عوامل التصميم التي يجب أن تعرفها عن تصميم المشتت الحراري

لا شك أن المشتتات الحرارية هي أجزاء أساسية في معظم التجميعات الإلكترونية والمكونات الإلكترونية الضوئية وأجهزة الطاقة الإلكترونية. يقوم هذا المبادل الحراري السلبي بتبخير الحرارة التي تنتجها الأجهزة الإلكترونية للتأكد من أن السيارة تعمل ضمن الحدود التي تحددها الشركات المصنعة. بعض العناصر الأساسية التي يجب مراعاتها عند تصميم المشتت الحراري تشمل… 

 

ل المقاومة الحرارية، 

حجم الزعنفة وشكلها، 

ل المواد, 

تكوين الزعانف , 

ل كفاءة الزعانف، 

,طريقة ربط المشتت الحراري  

ل واجهة المواد الحرارية. 

يمكن الحصول على المعلمات والأشكال الهندسية التي تضمن أقصى قدر من تبديد الحرارة من خلال تحليل نماذج المشتت الحراري المختلفة.

 

ويؤدي الطلب الناشئ على الإلكترونيات عالية الأداء إلى إنشاء إلكترونيات متقدمة جنبًا إلى جنب مع المعالجات الدقيقة السريعة بالإضافة إلى كثافات الترانزستور العالية. أدى هذا التعديل التكنولوجي المحدد في جميع مكونات هذه الإلكترونيات إلى زيادة الحمل الحراري عند التشغيل. ولذلك، فإن نظام الإدارة الحرارية متعدد الاستخدامات يتميز بميزات مفادها أن تصميم المشتت الحراري الصحيح يجب أن يكون مثاليًا لضمان الأداء الأمثل للإلكترونيات.

 

علاوة على ذلك، من أجل الحد من فشل النظام لجميع الأجهزة الإلكترونية ولضمان تبديد الحرارة بكفاءة، هذا هو السبب في أن المشتت الحراري يعتبر مثاليًا لتقديم تأثيرات التبريد في جميع الأجهزة الإلكترونية. لذا، سنحاول في هذا المقال الإجابة على الأسئلة التالية: كيف يعمل المشتت الحراري؟ سنستكشف أيضًا أهمية المشتت الحراري وأساسيات تصميم المشتت الحراري وكيفية تحسين تصميم المشتت الحراري لتحقيق الأداء الأمثل للإلكترونيات. دعونا نتعمق في الأمر.

 

أساسيات تصميم المشتت الحراري

 

يحتوي المشتت الحراري على جميع المكونات الميكانيكية المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية لتقييد ارتفاع درجة حرارة المكونات الكهربائية عن طريق إدخال تبريد إضافي. كما أنه تشتت الحرارة من المكونات الكهربائية، ومعظمها من ترانزستور الطاقة، الموجود في البيئة المحيطة. هذه البيئة عادة ما تكون وسط سائل ذو درجة حرارة منخفضة، على سبيل المثال الهواء بالإضافة إلى سائل التبريد.

 

ما هي العوامل التي يجب مراعاتها عند تصميم المشتت الحراري؟

 

يعتمد التبديد الفعال للطاقة الحرارية من خلال المشتت الحراري في الغالب على تصميمه الفعلي. كونه مبادل حراري سلبي، فإن تصميم المشتت الحراري يجب أن يضمن سهولة نقل الحرارة إلى بيئته. وعادةً ما تتم عملية الدفع الحراري عن طريق التوصيل، أو الإشعاع، أو الحمل الحراري. في بعض الأحيان، يتم تفسير ذلك على أنه مزيج من طرق نقل الحرارة الثلاث المذكورة أعلاه. من أجل بناء المشتت الحراري بشكل فعال، يجب أخذ عدد من العوامل في الاعتبار. سنشرح أدناه العوامل المقنعة التي يجب عليك تضمينها قبل تعلم عملية إنشاء المشتت الحراري.

 

المقاومة الحرارية

 

تشرح المقاومة الحرارية مقاومة تدفق الحرارة بين المحيط وأشباه الموصلات. قد تكون البيئة عبارة عن سائل تبريد أو هواء محيط. 

