Fa caldo...
Dall' elettrologia elementare sappiamo che una resistenza, attraversata da
una corrente, genera calore, secondo il principio di Joule:
La relazione indica che la potenza dipende dal prodotto della corrente per
la tensione, ovvero dal prodotto della resistenza per il quadrato della
corrente.
Per la Legge di Ohm possiamo scrivere anche:
P = V * I = R * I2 = V 2/
R |
in funzione della resistenza e della corrente/tensione.
Questo succede per qualsiasi componente di qualsiasi circuito elettrico e
quindi anche per i circuiti elettronici; conduttori, morsetti, resistori, transistor, MOSFET,
diodi, LED e perfino i condensatori: dato che tutti esibiscono una certa
resistenza più o meno grande, attraversati da una corrente sono
soggetti ad un riscaldamento.
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Alcuni circuiti sono specificamente progettati per generare calore: una
stufa, un fornello, un asciuga capelli, un ferro da stiro. In questi oggetti la produzione di calore è lo scopo della realizzazione e i componenti sono
dimensionati a questo fine.
Il calore, ad esempio nel ferro da stiro, è generato dalla
conversione dell' energia elettrica assorbita in energia termica nella
resistenza contenuta nella piastra stirante. Per effetto Joule l'
elettricità si trasforma in calore. Un aumento dell' energia termica
determina una aumento della temperatura.
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In generale, però, in un circuito elettrico o elettronico non
specificamente previsto per riscaldare, il progettista sarebbe
assai contento di poter evitare la dissipazione in calore di parte dell' energia
assorbita dall' alimentazione. Infatti, oltre alla perdita energetica, il calore
ha come effetto
l'alterazione delle caratteristiche dei materiali e, se eccessivo, la loro
distruzione. In
particolare, i componenti elettronici, che sono costituiti da masse molto ridotte
di materiale, sono particolarmente sensibili ad un eccesso di calore, che li danneggia irrimediabilmente. Si può
anzi dire che:
l'affidabilità e la durata della vita di un qualunque dispositivo
elettronico a semiconduttore è inversamente proporzionale alla temperatura
raggiunta dal silicio (nella giunzione). |
Alcuni studi rilevano che una riduzione della temperatura di giunzione di 5 °C
o 10 °C origina un raddoppio della vita prevista del componente ed il
contrario la dimezza. E' utile, quindi, mantenere più bassa possibile la temperatura dei
semiconduttori, e non solo di questi.
Ovvero bisogna "raffreddare" il componente se si vuole
aver realizzato qualcosa di affidabile.
Il calore
Innanzitutto cosa è il calore?
E' una forma dell' energia, detta energia termica. Un accumulo di energia
termica in un corpo ne aumenta la temperatura.
L' energia termica può passare da un corpo che ne ha in eccesso (corpo
caldo) verso uno freddo, ovvero che ha meno energia disponibile. Anche qui la
tendenza generale delle energie è quella di una situazione di equilibrio.
Va compreso bene che "caldo" e "freddo", al di là di
sensazioni del tutto soggettive, vanno intese come situazioni energetiche
relative. Acqua alla temperatura di 50°C sarà "calda" al tatto, ma
decisamente fredda rispetto ad una fiamma, la cui temperatura arriva
facilmente a 1000 e più gradi.
Scotta ! non è certo una definizione scientifica, anche se è
significativa. E' una considerazione relativa alla sensibilità ed alle
caratteristiche del nostro corpo fisico, ma una macchina, un transistor di potenza o una resistenza, in funzione, possono
diventare molto "caldi".
Sicuramente dire "scotta!" non è adeguato. Occorre tenere ben presente che la sensazione di "caldo" o di "freddo" che si prova toccando un corpo è determinata dalla sua temperatura, dalla sua conducibilità termica
e da numerosi altri fattori individuali, come lo stato della pelle. Ad
esempio, una mano abituata al lavoro manuale, avrà una pelle più spessa di
quella di un bambino e percepirà meno bene il calore di un corpo.
Entro certi limiti è possibile confrontare al tatto le temperature relative di
vari corpi e dire se sono caldi, freddi oppure uno è più caldo dell' altro,
ma è impossibile dare una valutazione assoluta.
