الترانزستور أو المنظّم في غلاف TO-220 حين يعمل بجد يحوّل الطاقة الكهربائية إلى حرارة، واللسان المعدني الصغير في ظهره لا يستطيع التخلص من تلك الحرارة وحده. وهذا المشتت يُثبَّت على ذلك اللسان ويمنح الحرارة مكاناً تذهب إليه.

وهو كتلة ألمنيوم مبثوقة صغيرة بأبعاد ٢١ × ١٥ × ١٠ ملم، مزعنفة لزيادة المساحة، بفتحة لبرغي M3 الذي يثبّت الجهاز عليها. والنسخ ذات أطراف اللحام تثبّت المشتت في اللوحة نفسها، فيصبح التجميع متيناً ميكانيكياً ولا تحمل أطراف الجهاز وزنه.

والألمنيوم هو المادة الصحيحة: فهو يوصّل الحرارة جيداً ووزنه قليل وكلفته جزء بسيط من كلفة النحاس. والأنودة السوداء في بعض النسخ تضيف تحسناً طفيفاً في الإشعاع الحراري.

وهذه من أشيع القطع في إلكترونيات القدرة، ولها مهمة واضحة ومحدودة. وواقعياً يتعامل مع ١٫٥ إلى ٣ واط باستمرار حسب التهوية والحرارة المحيطة — بما يكفي لمنظّم يغذّي دارة صغيرة أو ترانزستور يبدّل حملاً متواضعاً أو شريحة قيادة. والقسم أدناه يشرح لماذا هذا الرقم أقل بكثير مما يفترضه معظم الناس.

المواصفات

النوع                   : مشتت حراري لغلاف TO-220، ألمنيوم مبثوق
الأبعاد                 : ٢١ × ١٥ × ١٠ ملم
                         (ويُباع أيضاً كـ ٢٠ × ١٥ × ١٠ - تباين طفيف)
المادة                  : ألمنيوم
التشطيب                 : أنودة سوداء أو ألمنيوم طبيعي
التثبيت                 : فتحة لبرغي M3
الأطراف                 : أطراف لحام في النسخة ذات الأطراف
                         لتثبيتها في اللوحة
الأغلفة المناسبة          : TO-220 و TO-220F و TO-126

المقاومة الحرارية         : نحو ٢٠ - ٢٥ درجة/واط في الهواء الطلق
                         (نموذجي لهذا المقاس - لا يُنشر عادة)
التبديد العملي           : نحو ١٫٥ - ٣ واط باستمرار، حسب الحرارة
                         المحيطة والتهوية

مطلوب منفصلاً            : معجون حراري (أساسي)
                         برغي وصامولة M3
                         وسادة عازلة وحلقة عازلة
                         (حين يلزم العزل الكهربائي)

أهم المزايا

• ملاءمة مباشرة لغلاف TO-220 — وهو الغلاف القياسي للمنظّمات والترانزستورات والثايرستورات والمقوّمات.

• بثق مزعنف — بمساحة سطح أكبر بكثير من صفيحة مسطحة بالحجم نفسه.

• أطراف لحام في النسخة ذات الأطراف — فيُثبَّت المشتت باللوحة، ويزيل الإجهاد الميكانيكي عن أطراف الجهاز.

• صغير بما يكفي للوحات الكثيفة — فـ ٢١ × ١٥ ملم تتسع حيث لا يتسع مشتت أكبر.

• ألمنيوم — بتوصيلية جيدة ووزن خفيف وكلفة زهيدة.

• الأنودة السوداء في بعض النسخ تضيف تبريداً إشعاعياً طفيفاً وتقاوم التآكل.

• يعمل مع أغلفة عائلة TO-220 الشائعة بما فيها TO-126 و TO-220F.

الاستخدامات

• منظّمات الجهد الخطية — مثل 7805 و LM317 و LM1117

• تبريد الترانزستورات والثايرستورات

• شرائح قيادة المحركات

• أجهزة الخرج في مضخمات الصوت

• مقوّمات القنطرة بغلاف TO-220

• الثايرستورات في أجهزة الخفت والتحكم

• دارات قيادة مصابيح الليد

• لوحات مصادر التغذية

• دارات شواحن البطاريات

• مراحل قيادة الريليهات والملفات اللولبية

ما القدرة التي يتعامل معها فعلاً

هذا هو القسم الذي يستحق القراءة، لأن الجواب الصريح أقل بكثير مما يتوقعه معظم الناس — والمبالغة في تقديره هي كيف تتلف المكونات.

والمقاومة الحرارية لمشتت بهذا المقاس نحو ٢٢ درجة/واط في الهواء الساكن. أي أن كل واط مبدَّد يرفع المشتت نحو ٢٢ درجة فوق الهواء المحيط.

