Nhiệt rời khỏi một linh kiện nóng qua ba đường: dẫn qua kim loại, đối lưu ra không khí, và bức xạ ra xung quanh. Tản nhiệt tốt cần ba thứ: mặt tiếp xúc giữa linh kiện và cánh tản phẳng, với lớp keo tản nhiệt thật mỏng; cánh tản đặt sao cho không khí nóng bốc lên tự do; và luồng gió có đường vào, đường ra rõ ràng, không quẩn lại trong hộp.
Chào bạn, đây là Nhà Chế Tạo. Mạch điều khiển động cơ tự tắt sau mười phút chạy, bộ nguồn trong hộp kín nóng bỏng tay, đèn LED công suất lớn mờ dần rồi chết. Rất nhiều hỏng hóc của đồ tự chế đến từ nhiệt. Tập này mình nói cách đưa nhiệt ra ngoài, bằng vật lý đơn giản chứ không phải bằng quạt to hơn.
Ba con đường của nhiệt
Dẫn nhiệt là nhiệt truyền qua vật rắn, từ chỗ nóng sang chỗ lạnh. Kim loại dẫn nhiệt tốt, đồng tốt hơn nhôm, nhôm tốt hơn thép nhiều. Không khí dẫn nhiệt rất kém, nên một khe hở không khí mỏng cũng là một bức tường cách nhiệt.
Đối lưu là nhiệt được không khí hay chất lỏng mang đi. Không khí sát bề mặt nóng ấm lên, nhẹ hơn, bốc lên, không khí mát tràn vào thay chỗ. Đó là đối lưu tự nhiên. Quạt thổi mạnh hơn là đối lưu cưỡng bức.
Bức xạ là nhiệt phát ra dưới dạng tia hồng ngoại. Ở nhiệt độ thiết bị điện tử thông thường, phần này nhỏ hơn hai cách kia, nhưng bề mặt sơn tối màu, mờ bức xạ tốt hơn bề mặt kim loại sáng bóng.
Một bộ tản nhiệt tốt là một chuỗi: nhiệt dẫn từ linh kiện sang cánh tản, lan ra khắp cánh, rồi được không khí mang đi. Chuỗi yếu ở mắt xích nào, cả chuỗi yếu ở đó.
Mặt tiếp xúc và keo tản nhiệt: mỏng mới tốt
Mặt linh kiện và mặt cánh tản nhìn phẳng nhưng dưới kính lúp đầy gồ ghề. Giữa chúng là những túi khí nhỏ, và không khí dẫn nhiệt rất tệ.
Keo tản nhiệt được làm để lấp những túi khí đó. Nó dẫn nhiệt tốt hơn không khí nhiều, nhưng kém kim loại nhiều. Nên mục tiêu là một lớp mỏng nhất có thể, chỉ đủ lấp khe. Bôi dày như bơ lên bánh mì là làm lớp keo thành một lớp cách nhiệt.
Cách làm phổ biến: một chấm nhỏ ở giữa, ép cánh tản xuống đều tay, keo tự loang. Siết vít đều các góc để áp lực phân bố đều.
Với linh kiện có mặt kim loại nối điện, như nhiều transistor công suất, cần miếng đệm cách điện dẫn nhiệt giữa linh kiện và cánh tản nếu cánh tản nối với khung máy. Quên miếng này là chập mạch.
Cánh tản: diện tích, hướng đặt và màu sắc
Cánh tản nhiệt làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí. Càng nhiều cánh, càng nhiều diện tích. Nhưng cánh quá sát nhau thì không khí không lưu thông được giữa các cánh khi không có quạt.
Với đối lưu tự nhiên, đặt cánh đứng, các rãnh chạy theo chiều dọc, để không khí nóng bốc thẳng lên theo rãnh. Đặt cánh nằm ngang, không khí nóng bị kẹt dưới các cánh.
Đừng đặt cánh tản sát đáy hộp hay úp vào vách. Để khoảng trống phía trên và phía dưới cho không khí đi.
