Dissipare il calore

Altre note riassuntive.

Nei calcoli visti finora occorre tenere ben presente alcuni punti:

1. la temperatura della giunzione: considerare come limite la temperatura di giunzione massima applicabile non è il colmo della sicurezza. Per essere certi di avere un margine operativo, occorrerà considerare una temperatura minore. Ad esempio, Fischer consiglia di ridurre la temperatura massima di giunzione di almeno 20 °C.
   Va considerato anche che, più la giunzione è calda, più sarà caldo il package e quindi si avrà un punto di emissione di calore "molto caldo", il che non sempre auspicabile per il resto del circuito.
    

2. la temperatura ambiente: d' estate si arriva tranquillamente oltre i 35-40°C (a meno che abitiate in Norvegia), ma, principalmente, è probabile che il dissipatore sia all' interno di una apparecchiatura, in cui la temperatura sarà sempre più alta di quella ambiente. Peggio se l' apparecchio è installato su un veicolo.
    

3. lo scambio del calore: il valore della resistenza termica di un dissipatore è dato per una applicazione in aria libera. Se si trova all' interno di una apparecchiatura o fissato su un circuito stampato o anche è coperto di polvere dopo ore di uso, la sua resistenza termica sarà più alta di quella nominale
    

4. il fissaggio del package al dissipatore: la resistenza R_thcs è considerata per un accoppiamento perfetto, ottenuto interponendo una pasta termo conduttiva tra case e dissipatore. Se questo non è (senza pasta, superfici di contatto non ottimali o sporche, fissaggio meccanico inadeguato, ecc, la R_thcs può aumentare considerevolmente.

Il punto 1 si scontra con il fatto fisico che il trasferimento di calore è tanto più efficiente quanto maggiore è la differenza tra le temperature. Però va considerato che avere un punto molto caldo all' interno di una apparecchiatura può essere problematico per il resto dei componenti. Quindi si dovrà mediare in modo sensato a seconda delle circostanze.

In genere le caratteristiche di un certo package e di un certo materiale isolante sono abbastanza simili per vari dispositivi, ma, per avere una ragionevole precisione nelle valutazioni, occorre consultare il foglio dati perchè possono esserci sensibili differenze tra un prodotto ed un altro, anche in relazione al costruttore.

• Va considerato che esistono anche dispositivi uguali realizzati in differenti packages, destinati ad impieghi diversi, come RFP50N05 e RFG50N05 che sono lo stesso prodotto, ma rispettivamente in TO-220 e in TO-247, oppure il noto LM317 che è realizzato sia in TO-220 che in TO-3: le caratteristiche termiche del secondo sono migliori, a fronte di maggiori dimensioni meccaniche.

Quindi procedete secondo queste linee guida:

1. Nei calcoli, considerate la temperatura massima di giunzione diminuita di un fattore di sicurezza, almeno 20°C, meglio se più, per non avere un componente bollente
    

2. Non accontentatevi di un componente qualsiasi, ma scegliete il semiconduttore adeguato sia come prestazione che come package
    

3. Valutate la massima temperatura ambiente reale a cui il dispositivo sarà sottoposto
    

4. Posizionate il dissipatore in aria libera e, dove non sia possibile, consideratene uno con resistenza termica inferiore. Avendo la possibilità, utilizzate una ventola per creare una circolazione di aria forzata, il che può ridurre anche del 50% la resistenza termica del radiatore e le sue dimensioni.
    

5. Se possibile, non introdurre elementi isolanti tra semiconduttore e dissipatore, ma dove questo è indispensabile, tenerne conto nei calcoli.
    

6. Dove possibile, isolate il dissipatore dal contorno e non il semiconduttore dal dissipatore.
   

7. Non lottate per ottenere prestazioni eccessive da un dispositivo: sceglietene uno più potente. Aumenta il costo, ma può essere l' unica via per risolvere il problema, dato che il costruttore avrà dosato i parametri termici in funzione della più elevata potenza da dissipare e quindi meno calore.
    

8. Utilizzate più dispositivi in parallelo, siano essi transistor, MOSFET, diodi o resistenze.  Più  unità in parallelo consentono di avere dissipatori di calore più piccoli, dato che le resistenze termiche sono in parallelo e la potenza da dissipare si ripartisce sulle varie unità.
    

9. Non fissate il package del componente a secco sul dissipatore, ma interponendo sempre una pasta termo conduttiva. Utilizzate sempre un compound termo conduttivo tra dispositivo e dissipatore.

Soprattutto, assicurarsi di aver calcolato correttamente tutti gli elementi coinvolti, principalmente nelle applicazioni in cui si cercano prestazioni limite. 

Quanto detto vale per qualsiasi dispositivo da raffreddare, dalla CPU alla resistenza, dal transistor al diodo di potenza, dal MOSFET al TRIAC.