Il riscaldamento e i dissipatori 1)Da cosa è causato il riscaldamento? Il riscaldamento di un dispositivo elettronico è in parte causato dalla temperatura d'ambiente ed in parte dall'energia elettrica che il dispositivo stesso utilizza o gestisce. La potenza (intesa in senso fisico) che riscalda un apparecchiatura è data dal prodotto della tensione ai capi del dispositivo stesso moltiplicata per la corrente che in esso scorre:
P=V·I Dove P rappresenta la potenza espressa in Watt (W), V la tensione espressa in volt (V) e I la corrente espressa in ampere (A). Rigorosamente dovrebbe essere sottratta la potenza meccanica e ottica emessa dal dispositivo ma in genere questi aspetti non riguardano i dispositivi a semiconduttore comune. Nel caso in cui le grandezze elettriche fossero variabili nel tempo occorrerà considerare il prodotto dei valori istantanei e procedere alla loro integrazione per un tempo adeguato. Tanto maggiore è la potenza(P), tanto maggiore deve essere l'energia che il silicio deve dissipare per non scaldarsi troppo. Quindi questo problema è molto sentito nel progetto di dispositivi che: • funzionano con correnti elevate, anche con tensioni medio basse; • funzionano con tensioni elevate, anche se con correnti medio basse. Come si può evidenziare anche che tanto maggiore è la potenza da dissipare, tanto minore dovrà essere la resistenza che il sistema termico dovrà offrire allo
smaltimento del calore, cioè la resistenza termica dovrà essere la più bassa possibile. Altri modi per ridurre il riscaldamento dei dispositivi è ovviamente quella di intervenire laddove il calore è prodotto; proprio per ci sono differenti modi come: • diminuire la tensione di alimentazione; • diminuire la corrente assorbita; • diminuire la resistenza elettrica dei dispositivi in cui passano correnti elevate; • fare in modo che la corrente sia bassa quando la tensione è alta, o viceversa; • diminuire le frequenze operative. Ma la potenza dissipate non può diminuire oltre certi limiti, occorrerà favorire nel migliore dei modi l'allontanamento del calore del silicio verso l'ambiente esterno. Temperatura del silicio Il silicio è il materiale più utilizzato nell'ambito elettronico, infatti è molto importante studiarne la sua temperatura, che viene normalmente indicata come Tj (temperatura di giunzione) ed è sempre maggiore di quella del contenitore o dell'ambiente, o perlomeno nelle condizioni ambientali tipiche. Il problema sussiste nel tener questa temperatura sufficientemente bassa affinché il dispositivo possa svolgere per un tempo adeguatamente lungo la funzione per cui è stato progettato. Non esiste un confine preciso alla temperatura massima in quanto non si è in genere interessati a temperature ben definite quali potrebbero essere quelle di fusione dei materiali. Il silicio in teoria potrebbe sopportare una Tj ben maggiore di quella specificata nei fogli tecnici dei dispositivi elettronici: per esempio anche a 200-300°C o più non vi sono modifiche strutturali o chimiche tali da causare la distruzione fisica di un semiconduttore. Nella pratica è in assoluto sconsigliabile raggiungere tali temperature per diversi motivi: • a temperature elevate cambiano in modo sostanziale alcune
caratteristiche elettriche del silicio e, quindi, il dispositivo si comporta in modo diverso da quanto specificato dal costruttore. Per esempio in alcuni dispositivi è critico l'incremento del "rumore termico", associato alla temperatura assoluta oppure nei transistor cambia in maniera sostanziale il guadagno o ancora cambia la resistenza elettrica; • il silicio ha la proprietà di aumentare la propria conducibilità elettrica quando la temperatura sale e quindi se si scalda eccessivamente aumenta la corrente che passa e, quindi, la temperatura aumenta e quindi la corrente aumenta, innestando un fenomeno a catena detto "fuga termica" che potrebbe essere distruttivo. Il fenomeno a volte si innesca solo in aree ristrette della superficie del semiconduttore (i cosiddetti hot spot), causando danni anche quando la temperatura media non è elevatissima; •
aumentando la temperatura aumenta in modo vertiginoso la probabilità di guasti. Indicativamente ogni 10°C di aumento della temperatura raddoppia la possibilità di guasto. In genere il parametro usato è il MTBF (tempo medio tra due guasti) e la scelta strategica di questo parametro porta il costruttore alla indicazione di quella che, per lui, è la massima Tj. Valori tipici sono compresi tra 100 e 180 °C se il contenitore è a cavità (non ci sono cioè contatti diretti tra il silicio e i materiali che costituiscono il contenitore), 20-30° in meno se il contenitore è in plastica senza cavità.