Với cùng một lượng nhiệt, cánh tản lớn hơn chạy mát hơn. Nếu không gian cho phép, cánh to không quạt thường bền và êm hơn cánh nhỏ có quạt, vì quạt là bộ phận hay hỏng nhất.
Quạt và luồng gió trong hộp kín
Khi đặt mạch vào hộp kín, nhiệt không có đường ra, không khí trong hộp nóng dần, và mọi thứ nóng theo. Cánh tản lớn cỡ nào cũng không giúp được nếu không khí quanh nó đã nóng.
Hộp cần đường gió: lỗ hút ở thấp, lỗ thoát ở cao, để không khí nóng tự bốc ra. Với quạt, gió vào một đầu, đi qua chỗ nóng nhất, rồi ra đầu kia. Hai quạt thổi ngược nhau hay lỗ thoát đặt sát lỗ hút làm gió quẩn tại chỗ.
Quạt hút ra ở phía trên thường hiệu quả vì thuận chiều không khí nóng bốc lên. Lỗ hút nên có lưới lọc bụi nếu xưởng nhiều bụi, và nhớ vệ sinh lưới.
Bụi bám trên cánh tản và quạt là kẻ thù thầm lặng. Sau vài tháng trong xưởng gỗ, một lớp bụi mịn phủ lên làm cánh tản như có áo khoác. Thổi sạch định kỳ.
Nhận ra quá nhiệt trước khi hỏng
Dấu hiệu sớm: thiết bị chạy tốt lúc đầu rồi hỏng sau một thời gian; chạy tốt vào sáng sớm, trục trặc vào trưa nắng; tự tắt rồi tự bật lại sau khi nguội. Nhiều mạch có bảo vệ nhiệt tự ngắt.
Nhiệt kế hồng ngoại cầm tay giúp đo nhanh bề mặt. Lưu ý nó đo kém chính xác trên kim loại sáng bóng; dán một mẩu băng keo giấy lên chỗ đo sẽ chính xác hơn.
Với linh kiện điện tử, thông số nhiệt độ tối đa nằm trong bảng dữ liệu. Để dư khoảng an toàn rộng; linh kiện chạy mát hơn thì sống lâu hơn nhiều.
Và một quy tắc an toàn: thiết bị có phần nóng phải được đặt xa vật dễ cháy, và không chạy khi không có người trông nếu nó từng có dấu hiệu quá nhiệt.
Câu hỏi thường gặp
Keo tản nhiệt bao lâu thì thay một lần?
Tuỳ loại keo và nhiệt độ làm việc. Keo có thể khô cứng dần sau vài năm. Nếu thiết bị nóng hơn trước mà quạt và cánh tản vẫn sạch, thay keo là một bước nên thử.
Dùng kem đánh răng thay keo tản nhiệt được không?
Không nên. Nó khô rất nhanh, nứt, và có thể chứa chất ăn mòn. Keo tản nhiệt chuyên dụng không đắt và bền hơn nhiều.
Cánh tản nhôm hay đồng tốt hơn?
Đồng dẫn nhiệt tốt hơn nhưng nặng và đắt. Nhôm nhẹ, rẻ, dễ gia công, đủ tốt cho phần lớn ứng dụng. Nhiều bộ tản nhiệt dùng đế đồng và cánh nhôm để kết hợp ưu điểm.
Vì sao quạt tản nhiệt kêu to dần?
Ổ trục quạt mòn hoặc khô dầu, hoặc bụi bám làm cánh mất cân bằng. Vệ sinh quạt, và thay quạt khi tiếng ồn không giảm. Quạt hỏng làm linh kiện quá nhiệt.
Sơn đen cánh tản có giúp mát hơn không?
Có giúp một phần nhờ tăng bức xạ, rõ hơn khi không có quạt. Nhưng lớp sơn dày có thể cản dẫn nhiệt một chút. Các cánh tản anod đen bán sẵn là cách làm tốt.
