Dissipatori (di calore)

Dispositivi, tipicamente metallici, atti a dissipare il calore prodotto da MosFet e Transistor di potenza.

 

Relazione fra temperatura e potenza

Nei dispositivi percorsi da corrente elettrica questa - per effetto Joule – provoca il riscaldamento e l’aumento della  temperatura come rappresentato dalla seguente relazione:

 

(1)           Tw - Ta = Pd · Rth

        Tdut - Tambiente = Papplicata · Rtermica

 

 

 dove

-          Tw è la temperatura raggiunta dal dispositivo a causa della dissipazione della potenza applicata Pd,

-          Ta è la temperatura dell’ambiente circostante

-           Rth = “resistenza termica”, una costante che rappresenta la difficoltà di smaltimento del calore verso l’ambiente circostante ed è l’inverso della “conduttanza termica” dei materiali e dei fluidi che smaltiscono il calore prodotto.

 

Rth si esprime in  gradi per Watt (°C/W).    

Poiché il costruttore del dispositivo indica la temperatura massima di  funzionamento Tmax, è possibile calcolare la massima potenza Pmax dissipabile dal dispositivo  in funzione della temperatura ambiente Tamax sfruttando la relazione (1), :

 

(2) Tmax - Tamax = Pmax · Rth

 

    Tmax = Pmax · Rtermica + Tambiente

 

 

Superata la temperatura massima il dispositivo si danneggia. Ii limiti di potenza specificati per un certo dispositivo dipendono dai limiti di  temperatura dello stesso  ed in particolare dalla temperatura ambiente.

 

 

Fig. 1 - Curva di

derating di un elemento

resistivo da 1 Watt.

 

 

Come si vede dalla curva di derating, è possibile dissipare la potenza nominale fino ad una   temperatura ambiente di 70 °C, superata la quale è necessario ridurre progressivamente la potenza   dissipata fino a che - raggiunta la temperatura massima di lavoro di 170 °C - la potenza dissipabile diviene nulla come già osservato a proposito della relazione (2).

Vi è da notare però che la rappresentazione grafica della relazione (2) in un piano di coordinate Pd/Ta  è quella di una retta di coefficiente angolare -1/Rth, e non quello di una spezzata come quella riportata in Figura 1. Perché mai?

La risposta è che il costruttore, per problemi legati alle caratteristiche dei materiali utilizzati nella  costruzione del dispositivo, indica una potenza massima dissipabile “di sicurezza” fino ad una determinata temperatura ambiente, che nella figura riportata è ad esempio di 70 °C. Secondo la relazione (2) avremmo invece che a temperature inferiori allo zero potremmo in teoria dissipare  potenze progressivamente crescenti, ciò che il costruttore ci sconsiglia di fare.

 

I dissipatori e i meccanismi di propagazione del calore

Visti i limiti di temperatura - e quindi di potenza - imposti dal costruttore (e utili alla corretta  “sopravvivenza” del dispositivo!) come è possibile smaltire adeguatamente il calore prodotto o addirittura estendere i limiti indicati dalla curva di derating? Per i dispositivi di potenza la risposta è semplice: l’impiego del “dissipatore di calore”, ovvero di un elemento che sia un buon conduttore di calore (tipicamente un metallo o un materiale ceramico) che,   osto a contatto con il nostro dispositivo (incollato o fissato a vite), permetta un migliore smaltimento del calore.

Come opera un dissipatore? In pratica esso “estende” le dimensioni fisiche del dispositivo,   ermettendo quindi un miglior smaltimento del calore, in quanto “sottrae” il calore prodotto per effetto  Joule e lo trasferisce all’ambiente circostante, e impedisce il superamento della temperatura limite.

Che cosa cambia nella formula (2)? Semplice: poiché la presenza del dissipatore serve per aumentare la conduttanza termica fra il nostro dispositivo e l’ambiente, si può affermare che la  presenza del dissipatore porta ad una riduzione della resistenza termica, che è appunto l’inverso della conduttanza termica. La riduzione della Rth nella formula (2) permette quindi di diminuire la temperatura raggiunta dal dispositivo oppure - volendo sfruttare comunque la massima temperatura di lavoro - disporre di una potenza dissipabile più elevata.

Per meglio comprendere non solo il meccanismo di smaltimento del calore ma anche come ottimizzare i vantaggi derivabili dall’impiego di un dissipatore, analizziamo brevemente le tre modalità  di propagazione del calore.

