Calculating IC rating in different Temperature for safe operation

ইলেকট্রনিক আইসিগুলোর ডাটাশীটে যে রেটিংগুলো দেয়া থাকে তাতে তাপমাত্রার উল্লেখ না থাকলে ২৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস বাতাসের তাপমাত্রায় সঠিকভাবে হিট সিংক ব্যবহারের জন্য কার্যকর বলে ধরে নিতে হয়। তবে হিটসিংক ব্যবহার করতে না চাইলে বা আলাদা কোন তাপমাত্রায় অপারেট করতে চাইলে ডাটাশীট দেখে অপারেটিং রেটিংগুলো আলাদা ভাবে নির্ণয় করতে হয়। এসব ক্ষেত্রে ডাটাশীটের রেটিং এ অপারেট করা হলে আইসির তাপমাত্রা বেড়ে তা নষ্ট হয়ে যেতে পারে।

সিলিকন সেমিকণ্ডাকটরগুলো সাধারণত ১২৫ থেকে ১৫০ বা কিছুক্ষেত্রে ১৭৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে। তবে ১০০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি তাপমাত্রায় অপারেট করা হলে সিলিকন আইসির আয়ুষ্কাল সাংঘাতিকভাবে কমে যায়।

যেকোনো সেমিকন্ডাকটর ডিভাইস বা আইসিতে তাপ উৎপন্ন হয়। এই নির্গত তাপ হল এর দ্বারা অপচয়কৃত শক্তি বা পাওয়ার লস। এই তাপ যদি পরিবেশে দ্রুত ছড়িয়ে দেয়া না যায় তাহলে আইসির তাপমাত্রা বেড়ে তা নষ্ট হয়ে যেতে পারে। এজন্য আমাদের প্রথম কাজ হবে, ডাটাশীট দেখে কোনো আইসি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় একক সময়ে কত তাপ পরিবেশে ছড়িয়ে দিতে পারে তা নির্ণয় করা। এরপর কোন কোন অপারেটিং কন্ডিশনে এর চেয়ে কম তাপ একক সময়ে উৎপন্ন হবে তা নির্ণয় করতে হবে।

এজন্য প্রথমেই জানতে হবে ইলেকট্রনিক আইসিগুলোর জাংশন আর কেস কী। জাংশন বলতে আইসির প্যাকেজিং এর ভিতরে থাকা মূল যে সিলিকন বা সেমিকন্ডাকটর অংশ থাকে তাকে বোঝায়। এটির তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণে রাখার ওপরই অন্যান্য রেটিং নির্ভর করে থাকে। আর কেস বা কেসিং হল বাইরের ধাতব বা প্লাস্টিকের সমতল অংশ যেখানে সাধারণত হিটসিংক সংযুক্ত করা হয়। যে আইসির জাংশন থেকে এম্বিয়েন্টের বা পরিবেশের মধ্যে তাপ পরিবহন ক্ষমতা বা থার্মাল কন্ডাকটিভিটি যত বেশি সে আইসি থেকে আমরা তত তাড়াতাড়ি তাপ পরিবেশে ছড়িয়ে দিতে পারব।

ডাটাশীটে সাধারনত R_θJA বা θ_JA দেয়া থাকে। এটি হল জাংশন থেকে এম্বিয়েন্ট বা পরিবেশের থার্মাল রেজিস্ট্যান্স। ইলেকট্রিকাল রেজিস্ট্যান্স কম হলে যেমন বিদ্যুৎ বেশি প্রবাহিত হয়, তেমনি থার্মাল রেজিস্ট্যান্স কম হলে তাপের প্রবাহ দ্রুত হয়। তাই এই মান যত কম হবে, তত দ্রুত তাপ বেরিয়ে যেতে পারবে। এর একক হল ˚C/W.

ডাটাশীটে সাধারনত সর্বোচ্চ অপারেটিং তাপমাত্রা T_max দেয়া থাকে, না থাকলে আমরা ১৫০ ডিগ্রি সেলসিয়াস ধরে নিয়ে কাজ করব।

পরিবেশের তাপমাত্রা T_ambient  ৪৫ বা ৫০ ধরে কাজ করা যায়। এই দুই তাপমাত্রার পার্থক্যকে থার্মাল রেজিস্ট্যান্স দিয়ে ভাগ করলেই বের হবে কত ওয়াট তাপ প্রতি সেকেন্ডে জাংশন থেকে নির্গত হওয়া সম্ভব। অর্থ্যাৎ একক সময়ে সর্বোচ্চ তাপ নির্গমনের ক্ষমতা,

এর পরের ধাপটি বিভিন্ন ধরনের আইসির জন্য বিভিন্ন রকম হবে। আমরা জানি, নির্গত তাপ, P=VI=I²R=V²/R.  এই তিনটি সূত্রের যেকোন একটি থেকে আমাদের উৎপন্ন তাপের মান বের করা যায়। উৎপন্ন তাপের মান P_DMAX  এর চাইতে কম হলে ডিজাইনটি নিরাপদ। কিংবা নির্গত তাপের মান থেকে কারেন্ট বা ভোল্টেজের মান বের করা যায়।