Le grandezze termiche coinvolte La prima grandezza da considerare è il calore prodotto nell'unità di tempo, espressa in watt (W),come abbiamo già detto sopra. La seconda grandezza è la temperatura espressa in gradi centigradi (°C) o, più correttamente, in kelvin(K). Se si hanno due corpi a diversa temperatura, il calore scorre dal corpo più caldo al corpo più freddo. Questo passaggio termico può essere più o meno favorito sfruttando la proprietà termiche dei materiali interposti tra i due corpi. Fisicamente può essere introdotto il concetto di resistenza termica:
dove
e
sono le temperature dei due corpi, P è la potenza e
la
resistenza termica espressa in °C/W . La resistenza termica tiene conto del calore trasmesso per conduzione, per convezione e per irraggiamento ed è un astrazione in quanto differenza di temperatura e calore trasmesso non sono direttamente proporzionali e quindi la
non è una costante. È comunque un'utile astrazione, più che adeguato
per descrivere il fenomeno nelle normali condizioni di utilizzo dei dispositivi elettronici, con temperature superficiali che difficilmente escono dall'intervallo compreso tra i 50 ed i 150°C. Una volta che si è ridotta al minimo la potenza dissipata , l'obbiettivo è intervenire sulla
,cercando di renderla minima compatibile con costi e
ingombri. Si ricorre spesso ai cosiddetti dissipatori (in inglese heat sink), cioè ampie superfici in metallo che hanno il compito di far favorire lo spostamento del calore dal silicio all'ambiente circostante. A volte si usano anche ventole che, attraverso il movimento dell'aria, favoriscono il trasferimento di calore per convezione; infine, in casi veramente critici, è possibile ricorrere anche a celle di peltier, raffreddamento a liquido o tubi di calore, non senza alcuni problemi.
2)Trasmissione del calore Si parla di trasmissione del calore quando dell'energia termica transita per effetto di un gradiente di temperatura. La fisica grazie alla termodinamica studia tutti i modi di trasmissione del calore che sono: • irraggiamento; • convezione; • conduzione. La trasmissione del calore può avvenire naturalmente, dove si ha un trasferimento da un ambiente a temperatura maggiore ad uno a temperatura minore, oppure forzatamente, nel caso in cui si trasferisce calore da un ambiente a temperatura maggiore è necessario effettuare un lavoro con impegno di energia. Il calore si trasmette anche nel vuoto attraverso le radiazioni solari.
