...e quanto può diventare caldo ?
La temperatura a cui il silicio, che costituisce i semiconduttori, si
danneggia, può oscillare tra i 200°C e i 300°C.
Si tratta di valori assai altri, ma facilissimi da raggiungere e dai quali
occorre stare ben lontani.
Infatti l' alta temperatura causa due problemi di fondamentale importanza:
- a temperature elevate cambiano le caratteristiche elettriche del
silicio stesso. Ne consegue che nei semiconduttori si possono innescare fenomeni di thermal
runaway o thermal run-down, traducibile con "deriva termica".
Questo indica quando un processo si avvita su se stesso a causa di un aumento della temperatura che a sua volta
crea condizioni per un ulteriore aumento della temperatura.
Il silicio ha la caratteristica di aumentare la sua resistenza elettrica con la temperatura fino a circa 160 ° C,
ma poi la resistenza inizia a diminuire.
Con una elevata corrente si genera una elevata temperatura e questa produce
una diminuzione della resistenza, il che fa aumentare la corrente, che fa
aumentare il calore. Si innesca così un ciclo che distrugge la giunzione in
pochi istanti o, peggio, crea zone di semi fusione nel silicio (hot-spot) che
fanno degenerare le caratteristiche del componente.
Ricordiamo che la relazione tra corrente, resistenza e calore è quadratica:
P = R * I2
quindi, al raddoppio della corrente corrisponde il quadruplicarsi della
potenza.
Nel caso dei circuiti molto complessi, come le CPU dei personal computer,
la potenza dissipata in calore è funzione quadratica anche della frequenza;
questo ha fatto si che la corsa ai gigahertz (che portava solo un pauroso
aumento del calore) sia stata ad un certo punto interrotta per privilegiare la
riduzione delle geometrie, che riduce la potenza persa.
L'
estrema piccolezza dei componenti fa si che la loro superficie di scambio
termico sia piccola e che la quantità di calore immagazzinabile senza danno
sia altrettanto piccola: generando calore, il tempo di accumulo di una
quantità tale da iniziare processi di fusione è molto breve.
Per questa ragione i costruttori fissano le temperature limite per le
giunzioni generalmente tra 125°C e 200°C. Temperature che, comunque, è meglio non avvicinare
troppo in quanto sono il limite massimo al di la del quale si innesca la
deriva termica ed è assicurato il danno irreversibile al componente.
Questo danno non sfocia obbligatoriamente in fumo e fiamme, ma può, più
subdolamente, manifestarsi con il degrado delle caratteristiche del
componente; ad esempio, surriscaldare transistor ha come primo effetto una
riduzione del guadagno.
- maggiore è la temperatura, minore è la durata di vita che ci
si può aspettare dal componente. Si calcola che una riduzione della
temperatura di 5-10°C raddoppia le aspettative di vita per un
semiconduttore.
Quindi occorre mantenere ragionevolmente bassa la temperatura se si vuole
un oggetto affidabile.
Inoltre una elevata temperatura, ovvero l' emissione di energia termica
(calore) da un dispositivo può influire sui componenti vicini, creando
problemi di affidabilità generale del sistema.
Alcuni componenti, come i resistori, possono arrivare a temperature elevate,
ma altri, come i condensatori, hanno un accorciamento della vita quanto
maggiore è la temperatura. Per ovviare a questi fatti, esistono versioni dei
vari componenti in grado di trattare potenze diverse o di operare in ambienti
con temperature maggiori. Ad esempio, per i condensatori, esistono selezioni
per temperatura ambiente di 85°C, ma anche di 105°C e 125°C gradi; questo
non deve destare meraviglia: la temperatura che si raggiunge in un vano motore
di un' auto, all' interno di una macchina industriale o anche solo di un PC
spesso può arrivare a questi valori.
Peraltro è possibile che una apparecchiatura debba dissipare una elevata
potenza per breve tempo; l' uso di sistemi di raffreddamento complessi,
ingombranti e costosi può essere inutile se la durata della sovra potenza è
tale da permettere il rientro dei componenti ad una temperatura di
sicurezza con l' impiego di un metodo di raffreddamento meno oneroso.
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Se si prevede che l' apparecchiatura possa andare soggetta a temperature
critiche per tempi troppo lunghi, una soluzione semplice è quella di
associare un sistema termostatico che intervenga come
"fusibile termico" o inserendo sistemi di raffreddamento ausiliari.
Per ragioni di sicurezza, ad esempio, gli elettrodomestici che
generano calore (ferri da stiro, tostapane, ecc) hanno inserito nel
loro circuito un interruttore termico o un vero e proprio fusibile
termico che interrompe il funzionamento dell' apparecchio nel caso di
sovra temperatura. |
Se ne conclude che è sempre meglio evitare di avere punti troppo caldi in
una apparecchiatura, sopratutto in sistemi chiusi in contenitori che non
permettono uno scambio di calore con l' ambiente o che vanno utilizzati al di
fuori dell' ambito domestico o dell' ufficio, dove le temperature ambientali
sono abbastanza costanti.
La temperatura ambiente
Un aspetto della temperatura massima che non sempre è sufficientemente
considerato è quello della temperatura ambiente.
Abbiamo visto nel modello "elettrico" del calore come la
"massa" sia l' ambiente. Ma questa "massa" non ha
potenziale 0, bensì dispone di un suo grado di calore, di una sua
temperatura. Questa temperatura va assolutamente presa in considerazione nella
valutazione termica, in quanto, ad esempio, la giunzione del semiconduttore,
in una stanza con temperatura di 30°C, non può trovarsi ad una temperatura
minore di questa, se non usando una pompa di calore.
Il silicio di solito può tollerare fino a 150 ° C, anche si i costruttori
indicano valori tra 125 e 200°, ma l'altra estremità del circuito va
determinata in funzione dell' applicazione. Quindi, in modo semplicistico,
possiamo dire che la temperatura massima della giunzione va
considerata come la somma della temperatura ambiente più quella prodotta
dalla potenza persa in calore:
Temperatura giunzione = Temperatura ambiente +
TemperaturaPd
dove TemperaturaPd è proporzionale al
prodotto V * I ed alle resistenze termiche.
Se osserviamo, i dati tipici di un componente sono forniti con riferimento
ad una temperatura ambiente, che è tipicamente 20 o 25°C. Questo vuol dire che se la temperatura è
minore, ci sarà un maggior spazio per il calore del componente, ma se la
temperatura è maggiore, questo ridurrà la possibilità di produzione di
calore nel componente. Ad esempio, se la temperatura ambiente è 10°C, potrò
dissipare potenza per:
TemperaturaPd = Temperatura giunzione -Temperatura ambiente
= 150-10 = 140
ma se la temperatura ambiente sale a 60 °C
TemperaturaPd = 150-60 = 90
In casa, in laboratorio o in azienda, magari con aria condizionata, si può
assumere reale il 25°C, ma solitamente si trovano ambienti che possono
arrivare a temperature molto maggiori o minori. Veicoli, quadri elettrici, macchinari,
apparecchi posti all' aperto sono soggetti ad escursioni termiche molto ampie.
Industrialmente, se si progetta per 60 °C, si dovrebbe essere abbastanza
al sicuro, anche se in certi casi si utilizzano 80-85°C o più, mentre per il normale uso
domestico, progettare per una temperatura ambiente massima di 40 °C è
ragionevole; qualora si supponga che la temperatura ambiente possa salire di
molto, probabilmente sarà utile inserire protezioni termiche o indicare i
massimi operativi per un certo range di temperature.
Se quanto espresso finora è chiaro, possiamo proseguire.
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