wyobrazić sobie jak powietrze będzie się wówczas zachowywać - jakimi drogami dopłynie do wentylatora zanim opuści obudowę; czy np. nie ominie radiatora, na którego ochłodzeniu nam najbardziej zależy? Powietrze bowiem lubi mieć jak najmniejszy opór po drodze i jeśli coś stanie mu na drodze - ominie to coś i popłynie po drodze najmniejszego oporu. To oczywiste, ale lepiej o tym pamiętać.
Dlatego też osobiście jestem zwolennikiem dokładnego przeanalizowania wszystkich aspektów - może się bowiem okazać, że będziemy musieli wybrać np. inną obudowę lub całkowicie przearanżować wnętrze tej, którą mamy.
Dmuchać, ale jak?
Z głową.
Nie ma sensu podłączać wentylatora bezpośrednio do zasilania, gdy radiator nagrzewa się tylko w określonych sytuacjach. Po co ma hałasować i mielić powietrze bez powodu? Co innego, gdy urządzenie wymaga stałego chłodzenia, bo elementy w nim zawsze emitują taką samą lub zbliżoną ilość ciepła. Ale gdy mamy do czynienia ze wzmacniaczem i nie jest to wzmacniacz w klasie A - lepszym wyjściem jest poszukanie innego rozwiązania.
Takim rozwiązaniem jest regulator obrotów wentylatora. Najprościej regulować napięcie - obroty większości wentylatorów DC są zależne od napięcia, ale nie do końca liniowo... Niestety.
W znamienitej większości przypadków wentylator stoi, dopóki nie otrzyma odpowiednio wysokiego napięcia; przykładowo dla wentylatorów komputerowych (dwu- lub trzypinowych) to napięcie wyniesie nieco mniej niż połowa napięcia nominalnego. Możemy to "olać", jeżeli ustawimy regulator w taki sposób, by to napięcie było skorelowane z określoną temperaturą, jaką uznamy za konieczną do wspomagania chłodzenia wentylatorem - gdy dobierzemy wentylator odpowiednio do mocy maksymalnej, jego obroty same się będą stabilizować na niezbędne do zachowania nie większej niż dopuszczalnej temperatury, a my nie będziemy zmuszani do słuchania zbędnego szumu przez cały czas. W zależności od konkretnego układu takiego regulatora, może występować na nim pewien spadek napięcia, co raczej nie wpłynie na maksymalne obroty wentylatora w stopniu znaczącym do jego wydajności.
Inna metoda (też prosta, ale bardziej uciążliwa) to zastosowanie wyłącznika bimetalicznego (są do kupienia zgrabne, niewielkie czujniki z jedną parą styków zwiernych w dodatku zwieranych dla podanej na nich temperaturze). Wstawiamy taki przykręcony do radiatora bimetal (trzeba tylko sprawdzić, czy jego obudowa nie jest połączona z jednym z biegunów) w szereg z zasilaniem wentylatora i już. Gdy temperatura przekroczy znamionową wartość - bimetal zamknie obwód i wentylator zacznie pracować z pełną mocą... (no właśnie z pełną mocą, a więc z maksymalnym hałasem - nie zawsze to korzystne), gdy temperatura spadnie poniżej tej, dla której bimetal się rozłączy - wyłączy wentylator. No właśnie - te czujniki bimetaliczne mają histerezę - oznacza to, że o ile np. włącza się przy 60°C, to wyłączy się dopiero, gdy temperatura spadnie poniżej np. 40°C. Trzeba sprawdzić więc, jaką wartość ma histereza konkretnego czujnika - żeby się nie okazało, że wyłączy się tylko w zimie, gdy temperatura na zewnątrz bimetalu nie spadnie poniżej temperatury, w jakiej pracuje w lecie...
Są i metody bardziej skomplikowane - przedstawiłem te najprostsze bo uznałem, że w większości wypadków zadowolą potrzeby "młodych zdolnych".