Irraggiamento Nella fisica, per irraggiamento si intende il trasferimento di energia (calore) tra due corpi a mezzo di onde elettromagnetiche. L'irraggiamento al contrario della conduzione e della convezione l'irraggiamento non prevede contatto diretto tra gli scambiatori, e non necessita di un mezzo per propagarsi. Questo fenomeno interessa ogni aggregato materiale, oltre che nei solidi, liquidi e gassosi, si propaga anche nel vuoto. Questo è dovuto al fatto che il trasferimento di calore per irraggiamento avviene sotto forma di onde elettromagnetiche. Si ha sia emissione che assorbimento di radiazione elettromagnetica. Questo fenomeno si presenta con qualunque temperatura, ma solo alle temperature più alte supera i contributi della convezione e della conduzione. La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento è infatti proporzionale a T4 , cioè la sua temperatura elevata alla quarta: è proprio per questo che alle basse temperature ha una frazione trascurabile a confronto della conduzione e della convezione, ma al crescere della temperatura la sua importanza aumenta rapidamente. Convezione La convezione è un tipo di trasporto causato da un gradiente di pressione e dalla forza di gravità, assente nei solidi e trascurabile per i fluidi molto viscosi, caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido. I principi della termodinamica affermano che il calore che un sistema cede (ad altri sistemi, al suo interno o all'ambiente circostante) è uguale a quello che l'altro riceve (conservazione dell'energia),e spontaneamente il calore viene ceduto dal sistema a maggior temperatura verso quello a minore. Il fenomeno della convezione termica si ha quando un fluido (come l'acqua o l'aria) entra in contatto con un corpo la cui temperatura è maggiore di quella del fluido stesso. Aumentando di temperatura, il fluido a contatto con l'oggetto si espande e diminuisce di densità, e a causa della spinta di Archimede sale essendo meno denso del fluido che lo circonda che è più freddo, generando così moti convettivi, in cui il fluido caldo sale verso l'alto e quello freddo scende verso il basso (convezione naturale). Conduzione Per conduzione termica si intende la trasmissione di calore che avviene in un
mezzo solido, liquido o gassoso dalle regioni a più alta temperatura verso quelle con temperatura minore per contatto molecolare diretto. Il principio alla base della conduzione è diverso a seconda della struttura fisica del corpo: se la conduzione termica avviene nei gas è dovuta alla diffusione atomica e molecolare, se invece avviene nei liquidi e nei solidi è a causa di onde elastiche; nei materiali metallici il fenomeno è principalmente dovuto alla diffusione degli elettroni liberi dato che è trascurabile il contributo dell'oscillazione elastica del reticolo cristallino.
3) I dissipatori
In elettronica un dissipatore è un dispositivo che consente l'abbassamento di temperatura di componenti che sprigionano calore come i transistor e i processori, evitando che il surriscaldamento degli stessi ne provochi il malfunzionamento, l'arresto o la rottura. Un dissipatore è una massa metallica destinata a smaltire il calore generato da un semiconduttore. Per favorirne la massima dispersione di calore i dissipatori : • sono forniti di alettature che aumentano la superficie di contatto tra aria e metallo; • sono di color nero per favorir la dispersione per irraggiamento; • sono in genere costruiti in alluminio o rame. Il rame viene impiegato nei casi dove occorra la massima efficienza nel trasferimento termico, accettandone il maggior costo e il maggior peso specifico, l'alluminio viene scelto per condizioni operative meno impegnative. Tutte le CPU ne sono dotate a causa dell'elevato calore generato. Solitamente è a forma toroidale, configurato a lamelle, per aumentare l'efficienza nella sottrazione di calore, viene accoppiato ad una ventola mossa da un piccolo motore elettrico che fornisce un flusso di aria di ventilazione. Ne esistono di molte altre forme, conformate in funzione dei componenti a cui devono essere applicati, in alcuni casi, prevalentemente apparecchiature voluminose sviluppando molto calore. Il principio sfruttato è sempre quello di aumentare la superficie radiante per favorire la dispersione di calore per irraggiamento e convezione. Quando necessita efficienza estrema e minimo ingombro, si adotta la soluzione definita ventilazione forzata, come in caso delle CPU o della
strumentazione elettronica. Il parametro principale dei dissipatori è la ed in genere è anche l'unico noto. La resistenza termica è corretta solo se il dissipatore è montato come prescritto dal produttore in quanto, soprattutto quelli per potenze più elevate, sfruttano le correnti d'aria causate dal riscaldamento stesso per migliorare il trasferimento termico. In genere è inversamente proporzionale al peso , al volume e, soprattutto, alla superficie delle alette ed al disegno delle stesse; valori normali di resistenza termica sono compresi tra gli 0.5°C/W e la decina di °C/W. Nell'effettuare il montaggio meccanico del dissipatore occorre seguire le indicazioni del costruttore; anche la pressione da esercitare tra dissipatore e semiconduttore è importante:se eccessiva causa deformazioni e stress nel dispositivo, se scarsa impedisce una buona conducibilità termica. Normalmente viene impostata tra le due superfici a contatto una pasta termoconduttiva o anche detta pasta siliconata(si tratta di un conduttore di calore a base di ossidi metallici, zinco in particolare), ed ha le funzioni di eliminare completamente il velo di aria inevitabilmente presente, essendo la stessa un pessimo conduttore termico, ne limiterebbe l'efficienza. Ma si deve considerare anche che questa pasta va utilizzata con molta parsimonia perché da una parte tende a sporcare e dall'altra, se di spessore eccessivo, finisce con il peggiorare il trasferimento di calore: lo spessore corretto è tale che, premendo con forza componente e dissipatore, non si ha praticamente fuoriuscita di materiale. L'uso corretto della pasta su superfici a buona finitura superficiale dimezza circa la
(c-h).