E' anche impossibile dare valutazioni relative in molti casi: una superficie
di metallo, a temperatura ambiente, darà un senso di minore calore di una
superficie di plastica o legno, a causa della diversa conducibilità termica dei due
materiali (il metallo, buon conduttore termico, tende a sottrarre il calore
alla pelle; la plastica, cattivo conduttore termico, no).
A seconda della situazione della pelle, un
corpo a 50-60°C ci dà l' impressione di una temperatura molto elevata, ma
questi valori sono ancora ben lontani dalle temperature che possono
raggiungere vari componenti elettronici (75-100°C).
Quindi consideriamo il calore che passa da un corpo ad un altro come
situazione relativa alla differenza di temperatuta tra i due corpi, ovvero
alla quantità di energia termica che ogni corpo possiede.
Raffreddare
Ma cosa vuol dire "raffreddare"? E' molto importante comprendere
bene questo punto.
- Raffreddare un corpo significa sottrarre calore a quel corpo e
trasferirlo
altrove
Quando tocchiamo un pezzo di ghiaccio, abbiamo la sensazione di freddo
perchè il calore dal corpo passa al ghiaccio; la temperatura del corpo si
abbassa, perdendo energia termica, quella del ghiaccio si alza, assorbendo
energia termica e se il trasferimento è sufficiente, inizia a
sciogliersi.
Quindi un "raffeddamento" è un passaggio di calore. In altre parole,
facciamo "scaricare" da qualche parte l'energia termica
che il corpo accumula per ottenere una riduzione della sua temperatura.
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Essenzialmente questo "altrove" è costituito dall' atmosfera
della Terra.
Ovvero, quando raffreddiamo qualcosa, trasferiamo parte dell' energia termica all' aria dell' atmosfera.
Per un esempio pratico di questo, prendiamo il funzionamento di un
condizionatore: un sistema frigorifero produce un fluido freddo che
assorbe calore dall'aria della stanza, raffreddandola. E questo calore non
sparisce, ma viene
scaricato all' esterno della casa, nell' aria circostante. |
Questi punti sono fondamentali:
- un corpo è caldo quando acquisisce o produce energia termica, calore
- lo raffreddiamo sottraendogli questa energia termica e passandola ad un
altro mezzo
- questo mezzo in cui scarichiamo il calore è essenzialmente l' aria atmosferica
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E' importante avere presente che il calore, come ogni altra forma di
energia, si può trasformare, ma non si può fare sparire nel nulla:
possiamo trasformare il calore in elettricità attraverso i vari passaggi
delle centrali termoelettriche o possiamo utilizzarlo in reazioni chimiche.
Così pure possiamo trasformare energia insita nella chimica delle sostanze in
calore, ad esempio bruciando un gas e così via.
Il condizionatore non fa sparire il calore della stanza nel nulla, ma lo
sposta all' esterno della stanza stessa.
In queste operazioni di spostamento, ad ogni caloria sottratta alla stanza dal condizionatore
corrisponde una caloria (in effetti di più, causa il rendimento ovviamente
inferiore a 1) che viene passata all' ambiente attorno alla casa.
Anche se raffreddiamo con l' acqua, ad esempio le uova bollite. Appena tolte
dal pentolino, le mettiamo in un recipiente di acqua fredda per poterle sgusciare bene; il calore non
sparisce magicamente, ma passa
dall' uovo all' acqua. L' uovo si raffredda e l' acqua si riscalda. Cioè l' uovo cede calore all'
acqua.
Fino a quando? fino a quando si ottiene un equilibrio
delle due temperature di acqua e uovo; dopo di che non c'è altra riduzione della temperatura
se non per il calore che il recipiente passa all' ambiente circostante.
Se invece mettiamo le uova sotto un getto di acqua fredda, esse si raffreddano
molto rapidamente e in modo deciso, ma anche in questo caso il calore è
passato a riscaldare l' acqua; semplicemente, essendo corrente, l'acqua
scaldata fluirà via dallo scarico del lavandino mentre sempre altra fresca
arriverà dal rubinetto.
Quale sarà allora la temperatura raggiunta dall' uovo? Ovviamente quella
dell' acqua che lo raffredda, non di meno.