واعمل مثالاً حقيقياً. فمنظّم 7805 يأخذ ١٢ فولت ويعطي ٥ فولت بتيار ١ أمبير يبدّد:

(١٢ فولت - ٥ فولت) × ١ أمبير = ٧ واط

وبمشتت بمقاومة ٢٢ درجة/واط، تنتج السبعة واط ارتفاعاً بـ ١٥٤ درجة فوق المحيط. ففي غرفة بحرارة ٢٥ يصل المشتت إلى ١٧٩ درجة. ووصلة المنظّم ستكون أسخن، وحدّها ١٢٥ درجة قد تُجووز بكثير. فسيتوقف على الحماية الحرارية، وإن فشلت الحماية فسيتلف.

والآن احسب عكسياً ما هو آمن فعلاً، بظروف عراقية:

حد حرارة الوصلة                ١٢٥ درجة
الحرارة المحيطة (صيفاً، داخلياً)  ٤٥ درجة
ميزانية الحرارة المتاحة          ٨٠ درجة

من الوصلة إلى الغلاف            نحو ٥ درجات/واط
من الغلاف إلى المشتت (بمعجون)    نحو ١ درجة/واط
من المشتت إلى الهواء             نحو ٢٢ درجة/واط
الإجمالي                       نحو ٢٨ درجة/واط

أقصى تبديد آمن = ٨٠ ÷ ٢٨ = نحو ٢٫٨ واط

أي نحو ٢٫٨ واط في غرفة حارة، وربما ٣٫٥ في غرفة مكيّفة. ولذلك المنظّم نفسه بفرق سبعة فولتات، يكون ذلك حداً أقصى نحو ٤٠٠ مللي أمبير لا أمبيراً واحداً.

وماذا تفعل حين تحتاج أكثر:

• استخدم مشتتاً أكبر. فالمقاومة الحرارية تنخفض مع الحجم — فمشتت كبير مزعنف قد يكون ٥ درجات/واط بدل ٢٢.

• أضف تهوية. فحتى مروحة صغيرة تخفض المقاومة الحرارية للنصف أو أكثر.

• قلّل فرق الجهد. فمنظّم يُغذّى من ٩ فولت بدل ١٢ يبدّد ٤ واط بدل ٧ عند التيار نفسه.

• استخدم منظّماً تبديلياً بدلاً منه. فمحوّل خافض بكفاءة ٩٠٪ يبدّد أقل من واط حيث يبدّد المنظّم الخطي سبعة. ولأي شيء فوق نصف أمبير بفرق جهد معتبر، هذا هو الجواب الصحيح لا مشتت أكبر.

والخلاصة الصريحة: هذا المشتت صحيح لبضعة واطات. وهو ليس حلاً لمنظّم خطي يؤدي عملاً حقيقياً، ولا يغيّر ذلك أي قدر من المعجون الحراري.

يجب استخدام المعجون الحراري

سطحان معدنيان مضغوطان معاً يبدوان متلامسين. وتحت التكبير يتلامسان عند بضع نقاط مرتفعة مع فجوات هواء بينهما — والهواء عازل ممتاز.

والمعجون الحراري يملأ تلك الفجوات. والتحسن كبير: فالوصلة الجافة قد تكون ٢-٣ درجات/واط بين الغلاف والمشتت، ومع المعجون تنخفض إلى نحو ٠٫٥-١. وعلى مشتت صغير يحمل ٢-٣ واط، ذلك الفرق عدة درجات في حرارة الوصلة.

وكيف تطبّقه:

• طبقة رقيقة لا كتلة. فالمعجون مالئ فجوات لا موصّل — وهو أسوأ بكثير من المعدن في توصيل الحرارة. فتريد الحد الأدنى الذي يملأ الفجوات.

• وزّعه بالتساوي على لسان الجهاز قبل التركيب.

• اشدد البرغي جيداً. فالتلامس المحكم يهم بقدر المعجون. وليس بقوة تكسر الغلاف.

• نظّف السطحين أولاً — فبصمات الأصابع والغبار والمعجون القديم كلها تدهور الوصلة.

حاسم: المشتت قد يكون حياً كهربائياً

هذه أهم نقطة سلامة في الصفحة، وتوقع الناس بانتظام.

فاللسان المعدني في غلاف TO-220 موصول داخلياً عادة بأحد أطرافه — بالمجمّع في الترانزستور الثنائي القطبية، أو بالمصرف في ترانزستور التأثير الحقلي، أو بالخرج في معظم المنظّمات. فاللسان ليس معدناً محايداً.

وبالتالي حين تثبّت مشتتاً مباشرة على اللسان، يحمل المشتت ذلك الجهد.

وماذا يعني ذلك عملياً:

• جهازان على مشتت واحد موصولان كهربائياً عبره. فترانزستوران يتقاسمان مشتتاً عارياً يكون مصرفاهما مقصورين معاً، وهذا يعني عادة دارة تالفة لحظة تطبيق الجهد.

• وإن لمس المشتت هيكلاً مؤرضاً أو غلافاً أو مكوّناً آخر، فقد أنشأت قصراً.

