Heatsinks -- ഒരു "ചൂടൻ" ചർച്ച

ചോ: പരിചയസമ്പന്നരായ DIYers പോലും പലപ്പോഴും പരസ്പരവിരുദ്ധമായ പരാമർശങ്ങൾ നടത്തുന്ന ഒരു മേഖലയാണ് heatsink സെലക്ഷനും ഉപയോഗവും. “ചൂടൻ” ചർച്ചകൾ നടക്കുന്നതല്ലാതെ അടിസ്ഥാന കാര്യങ്ങളിൽ വലിയ വ്യക്തത കൈവരുന്നില്ല എന്ന് സമ്മതിക്കേണ്ടിയിരിക്കുന്നു. ദയവായി ഈ വിഷയത്തിൽ ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട വസ്തുതകൾ വ്യക്തമാക്കിയാൽ നന്നായിരുന്നു.

ഉ: ഉത്തര കാണ്ഡം പതിവ് ശൈലിയിൽ ഒരു ഒറ്റവാക്ക് ഉത്തരം ആയാലോ? ഓഡിയോ സംബന്ധമായ ഉപയോഗത്തിൽ “അയ്യോ, heatsink വലുതായിപ്പോയേ …” എന്ന് നിലവിളിക്കേണ്ട സാഹചര്യം ഒരിക്കലും ഉണ്ടാവാൻ സാധ്യതയില്ല. The more the merrier, the bigger the better … എന്ന ശൈലിയാണിവിടെ കാമ്യം, വിശേഷിച്ചും നിങ്ങൾ ഒരു class-A ആമ്പ് “ഭക്തൻ” ആണെങ്കിൽ.

ചൂടിന്റെ ചരിത്രം

99 ശതമാനം പ്രയോഗ സാഹചര്യങ്ങളിലും ഇലക്ട്രോണിക് devices ൻ്റെ / ഉപകരണങ്ങളുടെ ആയുസ്സും അവ പ്രവർത്തിക്കുന്ന temperature ഉം തമ്മിൽ ബന്ധമുണ്ട്. പൊതുവെ പറഞ്ഞാൽ, temperature എത്രത്തോളം കുറഞ്ഞിരിക്കുന്നോ , അത്രത്തോളും ആയുസ്സു കൂടിയിരിക്കും എന്ന് കരുതാം. ഇവിടെയാണ്‌ വാസ്തവത്തിൽ നല്ല efficient ആയ heatsinks ൻ്റെ സാംഗത്യം വർധിക്കുന്നതും.

ഈ സങ്കല്പത്തിന് രസകരമായ ചില അപവാദങ്ങൾ ഇല്ലെന്നല്ല. ഒരു കാലത്തു ഓഡിയോ മേഖലയാകെ ഇളക്കി മറിച്ച ഒരു പേരായിരുന്നു 47 Labs എന്ന “മിടുമിടുക്കൻ” കമ്പനിയുടെ Gaincard എന്ന chip amp. Junji Kimura എന്ന യുവ ഡിസൈനറുടെ ഭാവനയിൽ ഉരുത്തിരിഞ്ഞു വന്ന, അന്നേ വരെ അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടിരുന്ന ഡിസൈൻ സങ്കേതങ്ങൾക്കു കടകവിരുദ്ധമായ രീതിയിൽ നിർമ്മിക്കപ്പെട്ട ഒരു ആമ്പായിരുന്നു 1999 ൽ പുറത്തിറക്കിയ 47 Labs ൻ്റെ Gaincard Model 4706.

Junji Kimura - 47 Labs

 
( https://www.sakurasystems.com/about.html
https://www.stereophile.com/content/47-laboratory-4706-gaincard-power-amplifier
https://6moons.com/audioreviews/47labs5/gaincard.html )

ഇതൊരു തുടക്കം മാത്രമായിരുന്നു. നൊടിയിടയിൽ ലോകമാകമാനമുള്ള പരശ്ശതം ഹോബിയിസ്റ്റുകൾ ലക്ഷക്കണക്കിന് “gain-clone” chip amps നിർമ്മിക്കാൻ തുടങ്ങി. എന്തിനു, പല “high-end” ഡിസൈനേഴ്‌സും ഈ “bandwagon” ൽ കയറി നല്ല പണവും പ്രശസ്തിയും നേടി എന്നത് മറ്റൊരു സത്യം.

Gaincard Amp + Power Supply

ഇതിവിടെ പരാമർശിക്കാൻ ഒരു കാരണവുമുണ്ട്. ഡിസൈൻ സങ്കല്പങ്ങളിൽ നിന്നും “conventional wisdom” ഏതാണ്ട് പൂർണ്ണമായി തള്ളിക്കളഞ്ഞ Kimura, തൻ്റെ ആമ്പിന്റെ പ്രവർത്തനമികവിനു മറ്റൊരു കാരണം കൂടി അവതരിപ്പിച്ചു – അതായതു അദ്ദേഹം ഉപയോഗിച്ച National Semiconductor കമ്പനിയുടെ LM 3875 chip ഏറ്റവും നന്നായി പ്രവർത്തിക്കുന്നത് ഒരു ചെറിയ heatsink മാത്രം ഉപയോഗിച്ചത് കാരണം ഉണ്ടായ ഉയർന്ന temperature ൽ ആണെന്ന്. ഇതും ഭാഗ്യവശാലോ, നിർഭാഗ്യവശാലോ ഹോബിയിസ്റ്റുകൾ തൊണ്ട തൊടാതെ അതേ പടി വിഴുങ്ങി. ഫലമോ, ഇന്നും chip amp കളെ “തിളപ്പിച്ച് വശം കെടുത്തുന്ന” ധാരാളം ഡിസൈൻസ് കാണാമെന്നതാണ്. അതവിടെ നിൽക്കട്ടെ. നമുക്ക് heatsink ധർമ്മങ്ങൾ, പ്രവർത്തനം ഇവയിലേക്കു പോകാം.