 

- Conduzione: è quella che avviene all’interno di un corpo o fra due corpi in contatto fra di loro a causa dell’agitazione termica degli atomi, ed è il meccanismo più efficiente di trasmissione del

calore. Per tale motivo il dispositivo che produce calore va fissato saldamente a contatto con il dissipatore, che deve essere costituito da un materiale con una elevata conducibilità termica; il   materiale più utilizzato grazie al costo contenuto e alla facilità di produrre profilati ottenuti per estrusione è l’alluminio.

- Convezione: la convezione è il moto all’interno di un fluido, per cui si sfrutta questo fenomeno ad  esempio per asportare il calore del dissipatore (o del componente stesso) attraverso il movimento dell’aria, che può essere naturale (dovuto al fenomeno di espansione termica) oppure forzato (tramite ventole). Per le elevate potenze, il fluido refrigerante può essere anche un liquido, che scorre in un condotto all’interno del dissipatore e viene poi raffreddato o per

sostituzione (acqua corrente) o tramite un opportuno radiatore.

Irraggiamento: il dissipatore e lo stesso componente irradiano calore nell’ambiente circostante per mezzo della radiazione infrarossa, ed anche questo fenomeno contribuisce allo smaltimento del calore, anche se alle basse temperature rappresenta una frazione trascurabile del totale.

 

Una esemplificazione visiva dei tre meccanismi è mostrata in Figura 2.

 

Fig. 2 - Ecco i tre meccanismi di

propagazione del calore nel caso di un

dispositivo elettronico fissato ad un

dissipatore

 

 

materiale utilizzato (conducibilità termica), le sue dimensioni (valore della resistenza termica), la forma

(efficacia della convezione dell’aria), il colore (effetto “corpo nero” e quindi efficienza

nell’irraggiamento), la finitura superficiale (resistenza di contatto con il componente elettronico e

valore dell’irraggiamento), le condizioni di ventilazione (anche se interno o esterno

all’apparecchiatura), la posizione di montaggio (verticale ad alette verticali per una migliore

convezione dell’aria) e infine la posizione di montaggio del carico sul dissipatore stesso (centrale

oppure verso il bordo).

Detto ciò, il parametro che caratterizza l’efficienza di un dissipatore e che riassume gli altri parametri

ora visti è la sua resistenza termica Rth(d-a), ovvero fra dissipatore e ambiente, che viene

specificata dal costruttore sul relativo foglio tecnico, e che viene definita come l’incremento di

temperatura subito a causa dell’applicazione di una potenza elettrica (attiva) di 1 Watt,

concordemente con quanto si può dedurre dalla relazione (1).

La scelta del dissipatore

Per scegliere un dissipatore occorre conoscere i seguenti parametri:

- Potenza massima dissipata dal dispositivo

- Temperatura massima consentita per il dispositivo e sua resistenza

termica

- Massima temperatura ambiente

- Tipo di flusso di aria in corrispondenza del dissipatore

Per tener conto di questi parametri, la formula (2) può essere riscritta

nel modo seguente, facendo riferimento ad un dispositivo a

semiconduttore:

(3) Tjmax - Tamax = Pdmax · (Rthjc + Rthcd + Rthda)

dove Tjmax è la massima temperatura di giunzione specificata dal costruttore, Tamax è la massima

temperatura ambiente raggiungibile, Pdmax è la potenza massima dissipabile, Rthjc è la resistenza

termica fra giunzione e contenitore (indicata dal costruttore sul foglio tecnico del dispositivo), Rthcd è

la resistenza termica fra contenitore e dissipatore (dovuta al tipo di contatto fra i due e alla eventuale

presenza di fogli isolanti o di grasso) ed Rthda è la resistenza termica dissipatore-ambiente ricavata

dal catalogo dei dissipatori. La localizzazione delle tre resistenze termiche è mostrata in Figura 3.

 

 

Fig. 3 - Le tre

resistenze termiche

corrispondono alla

successione:

semiconduttorecontenitoredissipatore-

ambiente

con i relativi salti

termici

 

 

Nel caso invece in cui si intenda utilizzare il componente senza dissipatore, è necessario utilizzare la

formula seguente, che rappresenta nient’altro che una riscrittura della (2):

(4) Tjmax - Tamax = Pdmax · Rthja

nella quale si utilizza la sola resistenza termica giunzione-ambiente Rthja fornita anch’essa nel foglio

tecnico del componente.

Nella Figura 4 sono riportati i valori di resistenza termica Rthjc ed Rthja per alcuni dei più comuni

contenitori impiegati in elettronica per i dispositivi a semiconduttore.

