Система отвода тепла в мощных СВЧ аттенюаторах и нагрузках Nesta
При разработке мощных СВЧ аттенюаторов и согласованных нагрузок учитывая то, что в каждом модуле пленочными резисторами выделяется значительная тепловая мощность, является необходимым рассмотрение и изучение температурных режимов в аттенюаторах и оконечных нагрузках, а также конструирование схем эффективного отвода тепла.
Система отвода тепла от пленочных резисторов в приборах Nesta выглядит следящим образом. Пленочный резистор напыленный на подложку с высокой теплопроводностью, например из оксида бериллия, крепиться на медное основание с помощью пайки. Далее подложка из меди с пленочными резисторами присоединяется к подошве радиатора с помощью крепежного резьбового соединения с прослойкой из теплопроводящей пасты КПТ - 8 с примерной толщиной 1 мм.
Система отвода тепла от пленочных резисторов в приборах Nesta выглядит следящим образом. Пленочный резистор напыленный на подложку с высокой теплопроводностью, например из оксида бериллия, крепиться на медное основание с помощью пайки. Далее подложка из меди с пленочными резисторами присоединяется к подошве радиатора с помощью крепежного резьбового соединения с прослойкой из теплопроводящей пасты КПТ - 8 с примерной толщиной 1 мм.
Рисунок 1 – Система теплоотвода для пленочных резисторов
В предложенной схеме (рис.1), тепловая мощность от микрополоскового резистора передается на медную подложку, далее на основание охлаждающего радиатора и в конечном результате, пройдя через ребра радиатор рассеивается в воздухе с помощью естественной конвекции, либо с помощью вентилятора в зависимости от непрерывной входной СВЧ мощности подаваемой на прибор.
Существует два способа размещения плёночных резисторов на медном основании. В первом случае, когда несколько резисторов находятся на слишком малом расстоянии друг от другу, то велика вероятность возникновения точечного перегрева в резистивной пленке, тем самым снижается надёжность устройства. Второй способ, разнести пленочные резисторы на большое расстояние по поверхности медной подложки. В этом случае возникает минимальная возможная температура на каждом из резисторов, но габаритные размеры пластины медной подложки существенно увеличиваются. Данное разнесение неизбежно приводит к большому усложнению настройки согласующих цепей для аттенюаторов и нагрузок. В итоге в задачу рассеивания тепла входит и нахождение оптимальных габаритных размеров медной подложки, при котором перегрева на каждом пленочном резисторе ещё нет, а резисторы рассеивают требуемую максимальную мощность без деградации своих характеристик.
Важно помнить про зависимость от температурных окружающих условий, в которых будет работать прибор. Обычно значение температуры окружающей среды лежит в пределах от 25 до 35 °C и может достигать 40- 80 °C, если прибор эксплуатируется в малом, плохо вентилируемом объеме или работает рядом с источниками сильного тепловыделения. Именно поэтому для максимально эффективного охлаждения целесообразно иметь корпус прибора с большим внутренним объемом; обеспечить мощную вентиляцию корпуса; располагать прибор максимально далеко от отопительных приборов и от места попадания прямых солнечных лучей.
Важно также помнить, что качество отвода тепла всей системы зависит от качества обработки и шероховатости поверхностей охлаждающих радиаторов и медной подложки, давления прилегания этих плоскостей и площади их контакта, материала и толщины используемой теплопроводящей прокладки. Поверхность подошвы радиатора никогда не бывает идеально гладкой. Всегда при контакте плоскости радиатора и медной подложки остаются микроскопические полости, заполненные воздухом, что негативно влияет на отвод тепла. Решить данную проблему можно использованием теплопроводящей прокладки — пластичного материала с высокой теплопроводностью, заполняющего эти неровности и улучшающего качество отвода тепла.