Heatsink – ധർമ്മവും, മർമ്മവും

എന്താണ് heatsink എന്നാദ്യം നോക്കാം. Thermodynamics തിയറി അനുസരിച്ചു ചൂടുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്നും ആ ചൂട് ആഗിരണം ചെയ്താലും സ്വന്തം ഊഷ്മാവ് അല്പം പോലും കൂടാത്ത ഒരു വലിയ “ചൂട് വിഴുങ്ങുന്ന കലവറ” ആണ് ഒരു ആദർശപരമായ heatsink. വാസ്തവത്തിൽ ഈ നിർവചനം അനുസരിച്ചു ഒന്നുകിൽ അന്തരീക്ഷമോ, സമുദ്രമോ ആയിരിക്കും ഇത്രയധികം capacity ഉള്ള ഒരു ‘heatsink’. നാം സാധാരണയായി heatsink എന്ന് വിളിക്കുന്ന വസ്തുക്കൾ ശരിക്കും heat exchangers ആണ് – ഒരു ചൂടായ വസ്തുവിൽ നിന്നും ചൂടിനെ “യഥാർത്ഥ heatsink” ലേക്ക് പകർന്നു നൽകുന്ന ഒന്ന്. ഇവിടെ വേദവാക്യം പോലെ ഹോബിയിസ്റ്റുകൾ ഓർത്തിരിക്കേണ്ട ഒരു കാര്യമുണ്ട് – surface area എത്ര കണ്ടു കൂടുന്നോ, അത്ര കണ്ടു heat transfer efficiency കൂടും. തുല്യ അളവുകളുള്ള രണ്ടു ഹീറ്റ്സിങ്കുകൾ എടുത്താൽ, തീർച്ചയായും 10 fins ഉള്ളതിനേക്കാളും cooling നൽകുന്നത് 15 fins ഉള്ള ഒന്നായിരിക്കും. ഒരു heatsink catalogue പരിശോധിച്ചാൽ ഇത് ബോധ്യപ്പെടും.

Heatsink - working principle

നമ്മുടെ ചുറ്റും ഒന്ന് കണ്ണോടിക്കുക – cooling ആവശ്യമുള്ള സാഹചര്യങ്ങൾ പലതു കാണാം. ഒരു കാർ എഞ്ചിനിൽ ഘടിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന റേഡിയേറ്റർ നല്ല ഒരു heat exchanger ആണെന്ന് കാണാം. എഞ്ചിന്റെ ഉയർന്ന ഊഷ്മാവ് ജലത്തിലേക്ക് ആവാഹിച്ചു, വായു സഞ്ചാരത്തിന് സഹായകമായ വലിയ പ്രതലമുള്ള radiator മുഖാന്തരം “ultimate heatsink” ആയ അന്തരീക്ഷത്തിലേക്ക് തള്ളുന്നു. ഒരു ബോട്ടിന്റ്റെയോ, കപ്പലിന്റെയോ എഞ്ചിനിൽ നിന്നുള്ള ചൂട് ഇതേ രീതിയിൽ യഥാർത്ഥ heatsink ആയ നദിയിലേക്കോ, സമുദ്രത്തിലേക്കോ തള്ളുന്നു. അതുപോലെ ഒരു thermo-nuclear power plant തണുപ്പിക്കാനായി ദശ ലക്ഷക്കണക്കിന് ലിറ്റർ സമുദ്രജലം ആണുപയോഗിക്കുന്നതു. ഇക്കാരണത്താൽ nuclear station ൻ്റെ സമീപത്തെ സമുദ്രജലത്തിന്റെ ഊഷ്മാവ് കുറച്ചൊക്കെ ഉയരുന്നതായും കാണാം. ഇനി ആമ്പുകളിലേക്കു നോക്കിയാൽ, തിളച്ചു മറിയുന്ന ചൂടിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരു class-A ആമ്പിനെ തണുപ്പിക്കുന്നതു output devices ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന വലിയ പ്രതലമുള്ള ( surface area ) aluminium അഥവാ copper heat exchangers ആണ് – പ്രായോഗികമായി നാം ഇവയെ heatsink എന്ന് വിളിക്കുന്നെങ്കിലും.

