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 stati 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 (non fa aumentare la temperatura del corpo che rimane costante)
• la la capacità termica quantifica l'attitudine di un corpo ad accumulare calore; la trasmissione di calore infatti non è istantanea: un corpo si mette del tempo a riscaldarsi e quando non assorbe più calore impiega del tempo a raffreddarsi perché cioè a dissipare il calore accumulato

Ricordiamo poi che la trasmissione di calore può avvenire per:

• conduzione, tra due corpi in contatto o due zone di un 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

• a regime termico

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 alettata⁶⁾, per favorire lo scambio di calore. Le prestazioni migliorano se si monta una ventola sul dissipatore.

Contesto: regime termico (la temperatura non cambia) ed elettrico (corrente continua o periodica)

⁷⁾

Rth=(T1-T2)/Rth

Rth : tiene conto della trasmissione del calore per tre fenomeni

Si parte da Ta (stimata o misurata) nelle condizioni più gravose di esercizio previste. Poi Tj e Rjc da datasheet. Pd da condizioni di utilizzo (verificando con datasheet). Rch da datasheet Si ricava Rha (migliorabile con alettatura orientata verticalmente e ventilazione forzata).

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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