Il dissipatore.
Per ottenere più potenza dal dispositivo si dovrà applicare un
sistema per asportare il calore in eccesso.
La sostanza del problema è quella
esposta negli esempi precedenti:
- il semiconduttore, funzionando, sviluppa calore
- se il calore resta confinato nel package, perchè non c'è sufficiente
passaggio con l' ambiente, l' energia termica accumulata fa elevare la
temperatura oltre il limite sopportabile dal materiale
Per far si che il semiconduttore possa trattare una
potenza maggiore si deve "semplicemente" far si che il calore sia sottratto
adeguatamente al package e passato all' ambiente in modo da impedire un aumento pericoloso della temperatura.
Il dissipatore, o radiatore (in inglese heatsink, assorbitore di
calore) è una sagoma di metallo, usualmente alluminio estruso o rame (buoni
conduttori di calore), che offre una elevata superficie di scambio termico con l' ambiente, grazie ad una costruzione con numerose alettature
(il che dà grande
superficie in un volume limitato).
Il semiconduttore è collegato
meccanicamente alla superficie metallica: per conduzione, il calore passa dal
package al dissipatore e da questo all' aria ambiente che lambisce le
alettature. La superficie del
dissipatore, cioè l' area di scambio con l' aria ambiente, è molto maggiore di quella del semiconduttore e
quindi abbassa in modo sensibile la resistenza termica tra la giunzione e
l'ambiente.
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Le forme sono le più diverse, e così pure le dimensioni e le
caratteristiche della resistenza termica.
Ci sono dissipatori specifici per i package comuni, come TO-3,
TO-220, Multiwatt, ma anche per diodi, SCR, CPU o per uso generale, sia
previsti per raffreddamento in aria libera, sia per aria forzata.
Costruttori con un ampio catalogo, interessante da consultare per
avere una idea della varietà di oggetti proposta sono AAVID
Thermalloy e Fischer |
Il modello elettrico diventa questo:
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- la potenza Pd è dissipata in
calore nella giunzione
- La "corrente termica" generata dalla giunzione attraversa il
package e la sua resistenza Rθjc.
- Poi attraversa la
resistenza termica della connessione meccanica tra package e radiatore Rθch
-
e quindi quella del radiatore stesso verso l' ambiente Rθha
La temperatura massima sarà quella della alla giunzione e
diminuirà fino ad arrivare a quella ambiente nei flussi convettivi di
aria attorno al dissipatore.
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La temperatura massima sarà quella della alla giunzione e
diminuirà fino ad arrivare a quella ambiente nei flussi convettivi di
aria attorno al dissipatore.
Quindi, la resistenza complessiva che il calore deve superare tra
giunzione e ambiente è pari alla somma delle resistenze in serie:
Rθja = Rθjc + Rθch +
Rθha
Supponiamo di aver fissato il nostro MOSFET ad un radiatore che dichiara una
resistenza termica Rθha = 1 °C/W.
Per una temperatura ambiente di 35°C si avrà:
Pd = (Tj -Ta) / (Rθjc +
Rθch +
Rθha) = (175 - 35) / (0.4 + 0.5 + 1) = 73, 68 W
Questa è la potenza massima dissipabile nelle condizioni indicate.
Utilizzando un dissipatore con una resistenza termica inferiore, ad esempio 0.5°C/W,
si arriverà a:
Pd = (175-35) / (0.4 + 0.5 + 0.5) =
100 W
Vediamo come il dissipatore consenta di aumentare la potenza
dissipabile.
La motivazione dovrebbe essere ben chiara: l' applicazione di una superficie
temo conduttrice al punto che genera calore ne abbassa la resistenza termica
verso l' ambiente e quindi consente al calore di passare ad esso in modo più
efficace.
E se volessimo dissipare 200W ?
Pd = (Tj -Ta) /
Rθja
da cui:
Rθja= (Tj -Ta)
/ Pd = 140 / 200 = 0,7 °C/W
Quindi occorrerebbe una resistenza massima tra giunzione e ambiente di
0.7°C/W.
Abbiamo detto che
Rθja = Rθjc + Rθch +
Rθha
Ma già la somma di Rθjc + Rθch
= 0,9°C/W !
Quindi, con una temperatura ambiente di 35 °C non sarà possibile in alcun modo
dissipare 200W senza portare la temperatura della giunzione oltre il limite
massimo ammesso: per quanto sia ampio il dissipatore (ovvero per quanta sia
bassa la sua resistenza termica) non sarà possibile arrivare ai 200W.
E se utilizzassimo un sistema ad aria forzata, che può
arrivare senza problemi ad una
Rθha
di 0.2°C/W
Pd = (Tj -Ta) /
Rθja = (Tj -Ta) /
( Rθjc + Rθch
+
Rθha)
= 140 /(0.4 + 0.5 + 0.2) = 127 W
Una maggiore potenza sarà possibile solamente utilizzando un
sistema di pompa di calore in grado di applicare una resistenza termica
negativa, ovvero di sottrarre calore forzatamente (criogenico, cella di
Peltier, ecc).
Vediamo altri esempi
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