انتخاب بهینه‌ترین هیت‌سینک برای کاربردهای الکترونیک قدرت
خواندن پلاک الکتروموتورهای سه فاز
۳ آبان ۱۴۰۲
۱- مقدمه‌ای بر انتخاب بهترین هیت‌سینک
در علم مهندسی حرارتی، گرما از دمای بیشتر به دمای کمتر به سه روش انتقال پیدا می‌کند:
- رسانش (Conduction یا هدایت)،
- جابجایی (Convection یا همرفت)،
- و تابش (Radiation یا تشعشع).
در روش انتقال حرارت به روش هدایت، حرارت به دلیل حرکت مولکول‌ها اتفاق می‌افتد و از سمت دمای بیشتر به سمت دمای کمتر حرکت می‌کند. در روش جابجایی انتقال حرارت در حالت سیال فقط رخ میدهد یعنی فاز مایع و یا گاز و سیال گرم به سمت سیال سرد حرکت می‌کند. انتقال حرارت تشعشع، به صورت تابش الکترومغناطیسی رخ میدهد و میتوان گفت برای حالت سیال و جامد قابل استفاده می‌باشد. برای هر دو یا چند جسم یا سیال در مجاورت یکدیگر انتقال حرارت تشعشع رخ میدهد. در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی برای خنک‌کاری محصولات از روش رسانش و جابجایی استفاده می‌کند.
اولین قدم برای طراحی و انتخاب هیت‌سینک تعیین میزان توان تلف شده از دستگاه‌های نیمه‌هادی می‌باشد یعنی گرمایی که زمان استفاده به هیت سینک منتقل میشود. در مرحله بعدی تعیین حداکثر دمای محیط است برخی محصولات الکترونیکی در محیط‌هایی با تهویه کاملاً مطبوع استفاده میشود، برخی در محیط باز و یا حتی نزدیک ماشین آلات گرم کار می‌کنند. بنابراین باید گرمای محیطی که محصول الکترونیکی در آن وجود دارد اندازه‌گیری شده، و با توجه به آن هیت‌سینک طراحی و اجرا شود.
۲- هیت‌سینک چیست؟
هیت سینک یک جز مکانیکی است که برای انتقال گرما از قطعه الکتریکی به قطعه الکترونیکی به محصول متصل میشود . جنس هیت‌سینک از مس و یا آلومینیوم و آلیاژ‌هایی از آلومینیوم می‌باشد که وسیله ماشین CNC برش داده و ساخته میشود. برخی از آنها دارای پره و یا پین می‌باشند و برخی مسطح هستند. وجود پره و پین باعث افزایش مساحت سطح هیت‌سینک میشود که می‌تواند انتقال حرارت را راحت‌تر انجام دهد علاوه بر آن جنس و ضریب انتقال حرارت نیز تاثیرگذار است. یعنی محصولاتی که هیت‌سینک دارند ضریب انتقال حرارت بیشتری دارند.
یکی از روش‌های مدیریت اتلاف انرژی استفاده از هیت‌سینک است که می‌تواند گرمای ناخواسته را از یک فرایند یا دستگاه الکترونیکی جذب یا دفع کند. هیت‌سینک‌ها در طیف وسیعی از لوازم الکترونیکی قرار دارند از CPU گرفته تا درایورهای موتور استفاده میشوند.
برای اتصال هیت‌سینک باید نکاتی را رعایت کنیم. زمانی که قرار است ماسفت‌ها را روی هیت‌سینک محصول قرار دهیم باید به آن خمیرهای حرارتی یا سیلیکونی بزنیم و یک عایق سیلیکونی روی آن قرار دهیم تا زمانی که بر روی هیت‌سینک بسته میشود هیچ فضای خالی بین ماسفت و سطح هیت‌سینک وجود نداشته باشد، و فضای خالی کاملاً پر شود. علاوه بر پر کردن فضای خالی دمای قطعه را نیز پایین نگه می‌دارد و عملکرد را بهبود می‌بخشد.
۳- انواع هیت‌سینک
هیت‌سینک‌ها به دو دسته کلی اکتیو و پسیو دسته‌بندی میشوند.
- هیتسینکهای اکتیو برای عملیات خنک‌سازی از پاور سیستم استفاده می‌کند. عملکرد این گونه هیت سینک عالی است اما به دلیل داشتن قطعات متحرک مکانیکی قیمت آن بالا است و برای استفاده طولانی مدت مناسب نیستند.
- هیتسینکهای پسیو دارای قطعات مکانیکی و متحرک نیستند و جنس آنها از آلومینیوم است و به راحتی گرما و حرارت را به اطراف پخش می‌کنند و نسبت به نوع اکتیو قابل اطمینان‌تر می‌باشند. برای استفاده طولانی مناسبند. در این مقاله ما فقط به هیت‌سینک پسیو می‌پردازیم.
جنس هیت‌سینک معمولا آلومینیوم یا مس است.
هیت‌سینک مسی به دلیل داشتن ضریب انتقال حرارت بالا مناسب‌ترین گزینه برای هیت‌سینک است. همچنین رسانایی بالایی دارد و با جذب سریع و کارآمد از دستگاه و مداری که می‌خواهید خنک کنید کمک می‌کند.