Un esempio numerico

Un dispositivo a semiconduttore in grado di operare ad una temperatura massima di giunzione di 150

°C ha la necessità di dissipare una potenza di 5 Watt, ed è incapsulato in un contenitore TO3. La

massima temperatura ambiente prevista è di 50 °C e si intende raffreddare il dissipatore a convezione

naturale in aria libera. Supponendo di fissare il dispositivo in modo da sfruttare una resistenza

contenitore-dissipatore pari a 0.3 °C/W.

Dovendo scegliere il tipo di dissipatore necessario, l’incognita è la Rthda, che può essere ricavata

dalla (3) tramite la relazione:

(5) Rthda = (Tjmax - Tamax) / Pdmax - Rthjc - Rthcd

dove, inserendo i valori numerici, si ottiene:

Rthda = (150 - 50) / 5 - 0.7 - 0.3 = 19 °C/W

Essendo questo il valore massimo ammesso, occorre scegliere sul catalogo un dissipatore con una

resistenza termica inferiore ai 19 °C/W.

 

 

Fig. 4 - Valori di

resistenza termica

giunzione-ambiente

e giunzionecontenitore

per

alcuni dei contenitori

più utilizzati per i

semiconduttori. Si

notino i differenti

valori di potenza

massima dissipabile

nei due casi

specificati: con Ta

(ambiente) = 25 °C e

con Tc (contenitore)

= 25 °C, ovvero con

dissipatore di area

infinita!

 

 

Si tenga inoltre conto che il valore della resistenza termica ottenuta per il dissipatore può essere

ridotta con un’opportuna ventilazione, che permette di ridurre il valore della Rthda come in Figura 5.

 

Fig. 5 - La ventilazione forzata

permette di ridurre sensibilmente il

valore della resistenza termica fra

dissipatore e ambiente, a tutto

vantaggio della dissipazione e della

temperatura raggiunta

 

 

Tab. 1 - A seconda delle condizioni di contatto, si vedano alcuni

esempi di valori di Rthcd

 

 

 

contenitore

senza isolante

con isolante

unità

 

a secco

Con grasso

a secco

con grasso

TO-220

1.2

1.0

3.4

1.6

°C/W

TO-3

0.5

0.1

1.3

0.4

°C/W

 

 

Nel grafico a pagina seguente (Figura 6) vengono messi a confronto i valori di potenza massima

dissipabile con Tc = 25 °C e con Ta = 25 °C per i contenitori usati per i transistor, nonché le relative

correnti massime ottenibili.

 

Fig. 6 - Potenze e

correnti ottenibili

per i transistor

 

 

 

Come si è detto, la scelta del

tipo di dissipatore va fatta in

base al valore della sua

resistenza termica, che viene

indicata dal costruttore

assieme alle dimensioni. In

Figura 7 è riportato un

esempio di foglio tecnico di

alcuni dissipatori di uso

comune.

Si noti il progressivo calo del

valore della resistenza termica

all’aumentare delle dimensioni,

e inoltre l’andamento della

resistenza termica

all’aumentare della lunghezza

del profilato, con un

andamento pressoché

iperbolico. Si noti infatti che, al

di sopra di una certa

lunghezza del dissipatore (ad

esempio sopra i 20 centimetri)

il valore di Rthda cala solo

leggermente, in quanto l’eccessiva distanza dal punto di fissaggio del componente che produce il

calore provoca un calo della temperatura dell’elemento metallico al punto da rendere meno efficiente

lo scambio termico con l’ambiente.

 

I fogli tecnici dei dissipatori precisano inoltre che il grado di finitura superficiale dei profilati si rivela in

grado di influenzare la dissipazione per irraggiamento. I dissipatori sono normalmente in alluminio

anodizzato nero opaco. Nel caso di superfici lucide o grezze l’efficienza del dissipatore si riduce e la

resistenza termica aumenta di circa il 10 %.

Si tenga inoltre conto che i valori di Rthda vengono specificati per un montaggio verticale del

dissipatore ed alette anch’esse verticali. Ogni altro tipo di montaggio porta ad un peggioramento della

resistenza termica. In particolare, per il montaggio orizzontale si deve considerare un aumento di R th

pari al 20 %.

Nel caso di dissipatore rettangolare è consigliabile il montaggio col lato minore in verticale, in modo da

evitare un effetto di eccessivo riscaldamento della porzione di metallo sovrastante il punto di fissaggio

del componente che produce calore.

Inoltre, nel caso di più dispositivi su di uno stesso dissipatore è consigliabile distribuire i dispositivi

verso il basso e non in modo simmetrico.

Infine, dissipatori con rapporto lunghezza/base maggiore di 4 vanno controllati praticamente perché

possono verificarsi fenomeni di turbolenza che possono alterare il normale scambio termico.