Soğutucular

Temel elektroniğin bu ay ikinci konusu
elektronik yapı taşlarını soğutma….
Bu ay soğutucular hakkında biraz bilgiye 
ne dersiniz? Hep gözardı ettiğimiz ama 
çok önemli bir konu kaçırmayın!

Lafın neresinden başlamak uygun olacak pek karar veremiyorum. Elektronikte 
soğutucu denince pek çoğumuzun aklına kalın alüminyum, bakır dilimli 
parçalar gelir. Aslında her türlü soğutucunun amacı aynıdır. İstenilen bir yerdeki 
ısı birikmesini önlemek, sıcaklığın artmasına izin vermemek orada biriken ısıyı 
hemen çevreye yaymak.

Elektronik devrenin yapısına göre soğutucular farklı şekillerde karşımıza çıkarlar.
Örneğin büyük bir verici lambası yada büyük bir bilgisayar sisteminin işlemci 
blokları öylesine fazla ısı üretiminde bulunurlar ki bunları soğutmak için bildiğimiz
soğutucular yetmez. Bunların dış kılıfları içinden soğuk ve malzemenin 
kimyasal aşınmasını önleyen kanallarında kireçlenme yapmayan su yada 
benzeri sıvılar dolaştırılır.

Elektronikte kullanılan silisyum kökenli malzemelerin yarı iletken kısımlarını 
200^oC da bozulur. Bu nedenle chip üzerinde biriken ısının hemen dışarı atılmasını
sağlamak üzere malzemen chip kısmı genellikle alüminyum bir plaka üzerine 
ısıl geçirgenliği yüksek bir yapıştırıcı ile yapıştırılmıştır. Sonrada üzeri uygun bir
şekilde ya yine alüminyum bir kapakla yada plastikle kapatılmıştır. Fakat bu 
tür malzeme, transistör, diyot, triac yada benzeri güç elemanlarının kılıfları 
üzerlerinde biriken ısıyı dışarı atmaya, çevreye yaymaya yetmez. Bunları ayrıca 
bir soğutucunun üzerine koymak gereklidir. O zaman akıllarda şu sorular oluşur. 
Soğutucu ne kadar büyüklükte olacak, yatay mı duracak, dikey mi duracak, 
renkli olsa olur mu?

Bir yarı iletken kataloguna baktığımız zaman orada yarı iletkenin genellikle dış
kılıfının ısıl direnci ve yarı iletkenin en çok hangi sıcaklıkta çalışacağını gösterir 
değerler buluruz. Bu değerler yarı iletkenin cinsine ve üreticisine göre değişir. 
Aynı şekilde bir soğutucu kataloguna baktığımız zaman, o soğutucuya ait ısıl 
direnç, verim ısı yayma özelliklerinin değerlerini görürüz. Bu değerlerde 
soğutucunun türüne ve imalatçısına göre değişir. Bu nedenle hazır soğutucuların
kullanılacağı devrelerde gerçekten bir hesaplama sonucu bir soğutucu
kullanılacaksa kullanılacak soğutucunun bütün parametrelerinin bilinmesi 
gerekmektedir. Elimizde böyle bir katalog varsa pek hesap yapmaya gerek 
kalmadan, katalog içinde verilen grafikler yardımı ile soğutucu uzunluğu ve 
dikey yada yatay yerleştirme pozisyonu elde edilir. Yada malzeme satıcısının
insafına ve bilgisine sığınırız. Bazı özel durumlarda da ticari olarak satılan 
soğutucuları kullanmak fiziksel sorunlardan dolayı mümkün olamaya bilir. 
O zaman kendi soğutucumuzu kendimiz yapmak durumunda kalırız.

Şimdi biraz teorik bilgi.

Bir yarı iletkenin ısı akışını anlamak için elektriksel benzetmeler yapalım;

Elektrik Terimleri Isı Terimleri
 V – Voltaj (V) T – Sıcaklık (^oC)
 I – Akım (A) P – Güç (W)
 R – Direnç (ohm) Rth – Isıl direnç (^oC/W)

R_th bazen f_{th olarak da gösterilir.}

_{Aşağıdaki şekilde bir yarı iletken eklemini ile çevresi arasındaki elektriksel 
benzetim görülmektedir.}