 

من خلال تحديد المقاومة الحرارية لجهاز معين، يكون ذلك مهمًا أثناء اختيار المشتتات الحرارية. وذلك لأن المسار المصمم لتبديد الحرارة يجب أن يتمتع بكمية مثالية مليئة بالمقاومة الحرارية. سيحدد هذا مدى سرعة حدوث عملية نقل الحرارة. تضمن المقاومة الحرارية أن فعالية المشتت الحراري تفسر ما إذا كان هناك انخفاض في درجة الحرارة أم لا. هناك أيضًا بعض العوامل التي يجب مراعاتها … 

 

ل المواد 

ل حجم الزعانف والشكل

ل تكوين الزعانف 

ل طريقة المرفقات 

ل مواد الواجهة الحرارية 

 

ما هو تصميم المشتت الحراري

 

عادة ما تكون المشتتات الحرارية عبارة عن معالجات أو ترانزستورات. يقوم المصنعون بتركيبها بعناية مع مروحة مدمجة لتوزيع الطاقة من جميع الأجهزة الإلكترونية. ومع ذلك، ليست كل المشتتات الحرارية المذكورة أعلاه متصلة بالمروحة. تُعرف هذه الأحواض التي تحتوي على مرفق مروحة باسم 'أحواض الحرارة النشطة'، أما تلك التي لا تحتوي على مشتت حراري فتُعتبر 'أحواض حرارة سلبية'.

أهمية استخدام المشتتات الحرارية

 

يعد المشتت الحراري  مهمًا جدًا في جميع المنتجات الإلكترونية نظرًا لقدرته على تقييد ارتفاع درجة حرارة المكونات الكهربائية. ولذلك، يمكن للجهاز أن يكون قادرا على العمل مع جميع درجات الحرارة المحددة. وفيما يلي بعض الأسباب الأخرى التي تجعل المشتتات الحرارية مهمة.  

 

صيانة الطاقة الحرارية

 

يحافظ المشتت الحراري على جميع الأجهزة الإلكترونية التي تتحكم في الطاقة الحرارية من خلال نقل الحرارة من جميع مكونات الدائرة الإلكترونية إلى البيئة المحيطة.

 

يحسن الموثوقية الإلكترونية

 

يعمل المشتت الحراري أيضًا على تحسين موثوقية الأجهزة الإلكترونية نظرًا لمكوناته الوقائية التي تتعطل بسبب وظيفتها.

 

كما أنه يوفر الحرارة

 

توفر المشتتات الحرارية أيضًا الحرارة في جميع الحالات التي يحدث فيها انخفاض في درجة الحرارة داخل الدائرة الكهربائية.

 

وبناء على هذه الأهمية، أصبحت المشتتات الحرارية الآن مكونات أساسية لجميع الأجهزة الإلكترونية. على سبيل المثال، فهي جزء من وحدة المعالجة المركزية (وحدة المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر).

 

مادة المشتت الحراري

 

تأتي معظم المشتتات الحرارية مع سبائك الألومنيوم والنحاس لأنها شديدة التوصيل. يعتبر الألومنيوم أقل تكلفة، كما أنه مثالي بسبب ليونته مما يجعل من السهل تصميمه بالإضافة إلى تصميم المشتتات الحرارية. هناك مواد أخرى مختلفة. على سبيل المثال، يعتبر النحاس، بسبب موصليته الحرارية العالية جدًا إلى جانب مقاومته للتآكل، جزءًا من تصميم المشتت الحراري. ومع ذلك، يُعرف الألومنيوم أيضًا بأنه المادة السائدة الأكثر كفاءة. لقد ثبت أن هذا المزيج أكثر فعالية ويمكن استخدامه في جميع الوحدات الخاصة بك لبناء المشتت الحراري. 

 

مواد الواجهة

 

تُعرف مواد الواجهة الحرارية بأنها المادة التي تشكل كل المساحة بين المشتت الحراري. إنه الهواء عادة. ومع ذلك، تستخدم بعض الشركات المصنعة أيضًا مواد متغيرة أخرى مثل الميكا. تعمل مواد الواجهة الحرارية أيضًا على تقليل المقاومة الحرارية في الجهاز الإلكتروني وتسمح بنقل جميع الطاقة الحرارية بسرعة.

 

الحرارة المتولدة من خلال الجهاز هي مجموع توليد الحرارة للمكونات ذات الصلة. منذ ذلك الحين، يتمتع المكون بمقاومة حرارية متفاوتة للغاية، حيث أنه ليس من السهل ضمان التبديد الفعال للحرارة. لضمان فعالية تدفق الحرارة من جميع الأجهزة الإلكترونية، يجب تقليل المقاومة الحرارية. وهذا ممكن من خلال دمج المواد الحرارية والواجهة.

