La dissipazione termica

Questa pagina tratta velocemente il problema della dissipazione del calore nei dispositivi elettronici di potenza.

I componenti elettronici, nel loro normale funzionamento, dissipano potenza. Ad esempio in un transistor BJT attraversato dalla corrente I_C con ai suoi capi una tensione V_CE la potenza dissipata vale:

`P_D=I_C V_(CE)`

Se il transistor funziona in commutazione sarà comunque presente una tensione V_CEsat nello stato ON¹⁾.

La potenza elettrica assorbita viene dissipata in calore che, sviluppandosi a partire dalla zona in silicio, si propaga prima a tutto il componente e poi verso l'ambiente esterno. Ipotizzando che il componente sia inizialmente alla temperatura ambiente si ha prima il riscaldamento del componente poi la dissipazione verso l'ambiente che ha una temperatura più bassa. Raggiunto il regime termico la temperatura del componente non cambia più e tutto il calore viene dissipato verso l'ambiente esterno. In queste condizioni occorre verificare che la temperatura della giunzione - cioè del silicio - non superi il valore massimo indicato nei datasheet col simbolo T_J, pena la rottura o il malfunzionamento del componente.

Prima di procedere richiamiamo alcuni concetti legati alla trasmissione del calore:

• la temperatura misura lo stato di agitazione di un corpo e si misura in gradi Celsius o Kelvin²⁾
• il calore è l'energia scambiata tra due corpi a temperatura diversa e si misura in Joule
• il calore scambiato nell'unità di tempo è la potenza trasmessa e si misura in Watt
• si parla regime termico quando tutto il calore fornito a un corpo viene ceduto all'ambiente (e non fa aumentare la temperatura del corpo, che rimane costante)
• la capacità termica quantifica l'attitudine di un corpo ad accumulare calore; la trasmissione di calore infatti non è istantanea: un corpo ci mette del tempo a riscaldarsi e, quando non assorbe più calore, impiega del tempo a raffreddarsi, cioè a dissipare il calore accumulato

Ricordiamo poi che la trasmissione di calore può avvenire per:

• conduzione, tra due corpi in contatto o tra due zone di uno stesso corpo³⁾
• convezione, dove un fluido, riscaldatosi per conduzione, si muove verso l'alto⁴⁾ trasferendo calore ad altri corpi per conduzione
• irraggiamento, che avviene a distanza e anche nel vuoto⁵⁾, attraverso radiazioni elettromagnetiche

Di questi tre fenomeni il primo è il più efficace e l'ultimo è spesso trascurabile.

Il procedimento seguente vale a regime termico (la temperatura non cambia nel tempo) e in regime elettrico stazionario (in continua o in regime periodico) e si basa sul concetto di resistenza termica. Questa è la resistenza che incontra il calore nel propagarsi da un corpo a temperatura maggiore verso uno a temperatura minore. Analiticamente vale:

`R_(th)=(T_1 - T_2)/P_D`

dove il termine al numeratore è la differenza tra le due temperature e quello al denominatore è la potenza trasmessa (l'unità di misura sono [°C/W]). Applicando questa definizione ad un componente elettronico, se sono note temperatura ambiente, potenza elettrica da dissipare in calore e resistenza termica del componente è possibile ricavare la temperatura di giunzione:

`T_J=T_A + P_D R_(th)`

In pratica si procede così:

• la temperatura ambiente T_A viene stimata (o misurata) considerando le condizioni di esercizio più gravose
• dai datasheet si ricavano:
  • la potenza massima dissipabile dal componente nelle condizioni di esercizio⁶⁾
  • la temperatura massima di giunzione T_J
  • la resistenza termica tra giunzione e contenitore esterno (package) R_JC
  • la resistenza termica (indicativa) tra contenitore e dissipatore (se presente) R_CH
  • la resistenza termica tra giunzione e ambiente (senza dissipatore) R_JA

A questo punto si può usare la formula sopra per:

• ottenere l'aumento di temperatura T_J-T_A
• calcolare T_J
• ricavare la resistenza termica R_HA di un eventuale dissipatore termico da installare per impedire il superamento della T_J del componente

Per calcolare le temperature di giunzione, contenitore e dissipatore si può far ricorso ad un'analogia elettrica valida a regime termico⁷⁾. La corrispondenza tra grandezze termiche ed elettriche è la seguente:

Allora si può considerare il seguente circuito, dove la temperatura ambiente è rappresentata dal generatore di tensione e la potenza dissipata dal generatore di corrente.

Risolvendo il circuito è possibile risalire alla tensione dei punti intermedi (rispetto a massa) e quindi alla temperatura dei vari componenti.

I dissipatori o radiatori servono a smaltire il calore generato su un dispositivo elettronico. Sono caratterizzati da:

• bassa resistenza termica R_HA tra dissipatore e ambiente
• una resistenza termica R_CH tra contenitore e dissipatore che dipende dal montaggio e che può essere ridotta applicando una pasta termica tra le due parti

In genere sono fatti in metallo - alluminio o, meglio ancora, rame - e presentano una grande superficie, spesso alettata⁸⁾, per favorire lo scambio di calore. Le prestazioni migliorano se si monta una ventola sul dissipatore.

Per approfondire l'argomento:

• dal libro di testo di Elettronica ed Elettrotecnica per la classe quarta: sezione 18B (analogia elettrica e problemi pratici)
• dal libro di testo di Tecnologie e Progettazione per la classe quarta: paragrafo 7 unità 4 del modulo 7 (trattazione sintetica)
• dal libro di testo di Tecnologie e Progettazione per la classe terza: unità 3 del modulo 1 (teoria sulle sollecitazioni termiche)
• pagina Wikipedia sulla Resistenza_termica
• Sito di appunti del Prof. Villa dell'ITT di Lecco

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