Heatsinks ൻ്റെ പ്രവർത്തനം ലളിതമായ ഒരു ഉദാഹരണത്തിലൂടെ മനസ്സിലാക്കാവുന്നതേയുള്ളൂ. ലക്ഷക്കണക്കിന് ലിറ്റർ ജലം നിറഞ്ഞിരിക്കുന്ന ഒരു കുളം സങ്കൽപ്പിക്കുക. ഇതിന്റെ ഊഷ്മാവ് അളക്കാനായി നല്ല ഒരു തെർമോമീറ്റർ ഉണ്ടെന്നും കരുതുക. ഈ കുളത്തിലേക്ക് നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചതു പോലെ ചൂടായിരിക്കുന്ന ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്നും (mechanical, electrical or electronic) ചൂട് ആഗിരണം ചെയ്ത (100 degree Celsius ) ഒരു 10 L വെള്ളം ഒഴിക്കുന്നു. ഊഷ്മാവിൽ ഒരു മാറ്റവും കാണുന്നില്ല. വീണ്ടും, വീണ്ടും 100 ഡിഗ്രിയിൽ തിളയ്ക്കുന്ന വെള്ളം ഒഴിക്കുന്നു, എന്നിട്ടും കുളത്തിന്റെ ഊഷ്മാവിൽ പ്രകടമായ മാറ്റങ്ങൾ ഒന്നും കാണുന്നില്ല. ഒരു pump ഉപയോഗിച്ച് ഈ രീതിയിൽ ഓരോ മിനിറ്റിലും 10 L വീതം തിളയ്ക്കുന്ന ജലം കുളത്തിലേക്ക് ഒഴിക്കുകയാണെങ്കിൽ ഒരു ഒന്ന് രണ്ടു ദിവസം കൊണ്ട് നേരിയ ഒരു temperature rise കാണാനാവും. പക്ഷെ അതിവിശാലമായ കുളത്തിന്റെ പ്രതലം വഴിയുള്ള evaporation cooling ഈ ഉയർന്ന ഉഷ്മാവിനെ അന്തരീക്ഷത്തിലേക്ക് തള്ളി വിട്ടു അവിടെ ഒരു “സ്ഥിരത” (steady state condition or thermal equilibrium) ഉണ്ടാക്കുന്നതായും കാണാം. ഇതാണ് ആദർശപരമായ (ideal ) ഒരു heatsink ൻ്റെ പ്രവർത്തനം.

Thermal Resistance എന്ന കടമ്പ

Thermal Resistance

Electrical current നെ എപ്രകാരമാണോ Ohmic resistance പ്രതിരോധിക്കുന്നത്, അതെ രീതിയിൽ ചൂടിന്റെ ഒഴുക്കിനെയും പ്രതിരോധിക്കുന്ന ഒന്നാണ് thermal resistance (Rth). പ്രായോഗികമായി ഇത് പല പല ഘട്ടങ്ങളിൽ ഉണ്ടാവും. തണുപ്പിക്കേണ്ട വസ്തു ഒരു CPU അല്ലെങ്കിൽ ഒരു ആമ്പിന്റെ output device ആണെന്ന് കരുതിയാൽ, അതിന്റെ semiconductor junction, അതിന്റെ ആവരണം ഇവക്കിടയിൽ ആണ് ഒന്നാമത്തെ thermal resistance കാണപ്പെടുന്നത്. (ഇത് നമ്മുടെ കൈപ്പിടിയിൽ ഉള്ള ഒന്നല്ല.) തുടർന്ന് അതിന്റെ ആവരണം അല്ലെങ്കിൽ case moulding നും, heat exchanger / heatsink നും (ഇനി മുതൽ നമുക്ക് പ്രായോഗികമായി ‘heatsink’ എന്ന പദം തന്നെ ഉപയോഗിക്കാം) ഇടയിൽ അടുത്ത thermal resistance കാണുന്നു. അവസാനമായി heatsink നും, അന്തരീക്ഷ വായുവിനും ഇടയിൽ സാമാന്യം വലിയ ഒരു thermal resistance കാണപ്പെടുന്നു.

Thermal resistance കുറയ്‌ക്കുക എന്നതാണ് heatsink design ലെ പ്രധാന വെല്ലുവിളി. ഉയർന്ന thermal conductivity ഉള്ള ലോഹങ്ങൾ (copper, aluminium etc) ഉപയോഗിക്കുക, പരമാവധി surface area നൽകുന്ന, നല്ല വായു സഞ്ചാരം ഉറപ്പാക്കുന്ന തരത്തിലുള്ള cooling fin designs സ്വീകരിക്കുക ഇവയൊക്കെയാണ് ഇവിടെ കരണീയം. ഈ thermal resistance കൾ നിര നിരയായി, series ആയി വരുമ്പോൾ, heatsink temperature വളരെയധികം ഉയർന്നിട്ടില്ലെങ്കിലും, device junction temperature ക്രമാതീതമായി ഉയരാൻ സാധ്യതയുണ്ട്. Efficient cooling കിട്ടണമെങ്കിൽ, thermal equilibrium ഉണ്ടാവണമെങ്കിൽ, മേൽ പറഞ്ഞ ഓരോ thermal resistance നെയും കുറയ്ക്കാനുള്ള സങ്കേതങ്ങൾ സ്വീകരിക്കേണ്ടിയിരിക്കുന്നു. ഇവ ഒന്നൊന്നായി പരിശോധിക്കാം.

ഒരു CPU / power transistor / power MOSFET ഇവയുടെ നിർമ്മാണ ഘട്ടത്തിൽ തന്നെ അനുയോജ്യമായ thermal interface materials ൻ്റെ, ഉപയോഗം, ചൂട് പകർന്നു നല്കാൻ ഉതകുന്ന case design ഇവയൊക്കെ ഡിസൈനർ ഇണക്കിയിരിക്കും. ഒരു ഹോബിബിയിസ്റ്റിനെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം ശേഷമുള്ള കാര്യങ്ങളിലെ അറിവും, ശ്രദ്ധയുമാണ് പരമപ്രധാനം. ഒരു ആമ്പിന്റെ output device നാം തിരഞ്ഞെടുത്ത ഒരു heatsink ലേക്ക് ഉറപ്പിക്കുമ്പോൾ നമ്മൾ യഥാർത്ഥത്തിൽ ഇക്കാര്യങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കിയാണോ ചെയ്യുന്നത്?