Jako taką pośrednią na koniec przedstawię metodę, jaką stosuję, gdy mam sterować wentylatorem małej mocy - ta metoda wymaga zastosowania tylko jednego elementu - czyli tak jak w wypadku bimetalu, ale zachowuje przy tym zależność obrotów od temperatury. Niestety, wymaga nieco zachodu - trzeba bowiem dobrać ten element do konkretnego wentylatora, a ponadto napięcie maksymalne na radiatorze nie osiągnie wartości napięcia zasilania.
Kto wie, jaki to element, ręka w górę...
Jasiu, dobrze. Tak, ten element to termistor. W wypadku termistora trzeba pamiętać, że:
Przez termistor płynie prąd cały czas - nawet, gdy wentylator stoi, a temperatura jest niższa od potrzebnej do jego załączenia. W związku z tym na nim samym (termistorze) będzie się wydzielało ciepło, sam się będzie podgrzewać. Dlatego też pisałem o konieczności dobrania konkretnego termistora do konkretnego wentylatora i wyjaśnia to od razu, czemu pisałem o wentylatorze małej mocy.
O ile jednak termistor będzie na radiatorze, nawet jak się trochę nagrzeje "sam z siebie" radiator, to ciepło odbierze i nie wpłynie ono znacząco na pracę wentylatora.
Oczywiście - w zależności od mocy oporność termistora będzie różna. Dla wentylatorów o pobieranym prądzie rzędu 0,1A i napięciu pracy 12V wyniesie ona w okolicy kilkuset omów.
To, co pisałem o niższym napięciu zasilania wentylatora w stosunku do napięcia zasilania - też zależy od tej wartości - a konkretnie od wartości rezystancji termistora w temperaturze, jaką uznamy za maksymalną - w tym momencie kolejny czynnik utrudniający jego dobranie to właśnie oporność (a więc i spadek napięcia na termistorze, a mniejsze na wentylatorze); może się bowiem okazać, że wentylator nie osiągnie wystarczających do skutecznego schłodzenia radiatora obrotów.
Jest więc trochę kombinowania; w dodatku do konkretnego typu wentylatora musimy dobierać termistor o konkretnych wartościach. Nawet wykorzystując wentylator o takiej samej mocy może się bowiem okazać, że ma on inną charakterystykę i zacznie się obracać przy wyższym napięciu, a przy określonej temperaturze jego obroty będą się różnić od innego typu wentylatora.
Ten sposób wykorzystałem w ciągu lat kilkudziesięciu zaledwie kilkukrotnie - właśnie z wyżej podanych trudności.
Co do sposobu opisanego jako pierwszy - schemat takiego regulatora można znaleźć bez problemu w sieci czy nawet na forum, koszt wszystkich elementów tego prostego układu jest rządu kilku złotych (nie licząc samego wentylatora rzecz jasna) - pozostawiam to Wam jako "zadanie domowe". Bimetale są dostępne, jak pisałem, bez większych problemów i również koszt ich nie przekracza granicy zdrowego rozsądku. Koszt termistora też co najwyżej kilka złotych. konkretny sposób zależy więc tylko od Was i wymagań, jakie mu postawicie.
Przy okazji informacja: Napięcie znamionowe wentylatora (np. 12V) nie oznacza od razu, że nie wolno podać mu nieco większego. Można, byle z głową na karku i wiedząc, co się robi. Dla wielu wentylatorów to napięcie może wynieść nawet 14V, mamy więc "zapas" na spadek napięcia samego regulatora. Dzięki temu mamy pewność, że w żadnym wypadku wentylator nie zostanie uszkodzony, ponieważ sam regulator również nieco "ograniczy" to napięcie (spadek napięcia na złączu tranzystora czy układu LM). Oczywiście oznacza to konieczność możliwości uzyskania napięcia stałego 14V w urządzeniu, w którym przewidujemy zastosowanie takiego rozwiązania.
Tolerancja - lepiej o niej pamiętać
Każdy parametr może się różnić w realnych warunkach od parametru katalogowego. Przypomnę raz jeszcze, że nie można na ślepo wierzyć we wszystko, co wyczytamy w danych katalogowych, ponieważ podawane tam wartości są wartościami uzyskanymi w wypadkach teoretycznych - a te z praktyką mają niewiele wspólnego. Należy więc zawsze dokładnie przestudiować kartę katalogową i wyciągnąć wnioski.