Questa semplice esperienza non è banale come sembra, ma offre con
semplicità realizzativa quasi tutto quello che c'è da conoscere sul calore.
MA andiamo avanti con l' aiuto del nsotro uovo a là coque.
Quando facciamo bollire l' uovo, esso si scalda perchè acquisisce energia
termica che gli viene trasmesso da una sorgente attraverso vari passaggi: il gas brucia, producendo calore,
il quale scalda il metallo del pentolino che scalda l'
acqua contenuta, la quale scalda le uova immerse in essa.
Anche questa semplice osservazione è molto più importante di quello che sembra, in
quanto contiene elementi essenziali:
- Il calore di un materiale può essere generato dal materiale stesso (il gas che brucia)
o arrivare dall' esterno (dal gas all' uovo attraverso pentolino e acqua)
- il calore passa da da un corpo all' altro, si trasmette attraverso le varie
sostanze
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Dunque il calore è immaginabile come qualcosa che fluisce da un corpo in
contatto con un altro: questo passaggio del calore per contatto si chiama conduzione.
Possiamo farci una idea esatta della conduzione mettendo un cucchiaino nel
caffe: dopo poco l'impugnatura è diventata calda, perchè il metallo ha
trasportato il calore del liquido fino alla sua estremità. Lo steso otteniamo
se rimestiamo la minestra con un cucchiaio metallico: dopo poco esso è
diventato così caldo da non poter essere tenuto in mano. Il metallo è un
ottimo conduttore di calore.
A questo proposito può essere utile, ora, considerare un' altro punto: se
mescoliamo la minestra con un cucchiaio di legno, il manico non si scalda
significativamente, per quanto sia lungo il tempo in cui teniamo l' attrezzo
nell' acqua bollente. Questo perchè il legno, al contrario del metallo, è un
pessimo conduttore di calore; il calore del liquido non si trasmette lungo il
materiale. Ugualmente, se mescoliamo il caffè con un
cucchiaino di plastica: anche la plastica è un pessimo conduttore di calore.
Dunque:
esistono sostanze che trasportano, conducono, bene il calore ed
altre che si oppongono al passaggio del calore.
|
Come per la corrente elettrica, dove distinguiamo conduttori e
isolanti, anche per il calore possiamo fare una simile distinzione nei
materiali. Ecco una tabella comparativa per varie sostanze:
Materiale |
W/m°K |
Argento |
460 |
Rame |
350 |
Alluminio |
260 |
Stagno |
64 |
Vetro |
1 |
Legno |
0.18 |
Aria |
0.026 |
Polistirolo |
0.045 |
La conducibilità termica è misurata in W/m°K (o °C) alla temperatura di
riferimento di 20 °C; maggiore è il suo valore, maggiore è capacità della
sostanza di condurre il calore. Argento (metallo) e polistirolo (plastica)
sono agli antipodi: l' argento è un ottimo conduttore di calore, il
polistirolo è un pessimo conduttore di calore (e per questa ragione viene
utilizzato negli isolamenti termici).
Sul calore si potrebbe parlare a lungo ed esiste una gigantesca
bibliografia, dato che esso è la forma primordiale dell' energia. Un intero
ramo della fisica, la termodinamica, studia il calore.
Per quello che serve alla nostra trattazione possiamo ancora aggiungere l'
informazione relativa al calore specifico, ovvero alla quantità di
calore che possono assorbire le varie sostanze e che dipende dalla loro
natura. Sostanzialmente indica quanto calore occorre per far aumentare la
temperatura in un corpo. Varia in un raggio molto ampio, da 0.385 del rame
a 4.18 J/(g°C) dell' acqua; cioè occorre una bassa quantità di energia
termica (0.385 joule) per aumentare di un grado la temperatura di un grammo di
rame, mentre ne occorrono ben 4.18 per un grammo di acqua (10.85 volte di
più). Al contrario, il rame si raffredderà, ovvero cederà calore 10.85
volte più rapidamente dell' acqua. Il calore specifico molto elevato dell'acqua
fa si che grandi bacini, laghi e mari, si comportino come grandi
"serbatoi termici", acquisendo calore dal sole durante il giorno e rilasciando l'enorme quantità di
energia nella la notte e mitigando così il clima.
Il semiconduttore scalda...