ഒരു power device നേരിട്ട് heatsink ലേക്ക് ഉറപ്പിക്കുന്നു എന്ന് കരുതുക. അവയുടെ പ്രതലങ്ങൾ പരിപൂർണ്ണമായി ചേർന്നിരിക്കുകയാണോ? അതോ അവിടെ thermal resistance ഉളവാകുന്നുണ്ടോ? തീർച്ചയായും ഉണ്ട്. ഒരു microscope ലൂടെ പരിശോധിക്കുകയാണെങ്കിൽ smooth / perfect ആണ് എന്ന് നമ്മൾ കരുതുന്ന പ്രതലങ്ങൾ ഏതാണ്ട് കേരളത്തിലെ റോഡുകൾ പോലെ കുണ്ടും കുഴിയും നിറഞ്ഞതായിരിക്കും. ഒരു നല്ല DIYer എപ്പോഴും കയ്യിൽ കരുതേണ്ട ഒന്നാണ് 800 grit, 1,200 grit എന്നീ abrasive water papers. ഒരു കട്ടിയുള്ള ചില്ലു കഷണത്തിൽ water paper ഒട്ടിക്കുക, വെള്ളം ഉപയോഗിച്ച് heatsink ശ്രദ്ധയോടെ ഉരച്ചു നിരപ്പാക്കുക. പല ഹോബിയിസ്റ്റുകളും device ൻ്റെ (വിശേഷിച്ചു STK പോലുള്ള വലിയ devices ) mounting plate ഉം ഉരച്ചു നിരപ്പാക്കാറുണ്ട്. എത്രത്തോളം നിരപ്പാവുന്നോ, അത്രത്തോളം thermal resistance കുറഞ്ഞിരിക്കും. (ചിത്രം നോക്കുക ) Thermal resistance കുറയ്ക്കാനുതകുന്ന ഒന്നാണ് thermally conductive paste ൻ്റെ പ്രയോഗം. നേരിയ വിടവുകൾ, micro കുഴികൾ ഇവ നികത്തി പ്രതലങ്ങൾ തമ്മിൽ പരമാവധി thermal conductivity ഉറപ്പാക്കാൻ ഇത് സഹായിക്കും.

Device നും, heatsink നുമിടയിൽ വരുന്ന പ്രധാനമായ മറ്റൊന്നാണ് insulator – പണ്ട് കാലത്തു കനം കുറഞ്ഞ, നല്ല thermal conductivity ഉള്ള mica sheet ആയിരുന്നു ഉപയോഗിച്ചിരുന്നത് ; ഇപ്പോഴത് പ്രയോഗം എളുപ്പമാക്കാനുള്ള, ചെലവ് കുറഞ്ഞ silicon pads ആയി മാറി. ഇവ എത്രത്തോളം efficient ആണെന്ന് ആരെങ്കിലും ചിന്തിച്ചിട്ടുണ്ടോ? കമ്പനികൾ സ്ഥിരമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു എന്നത് കൊണ്ട് “Number-1” ആണെന്ന് കരുതേണ്ട കാര്യമൊന്നും ഇല്ല. ഇന്ന് നല്ല mica sheet കിട്ടാനില്ല. പക്ഷെ പകരം വയ്ക്കാവുന്ന കനം കുറഞ്ഞ Kapton tape കിട്ടാൻ എളുപ്പമാണ്. Kapton ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിലും, voltage ലും പ്രവർത്തിക്കുകയും ചെയ്യും. ഇവിടെയും thermal paste ൻ്റെ പ്രയോഗം അത്യാവശ്യമാണ്.

ഇനി വേണ്ടത് heatsink selection ആണ്. തുടക്കത്തിൽ സൂചിപ്പിച്ചതു പോലെ, ഒരു audio DIYer ഒരിക്കലും “അയ്യോ, ഹീറ്റ് സിങ്ക് വലുതായിപ്പോയേ” എന്ന് വിളിച്ചു കൂവാറില്ല. The bigger, the better എന്നതാണ് പ്രമാണം! പക്ഷെ തിരഞ്ഞെടുപ്പിൽ പാലിക്കേണ്ട ചില കാര്യങ്ങൾ പരമപ്രധാനമാണ്.

Power device ൽ നിന്നുള്ള ചൂട് conduction ലൂടെ heatsink ലേക്ക് വ്യാപിക്കുന്നു. നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചതു പോലെ പരമാവധി surface area, വായു സഞ്ചാരം ഇവ ഉറപ്പാക്കുന്ന ഒരു ഡിസൈൻ ആണെങ്കിൽ പ്രധാനമായും convection ലൂടെയാണ് ചൂട് “യഥാർത്ഥ ഹീറ്റ്സിങ്കായ” അന്തരീക്ഷത്തിലേക്ക് ഒഴുകുന്നത്.

( ഇവിടെ Radiation losses നെക്കുറിച്ചൊരു പരാമർശം ആവശ്യമാണ് – സാധാരണയായി ഓഡിയോ ആമ്പുകളിലും മറ്റും കാണപ്പെടുന്ന ഊഷ്മാവിൽ radiation വളരെ കുറവായിരിക്കും. അതിനാൽ radiation losses കൂട്ടുന്ന തരത്തിലുള്ള കറുപ്പ് തുടങ്ങിയ നിറങ്ങളിലുള്ള heatsink anodizing വലിയ പ്രയോജനം ചെയ്യാറില്ല എന്നതാണ് വാസ്തവം. കാഴ്ചയുടെ ഭംഗിക്കനുസൃതമായ ഒരു design / colour തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നതിൽ ഒട്ടും അപാകതയില്ല.)