Podobnie jest z doborem radiatora.
To, że podana jest dla konkretnego profilu jakaś wartość, nie oznacza, że wybierając taki sam profil, ale np. dwa razy dłuższy, uzyskamy 2x mniejszą rezystancję termiczną. Ponadto (o czym jeszcze nie wspominałem) zdolność odbierania ciepła z elementu i odprowadzania go do otoczenia zależy od różnicy temperatur radiatora vs. powietrza. Im powietrze cieplejsze, tym mniejsza zdolność schładzania elementu - to ważne i w wielu wypadkach bywa "zapominane" (celowo lub z nieświadomości). A przecież zawsze może się zdarzyć, że próby "wytrzymałościowe" będziemy robili w zimie, a potem przyjdzie lato stulecia i płacz, bo przecież coś, co było sprawdzone i działało, się zepsuło.
Kolejnym takim ograniczeniem jest... kurz.
Sam miałem swego czasu podobną przygodę; jakaś impreza plenerowa, początek lata, kwitną drzewka, a raczej przekwitają i cały teren spowity jest kłaczkami/wacikami z nasionkami wewnątrz. Oczywiście wszystko ładnie, pięknie. Impreza się skończyła nad ranem, sprzęt zwinięty odstawiony do magazynu i całe szczęście, że zauważyłem na wlotach wentylacyjnych owe kłaczki.
Postanowiłem rozebrać końcówkę i przeczyścić. Gdyby nie to, że wieczór był dość chłodny, mogłoby być nieszczęście - wewnątrz wzmacniacza biało wręcz od tych kłaczków. Nie muszę mówić, jak bardzo ograniczyła ta "puchowa kołderka" możliwości radiatora...
Z kurzem jest podobnie - pracując w serwisach audio wielokrotnie spotykałem się z tym problemem, a kurz nawet bez wymuszonego chłodzenia lubi się lokować tam gdzie ma ciepło. Czemu? Może jest ciepłolubny, nie wiem. Wiem tylko, że jego gruba warstwa równie skutecznie ogranicza możliwości radiatora jak wspomniana "pierzynka".
Jeśli więc nie mamy zamiaru co pół roku rozbierać swojego sprzętu w celu czyszczenia wnętrza (oby nie naprawy!) - lepiej przewidzieć wcześniej taką możliwość i podejść z większą rezerwą do swoich wyliczeń. Dobrze też albo zastopować możliwie duże wloty/wyloty powietrza (co przy okazji poprawi przepływ, a kurz nie "zatka" ich skutecznie), albo zastosować filtr - siateczka, czy tiul powinna się nadać. Oczywiście nie zwalnia to od okresowego czyszczenia tejże, a w każdym razie kontroli - jak siateczka będzie nosić wyraźne ślady osadzającego się kurzu - czas na sprzątanie.
Intensywność odkurzania zależy od miejsca zamieszkania. Nie muszę chyba tłumaczyć, że są okolice w których kurzy się bardziej niż w innych. Sam doświadczyłem tego po przeprowadzce - w poprzedniej lokalizacji mieszkałem na 4 piętrze i odkurzanie sprzętu raz na pół roku to było już nawet z zapasem (w sensie, że można było i rzadziej). Okoliczności (zdrowie) zmusiło mnie do zamiany mieszkania na parter - praktycznie co miesiąc sprzęt wygląda jak w poprzednim mieszkaniu po roku.
Na szczęście poza tym, że brudzi się front, z chłodzeniem aż takich problemów nie ma; radiator wspomagany wentylatorem, a poza tym dobrany ze sporym zapasem. To dla mnie bardzo wygodne, by nie powiedzieć przyjazne, ponieważ z racji na ograniczenia zdolności manualnych (RZS, zanik mięśni) odsuwanie wszystkiego w celu dostanie się do radiatora stanowi duży problem.
Mam nadzieję, że nie zanudziłem Was tą (ostatnią już) częścią o radiatorach i chłodzeniu, i bardzo mi będzie miło, jeśli ktoś wykorzysta zawarte w tym cyklu rady oraz spostrzeżenia w swoich konstrukcjach.
Pozdrawiam.
Fajne? Ranking DIY