অনেকসময় কাজটি সহজ নাও হতে পারে। তবে মনে রাখতে হবে, ডাটাশীট ভালভাবে পর্যবেক্ষণ করলে সাধারনত মোটামুটি একটি ধারনা সহজেই পাওয়া যায়। আর একই ধরনের কয়েকটি আইসির ডাটাশীট পড়লে তুলনা করে সবচে ভালটি বেছে নিতে সুবিধা হয়।

তবে পাওয়ারের হিসাবটি সবচে ভালভাবে করা যায় যদি নিজেদের ডিজাইনের ওপর পরীক্ষা চালিয়ে আইসিটির ইনপুট পাওয়ার P_in ও আউটপুট পাওয়ার P_out বের করে P_D এর মান বের করা যায়।

বোঝার সুবিদার্থে এখন থেকে আমরা বহুল ব্যবহৃত L7805 linear voltage regulator এর সাহায্যে উদাহরণ দিব। L7805 এর কাজ হল 7-35 ভোল্টের কোন ডিসি ইনপুট নিয়ে আউটপুটে ৫ ভোল্ট(4.8-5.2) সাপ্লাই দেয়া। মনে করি, LM7805 এর সাহায্যে 7.5 ohm এর একটি রেজিস্টিভ লোডে ৫ ভোল্ট পাওয়ার সাপ্লাই দেয়া হচ্ছে ।

মনে করি, L7805 এর ইনপুট ভোল্টেজ হল V_in, ইনপুট কারেন্ট I_inআর ইনপুট পাওয়ার, P_in=V_in×I_in। একই ভাবে আউটপুটের কারেন্ট আর ভোল্টেজ গুণ করে পাওয়া যাবে P_out. তাহলে পাওয়ার লস বা উৎপন্ন তাপের মান হবে, P_D= P_in-P_out .  এই P_D এর মান P_DMax এর চাইতে কম হলে হিট সিংকের প্রয়োজন হবে না। তবে যদি বেশি হয় তবে হিট সিংক দরকার হবে।

এবার হিট সিংক দরকার হবে জেনে বাজার থেকে যেকোন একটি হিট সিংক এনে লাগিয়ে দিলেই হবে না। কি ধরনের হিট সিংক লাগাতে হবে এটিও বেশ খানিকটা হিসাবের বিষয়।

আগেই বলেছি জাংশন থেকে তাপ অপসারণ করাই আমাদের উদ্দেশ্য। হিট সিংক ব্যবহার না করলে কতটুকু তাপ অপসারণ করা যায়, সেই হিসেব করার সময় আমরা যে  জাংশন থেকে পরিবেশের থার্মাল রেজিস্ট্যান্স (R_θJA) বের করেছি তা আসলে জাংশন থেকে কেস(θ_JC/R_θJC) আর কেস থেকে পরিবেশের(R_θCA/ θ_CA) থার্মার রেজিস্ট্যান্স এর যোগফল। অর্থাৎ,

θ_JA = θ_JC + θ_CA

আর যখন আমরা হিট সিংক ব্যবহার করব তখন  θ_JA  এর মান হবে, জাংশন থেকে কেস (θ_JC), কেস থেকে সিংক(θ_CS) আর সিংক থেকে পরিবেশের(θ_SA) থার্মাল রেজিস্ট্যান্স এর ওপর। তাহলে সমীকরনটি এখন হবে,

θ_JA = θ_JC + θ_JS + θ_SA

যেখানে θ_JC এর মান আইসির ডাটাশীটে দেয়া থাকবে, θ_JS এর নির্ভর করবে ব্যবহৃত গ্রিজ বা থার্মাল পেস্ট এর পুরুত্ব আর তাপমাত্রিক ধর্মের ওপর, যেটার জন্য প্রস্তুতকারী প্রতিষ্ঠান এর দেয়া তথ্যের ওপর নির্ভর করতে হবে। এরপর

এই সূত্র থেকে θ_JA  এর মান বের করে θ_SA  এর মান বের করতে হবে। এটিই হল প্রয়োজনীয় হিট সিংক এর সর্বোচ্চ থার্মাল রেজিস্ট্যান্স। এই মান বা তারচেয়ে কম মানের থার্মাল রেজিস্ট্যান্স যুক্ত হিট সিংক ব্যবহার করলে ভাল ফলাফল পাওয়া যাবে। কিছু হিট সিংক মডেল নাম্বার ও স্পেসিফিকেশন সহ বাণিজ্যিকভাবে বিক্রি হয়। তবে স্পেসিফিকেশন সহ হিটসিংক আমাদের দেশের বাজারে খুব একটা পর্যাপ্ত নয়।  