അതായതു convection cooling ആണ് യഥാർത്ഥത്തിൽ thermal equilibrium നിലനിർത്തുന്നത്. ഇതിനു രണ്ടു കാര്യങ്ങൾ ആവശ്യമാണ്. തുടക്കത്തിൽ conduction ലൂടെ കൈമാറി വരുന്ന ചൂടിനെ “sink” ചെയ്യാൻ (“വിഴുങ്ങാൻ”) തക്ക thermal capacity ഉണ്ടാവണം ഹീറ്റ്സിങ്കിനു – നേരത്തെ പറഞ്ഞ കുളം പോലെ. സാമാന്യബോധമുള്ള ആർക്കും ഊഹിക്കാവുന്നതേയുള്ളു 1 kg ഉള്ള ഒരു heatsink ഉം, 10 kg ഉള്ള ഒന്നും തമ്മിലുള്ള അന്തരം. ( രണ്ടിന്റെയും fin design / surface area ഇവ ഒരേ രീതിയിൽ ആണെങ്കിൽ.) കുറെയധികം ചൂട് കുറെ സമയത്തേക്ക് “വിഴുങ്ങാനുള്ള” പ്രാപ്തി വലിയ heatsink നുണ്ടായിരിക്കും. അപ്പോഴേക്കും convection cooling ൻ്റെ ഫലമായി thermal stability / equilibrium ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യും.

Convection cooling നെക്കുറിച്ചു ചിന്തിക്കുമ്പോൾ ഒന്ന് രണ്ടു കാര്യങ്ങൾ ഓർത്തിരിക്കുന്നതു നന്നായിരിക്കും – വിശേഷിച്ചു ധാരാളം ചൂട് കൈകാര്യം ചെയ്യേണ്ടി വരുന്ന ഒരു class-A ആമ്പ്‌ “ഭക്തൻ” ആണ് നിങ്ങളെങ്കിൽ ! ഏറ്റവും efficient ആയി convection നടക്കണമെങ്കിൽ cooling fins vertical ആയിരിക്കണം; അല്ല fins നു ചെരിവുണ്ടെങ്കിൽ vertical air flow അനുവദിക്കുന്ന തരത്തിലായിരിക്കണം. Heatsink ൻ്റെ ഉയരം എത്ര കൂടുന്നോ, അത്ര നന്ന്. ഒരിഞ്ചു വീതി കൂട്ടുന്നതിനേക്കാൾ efficiency ഒരിഞ്ചു ഉയരം കൂട്ടുന്നതിനാണെന്നു മറക്കേണ്ട.

രണ്ടാമത്തെ പ്രധാന കാര്യം പലരും അവഗണിക്കുന്ന ഒന്നാണ്. Convection efficiency കിട്ടാൻ ഹീറ്റ്സിങ്കിൽ എവിടെയാണ് power devices ഉറപ്പിക്കേണ്ടത് – heatsink ൻ്റെ മുകളിൽ?... മദ്ധ്യത്തിൽ? … താഴെ ?? വിശദമായ പഠനങ്ങൾ തെളിയിച്ചിട്ടുള്ളതു, താഴെ നിന്നും ഏതാണ്ട് മൂന്നിലൊന്നു ഉയരത്തിൽ ആയിരിക്കുന്നതാണ് ഏറ്റവും മെച്ചം എന്നാണ്. അത് പോലെ തന്നെ പ്രധാനമാണ്, ഒന്നിൽ കൂടുതൽ power devices ഒരു heatsink ൽ ഉറപ്പിക്കുമ്പോൾ അവ തമ്മിൽ പരമാവധി അകലം നൽകേണ്ടതും. ഉദാഹരണത്തിന്, രണ്ടു power devices ഉണ്ടെങ്കിൽ, heatsink width രണ്ടായിട്ടു വിഭജിക്കുക, ഒരു പകുതിയുടെ മദ്ധ്യത്തിൽ ഒരു device വരുന്ന രീതിയിൽ ഉറപ്പിക്കുക. അത് പോലെ, heatsink തിരഞ്ഞെടുക്കുമ്പോൾ base thickness കൂടുതലുള്ളവ (മറ്റു കാര്യങ്ങൾ തുല്യം) മെച്ചമായ പ്രകടനം തരുമെന്ന് ഓർക്കുക.

Thermal Design പ്രായോഗികത

കഴിവുറ്റ engineers നെപ്പോലും കുഴക്കുന്ന ഒന്നാണ് ഹീറ്റ്സിങ്കുകളുടെ thermal design. അപ്പോൾ ഒരു ഹോബിയിസ്റ്റു എങ്ങിനെ ഈ കടമ്പ കടക്കും? പേടിക്കേണ്ട, അല്പം സാമാന്യബുദ്ധിയും, പ്രയോഗികതയുമുണ്ടെങ്കിൽ ഇത് സാധ്യമാണ്. വാസ്തവത്തിൽ വലിയ ഉപകരണങ്ങളുടെ സഹായം പോലുമില്ലാതെ ഇത് സാധിക്കാവുന്നതേയുള്ളു.