Una necessità è spesso ottenere l'isolamento elettrico tra il dissipatore e il dispositivo a semiconduttore. La soluzione tradizionale prevede l'uso di apposite lamine in mica e di bussole in materiale plastico. Purtroppo questo metodo di montaggio peggiora le caratteristiche termiche; è infatti cosa normale che un isolante elettrico sia anche un isolante termico. La soluzione per questo problema è l'uso di dispositivi integrati già isolati, anche se in genere più costosi. Occorre prestare attenzione al fatto che nei dispositivi ad altissime prestazioni l'isolamento è ottenuto con ossido di berillio, ottimo isolante elettrico e buon conduttore termico ma anche sostanza altamente tossica e quindi pericolosa se il contenitore viene aperto. A volte l'uso del materiale in mica e del grasso al silicone è sostituito da
materiali solidi di aspetto spugnoso, in genere leggermente peggiori dal punto di vista termico ma decisamente più pratici nel montaggio. L'efficienza termica del dissipatore può essere di molto aumentata utilizzando un flusso d'aria forzato,come abbiamo già detto, che lambisce le alettature. La resistenza termica in questi casi scende anche ad un quinto, permettendo di risparmiare sulle dimensioni e sui costi. Però dobbiamo fare due precisazioni: • l'uso di una ventola o di qualunque altro dispositivo di questo tipo non abbassa la temperatura ma semplicemente diminuisce la resistenza termica del dissipatore: non è quindi possibile in nessun caso usare un dissipatore per ottenere una temperatura inferiore a quella ambiente; • occorre tenere presente che usare una ventola non ha alcuna influenza né sulla
(j-c) né sulla
(c-h)ma agisce solo su una delle
componenti delle resistenze termiche presenti: i valori dovranno comunque essere alla fine sommati. Durante la progettazione elettrica e del circuito stampato, e quindi prima di procedere al progetto termico, è opportuno tenere presenti alcuni punti: • scegliere un dispositivo realmente adeguato allo scopo. Spesso infatti la (j-c) è relativamente troppo elevata, tale da rendere necessario un dissipatore eccessivamente grande affinché la somma di tutte le resistenze termiche sia sufficientemente bassa. Come linea guida si potrebbe affermare che la se la
(j-c) è maggiore della
(h-a), il
dispositivo probabilmente è sotto-dimensionato; • verificate con attenzione la disposizione meccanica dei corpi di raffreddamento: una aletta montata verticalmente fa guadagnare diversi gradi rispetto alla stessa in posizione orizzontale, visto il maggior flusso naturale di aria (l'aria calda tende infatti a spostarsi verso l'alto); • evitare di avvicinare troppo tra di loro componenti di potenza: la dissipazione per irraggiamento è possibile solo se i corpi circostanti sono freddi; • se possibile montare il dispositivo e/o il dissipatore all'esterno del contenitore che facilmente è a una temperature di qualche decina di gradi inferiore rispetto all'interno. I dissipatori si possono dividere in tre gruppi:
• dissipatori ad acqua; • dissipatori passivi; • dissipatori attivi.