 

شكل وترتيب الزعانف

 

يعتمد التبديد الفعال لجميع الحرارة من الجهاز المحدد إلى وسيط التبريد المطلوب على كل ترتيب للزعنفة. عادةً ما تتميز تصميمات المشتت الحراري  بزعانف يتم لحامها أثناء إنشاء المشتت الحراري. يوفر اتجاه هذه الزعانف أيضًا مساحة سطحية عالية تسمح للهواء بالمرور بجانب المشتت الحراري. لذلك، فهي ضرورية للغاية وضرورية في عملية التبريد.

 

لذا فإن زعانف المشتت الحراري تتسم بالكفاءة وتعتمد على الشكل المطلوب للزعانف بالإضافة إلى أنه يجب عليك مراعاتها للتأكد من فعالية الحمل الحراري من الجهاز الإلكتروني وضمان تبريد الجهاز المحدد والمشتت الحراري.

 

طرق ربط المشتت الحراري

 

سيتم تحسين فعالية جميع المشتتات الحرارية عن طريق اختيار جميع طرق التثبيت المناسبة. يجب أن تأخذ عملية الاختيار هذه في الاعتبار المتطلبات الميكانيكية والحرارية للجهاز قبل أن تقرر ما إذا كانت طريقة التثبيت مناسبة.

 

لذلك، هناك عدد من الطرق لتثبيت المشتت الحراري على جهاز إلكتروني. الطرق الشائعة هي:

 

ل الأشرطة الحرارية.

ل مقاطع الأسلاك

ل مقاطع بلاستيكية.

ل دفع دبابيس.

ل مسامير الربيع المحملة.

 

حاسبة المقاومة الحرارية لتصميم المشتت الحراري

 

تصميم المشتت الحراري يأتي مع الفهم الكامل لبعض الحسابات المتعلقة بالمقاومة الحرارية. يتم استخدام المعادلة المذكورة أدناه لحساب المقاومة الحرارية للحرارة (Rhs)

 

Rhs = (Tj-Tmb/P) – (Rth-jc) – واجهة Rinterface

 

Tj: درجة حرارة التوصيل القصوى للجهاز عند 0 درجة مئوية.

 

Rth-jc: تقاطع للمقاومة الحرارية

 

تامب: عند 0 درجة مئوية من درجة حرارة الهواء المحيط عند.

 

P: الحرارة المتبددة من مصدر الحرارة 

 

Rinterface: مقاومة مواد الواجهة الحرارية

 

Rinterface = (صبغة/Ls x Ws x kinterface)

 

الواجهة: سمك مادة الواجهة الحرارية

 

kinterface: التوصيل الحراري لمواد الواجهة

 

Ls: طول مصدر الحرارة

 

Ws: عرض مصدر الحرارة

 

معرفة الحساب الذي يأتي مع الفهم الأساسي لما سبق. لذلك، سيكون من السهل ضبط ودمج المعلمات المماثلة في جميع تصميمات المشتت الحراري في حالة الحصول على مقاومة حرارية أكبر من أعلى درجة حرارة تشغيل لأشباه الموصلات. أيضًا، من المعادلة المذكورة أعلاه، يمكنك أيضًا حساب البعد الأمثل للمشتتات الحرارية بحيث يكون لديك أدنى درجة حرارة لمصدر الحرارة.

 

التطبيقات

 

لدى المشتتات الحرارية مجموعة واسعة من التطبيقات، خاصة في الأجهزة الإلكترونية. والسبب هو أن جميع هذه الأجهزة تولد قدرًا كبيرًا من الحرارة أثناء التشغيل، ولا يمكنها موازنة درجة حرارتها. قد تؤثر هذه الحرارة المتولدة على أداء جميع أشباه الموصلات في جميع الأجهزة الإلكترونية. لذلك، يؤدي فشل جميع المكونات في النهاية إلى تلف الجهاز المتصل.

 

لا شك أن تحليل الأداء الحراري لكل جهاز إلكتروني أمر مهم. يجب أن يوفر تصميم المشتتات الحرارية تبريدًا إضافيًا لجميع هذه الأجهزة عن طريق إزالة الحرارة من المناطق المحيطة بجميع المكونات الكهربائية مثل الثنائيات والترانزستورات والدوائر المتكاملة ومنظمات الجهد. 

خاتمة 

تعتبر المشتتات الحرارية ذات أهمية عالية لأن تصميم المبددات الحرارية تم تصميمه بعناية لضمان فعالية الأداء. ولذلك، ينبغي النظر في أشياء كثيرة. تحدثت هذه المقالة عن جميع العوامل التي ستساعد في تصميم المشتت الحراري. كما يقدم إجابات على الأسئلة المتعلقة بكيفية عمل المشتت الحراري والنصائح التي يجب تضمينها في دليل التصميم الخاص بك.