Tutorial - Elettronica

 

Dissipare il calore


Il semiconduttore scalda...

Se alcuni corpi diventa caldi in quanto ricevono calore, altri sono essi stessi fonte di energia termica. Nei circuiti elettronici, praticamente tutti i componenti sono generatori di calore, avendo una resistenza ed essendo attraversati da una corrente.  Un componente elettrico caldo perch genera calore per effetto Joule, ovvero il calore prodotto all' interno dello stesso componente. In alcuni casi il fatto ben visibile: pensiamo ad esempio alla resistenza di riscaldamento di una stufa. 

In altri casi il "punto caldo" non direttamente visibile, in quanto si trova dentro l' oggetto.

Questo il caso dei semiconduttori, dove il "cuore" del dispositivo costituito da una minuscola piastrina di silicio ("die"): il calore generato dalle giunzioni realizzate in questa piastrina. 

Il "die", di pochi millimetri quadrati di superficie, inglobato al centro di un blocchetto di materiale plastico o in un contenitore metallico sigillato (case) che ha funzione di isolamento, supporto meccanico e trasmissione del calore . 

Le connessioni elettriche sono riportate all' esterno attraverso pin o altri sistemi.

Nell' immagine a lato, un semiconduttore in package denominato TO-220, visto in sezione. Si tratta di un package per semiconduttori di potenza, ma di dimensioni limitate ( largo meno di 10mm e lungo un paio di centimetri).

Il "die" fissato a un "tab" metallico che ha lo scopo di condurre all' eterno il calore generato. 

Il "tab", come in questo caso, pu avere anche la funzione di fissaggio meccanico ad un sistema di raffreddamento; va tenuto presente che, solitamente, per migliorare al massimo l' accoppiamento termico tra "die" e "tab" non viene interposto isolamento, per cui il "tab" elettricamente collegato ad un terminale del semiconduttore.

Il punto caldo, dunque, il centro della piastrina di silicio con cui realizzato il semiconduttore. Esso prende il nome generico di "giunzione" (in inglese junction, abbreviato in j). Il nome "giunzione" viene attribuito sia a componenti che hanno reali giunzioni (transistor BJT, diodi raddrizzatori, LED, ecc), come a componenti che non ne hanno (MOSFET) o ne hanno molteplici (circuiti intergrati), in relazione al fatto che nel die che si sviluppa il calore. E lo useremo anche per componenti che non sono semiconduttori, come i resistori, che, comunque, hanno un volume "centrale" che origina calore per effetto Juole.

Il resto dei package realizzato spesso con resine epossidiche, solitamente di colore nero; pur essendo materie plastiche, non sono degli isolanti termici, anche se presentano una resistenza al passaggio del calore ben maggiore di quella del metallo del tab. Se si richiede una minore resistenza termica si utilizzeranno package metallici con superfici pi o meno grandi per lo scambio del calore.
Noi percepiamo il calore toccando il componente perch questo calore ha attraversato i materiali del package fino ad essere percepibile sulla superficie esterna ("scotta !"). Il calore, prodotto al centro del componente, si propagato per conduzione.
Ovviamente in questo caso si tratta di calore senza fiamma (almeno fino a quando non eccedete con l' energia fornita...).


Anche per questo pu essere utile un chiarimento: il gas caldo per la sua combustione, la quale genera anche una fiamma. E noi associamo il calore al fuoco. Ma diventa calda anche l' acqua in cui sciogliamo dello zucchero (reazione esotermica) o un oggetto lasciato in pieno sole; in entrambi i casi il riscaldamento non da certo ad una fiamma. Quindi importante comprendere che la "fiamma", o il fil di fumo del componente che fonde..., sono sintomi di reazioni chimiche relative ai materiali, dovute essenzialmente al calore, ma non sono "il calore".  Piuttosto, elevate quantit di calore possono portare la temperatura di un materiale ad un punto in cui ne avviene la vaporizzazione o l' incendio o una qualche reazione che cambia la struttura del materiale stesso. 

Ed anche il valore della temperatura indice della quantit di calore presente nel corpo, ma non indice assoluto di problemi al materiale. Ad esempio, la maggior parte delle materie plastiche a pi di 60C si deforma, ma questa temperatura non modifica minimamente lo stagno che richiede 232C per iniziare a fondere; alla stessa temperatura circa (451F) la carta brucia. Abbiamo un senso di molto calore ("scotta") toccando un corpo a pi di 50C, mentre la giunzione di un semiconduttore pu arrivare a 125C. 

Anche gli "effetti pirotecnici" del calore sono in generale relativi alla natura del materiale e alla quantit di calore relativa alla massa a cui si applica: per bruciare una piccola resistenza pu bastare un watt, per fondere l' alluminio i forni trasformano in calore potenze di MW.

Quindi buona cosa evitare ogni generalizzazione e sensazionalismo osservando un fenomeno relativo al calore e cercare di comprendere in cosa consista il fenomeno stesso.


 

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Aggiornato il 06/10/12.