Rezystancja termiczna

Rezystancja termiczna – wielkość fizyczna reprezentująca opór, jaki stawia dana materia przenoszeniu ciepła (energii cieplnej) pomiędzy dwoma punktami. Jest to wielkość addytywna. Wielkość ta jest istotna w układach elektronicznych, w których kluczową sprawą jest odprowadzanie ciepła, aby elementy się nie przegrzewały.

Rezystancję termiczną ciała określa się jako iloraz różnicy temperatur pomiędzy dwoma punktami i mocy, która wywołała tę różnicę temperatur:

$R_{th}=\left[\mathrm {\frac {^{\circ }C}{W}} \right].$

Gdy styka się ze sobą kilka elementów przewodzących ciepło, zachowują się analogicznie, jak zwykłe oporniki, a więc mogą sumować się ich rezystancje termiczne, jak przy łączeniu szeregowym lub odwrotności ich rezystancji termicznych, jak przy łączeniu równoległym.

Przykład

Mamy opornik, na którym wydziela się 5 watów mocy na skutek przepływu prądu. Obudowa opornika ma rezystancję termiczną z powietrzem o wartości $50\ \mathrm {\frac {^{\circ }C}{W}} ,$ czyli każdy wat wydzielanej mocy obudowa spowoduje różnicę temperatury równą $50\ ^{\circ }\mathrm {C} .$ Różnica pomiędzy temperaturą powietrza a wnętrzem opornika wyniesie odpowiednio:

$\Delta T=R_{th}\cdot P.$

Podstawiając wartości, otrzymujemy:

$\Delta T=\mathrm {50\ {\frac {^{\circ }C}{W}}\cdot 5\ W=250\ ^{\circ }C} .$

Jeżeli przyjmiemy temperaturę otoczenia równą $25\ ^{\circ }\mathrm {C} ,$ temperatura wnętrza naszego rezystora będzie większa o $\Delta T,$ czyli ostatecznie wyniesie $275\ ^{\circ }\mathrm {C} .$ Tak wysoka temperatura prawdopodobnie zniszczyłaby większość elementów elektronicznych. Aby tego uniknąć stosuje się tzw. radiatory. Rezystancja termiczna pomiędzy radiatorem a elementem chłodzonym jest bardzo mała (zwykle rzędu $0{,}1-1{,}0\ ^{\circ }\mathrm {C/W}$), podobnie jak rezystancja termiczna pomiędzy radiatorem a powietrzem, która jest zwykle wielokrotnie niższa niż pierwotna rezystancja termiczna obudowy elementu z powietrzem (typowe wartości to $2-20\ ^{\circ }\mathrm {C/W}$).

Załóżmy więc, że zastosujemy połączenie naszego opornika z radiatorem o rezystancji termicznej równej $12\ ^{\circ }\mathrm {C/W} ,$ a na połączeniu będzie dodatkowo rezystancja o wartości $0{,}5\ ^{\circ }\mathrm {C/W} .$

Rezystancja termiczna całego toru przenoszenia temperatury wyniesie:

$R_{th}=12\ \mathrm {{\frac {^{\circ }C}{W}}+0{,}5\ {\frac {^{\circ }C}{W}}=12{,}5\ {\frac {^{\circ }C}{W}}} .$

Różnica temperatury, podstawiając do wcześniejszego wzoru, wyniesie:

$\Delta T=12{,}5\ \mathrm {{\frac {^{\circ }C}{W}}\cdot 5\ W=62{,}5\ ^{\circ }C}$

Zakładając temperaturę otoczenia równą $25\ ^{\circ }\mathrm {C} ,$ temperatura opornika wyniesie $87{,}5\ ^{\circ }\mathrm {C} ,$ co dla tego typu elementu jest temperaturą całkowicie bezpieczną.

Zwykle elementy elektroniczne zawierają w swojej dokumentacji jeszcze rezystancję termiczną pomiędzy strukturą elementu i obudową. Dobrym przykładem jest tranzystor, dla którego trzeba jeszcze ją dodać, obliczając wymagany radiator.

Zobacz też

• radiator
• rezystancja