Самый популярный теплопроводник — кремнийорганическая теплопроводная паста (КТП). Она хорошо заполняет все полости возникшие между медным основанием и радиатором, легко наносится и легко удаляется. Также в качестве теплопроводящей прокладки используют графит. Графитовые прокладки стоят достаточно недорого, но теплопроводность такого материала ниже.
Параметры которые влияют эффективность охлаждения с помощью радиатора. Самым важным параметром, определяющим эффективность работы радиатора является его общая площадь. Реализовать максимальную площадь поверхности можно двумя способами — либо увеличить физические размеры самого радиатора, либо путем применения ребер специфической формы, например волнистой. Первый способ не всегда работает, т.к. внутренний объем у корпуса прибора очень чато ограничен его физическими размерами и наличием огромного количества других важных элементов. Поэтому второй способ часто оказывается гораздо более простым и эффективным, особое внимание оказывается правильному профилированию ребер радиатора, материалу и технологии его изготовления.
Существует два способа размещения плёночных резисторов на медном основании. В первом случае, когда несколько резисторов находятся на слишком малом расстоянии друг от другу, то велика вероятность возникновения точечного перегрева в резистивной пленке, тем самым снижается надёжность устройства. Второй способ, разнести пленочные резисторы на большое расстояние по поверхности медной подложки. В этом случае возникает минимальная возможная температура на каждом из резисторов, но габаритные размеры пластины медной подложки существенно увеличиваются. Данное разнесение неизбежно приводит к большому усложнению настройки согласующих цепей для аттенюаторов и нагрузок. В итоге в задачу рассеивания тепла входит и нахождение оптимальных габаритных размеров медной подложки, при котором перегрева на каждом пленочном резисторе ещё нет, а резисторы рассеивают требуемую максимальную мощность без деградации своих характеристик.
Важно помнить про зависимость от температурных окружающих условий, в которых будет работать прибор. Обычно значение температуры окружающей среды лежит в пределах от 25 до 35 °C и может достигать 40- 80 °C, если прибор эксплуатируется в малом, плохо вентилируемом объеме или работает рядом с источниками сильного тепловыделения. Именно поэтому для максимально эффективного охлаждения целесообразно иметь корпус прибора с большим внутренним объемом; обеспечить мощную вентиляцию корпуса; располагать прибор максимально далеко от отопительных приборов и от места попадания прямых солнечных лучей.
Важно также помнить, что качество отвода тепла всей системы зависит от качества обработки и шероховатости поверхностей охлаждающих радиаторов и медной подложки, давления прилегания этих плоскостей и площади их контакта, материала и толщины используемой теплопроводящей прокладки. Поверхность подошвы радиатора никогда не бывает идеально гладкой. Всегда при контакте плоскости радиатора и медной подложки остаются микроскопические полости, заполненные воздухом, что негативно влияет на отвод тепла. Решить данную проблему можно использованием теплопроводящей прокладки — пластичного материала с высокой теплопроводностью, заполняющего эти неровности и улучшающего качество отвода тепла.
Самый популярный теплопроводник — кремнийорганическая теплопроводная паста (КТП). Она хорошо заполняет все полости возникшие между медным основанием и радиатором, легко наносится и легко удаляется. Также в качестве теплопроводящей прокладки используют графит. Графитовые прокладки стоят достаточно недорого, но теплопроводность такого материала ниже.
Параметры которые влияют эффективность охлаждения с помощью радиатора. Самым важным параметром, определяющим эффективность работы радиатора является его общая площадь. Реализовать максимальную площадь поверхности можно двумя способами — либо увеличить физические размеры самого радиатора, либо путем применения ребер специфической формы, например волнистой. Первый способ не всегда работает, т.к. внутренний объем у корпуса прибора очень чато ограничен его физическими размерами и наличием огромного количества других важных элементов. Поэтому второй способ часто оказывается гораздо более простым и эффективным, особое внимание оказывается правильному профилированию ребер радиатора, материалу и технологии его изготовления.