Dissipatori ad acqua Questi dissipatori sono dei veri e propri piccoli impianti di raffreddamento, dove l'acqua, fatta circolare da una pompa, passa attraverso il waterblock, che ha il compito di trasportare il calore dal componente che richiede di essere raffreddato al liquido, un dispositivo che ha lo scopo di assorbire il calore dal componente da raffreddare e trasferirlo all'acqua in circolo, la quale fluendo attraverso un radiatore attraversato da un flusso d'aria generato da una o più ventole, il calore dell'acqua viene disperso nell'ambiente. Questo sistema di raffreddamento è il più efficace ma anche il più costoso, inoltre bisogna effettuare manutenzione periodicamente cambiando l'acqua e pulendone i componenti Dissipatori passivi Costituiti da lamelle in rame o alluminio molto ravvicinate, tenute insieme da una struttura portante, anch'essa in rame o alluminio. Le lamelle possono essere realizzate con procedimenti diversi: pressofusione dell'alluminio, ribattitura o saldatura delle stesse ad un blocco portante, o ricavate per fresatura dal pieno (il più costoso). Il calore viene dissipato grazie alla conduttività termica del metallo utilizzato ed alle correnti convettive che si generano, per effetto della differenza di temperatura, nell'aria intorno al dissipatore. Per questo è molto importante che il dissipatore venga posizionato nel verso giusto: ovvero bisogna fare in modo l'aria abbia la possibilità di scorrere in verticale lungo le superfici del dissipatore, perciò le alette del dissipatore devono essere orientate in verticale e mai in orizzontale. Inoltre una parte di calore viene ceduta all'ambiente circostante attraverso il fenomeno dell'irradiazione. Qualsiasi corpo che si trovi a temperatura superiore a zero gradi kelvin emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, riducendo di conseguenza la sua temperatura. In condizioni di equilibrio ciascun corpo emette la stessa quantità di energia che riceve dagli oggetti circostanti (fra cui sono comprese, ad esempio, le pareti della stanza in cui
questo si trova). Nel caso del dissipatore, per il fatto che questo si trova a temperatura superiore rispetto agli oggetti circostanti, e per una serie di altri effetti fisici (fra cui il fatto che il dissipatore sia in metallo e sia di colore nero) l'energia emessa è maggiore di quella ricevuta. Il contributo dell'irradiazione alla dissipazione è predominante alle basse temperature e si può dire che sia praticamente l'unico mezzo di dissipazione di calore per i componenti elettronici comuni. Per i dissipatori in genere ha luogo un mix di scambio convettivo e irradiazione che viene raggruppato sotto la definizione di adduzione, a cui si riferiscono i coefficienti che solitamente si trovano in giro. Questo sistema di raffreddamento, a parità di prestazioni è più ingombrante di un analogo sistema a ventilazione forzata, però ha il pregio di essere completamente silenzioso. Dissipatori attivi Dispongono di un corpo dissipante alettato in alluminio o rame, attraverso il quale viene fatto passare un flusso d'aria generato da una ventola, che ne asporta il calore trasferendolo lontano dal componente. È il sistema di raffreddamento di minore ingombro e più economico, e può essere più o meno rumoroso a seconda dell'efficienza del corpo dissipante, della velocità di rotazione della ventola e dalla qualità dei cuscinetti adottati. Nel marzo del 2008, due scienziati statunitensi hanno realizzato un dissipatore per CPU in grado di creare una corrente d'aria senza l'uso di parti meccaniche in movimento, sfruttando il principio fisico dell'effetto corona, è un fenomeno per cui una corrente elettrica fluisce tra un conduttore a potenziale elettrico elevato ed un fluido neutro circostante, generalmente aria.. Il risultato è un sistema di ventilazione virtualmente privo di emissioni acustiche e in grado di consumare solo una frazione dell'energia richiesta dai comuni dissipatori attivi. 4)Calcolare la temperatura di giunzione La risoluzione rigorosa delle equazioni che regolano il legame tra potenza dissipata e temperatura sono, per loro natura, alquanto complesse, anche considerando la sola componente lineare espressa dalla
.
