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La resistenza termica fornita dal costruttore per un radiatore commerciale è un dato reale solamente se il radiatore è impiegato nel modo migliore.
Per chi vuole avere una idea di quanto realizza l' industria ed è disponibile sul mercato, uno sguardo ai siti dei costruttori di sistemi di raffreddamento per componenti elettronici è senz'altro di grande interesse.
Qui, piuttosto, diamo qualche idea generale.

La resistenza termica di un dissipatore di calore è determinata da:

Tutti questi elementi contribuiscono a variare anche in modo molto significativo il trasferimento del calore dal dispositivo all' ambiente.

Punto 7. Quando si tratta di scambio termico, si fa riferimento al differenziale di temperatura tra la parte calda e quella fredda. Quanto più la temperatura ambiente è minore di quella del radiatore, tanto migliore sarà il passaggio del calore e viceversa. Possiamo semplificare la teoria dicendo che la resistenza termica non è una costante, ma è inversamente proporzionale alla differenza di temperatura tra il dissipatore e ambiente.
Però, nel contempo, è nostro interesse mantenere quanto più basso possibile il calore del dispositivo e questo vuol dire che l' ambiente, dove si scarica il calore, potrà assumere una temperatura massima oltre la quale lo scambio termico diventa poco efficace. La temperatura della giornata non dipende da noi, ma da noi dipende il posizionare una apparecchiatura al sole o in ombra; e, se chiusa in un contenitore, dotarla di adeguata circolazione di aria con l' ambiente, ecc.

Punto 6. L' aria calda sale (è più leggera di quella fredda) per cui un movimento naturale del calore è quello dal basso verso l' alto. Un dissipatore con l' alettatura posta in verticale sarà in condizioni migliori di uno orizzontale.
Il montaggio all'esterno della scatola dell' apparecchiatura sarà preferibile a quello interno. Il montaggio su circuito stampato probabilmente ridurrà la superficie utile di contatto con l' aria e un montaggio stretto sullo stampato lo riscalderà, anche se è possibile utilizzare la superficie esposta dello stampato come scambiatore termico.
La performance di un dissipatore di calore è, approssimativamente, proporzionale alla radice quadrata della superficie nella direzione parallela al flusso dell' aria e alla quantità di questo flusso. Se non è sufficiente la convezione naturale, si dovrà ricorrere ad una circolazione di aria forzata.

Punto 5. Il calore passa dalla superficie del dissipatore all' ambiente per convezione e irraggiamento. Se la superficie è sporca o coperta di polvere, la conduzione termica viene compromessa. Una manutenzione dei dissipatori è essenziale in ambienti polverosi.

Punto 4. Anche il colore ha importanza. Alluminio nudo o anodizzato nero sono una ottima soluzione, mentre colori diversi, anche se piacevoli alla vista, sono qualitativamente inferiori, dato che il nero è il colore che consente la massima diffusione del calore per irraggiamento. Assolutamente da non considerare superfici verniciate, dato che le vernici, plastiche, hanno pessime caratteristiche termiche.

Punto 3. Rame e alluminio sono i più utilizzati, dato il buon rapporto costo/conducibilità termica (anche oro o argento andrebbero bene, però...). Meno bene il ferro e le sue leghe.

Punto 2. La forma è molto importante, sia per determinare un buon rapporto tra volume e superficie, sia per permettere al calore di passare tutto all' ambiente in modo efficace. In questo senso ha una importanza non trascurabile la posizione in cui è fissato il dispositivo caldo al dissipatore: essa deve essere quanto più possibile centrale e simmetrica.

Punti 1. Certamente la superficie di scambio del calore è determinante: maggiore è la superficie, minore sarà la resistenza termica. Va però ricordato che occorre anche un giusto rapporto tra le dimensioni del dispositivo caldo e la superficie radiante; certamente 1 m² è più efficace di 0.5 m², ma se applichiamo un piccolo TO-220 ad una superficie piana di 1 m² otteniamo la stessa efficacia di una superficie minore. Infatti il calore vicino al dispositivo sarà elevato, con un buon gradiente termico verso l' ambiente, ma aumentando la distanza, esso si riduce (dato che c'è una "caduta di tensione" termica nella resistenza del materiale) per cui l' efficacia si annulla ad una certa distnza.
Ed è altrettanto inutile aumentare drammaticamente lo spessore: una aumento dello spessore costituisce una aumento del "canale" in cui il calore può passare, ma, nello stesso tempo, aumenta significativamente l' inerzia termica, ovvero accumula calore che poi si libererà lentamente. Un grosso spessore potrà essere adeguato se si devono smaltire impulsi di energia tra i quali c'è il tempo perchè il dissipatore possa fare questo.

Va tenuto presente che alcuni componenti esibiscono sezioni spropositate dei terminali perchè prevedono il raffreddamento attraverso questi, ad esempio i diodi in contenitore cilindrico plastico.

Un esempio nella foto a lato, dove una coppia di diodi in contenitore cilindrico viene collegata all' aletta di raffreddamento utilizzando i terminali; non si tratta certo della soluzione migliore, ma, volendo "strizzare" il possibile da quei componenti, non c'era altra via.

Più seriamente, vediamo a fianco un doppio diodo in TO-220 fissato al dissipatore attraverso con un pad di isolamento; qui la forma stessa del package ne permette un facile ed efficace collegamento al sistema di raffreddamento.
In ogni caso, se si pensa di sfruttare il componente dal punto di vista termico, è opportuno valutare che i terminali non vanno rasati a zero, ma devono restare sufficientemente lunghi. Volendo forzare questi componenti, la soluzione è quella di saldarli sul dissipatore, come in foto.
Tenere ben presente che componenti caldi, sia semiconduttori che resistenze, non dovranno essere posizionati aderenti al circuito, ma sollevati in modo da consentire il passaggio dell' aria su ogni lato ed evitare carbonizzazione del circuito stampato stesso a causa dell' accumulo di calore.

Altri componenti prevedono il raffreddamento attraverso il circuito stampato, come alcuni chip audio (es. TEA2025B) o chip in SOT-223 o SO con superficie metallica inferiore, D-PAC (TO-252) e simili SMD. In questi casi è difficile o impossibile applicare sistemi di raffreddamento diversi da quelli previsti dal costruttore.

Non è pratico collegare un piccolo componente ad un dissipatore di calore se questo non è fissato stabilmente al circuito stampato o ad un supporto: il peso e le vibrazioni non devono essere scaricate sui terminali del componente, sopratutto se si prevede un uso portatile o, peggio ancora, veicolare, dell' apparecchio.

Inoltre la maggior parte dei piccoli componenti non è costruita per essere collegata ad un dissipatore e non ha una buona via per portare il calore all' esterno. Quindi, in generale, non è una buona pratica, anche se certamente possibile, quella di forzare TO-92 o DIP-8 aggiungendo dissipatori incollati.

Un altra situazione da evitare è quella di mettere vicino ai punti caldi componenti che temono il calore, come ad esempio condensatori elettrolitici. Se necessario, utilizzate le versioni 85°C, o meglio, 105°C. Altrettanto si può dire di sorgenti di tensione di riferimento, generatori di corrente costante o resistenze di partitori, che possono variare le loro caratteristiche con la temperatura.

Dissipare il calore

Alcune note