هیت‌سینک آلومینیومی اگر چه به خوبی مس گرما را هدایت نمی‌کند اما سبکتر و ارزان‌تر از مس است و می‌تواند ساختار قوی‌تری داشته باشد. با افزایش پین‌فین یا پره و افزایش مساحت سطح آن انتقال حرارت بهتری داشته باشد.
هیت سینک پرهدار
از یک بلوک فلزی جامد اکسترود شده (با فشار و حرارت زیاد سطح آن صاف و عمود شده است.) ساخته شده، با تعداد زیادی صفحه بسیار نازک پر شده، یا تکه تکه شده و با فاصله و موازی با یکدیگر از هم قرار دارند. شکل ۱ یک نمونه هیت سینک پرهدار را نشان میدهد.
شکل ۱- نمونه‌ای از هیت‌سینک پره‌ای
هیت‌سینک پین شده
به این نوع پین‌فین نیز گفته میشود. میتوان آن را جایگزین پرهدار یا مسطح کرد. در پیکربندی آن بلوک هسته با دسته ای از پین‌ها و میله‌ها ساخته میشود پایه آن به سمت بالا یا خارج امتداد می‌یابد. پین‌ها می‌توانند استوانه‌ای بیضی یا مربع باشند. هیتسینکهای پین دار مساحت سطح بیشتری نسبت به پرهدار دارند. در شکل ۲ می‌توانید هیت سینک پین فین را مشاهده کنید.
شکل ۲- هیت‌سینک پین‌فین
این مسئله نشان‌دهنده بهبود عملکرد قابل توجهی نیست. زیرا با توجه به شرایط محصولی که قرار است از هیت‌سینک استفاده کند و مقدار انتقال حرارت آن باید انتخاب مناسب داشته باشید. برای آشنا شدن با این موضوع می‌توانید از مقاله «مقاومت حرارتی چگونه محاسبه میشود؟» استفاده نمایید.
۴- هیت‌سینک چگونه کار می‌کند؟
فرایند خنک کردن قطعات الکترونیکی توسط هیت‌سینک به سرعت انتقال حرارت و سیال عامل (منظور از سیالعامل هوا یا یک سیال غیر رسانا دیگری که محیط اطراف هیت‌سینک را شامل میشود) مربوط است. سیالعامل گرما را از طریق انتقال حرارت تشعشع یا هدایت از سطح دور می‌کند و به محیط اطراف میدهد. اگر دمای محیط خنک‌تر از هیت سینک نباشد یا به عبارتی هیت‌سینک در محیطی گرم‌تر از گرمایی که محصول تولید می‌کند قرار داشت انتقال حرارت صورت نمی‌گیرد و گرما از محصول حذف نمی‌شود و هیت‌سینک داغ‌تر میشود.
۵- چند دستور العمل برای انتخاب هوشمندانه هیت‌سینک
- اگر جهت جریان انتقال حرارت با جهت خنک شدن هیت‌سینک همسو نیست یا خلاف جهت آن است بهتر است از هیت‌سینک پین‌فین استفاده کنید. زیرا حساسیت کمتری به جهت جریان دارد.
- اگر با افت فشار زیاد در سراسر هیت‌سینک میتوان به جریان هوای قابل توجهی دست پیدا کرد از هیت‌سینک پین‌فین استفاده کنید.
- برای سایر شرایط از هیت‌سینک پرهدار استفاده کنید زیرا هزینه کمتری دارد و ساخت آن ساده‌تر است و به راحتی در طیف وسیعی از اندازه‌ها و پیکربندی‌ها در دسترس است.
۶- نتیجه گیری
برای خنک کردن قطعات الکترونیکی یک محصول الکتریکی از هیت‌سینک استفاده میشود، ابعاد آن می‌تواند در ابعاد کوچک قابل استفاده در CPU کامپیوتر و یا ابعاد بزرگ‌تر برای اتصال به پشت بردهای الکترونیکی باشد.
با توجه به مطالبی که تاکنون گفته شد میتوان نتیجه گرفت آلومینیوم فلز مناسبی برای ساخت و طراحی هیت‌سینک است، به دلیل قیمت مناسب و وزن سبک‌تری که نسبت به فلز مس دارد.
بجز در شرایط خاص برای بیشتر محصولات الکتریکی میتوان از هیت‌سینک پرهدار استفاده کرد زیرا فرایند ساخت آن ساده‌تر است نسبت به پین‌فین و در مقایسه با هیت سینک مسطح مساحت سطح بیشتر و در نتیجه انتقال حرارت بهتری دارد. جریان هوا در بین پره‌های موازی آن به خوبی می‌تواند حرکت کند و گرما را از محصول به بیرون انتقال دهد.
برای اتصال قطعات به سطح هیت‌سینک حتما باید از خمیرهای حرارتی یا سیلیکونی استفاده کنید تا بطور کامل بدون هیچگونه روزنه‌ای قطعه به سطح بچسبد و فرایند خنک‌کاری بهتر صورت بگیرد.
از اتصال هیت‌سینک به قطعه‌ای که مقدار زیادی انرژی حرارتی تولید می‌کند به طور موثر سطح آن قطعه افزایش پیدا می‌کند. در ابتدا دمای آن قطعه بسیار بالا بوده اما بعد از انتقال آن به هیت‌سینک، دمای قطعه کاهش پیدا می‌کند و هیت سینک حرارت گرفته شده را به محیط اطراف انتقال میدهد. در نتیجه محصول خنک می‌گردد.