Vengono quindi effettuate tre semplificazioni: • si suppone che la temperatura sia omogenea all'interno di un corpo costituito da un solo materiale: la cosa è abbastanza vera a condizione che ciascun oggetto sia costituito da un materiale omogeneo che, in
relazione alle dimensioni e all'ambiente circostante, sia un buon conduttore di calore, quali per esempio i metalli ed il silicio; • si suppone che potenza dissipata e temperatura non cambino nel tempo: viene cioè fatta un'analisi in regime stazionario. Le soluzioni trovate sono comunque compatibili anche con situazioni dinamiche, con l'unica avvertenza che si avranno temperature reali più basse di quanto calcolato; • come ho già detto, si suppone che la
sia una costante: in pratica si
trascura l'energia dissipata per irraggiamento, in genere effettivamente minore di quella trasmessa per conduzione. Sotto questi condizioni la risoluzione del problema è semplificata dalla cosiddetta equivalenza elettrica delle grandezze termiche: ogni grandezza termica viene trasformata nella sua equivalente elettrica e, quindi, si applicano le usuali leggi dell'elettrotecnica. • La potenza generata internamente al semiconduttore è "trasformata" in un generatore di corrente; • la temperatura in tensione; •
la resistenza termica in resistenza elettrica.
Una precisazione: questa trasformazione è da utilizzarsi solo per i calcoli termici e non deve essere confusa quando si fanno calcoli di natura elettrica per calcolare, per esempio, la potenza. Per esempio non esiste assolutamente nessuna relazione tra la resistenza elettrica di un componente e la corrispondenza resistenza termica.
Nel caso più semplice, rappresentato in figura sulla sinistra, possiamo individuare quattro oggetti: • il silicio alla temperatura Tj, disegnato dal piccolo rettangolo in colore giallo ; • il contenitore (in inglese case), alla temperatura Tc, disegnato in colore violetto; • il dissipatore alla temperatura Th,
disegnato in colore grigio ; • l'ambiente alla temperatura Ta, da ritenersi costante . Queste temperature sono sempre in ordine decrescente a meno di prevedere particolari pompe atte a far scorrere il calore da un corpo freddo ad uno caldo. Le superfici che separano i vari materiali e che quindi offrono una certa resistenza al passaggio di calore sono indicate come resistenze, rappresentate in figura sulla destra:
•
(j-c), cioè resistenza termica tra il silicio ed il case. Questa resistenza è scelta dal produttore del circuito integrato o del transistor e dipende sostanzialmente dal tipo di contenitore, dalla superficie del chip, dall'eventuale strato isolante interposto. Valori normali possono variare tra 0.01 a 5 °C/W, lasciando ovviamente i primi ai dispositivi che generano le potenze maggiori;
•
(c-h). Questo parametro dipende essenzialmente da quanto è buono il collegamento termico tra il transistor o il circuito integrato e l'eventuale dissipatore. Si tratta quindi di un parametro, almeno in parte, controllabile da chi effettua il montaggio del circuito. Valori ragionevoli vanno da poco più di 1 a qualche centesimo di °C/W;
•
(h-a). Indica quanto un dissipatore riesce ad emettere calore verso l'ambiente circostante e dipende dal tipo di dissipatore, dalle dimensioni, da come è montato e dall'eventuale presenza di ventole o di raffreddamento a liquido. Valori ragionevoli variano da poche decine a pochi decimi di °C/W o anche meno nel caso di raffreddamento ad aria forzata o a liquido.
A volte viene indicata la somma delle tre resistenze termiche (essendo "in serie") con il termine
(j-a), caso comune per esempio quando non
viene usato un dissipatore. La risoluzione del sistema termico viene fatta considerando l'equivalente elettrico ed applicando le formule note dell'elettrotecnica; se siamo per esempio interessati alla temperatura del silicio possiamo quindi calcolare:
Alcune di queste grandezze termiche sono fornite dal costruttore mentre altre sono determinate dall'applicazione: • la Tj(max) è determinata dal produttore del dispositivo in modo da garantire una vita operativa ragionevole al dispositivo; l'utente può in pratica solo intervenire mantenendola più bassa del valore indicato per ottenere un prodotto ad alta affidabilità (o, se proprio vuole, aumentarla per prodotti "sperimentali", cioè destinati a durare poco nel tempo); •
la
(j-c) è una "costante" per ogni particolare dispositivo. Da notare
che il produttore fornisce solo il valore massimo garantito e, solo a condizione di prevedere controlli molti attenti, si possono selezionale esemplari migliori di altri da questo punto di vista; • la Ta (massima, cioè ci si pone sempre nel caso più sfavorevole) dipende dall'applicazione, scegliendo per esempio 40-50°C se l'oggetto andrà lasciato all'aperto e 50-80°C se andrà posto in un contenitore chiuso oppure dovrà essere usato in ambito automobilistico o industriale; •
la Pd è data o dal costruttore (per esempio nel caso di processori) o dall'applicazione (nel caso di transistor o circuiti integrati di potenza).