സാധാരണയായി ആമ്പുകളിലും മറ്റും നമ്മൾ ‘target’ ചെയ്യുന്നത് power device junction temperature 50 മുതൽ പരമാവധി ഒരു 60 degree Celsius ൽ നിർത്താൻ ആണ്. Insulator ൻ്റെ thermal resistance ഏതാണ്ട് 1 – 1.5 deg C / W വരും. Ambient temperature ൽ (അന്തരീക്ഷ വായുവിന്റെ ഊഷ്മാവ്) നിന്നും ഏതാണ്ട് 7 മുതൽ 10 degree വരെ ഉയർന്നായിരിക്കും heatsink temperature. (ഇതൊക്കെ empirical “കൊട്ടക്കണക്ക്“ ആണ്.) ഈ സാഹചര്യത്തിൽ power devices പുറത്തു വിടുന്ന ചൂടിനെ കുറച്ചു സമയം “വിഴുങ്ങി”, ആ സമയം കൊണ്ട് convection cooling ലൂടെ thermal stability നേടാൻ പറ്റിയ capacity ഹീറ്റ്സിങ്കിനു ഉണ്ടായിരിക്കണം. അല്ലെങ്കിൽ ചുരുങ്ങിയ സമയം കൊണ്ട് heatsink തിളച്ചു മറിയും, bias പിടിച്ചാൽ കിട്ടാത്ത മാതിരി ഉയർന്നു പോകും, ചൂട് പിന്നെയും കൂടുന്നു … കുഴപ്പത്തിലേക്കു കൂപ്പു കുത്തുന്നു. (ഇതാണ് “thermal runaway”.)

പൊതുവെ സ്വീകരിക്കാവുന്ന എളുപ്പമായ ഒരു മാർഗ്ഗം, ആമ്പ് on ചെയ്തു bias, offset voltage ഇവ set ചെയ്യുക. ആദ്യം bias ഉദ്ദേശിക്കുന്നതിലും അല്പം കുറച്ചു വയ്ക്കുന്നതാണ് പ്രായോഗികം. ശേഷം ഒരു അര മണിക്കൂർ ആമ്പ് പ്രവർത്തിപ്പിക്കുക – offset / bias ഇവ തുടർച്ചയായി monitor ചെയ്യുന്നത് നന്നായിരിക്കും. Heatsink ൻ്റെ ചൂട് കൈ കൊണ്ട് തൊട്ടു “അളന്നു” കൊണ്ടിരിക്കുക. ചൂട് കൂടുന്നതനുസരിച്ചു bias വളരെ ഉയർന്നു പോകുന്നില്ലെങ്കിൽ നല്ലത്. അര മണിക്കൂർ പൊതുവെ തൃപ്തികരമായ പ്രവർത്തനം കഴിഞ്ഞു ഹീറ്റ്സിങ്കിൽ ഒരു പത്തു-പതിനഞ്ചു സെക്കന്റ് സമയം കൈവിരലുകൾ ചേർത്ത് വച്ചിരിക്കാൻ കഴിയുമെങ്കിൽ തീർച്ചയായും device junction temperature പരിധിക്കുള്ളിൽ ആയിരിക്കുമെന്നു കരുതാം.

അങ്ങിനെയെങ്കിൽ bias അല്പം കൂടി ഉയർത്തി ഈ പരീക്ഷണം ആവർത്തിക്കാം. വിജയിച്ചാൽ വളരെ നല്ലത്. അല്ലെങ്കിൽ heatsink വലുതാക്കുന്നതിനെക്കുറിച്ചു ചിന്തിക്കേണ്ട സമയമായി.ഇവിടെ ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട മറ്റൊരു പ്രായോഗികമായ കാര്യം, പലപ്പോഴും തുറന്നു വച്ച് test ചെയ്തതിനു ശേഷം cabinet അടച്ചു കഴിയുമ്പോൾ പ്രശ്നങ്ങൾ ഉണ്ടാകുന്നു എന്നതാണ്. Heatsink mounting വളരെ critical ആണ് – എല്ലായ്‌പ്പോഴും ഒരേ രീതിയിൽ convection air flow ലഭിച്ചിരിക്കണം, എങ്കിൽ മാത്രമേ cooling നന്നായി നടക്കൂ.

പ്രയോഗികതയ്‌ക്കു മുൻ‌തൂക്കം നൽകിയാൽ തീർച്ചയായും heatsink ആവശ്യത്തിലും അല്പം വലുതാക്കാൻ ശ്രമിക്കുന്നതാണ് നല്ലതു. കമ്പനിക്കാർക്കു ലാഭമാണ് വലുത്; പക്ഷെ DIYers നു തൃപ്തികരമായ, ദീർഘകാലത്തെ stable performance ആണ് കാമ്യം

ഉറപ്പിക്കലിൻ്റെ ശാസ്ത്രം

Device Mounting

ഹീറ്റ്സിങ്കിലേക്കു power devices മുറുക്കുന്നതും അല്പം ശ്രദ്ധിച്ചാവണം. സാധാരണ രീതിയിൽ ഒരു single screw ഉപയോഗിക്കുന്നത് സൗകര്യപ്രദവും, (കമ്പനികൾക്ക്) ലാഭകരവും ആണെന്നതു ശരി തന്നെ. പക്ഷെ അതത്ര നല്ലതെന്നു പറയാൻ വയ്യ. Thermal camera ഉപയോഗിച്ച് പരിശോധിക്കുമ്പോൾ ഒരു കാര്യം മനസ്സിലാകും – മുറുകിയിരിക്കുന്ന ആ screw ൻ്റെ ചുറ്റും മാത്രമാവും നല്ല heat transfer ഉണ്ടാവുന്നത്; മറ്റു ഭാഗങ്ങളിൽ ചൂട് കൂടുതൽ ആയിരിക്കും. ഇതിനൊരു പോംവഴി devices നെ ഒരു aluminium channel clamp + two screws ഉപയോഗിച്ച് മുറുക്കുന്നതായിരിക്കും. Device നു മുകൾ ഭാഗത്തു കൂടി അല്പം thermal paste പുരട്ടിയാൽ ഈ clamping channel കഷ്ണം ഒരു “mini heatsink “ ആയി പ്രവർത്തിക്കുകയും ചെയ്യും. “ചൂടൻ “ class-A ആമ്പുകളിൽ ഇതാണ് സ്വീകാര്യമായ രീതി. പല DIYers ഉം fins ഉള്ള ഒരു ചെറു heatsink section തന്നെ clamp ആയി ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട് – ഇത് വളരെ പ്രയോജനപ്രദമാണ് എന്ന് പറയാതെ വയ്യ.