• وإن كان المشتت قابلاً للمس باليد في دارة تعمل من الشبكة — كجهاز خفت بثايرستور مثلاً — فقد يكون بجهد الشبكة وهو خطر صعق حقيقي.

ومتى تحتاج العزل:

• جهازان أو أكثر يتقاسمان مشتتاً واحداً (إلا إن كان ينبغي لألسنتهما أن تكون موصولة فعلاً)

• المشتت مؤرض أو يلمس أي شيء مؤرض

• المشتت قابل للوصول في دارة تعمل من الشبكة

• الدارة تتطلب أن يكون اللسان طافياً

وكيف تعزل: ركّب وسادة عازلة بين الجهاز والمشتت — ميكا مع شحم حراري، أو وسادة سيليكون حرارية — وحلقة عازلة ذات كتف على برغي التثبيت، فلا يقصر البرغي اللسان مع المشتت حول الوسادة.

وبعد التجميع، اختبره. اضبط جهاز قياس على الاستمرارية وافحص بين لسان الجهاز والمشتت. ويجب أن تكون القراءة مفتوحة. وهذا يأخذ خمس ثوانٍ ويمنع لوحة تالفة.

وبديل مفيد: غلاف TO-220F له جسم بلاستيكي معزول تماماً دون لسان مكشوف. فيُركّب مباشرة على المشتت دون حاجة لعازل. وهو يوصّل الحرارة بشكل أقل قليلاً، لكنه للتطبيقات منخفضة القدرة أبسط وأأمن.

الاتجاه يهم أكثر مما تظن

يحرّك الحمل الحراري الطبيعي الهواء صعوداً بين الزعانف. وما إذا كانت الزعانف تسمح بتلك الحركة يحدد مدى جودة عمل المشتت.

ركّب الزعانف عمودياً، فيصعد الهواء بحرية بينها. والمشتت بزعانف مستلقية أفقياً يحبس الهواء الساخن ويفقد جزءاً معتبراً من أدائه.

واترك مساحة حوله. فالمشتت المضغوط على لوحة أو جدار أو مكوّن آخر لا يستطيع سحب هواء بارد. اترك ١٠-١٥ ملم خالية على جانبي الزعانف.

وانتبه لما فوقه. فالهواء الساخن الصاعد من هذا المشتت يصبح الهواء المحيط لكل ما فوقه مباشرة — وخصوصاً المكثفات الكيميائية، التي تتقادم بسرعة في الحرارة.

الحرارة المحيطة في العراق تغيّر الحسابات

كل ما يخص حساب المشتتات يفترض حرارة محيطة، والأرقام المنشورة تفترض ٢٥ درجة تقريباً دائماً.

وفي غرفة بحرارة ٤٥، تكون عشرون درجة من ميزانيتك الحرارية قد ذهبت قبل أن يبدّد الجهاز أي شيء. فالتصميم ذو الهامش المريح في مختبر أوروبي قد يكون على الحافة أو فاشلاً هنا.

والعواقب العملية:

• خفّض بنحو ٢٥-٣٠٪ من أي رقم محسوب عند ٢٥ درجة.

• وداخل غلاف محكم تكون الحرارة المحيطة أعلى بعد — غالباً ١٠-٢٠ درجة فوق حرارة الغرفة. قسها بدل افتراضها.

• هوّ الأغلفة التي تحوي ما يبدّد قدرة حقيقية.

• افحص تصميمك في تموز لا في كانون الثاني. فاللوحة التي تعمل دافئة شتاءً تعمل حارة صيفاً، والمكثفات الكيميائية الساخنة هي أول الضحايا عادة.

وقاعدة تقريبية: إن كان المشتت أسخن من أن تضع إصبعك عليه بارتياح، فهو فوق نحو ٦٠ درجة وأنت تقترب من حدود ما يستطيعه هذا المقاس.

ملاحظات عملية

• استخدم برغي M3 مع حلقة. فالحلقة توزّع قوة الشد وتتجنب إتلاف الغلاف البلاستيكي.

• لا تفرط في الشد. فالإحكام يكفي، والقوة المفرطة تشقق الأغلفة.

• أزل نتوءات فتحة التثبيت إن كان للمشتت حافة حادة، فقد تقطع الوسادة العازلة.

• أطراف اللحام تثبّت المشتت باللوحة، وهذا يهم في كل ما يهتز. فبدونها تحمل أطراف الجهاز وزن المشتت.

• تحقق من أبعاد دفعتك. فهذه تُباع كـ ٢١ × ١٥ × ١٠ وكـ ٢٠ × ١٥ × ١٠ ملم. وإن كنت تصمم مخطط لوحة حول الأطراف، فقس قبل الالتزام.

• الأنودة السوداء تؤدي أفضل بقليل من الألمنيوم العاري عبر الإشعاع — بنسب قليلة لا تحوّلاً جذرياً.