যেকোনো লোকাল মার্কেট থেকে কেনা হিট সিংক এর আনুমানিক থার্মাল রেজিস্ট্যান্স জানতে অনলাইন হিট সিংক ক্যালকুলেটরের সাহায্য নেয়া যেতে পারে। সেখানে হিট সিংক এর ডাইমেনশন আর কোন ধরনের ধাতু দিয়ে তা তৈরি করা হয়েছে এই তথ্য গুলো দিলে মোটামুটি মান জানতে পারা যায়।

হিট সিংক এর  থার্মাল রেজিস্ট্যান্স অনেক কিছুর ওপর নির্ভর করে। তাই যেকোন ডিজাইন করার সময় সাবধানতার জন্য পরিবেশের তাপমাত্রা অন্তত ৪৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস ধরা উচিত। আর ডিজাইনটা যদি বদ্ধ কোন কেসের মধ্যে রাখার পরিকল্পনা করা হয় তবে ৬০ ডিগ্রি সেলসিয়াস ধরে হিসাব নিকাশ করা বেশি নিরাপদ। কারন বাতাসের প্রবাহ কম হলে হিট সিংক এর কার্যকারিতা কমে যায়। আরও ভাল ফলাফল পেতে কুলিং ফ্যান ব্যবহার করা হয়।

এবার আবার L7805  এর উদাহরণটায় ফিরে আসা যাক। ধরা যাক আইসিটিতে ৩০ ভোল্ট ইনপুট দেয়া হচ্ছে, আর সঠিকভাবে পরিমাপের পর নিচের তথ্যগুলো পাওয়া গেল।

V_in = 30V

I_in = .67A

P_in = V_in × I_in = 20.1 W

V_out = 4.98V

I_out = .66A

P_out = 3.2868 W

P_D = P_in- P_out= 16.8132 W ~ 17 W

তাহলে এই ১৭ ওয়াট তাপ আইসিটি থেকে নির্গত হবে। TO-220 প্যাকেজের R_θJA এর মান দেয়া আছে ৫০ ডিগ্রি সেলসিয়াস/ওয়াট। আর অপারেটিং তাপমাত্রা ১৫০। তাহলে হিট সিংক ছাড়া আইসিটি থেকে তাপ নির্গত করা সম্ভব সর্বোচ্চ,

তাহলে অবশ্যই হিট সিংক ব্যবহার করতে হবে, তাছাড়া প্রতি সেকেন্ডে (১৭-২)×৫০ বা ৭৫০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা বৃদ্ধি পাবে। কিন্তু L7805  এর কারেন্ট আর নির্গত তাপের মান ইন্টারনালি কন্ট্রোল করার ব্যবস্থা আছে বলে আইসিটি নষ্ট হবে না, কিন্তু সার্কিটটিতে কারেন্টের মান খুবই কমে যাবে, ফলে ভোল্টেজ রেগুলেশন অসম্ভব হয়ে পরবে।

এবার হিট সিংক এর হিসাব করা যাক, ডাটাশীট থেকে পাই, θ_JC এর মান ৫ ওয়াট প্রতি ডিগ্রি। θ_JS এর মান আমরা এক্ষেত্রে 0.5 ওয়াট/ডিগ্রি ধরে নিব।

আসলে এত কম থার্মাল রেজিস্ট্যান্স(০.৩৩ ডিগ্রি সেলসিয়াস/ওয়াট) এর হিট সিংক আকারে অস্বাভাবিক বড় হবে। অর্থাৎ ডিজাইনটি প্রায় অবাস্তব। যদিও আমরা আইসিটির কারেন্ট আর ভোল্টেজ রেটিং এর বাইরে ডিজাইন করি নি, কিন্তু তাপমাত্রা ধরেছি ৫০ ডিগ্রি সেলসিয়াস, অবশ্যই নিরাপত্তার জন্য। তবে এবার দেখা যাক ২৫ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় কেমন হিট সিংক লাগবে,

এইটা মোটামুটি প্রাক্টিক্যাল একটা হিট সিংক বলা যায়। যাই হোক, এতক্ষণ যা কিছু আলোচনা করা হল তা হিট সিংক ডিজাইনের খুবই সীমিত অংশ। আইসির রেটিং নির্ণয়েরও এটি প্রায় প্রাথমিক ধাপ।

আলোচনাটি ভাল লাগলে শেয়ার করে সবাইকে শেখার সুযোগ করে দিন। ইউটিউবে ইলেকট্রোকথন চ্যানেলটি সাবস্ক্রাইব করে আমাদের ভিডিওগুলো নিয়মিত দেখতে থাকুন। সুস্থ থাকুন, ভাল থাকুন, জানার ও শেখার জন্য বেশি বেশি পড়ুন। 

To know more

•     Understanding Thermal Dissipation and Design of a Heat sink by Texas Instruments

• HEAT SINK CALCULATION AND EXAMPLES an application example by S GS-THOMSON Microelectronics