_{Buradakiler;
P – Güç}
T_{JA – Junction – Ambient Temperature (Eklem – Çevre sıcaklık farkı)}
T_{J – Junction Temperature (Eklem sıcaklığı)}
T_Amb – Ambient Temperature (Çevre sıcaklığı)
T_J – Junction Temperature (Eklem sıcaklığı)
T_C – Case Temperature (Kılıf sıcaklığı)
T_HS – Heatsink Temperature (Soğutucu sıcaklığı)
R_thjcase – Junction to Case thermal resistance (Kılıf – eklem ısıl direnci)
R_thcs – Case to heatsink thermal resistance (Kılıf – Soğutucu ısıl direnci)
R_thHSA Heatsink to Ambient thermal resistance (Kılıf – Çevre ısıl direnci)

_{Yukarıdaki şekil sadece bir yarı iletkenin çevre ortamı ile ısı ilişkisini 
göstermektedir. Burada henüz soğutucu, izolatör gibi parçalar yoktur.}

Yukarıda şekilde görülen tüm ısıl dirençleri toplarsak ve adına da
R_thjamb (Ambient to Junction thermal resistance – Eklem – çevre ısıl direnci) dersek;

R_thjamb= R_thjcase + R_aoss + R_thHSA

Buna göre;

T_JA= T_J – T_Amb
T_JA= P * R_thjamb

R_thjamb= (T_J – T_Amb) / P
Olarak bulunur.

Burada dikkat edilmesi gereken nokta T_J<= T_J(max), yani transistörün 
chipinin katalog da verilen en yüksek değerinin aşılmamasıdır.

_{Bu durumda;}

R_thjamp<= (T_J– T_Amp) / P_tot

_{Olarak düzeltilmelidir.}

_{Eğer transistör gövdesi ile soğutucu arasında bir yalıtkan, örneğin mika pul}
kullanılırsa, o zaman R_thcs değeri 0,2 ^oC/W ile 0,5 ^oC/W arasında değişir. 
Aynı zamanda çeşitli maddelerden yapılmış olan soğutucular (örneğin bakır, 
alüminyum vs) yapıldıkları malzemeye göre farklı özellikler gösterir. Alüminyum 
diğerlerine göre daha ucuz olduğu için çoğunlukla tercih edilir.

Yukarıdaki özellikler kullanılarak kullanılacak soğutucunun alanı bulunur. 
Hesaplanan alan soğutucunun kullanım biçimine göre yani dikey yada yatay 
olmasına göre değişir. Dikey kullanım alanları yatay kulanım alanına göre 
daha azdır. Bunun nedeni dikey durumdaki soğutucularda hava akımının daha
iyi olmasıdır.

Şimdi örnek hesaplamalar yapalım.

Transistörlü bir çıkış devresinde;
R_thjcase= 1 ^oC/W
R_thcs=0,5 ^oC/W (mika pul yalıtkan)
R_thHSA=2,5 ^oC/W (düşey durumlar için)
T_jmax=175 ^oC
T_amb=30 ^oC/W

Olursa çıkış devresinde harcanacak en büyük güç P_tot ne olur?

P_tot <= (T_Jmax – T_Amb) / R_thjamb

R_thjamb= R_thjcase + R_thcs + R_thHSA
R_thjamb= 1 + 0,5 + 2,5
R_thjamb= 4 ^oC/W

P_tot<= (175 – 30) / 4
P_tot<= 46,25W bulunur..
 

İkinci örnek;

Transistörlü bir çıkış devresinde
R_thjcase= 1 ^oC/W
R_thcs=0,5 ^oC/W (mika pul yalıtkan)
T_jmax=175 ^oC
T_amb=30 ^oC/W
P_tot= 42,25W

Olduğuna göre kullanılacak soğutucu alanını hem yatay hem dikey olarak hesaplayınız.

R_thjamb<= (175
– 30) / 42,25
R_thjamb<= 4 ^oC/W
R_thjamb= R_thjcase + R_thcs + R_thHSA

R_thHSA = R_thjamb – R_thjcase + R_thcs
R_thHSA = 4 – 1 + 0,5
R_thHSA = 2,5 ^oC/W

Olarak bulunur.

Şimdi aşağıdaki tablodan yararlanarak soğutucunun BİR YÜZÜNÜN alanını bulalım.

2,5 ^oC/W ye karşılık gelen bir yüzün alanı;

Düşey durumda 60 inch²
Yatay durumda 70 inch²

Yukarıdaki değerler soğutucunun bir yüzünün alanı olduğu için toplam alan;

Düşey durumda 120 inch² yada 774 cm²
Yatay durumda 140 inch² yada 903 cm²

Olarak bulunur. Burada bulduğumuz soğutucu levha halindeki bir alüminyum 
plakadır. Buna çeşitli şekiller vermek, kesip kanatlar haline getirmek yada 
hacmini hesaplayıp başka şekiller vermek artık sizin yaratıcı gücünüze kalıyor.