Clamp Mounting

ഇതോടൊപ്പം ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട ഒരു കാര്യമാണ് LM3875, LM3886,TDA7294 തുടങ്ങിയ high power chip amps ഹീറ്റ്സിങ്കിൽ ഇണക്കുമ്പോൾ അവലംബിക്കേണ്ട രീതികൾ. STK series മായിട്ടു താരതമ്യം ചെയ്യുമ്പോൾ ഈ ചിപ്പുകൾ വളരെ ചെറുതാണ്, ഇവയുടെ heatsink slug ൻ്റെ area വളരെ കുറവാണു. അതിനാൽ overheat ആകാനുള്ള സാധ്യത വളരെ കൂടുതലുമാണ്. മെച്ചമായ ഒരു mounting രീതിഇതാണ് – ഹീറ്റ്സിങ്കിലേക്കു കട്ടിയുള്ള (6 mm) ഒരു copper strip (2 – 3 ഇഞ്ചു നീളം) thermal paste ഉപയോഗിച്ച് ഉറപ്പിക്കുക. ഇതിനു മുകളിൽ Kapton tape ഒട്ടിക്കുക. IC യുടെ body slug ൽ thermal paste പുരട്ടി ഇതിനു മുകളിൽ സ്ഥാപിക്കുക. IC യുടെ മുകളിലും അല്പം paste പുരട്ടുക. ശേഷം കട്ടിയുള്ള ഒരു aluminium channel + 2 screws കൊണ്ട് നന്നായി clamp ചെയ്യുക. തീർച്ചയായും മെച്ചമായ heat transfer / cooling ലഭിച്ചിരിക്കും. (ചിത്രങ്ങൾ നോക്കുക)

Class-A / class-AB – ഒരു “ചൂട്” വടംവലി

ഹോബിയിസ്റ്റുകൾക്കു പല സംശയങ്ങളും ഉണ്ടാക്കുന്നതും, പലപ്പോഴും അവരെ കുഴപ്പത്തിൽ ചാടിക്കുന്നതും ആയ ഒന്നാണ് heatsink selection ലെ അപാകതകൾ. സാധാരണ ഇത് സംഭവിക്കുന്നത് വിജയകരമായി ഏതാനും class-AB ആമ്പുകൾ നിർമ്മിച്ച “പരിചയസമ്പന്നനായ” ഒരു DIYer ഒരു സുപ്രഭാതത്തിൽ class-A യിലേക്ക് ചേക്കേറുമ്പോൾ ആണെന്നതാണ് സത്യം. എന്താണിതിന്റെ കാരണം?

നമുക്കറിയാവുന്നതു പോലെ ഒട്ടു മിക്ക class-AB ആമ്പുകളും പ്രവർത്തിക്കുന്നത് crossover distortion ഒഴിവാക്കാൻ വേണ്ടി വരുന്ന ഒരു ചെറിയ class-A bias ൽ ആയിരിക്കും. Output power അല്പം കൂടുമ്പോഴേക്ക് തന്നെ ആമ്പ് കൂടുതൽ efficient ആയ class-B യിലേക്ക് നീങ്ങിക്കഴിഞ്ഞിരിക്കും. അത് കൊണ്ട് ചൂടും താരതമ്യേന കുറവായിരിക്കും, heatsink size ഉം ചെറുതായിരിക്കും.

ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട മറ്റൊരു കാര്യം, സാധാരണയായി professional ഉപയോഗത്തിലുള്ള ആമ്പുകൾ മാത്രമേ തുടർച്ചയായി full output നിലവാരത്തിൽ പ്രവർത്തിക്കാറുള്ളു. ഗൃഹാന്തരീക്ഷത്തിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു ആമ്പ് അതിന്റെ rated power ൻ്റെ ഒരു ചെറിയ ശതമാനം മാത്രമായിരിക്കും തുടർച്ചയായി നൽകുന്നത്. Power testing / measurement ഇവ നടത്തുമ്പോഴും, ഏതാനും സെക്കൻഡുകൾ മാത്രമാവും ഉയർന്ന power output ഉണ്ടാവുന്നത്. ഈ “കള്ളങ്ങൾ” ഒക്കെ നന്നായറിയാവുന്ന കമ്പനികൾ ചെലവ് ചുരുക്കാനായി പൊതുവെ “അത്യാവശ്യം വേണ്ട ” ഒരു ചെറിയ heatsink ആയിരിക്കും ഉപയോഗിക്കുക. DIYers ഉം ഏതാണ്ടിതേ പാത തന്നെയാണ് പിന്തുടരുന്നത്. ആരും തന്നെ ആമ്പിന്റെ full rated power തുടർച്ചയായി കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ കഴിവുള്ള power supplies ഓ (output power വരണമെങ്കിൽ അത് നൽകാനുള്ള കഴിവ് power supply ക്കു തീർച്ചയായും ഉണ്ടാവണമല്ലോ !), ഹീറ്റ്സിങ്കുകളോ ഉപയോഗിക്കാറില്ല എന്നതാണ് പച്ചപ്പരമാർത്ഥം.