Lo schema "elettrico" sopra riportato è riferito ad un esempio semplice anche se frequente: a volte esistono però più percorsi possibili per il calore: l'equivalente elettrico diventa quindi costituito da più resistori in parallelo. Tipico il caso di circuiti saldati su circuito stampato (il calore si allontana anche attraverso i pin e le piste in rame) oppure quello dei resistori di potenza già forniti di apposite alette ma che possono essere montati su dissipatori supplementari. Analogo il ragionamento da fare nel caso in cui più dispositivi sono montati sullo stesso dissipatore di grosse dimensioni: in questo caso si hanno infatti più "generatori di corrente equivalente" e più blocchi di resistenze termiche, con quella corrispondente al dissipatore in comune tra tutti i dispositivi.
L'esempio riportato è relativo a due dispositivi che condividono lo stesso dissipatore ed in cui si è evidenziato anche il
percorso del calore attraverso, per esempio, il collegamento tra la giunzione e l'ambiente costituito dal circuito stampato. La risoluzione del circuito elettrico equivalente è un utile esercizio di elettrotecnica, anche se, oggettivamente, un po' troppo teorico. L'utente deve verificare che la Tj sia inferiore a quella massima permessa: in pratica ed entro certi limiti può agire su: • Ta: tipico è il divieto di usare certe apparecchiature quando fa troppo caldo oppure il prevedere ventole che abbassano la temperatura interna dei contenitori (comunque non al di sotto la temperatura ambiente!) o addirittura appositi sistemi di refrigerazione dei contenitori (una sorta di frigorifero in cui porre le apparecchiature); •
: favorendo un buon contatto tra case ed il dissipatore attraverso
buone finiture delle superfici di contato e opportuni lubrificanti a base di silicone; •
(h-a): usando un dissipatore di maggiori dimensioni e con più alette oppure usando una ventola.
Non sempre il produttore fornisce tutti i parametri appena citati ed è abbastanza comune la necessità di andare per analogia con altri dispositivi simili dei quali si conoscono le caratteristiche. Le curve di derating A volte, soprattutto per resistori o moduli pre-assemblati che non necessitano di un ulteriore dissipatore, il costruttore fornisce un grafico (la curva di derating) con in ascissa la temperatura ambiente (o in alternativa quella della superficie del contenitore) ed in ordinata la potenza gestibile dal dispositivo: solo al di sotto di tale curva il dispositivo è sufficientemente raffreddato. In pratica è un grafico che rappresenta come le caratteristiche termiche peggiorano all'aumentare della temperatura dell'ambiente. Quella a sinistra riportata è la tipica curva di derating di un MOS di media potenza. Osservandola si nota come il dispositivo possa dissipare 35W se la temperatura del contenitore è inferiore a 25°C. A 175°C il MOS non è più in grado di
dissipare alcuna potenza. E' possibile estrarre da questo grafico sia la Tj(max) che la
(j-c):
• la Tj(max) è semplicemente l'incrocio tra l'asse delle ascisse e la curva, nell'esempio 175°C; •
la
(j-c) è data dalla formula: Rth = (T1 - T2) / (P2 - P1)dove i
punti 1 e 2 identificano due punti qualunque lungo il tratto rettilineo discendente, per esempio, facendo riferimento al precedente grafico, le coppie (25°C, 35W) e (175°C, 0W), ottenendo una
(j-c) di circa 4.3 °C/W. Se in
ascissa fosse stata rappresentata la temperatura ambiente, anziché quella superficiale del case, si sarebbe, con la stessa formula, calcolata la
(j-a).
Laveglia Marco IVª KA 11/06/2009 T.D.P.