Torniamo per un momento alle uova: esse sono calde perchè hanno ricevuto
calore. Però la fiamma del gas è
calda perchè genera calore. Dunque ci sono situazioni che generano calore,
generatori di calore, e altre situazioni in cui il calore arriva da fuori.
Nei circuiti elettronici, praticamente tutti i componenti possono essere
fonti di calore, avendo una resistenza ed essendo attraversati da una
corrente. In particolare sono i componenti attivi quelli a cui va attribuita
massima generazione di calore.
Un componente elettrico è caldo perchè genera calore per effetto Joule,
ovvero il calore è prodotto all' interno dello stesso componente. In alcuni
casi il fatto è ben visibile: pensiamo ad esempio alla resistenza di
riscaldamento di una stufa.
|
In altri casi il "punto caldo" non è
direttamente visibile, in quanto si trova all' interno dell' oggetto.
Questo è proprio il caso dei semiconduttori, dove il "cuore" del
dispositivo è costituito da una minuscola piastrina di silicio
("die"): il calore è generato dalle giunzioni realizzate in
questa piastrina.
Il "die", di pochi millimetri quadrati di
superficie, è 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 TO-220, visto
in sezione. Si tratta di un package per semiconduttori di potenza, ma
di dimensioni limitate (è largo meno di 10mm e lungo un paio di
centimetri).
Il "die" è fissato a un "tab" metallico che ha
lo scopo di condurre all' eterno il calore generato.
Il "tab", come in questo caso, può 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" è elettricamente
collegato ad un terminale del semiconduttore. |
Noi
percepiamo il calore toccando il componente
perchè questo calore ha attraversato il materiale del package fino
ad essere percepibile sulla superficie esterna ("scotta !"). Il calore,
prodotto al centro del componente, si
è propagato attraverso il materiale 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 può essere utile un chiarimento: il gas è caldo per la
sua combustione (reazione chimica di combinazione con l' ossigeno
atmosferico), 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 l' acqua lasciata in pieno sole; in entrambi i casi il
riscaldamento dell' acqua non da certo origine ad una fiamma. Quindi è
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 quantità 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 è indice della quantità di
calore presente nel corpo, ma non è indice assoluto di problemi al
materiale. Ad esempio, la maggior parte delle materie plastiche a più
di 60°C si deforma, ma questa temperatura non modifica minimamente lo
stagno che richiede 232°C per iniziare a fonder; alla stessa
temperatura (451°F) la carta brucia. Abbiamo un senso di molto calore
("scotta") toccando un corpo a più di 50°C, mentre la
giunzione di un semiconduttore può arrivare a 125°C.
Anche gli "effetti pirotecnici" del calore sono
in generale relativi alla natura del materiale e alla quantità di calore
relativa alla massa a cui
si applica: per bruciare una piccola resistenza può bastare 1W, per fondere
l' alluminio i forni trasformano in calore potenze di MW.
Quindi è buona cosa evitare ogni generalizzazione e
sensazionalismo osservando un fenomeno relativo al calore e cercare di
comprendere in cosa consista il fenomeno stesso.
|
Quando il calore generato da un oggetto arriva alla superficie, si trova a
contato con l' aria.
E' interessante l' esperienza di sospendere una piccola
spirale sopra un termosifone o un' altra fonte di calore: la spirale inizierà
a girare. Questo è dovuto ad una corrente di aria che si è scaldata a
contatto con la sorgente di calore e che, diventata più leggera dell' aria
circostante, tende a salire. Il calore, dalla superficie della sorgente è
passato all' aria che gli scorre attorno, mossa proprio dal ricevere calore. Questo modo di passare il calore
attraverso un fluido si chiama convezione.
|
Ma possiamo passare il calore all' ambiente anche attraverso una ulteriore via,
che quella della trasmissione diretta: il calore, secondo la fisica, si
trasmette da un materiale ad un' altro, anche attraverso il vuoto, come onda
elettromagnetica (radiazione infrarossa). Questo modo si chiama, appunto, irraggiamento.
Ad esempio, una stufa elettrica
solitamente ha una resistenza montata davanti ad un riflettore metallico che
invia il calore verso l' utilizzatore. Per inciso, una superficie nera ha
un ottimo effetto di radiazione (e assorbimento) del calore. |
I punti essenziali
- Il calore è energia (termica).