ഈ രീതിയിൽ ആമ്പുകൾ നിർമ്മിച്ച് ശീലിച്ചവർക്കു “കൈ പൊള്ളിയാൽ ” അല്ലാതെ ഒരു class-A ആമ്പിന്റെ ഹീറ്റ്സിങ്കിനെക്കുറിച്ചുള്ള സങ്കൽപ്പങ്ങൾ ഉൾക്കൊള്ളാൻ കഴിയില്ല. ഫലമോ? പല class-A ആമ്പുകളും, മറ്റൊരു പോരായ്മയും ഇല്ലാഞ്ഞിട്ടു കൂടി, തിളച്ചു മറിഞ്ഞു thermal runaway ഉണ്ടായി അകാലചരമം പ്രാപിക്കുന്ന സാഹചര്യം ഉണ്ടാവുന്നു. Class-AB ആമ്പുകളിൽ signal drive / power output കൂടുമ്പോഴാണ് ചൂട് കൂടുന്നത്. നേരെ മറിച്ചു class-A ആമ്പുകളിൽ അങ്ങനെയല്ല. Signal drive ഉണ്ടെങ്കിലും, ഇല്ലെങ്കിലും, ആമ്പ് on ആയിക്കഴിഞ്ഞാൽ full bias current ഒഴുകാൻ തുടങ്ങും. ഒരു pure class-A ആമ്പിന്റെ efficiency കഷ്ടി 20 ശതമാനം മാത്രമാണ് – അതായതു output power ന്റെ അഞ്ചിരട്ടിയോളം ചൂടായി പുറത്തു പോകും എന്നർത്ഥം. രസകരമായ ഒരു കാര്യം ആമ്പ് full drive / output നൽകുമ്പോൾ അഞ്ചിലൊന്ന് power സ്‌പീക്കറിലേക്ക് ഒഴുകുന്നത് കാരണം അപ്പോൾ ഒരല്പം ചൂട് കുറയാനാണു സാധ്യത. പക്ഷെ പ്രായോഗികമായി ഈ കുറവൊന്നും അനുഭവപ്പെടില്ല.

എന്റെ അനുഭവത്തിലും, അഭിപ്രായത്തിലും ഒരു class-A ആമ്പ് നിർമാണത്തിന് ഇറങ്ങിപ്പുറപ്പെടുന്ന DIYer മൂന്ന് കാര്യങ്ങളിൽ പിശുക്കു കാണിക്കാൻ പാടില്ല തന്നെ –

ഒന്ന്, full bias current ൻ്റെ ഒരു നാലഞ്ചിരട്ടി current capacity ഉള്ള , load എടുക്കുമ്പോൾ voltage sag ഉണ്ടാവാത്ത നല്ല ഒരു transformer ആയിരിക്കണം power supply യുടെ മൂലക്കല്ല്. ( ഇവിടെ പല കാരണങ്ങളാൽ integrated stereo ആമ്പിനെക്കാൾ അഭികാമ്യം പൂർണ്ണമായും dual mono configuration ആണ്.)

രണ്ട്‌, ആമ്പിന്റെ power output ൻ്റെ ഏകദേശം അഞ്ചിരട്ടിയോളം വരും heat output. ഒരു പടി കൂടി മുന്നോട്ടു പോയി, ഏതാണ്ട് ആറിരട്ടിയെങ്കിലും ചൂട് താങ്ങാൻ കഴിവുള്ള, കട്ടിയുള്ള base, deep fins, വീതിയേക്കാൾ നല്ല ഉയരം, ആവശ്യത്തിന് “തടിയും ഭാരവും “ ഒക്കെയുള്ള ഒരു ഹീറ്റ്സിങ്കായിരിക്കണം ആമ്പിന്റെ മുഖമുദ്രയായി തിരഞ്ഞെടുക്കേണ്ടത് – ചിലവിനെക്കുറിച്ചു ആലോചിച്ചു BP കൂട്ടാതിരിക്കുന്നതാണ് ആരോഗ്യത്തിന് നല്ലത് !

മൂന്ന്, മേല്പറഞ്ഞ current, ചൂട് ഇവയൊക്കെ ബുദ്ധിമുട്ടില്ലാതെ താങ്ങാൻ കെല്പുള്ള, നല്ല SOA ഒക്കെ ഉള്ളതായിരിക്കണം തിരഞ്ഞെടുക്കുന്ന output devices.

അടിസ്ഥാനപരമായ ഈ മൂന്നു കാര്യത്തിലും പിശുക്കു കാണിക്കാതിരുന്നാൽ മാത്രമേ നിങ്ങളുടെ class-A ആമ്പ് ഒരു വിജയമായിരിക്കൂ. “അഞ്ചു വാട്ട് ആമ്പിനു ഈ ഹീറ്റ്സിങ്കൊക്കെ ധാരാളം…” എന്ന് കരുതിയാൽ, സ്വയം കൃതാനർത്ഥം എന്നേ പറയേണ്ടു.

അല്പം ദീർഘമായിപ്പോയ ഈ കാണ്ഡം ഇവിടെ അവസാനിക്കുന്നു – “ചർച്ചയുടെ ചൂടിൽ” നീളം അല്പം കൂടിപ്പോയെങ്കിലും, പൊതുവെ പ്രയോജനപ്രദമായി എന്ന് കരുതട്ടെ.

* * * * * * * * * * * *