כל מוצר אלקטרוני מייצר חום, וההבדל בין מוצר אמין למוצר שנתקע אחרי חצי שעת עבודה נקבע לרוב בתכנון המכני ולא בבחירת הרכיבים. פיזור חום במוצר אלקטרוני הוא בעיה הנדסית מוגדרת היטב: יש הספק שנכנס, יש טמפרטורת סביבה, ויש טמפרטורה מרבית שהרכיב הרגיש ביותר מסוגל לסבול. בין שלושת הנתונים האלה בוחרים בין צלעות קירור, פתחי אוורור ומאוורר. אנחנו בפרוג'קטס האוס מעדיפים להתחיל מהמספרים ורק אחר כך לצייר, כי כל אחד מהפתרונות גורר מחיר בעלות, ברעש ובאטימות.

מאיפה מתחילים: כמה חום באמת נוצר

הצעד הראשון הוא חישוב ההספק המתפזר. סוכמים את ההפסדים בממיר המתח, במנוע, במעבד ובכל רכיב הספק, ומקבלים ואט. אחר כך מגדירים את תקציב הטמפרטורה: אם הסביבה מגיעה ל-40 מעלות והרכיב הקריטי מוגבל ל-85 מעלות, נשארו 45 מעלות להפרש. חלוקת ההפרש בהספק נותנת את ההתנגדות התרמית המרבית המותרת, ביחידות מעלות לוואט. המספר הזה הוא הדרישה ההנדסית שממנה נגזר כל השאר. בלעדיו כל דיון על פיזור חום במוצר אלקטרוני הופך לוויכוח על תחושות. שווה גם להפריד בין שני מצבים: הספק רציף לאורך שעות, שקובע את הטמפרטורה היציבה, ופרץ קצר של הספק גבוה, שהמסה התרמית של המוצר בולעת בלי שהטמפרטורה תספיק לעלות. הרחבה על העקרונות מופיעה במאמר על ניהול תרמי במוצר אלקטרוני.

שלושת מסלולי המעבר של החום

  • מוליכות: מהשבב אל הלוח, אל הברגים ואל הזיווד. כאן עוזרים משטחי מגע גדולים, ממשק תרמי איכותי וחיבור מכני הדוק.
  • הסעה: אוויר שנוגע בשטח פנים ומפנה חום. תלויה מאוד בזרימה ובכיוון המוצר במרחב.
  • קרינה: משמעותית בעיקר בהפרשי טמפרטורה גבוהים ובמשטחים כהים ומחוספסים.

ברוב מוצרי הצריכה המוליכות אל הזיווד וההסעה ממנו נושאות את עיקר העומס, ולכן תכנון הזיווד הוא חלק בלתי נפרד מהפתרון התרמי.

צלעות קירור: מתי הן מספיקות

צלעות מגדילות שטח פנים בלי חלקים נעים ובלי צריכת חשמל, וזו הסיבה שהן הפתרון המועדף כשהן עומדות בדרישה. הן עובדות היטב בהספקים נמוכים עד בינוניים, בסביבה פתוחה ובכיוון שמאפשר לאוויר החם לעלות. כללי אצבע מעשיים: מרווח מספק בין צלעות כדי שהאוויר יזרום, צלעות אנכיות בהתקנה קבועה, ובחירת חומר עם מוליכות טובה. אלומיניום הוא ברירת המחדל בזכות היחס בין מוליכות למשקל ולעלות, ובהשוואה בין מתכות מרחיב המאמר אלומיניום או פלדה. יתרון נוסף: פתרון פסיבי אינו פוגע באטימות המוצר, אינו משמיע רעש ואינו מוסיף רכיב שעלול להתקלקל. במוצרים רבים אפשר לנצל את המארז עצמו כגוף קירור, למשל בפרופיל אלומיניום משוך עם צלעות מובנות, ולחסוך גם עלות וגם נפח פנימי.

פתחי אוורור ומאוורר: מה המחיר הנסתר

כשצלעות לא מספיקות, מוסיפים פתחים כדי לאפשר זרימת ארובה טבעית. הכלל הוא פתח כניסה נמוך ופתח יציאה גבוה, במרחק מספיק זה מזה, כך שהאוויר יעבור על המקורות החמים. המחיר ברור: פתחים פוגעים באטימות ומכניסים אבק ולחות, ולכן צריך להכריע מוקדם מול דרישות אטימות למים ולאבק. מאוורר מספק את הפתרון החזק ביותר לפיזור חום במוצר אלקטרוני, אך מוסיף רעש, צריכת זרם, רכיב מתכלה עם אורך חיים מוגבל ודרישה למסנן ולתחזוקה. אם בוחרים בו, כדאי לתכנן בקרה שמפעילה אותו רק מעל סף טמפרטורה, ולוודא שספק הכוח נבנה לעומס הנוסף, כמתואר במאמר על ספק כוח והזנת מתח.

איך מכריעים בפועל

סדר ההחלטה שאנחנו ממליצים עליו הוא פשוט: קודם מנסים להוריד את ההספק המתפזר, אחר כך מנסים פתרון פסיבי מלא, אחר כך מוסיפים פתחים, ורק לבסוף מאוורר. בכל שלב מאמתים במדידה על אבטיפוס בתנאי הסביבה הגרועים ביותר, ולא רק בסימולציה. סימולציה עוזרת לכוון את הגאומטריה, אך הכיול מול מדידה אמיתית הוא שקובע. חומרים נוספים בנושאים מכניים ריכזנו במדור פיתוח מכניקה והנדסת מכונות ובמאמר על ניתוח וסימולציה.

יש לכם מוצר שמתחמם יותר מדי או תכנון שעוד לא נסגר? קבעו פגישה ראשונית ונבנה יחד פתרון תרמי שמתאים לעלות, לרעש ולדרישות האטימות שלכם.

רוצים להפוך רעיון למוצר? צרו קשר עם צוות פרוג'קטס האוס בע"מ – טלפון: 054-8936922 | דוא"ל: info@projects-house.com – ונשמח ללוות אתכם משלב הרעיון ועד המדף.