Koellichamen

Goede warmteafvoer is heel belangrijk voor het goed werken en stabiel blijven van elk elektronisch ontwerp. Hiervoor zijn koellichamen te krijgen in allerlei vormen en maten. Laten we hier eens kijken naar de belangrijkste types.

Het thema van dit nummer is Prototypen en Productie. Een heel belangrijk onderdeel hiervan is ervoor zorgen dat alle onderdelen die warmte afvoeren op een veilige temperatuur blijven; als dat niet zo is, krijg je te maken met storingen of schade aan je apparatuur.

Koellichamen zijn vrij gewone onderdelen; ze hebben helemaal geen elektronische functie, maar de juiste keuze en gebruik van koellichamen is een belangrijk onderdeel van de productie. En de keuze aan koellichamen is enorm. Van kleine vinnen die je op TO-92 en TO-5 transistors klikt, tot aluminium koelblokken die je vastklikt of vastschroeft op de bekende TO-220 en grotere vlakke halfgeleider-behuizingen, tot enorme vinnen die meerdere transistors of een pc-processor kunnen koelen, ze zijn er in bijna eindeloze variaties.

Heatsinks 1 — Figuur 1: Een selectie van koellichamen voor verschillende behuizingen. Voor TO-18 transistors (A),
drie klik-montage koellichamen voor TO-5 transistors (B), twee zelfklevende types voor surface-mount IC's
– zoals gebruikt in de Raspberry Pi (C), print- en klik-montage koellichamen voor TO-220 en grotere onderdelen (D),
print-montage koellichaam voor een TO-3 (E). Verschillende isolatie-materialen, met een mica ring (bovenaan),
twee rode isolatiebusjes om schroeven te isoleren van koellichamen,
en verschillende grijze siliconen isolatie ringen (F). (Bron: David Ashton)

Koellichamen zijn vaak zwart geanodiseerd – als je je natuurkunde op school nog herinnert, dan weet je dat zwarte oppervlakken warmte beter uitstralen dan blanke metalen. Als je ooit meerdere transistors op één koellichaam moest monteren, dan ben je vast de verschillende soorten isolatiemateriaal tegengekomen, zoals siliconen en mica ringetjes en teflon busjes, bedoeld om te voorkomen dat de gekoelde onderdelen elektrisch contact maken met het koellichaam.

Koellichamen hebben een eenheid van graden temperatuurstijging per watt die ze afvoeren, hoewel isolatieringetjes de berekeningen ingewikkelder maken.

Goed thermische contact is belangrijk, en daarom gebruik je een siliconen pasta om de warmte tussen de transistor en het koellichaam beter te geleiden – die oppervlakken zijn nooit helemaal glad – en de warmtegeleidende pasta vult de kleine gaatjes op.

Heatsinks 2 — Figuur 2: Een flink geëxtrudeerd koellichaam, die afzonderlijk gebruikt kan worden (rechts),
Een massief geëxtrudeerd koellichaam, dat afzonderlijk kan worden gebruikt (rechts) of in twee delen aan elkaar
geklemd met een ventilator erop gemonteerd (links) voor nog betere koeling. (Bron: David Ashton)

Actieve koellichamen

Bij grotere koellichamen worden vaak ventilatoren gebruikt om geforceerde luchtkoeling toe te passen en zo sneller warmte af te voeren dan natuurlijke convectie dat kan. Heatpipes worden ook gebruikt voor efficiënte warmteoverdracht, maar dat is weer een onderwerp op zich en misschien iets voor een volgend artikel!

Stof is vijand nummer één van elk gekoeld koellichaam. Het blokkeert de luchtstroom en werkt als een deken, waardoor de warmte binnen blijft. Vooral als er ventilatoren worden gebruikt, hoopt stof zich snel op. Een extern filter is veel makkelijker schoon te maken dan een intern koellichaam.

Heatsinks 3 — Figuur 3: Een indrukwekkend koellichaam voor PC-processoren die
zowel geforceerde ventilatie als heatpipe-technologie gebruikt. (Bron: Martin Rowe)

Figuur 1 laat een selectie van koellichamen zien voor verschillende transistors, tot TO-220 en TO-3 formaat. Ze worden of direct op de transistor gemonteerd, of het koellichaam wordt op de printplaat gezet en de transistor wordt dan weer op het koellichaam geschroefd. Je ziet ook wat isolatiemateriaal – een mica ring voor een TO-3 (transparant), verschillende siliconen ringen (grijs), en wat isolatiebusjes die schroeven isoleren van koellichamen.

Figuur 2 laat een tweedelig koellichaam zien. De delen kunnen los gebruikt worden (rechts) of samen geklikt met een ventilator erop (links) voor nog betere koeling. Figuur 3 laat een pc-processor koellichaam zien; die zijn vaak groot en zien er gaaf uit!