Isı Kaybı ve Soğutucu Boyutu Nasıl Hesaplanır?

Soğutucu boyutu tahminle değil, termal direnç zinciriyle hesaplanır. Elemanın ısınması, harcadığı güç ile bu zincirin toplam direncine bağlıdır.

Kısaca: Önce elemanda ısıya dönüşen güç bulunur. Sonra jonksiyondan ortama kadar olan termal direnç toplamı hesaplanır. Sıcaklık artışı güç × toplam direnç kadardır.

Zincir üç halkadan oluşur: jonksiyon-gövde (Rjc), gövde-soğutucu (Rcs) ve soğutucu-ortam (Rsa). İlk ikisi elemana ve montaja aittir; tasarımcının seçtiği tek değer Rsa, yani soğutucunun kendisidir.

Termal zincirin elemanları

Sembol	Nedir	Tipik değer
Rjc	Jonksiyon-gövde	1-5 °C/W
Rcs	Gövde-soğutucu	0,2-1 °C/W
Rsa	Soğutucu-ortam	Seçilen değer
Tj	İzin verilen jonksiyon	125-150 °C
Ta	Ortam sıcaklığı	25-45 °C
ΔT	Sıcaklık artışı	Güç × toplam R
Fanlı soğutma	Rsa’yı düşürür	2-4 kat

Termal direnç, elektriksel dirence çok benzer davranır. Elektrikte gerilim düşümü akım ile direncin çarpımıdır; termalde ise sıcaklık farkı güç ile termal direncin çarpımıdır. Dirençler seri bağlı gibi toplanır: Rtoplam = Rjc + Rcs + Rsa. 1 °C/W değeri, o elemandan geçen her watt için sıcaklığın 1 °C artacağı anlamına gelir. Bu yüzden aynı soğutucu 5 W’ta işe yararken 20 W’ta yetersiz kalır.

Adım adım hesap

Sıra regülatör, MOSFET ve güç transistörü için aynıdır.

1. Harcanan gücü bulun: Lineer regülatörde P = (Vgiriş − Vçıkış) × akım.

2. İzin verilen jonksiyon sıcaklığını alın: Datasheet değerinin %80’i hedeflenir.

3. Ortam sıcaklığını belirleyin: Kapalı kutuda dış ortamdan 10-20 °C yüksektir.

4. İzin verilen toplam direnci bulun: Rtoplam = (Tj − Ta) ÷ P.

5. Rjc ve Rcs değerlerini çıkarın: Kalan değer Rsa‘dır.

6. Soğutucuyu seçin: Katalogdaki °C/W değeri hesaplanandan küçük olmalıdır.

7. Gerekirse fan ekleyin: Zorlanmış hava Rsa’yı 2-4 kat düşürür.

Sayısal örnek: 7812 regülatör için soğutucu

Devre: 20 V giriş, 12 V çıkış, 1 A yük. 1. Harcanan güç: (20 − 12) × 1 = 8 W. Bu gücün tamamı ısıya dönüşür. 2. Hedef jonksiyon: Datasheet 150 °C verse de güvenli tasarımda 110 °C alınır. 3. Ortam: Kapalı kutuda 45 °C. 4. İzin verilen toplam: (110 − 45) ÷ 8 = 8,1 °C/W. 5. Çıkarmalar: Rjc = 5, termal macunlı montajda Rcs = 0,5. Kalan: 8,1 − 5,5 = 2,6 °C/W. 6. Seçim: Katalogdan 2 °C/W veya daha iyi bir soğutucu alınır; bu yaklaşık 10 × 10 cm kanatlı bir profildir. Alternatif: Girişi 15 V’a düşürmek harcanan gücü 3 W’a indirir ve küçük bir soğutucu yeter. Termal sorunun en iyi çözümü çoğu zaman ısıyı hiç üretmemektir.

Soğutmayı etkileyen etkenler

Montaj kalitesi: Termal macun Rcs’yi belirgin düşürür
Yalıtım pulu: Mika izolatör direnci artırır
Kanat yönü: Doğal soğutmada kanatlar dikey olmalı
Kutu içi hava: Termal kısıtlama anma değerini düşürür
Fan debisi: CFM değeri hava akışını belirler
Statik basınç: Statik basınç sık kanatlı soğutucuda önemlidir
Yüzey rengi: Siyah eloksal ışınımla ısı atmayı bir miktar artırır

Sık yapılan hatalar

Soğutucuyu gözle seçmek

“Büyükçe bir soğutucu” ifadesi ölçü değildir. Katalogda her soğutucunun °C/W değeri yazar.

Termal macunu unutmak veya fazla sürmek

Macunsuz montajda temas direnci birkaç kat artar. Fazla macun ise yalıtkan tabaka gibi davranır; ince ve düzgün bir kat yeterlidir.

Ortam sıcaklığını oda sıcaklığı saymak

Kapalı kutu içi dış ortamdan 10-20 °C sıcaktır. Hesap 25 °C ile yapılırsa sonuç gerçeği yansıtmaz.

Kanatları yatay yerleştirmek

Doğal soğutmada hava kanatlar arasından yukarı akar. Yatay yerleşim bu akışı engeller ve verimi düşürür.

Fanı üfleme yönünü düşünmeden takmak

Soğuk havayı soğutucuya üflemek, sıcak havayı çekmekten genellikle daha etkilidir.

Uygulama örnekleri

Yaygın durumlarda gereken soğutucu değerleri aşağıdadır.

7805, 1 W kayıp: Küçük klips soğutucu, 20 °C/W.

7812, 8 W kayıp: Kanatlı profil, 2 °C/W.

MOSFET, 15 W: Fanlı soğutucu, 1 °C/W altı.

LED sürücü, 3 W: Alüminyum gövdeye montaj yeterli.

Güç LED’i (10 W): Yıldız PCB + en az 3 °C/W soğutucu.

Röle ve triyak: Kayıp düşükse pano havalandırması yeter.

Peltier modülü: Peltier etkisi ile çekilen gücün toplamı sıcak yüzeyden atılır; soğutucu iki katı güce göre seçilir.

Sıkça Sorulan Sorular

Soğutucu boyutu nasıl hesaplanır?

İzin verilen toplam termal direnç (Tj − Ta) ÷ P ile bulunur. Bu değerden Rjc ve Rcs çıkarılınca gereken soğutucu direnci kalır.

Termal direnç ne demek?

Bir yoldan geçen her watt için sıcaklığın kaç derece artacağını gösterir. Birimi °C/W’tır ve seri dirençler gibi toplanır.

Regülatörde harcanan güç nasıl bulunur?

Lineer regülatörde P = (giriş gerilimi − çıkış gerilimi) × akım. Bu gücün tamamı ısıya dönüşür.

Termal macun gerçekten gerekli mi?

Gereklidir. Yüzeyler mikroskobik düzeyde pürüzlüdür; macun aradaki hava boşluklarını doldurarak temas direncini belirgin düşürür.

Fan ne kadar fark yaratır?

Zorlanmış hava soğutucunun termal direncini 2-4 kat düşürür. Aynı soğutucu fanla çok daha yüksek gücü karşılayabilir.

Soğutucu kanatları nasıl yerleştirilmeli?

Doğal soğutmada kanatlar dikey durmalıdır; sıcak hava kanatlar arasından yukarı doğru akar.

Kapalı kutuda hesap değişir mi?

Değişir. Kutu içi sıcaklık dış ortamdan 10-20 °C yüksektir ve hesapta ortam sıcaklığı olarak bu değer kullanılmalıdır.

Jonksiyon sıcaklığı ne olmalı?

Datasheet değerinin yaklaşık %80’i hedeflenir. 150 °C sınırlı bir eleman için 110-120 °C güvenli bir tasarım hedefidir.

Isıyı azaltmanın başka yolu var mı?

Vardır ve genelde daha iyidir. Giriş gerilimini düşürmek veya anahtarlamalı regülatöre geçmek harcanan gücü doğrudan azaltır.

Mika izolatör hesabı etkiler mi?

Etkiler. Yalıtım pulu gövde-soğutucu direncini artırır; hesapta bu ek direnç mutlaka dikkate alınmalıdır.

Nereden temin edilir?

Soğutucu seçiminde termal direnç değeri, montaj yüzeyi ve hava akışı birlikte değerlendirilmelidir. Soğutucu ve izolatörleri Komponentci.net soğutucu ve izolatörler kategorisinde, fan çeşitlerini fan çeşitleri kategorisinde bulabilirsiniz.