- Lo possiamo ottenere convertendo un' altra forma di energia, ad
esempio quella chimica (combustione) o quella elettrica (effetto Joule).
- Il calore si trasferisce da un corpo ad un altro in tre modi:
- Conduzione: è il passaggio del calore che avviene all’interno di un corpo o fra due corpi in contatto fra di loro
ed è il meccanismo più efficiente di trasmissione del calore. Quanto
maggiore è la superficie di contatto, tanto maggiore è il passaggio del
calore.
- Convezione: è il moto creato dal calore (agitazione termica
delle molecole) all’interno di un fluido, per cui si sfrutta questo fenomeno
per scambiare calore. Aria, acqua, olio sono i fluidi più usati.
Se aumentiamo il movimento del fluido otteniamo un maggiore trasferimento
di calore; così, per l' aria, possiamo aumentarne la velocità con una
ventola, migliorando sensibilmente lo scambio termico.
Anche qui, maggiore è la superficie di scambio, maggiore è la quantità
di calore scambiabile.
- Irraggiamento: il calore passa per mezzo della radiazione
infrarossa. Il fenomeno è tanto più sensibile quanto è maggiore il
calore; a basse temperature può essere una frazione trascurabile.
- Ogni sostanza ha un diverso modo di condurre il calore
(conducibilità termica) e di assorbire e cedere calore (calore
specifico).
- Raffreddare vuol dire sottrarre energia termica. Siccome questa energia
non può essere fatta sparire, occorre "passarla" ad una altro
corpo.
- Noi raffreddiamo in un modo
essenzialmente unico: sottraiamo con vari mezzi il calore alla sorgente e lo
scarichiamo nell' aria.
- In tutti i casi, nel passaggio di calore da una sorgente ad una
destinazione, la sorgente perde energia, ovvero si raffredda, e la
destinazione si riscalda.
- Non è possibile che il calore passi da un corpo freddo ad uno caldo:
è il corpo caldo ad avere energia in eccesso rispetto a quello freddo. Il
quale è "freddo", in rapporto con l' altro, proprio perchè ha una
energia termica (calore) minore.
L' equivalente elettrico del calore
Conosciamo bene un semplice circuito elettrico.
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Gli elementi tipici sono:
- il generatore che fornisce una differenza di potenziale (ddp)
che è la "forza" che permette il movimento degli
elettroni
- il movimento degli elettroni nei conduttori (corrente elettrica)
- la resistenza dei materiali che compongono il circuito
La corrente scorre dal polo in cui gli elettroni sono in sovrappiù
a quello in cui sono in difetto; non può accadere l'
inverso. |
Possiamo vedere una analogia tra elettricità e calore.
- il generatore è costituito dal punto che produce energia termica.
- la differenza di temperatura è analoga alla ddp: tra generatore e
ambiente circostante questa differenza produce un movimento del calore,
- che possiamo considerare il calore come un flusso di energia analogo
alla corrente; esso scorre in prevalenza nei materiali che hanno buona
conducibilità termica
- però questi materiali oppongono comunque una resistenza al passaggio
del calore, così come i conduttori e gli isolanti fanno nei confronti
della corrente elettrica
Quindi possiamo dire che il paragone elettrico è ragionevolmente adeguato
a descrivere la situazione termica:
- differenza di temperatura = differenza di potenziale
- calore = corrente
- resistenza termica = resistenza elettrica
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Se nel circuito elettrico abbiamo più resistenze in serie, la
tensione si suddivide su ognuna di esse con una serie di cadute di
tensione la cui somma è pari alla tensione fornita dal generatore.
V = V1 + V2 + V3
La tensione relativa ad ogni resistenza è
proporzionale al suo valore ed a quello della corrente che attraversa
la serie, che è uguale per tutte le resistenze della serie. |
Se misuriamo con un voltmetro la tensione tra la massa d e i punti a, b, c
troviamo una tensione via via decrescente, fino ad azzerarsi a livello della
massa.
In modo del tutto analogo ci posiamo riferire ad un circuito termico
|
Un generatore di calore crea una temperatura più elevata rispetto
all'ambiente di riferimento (massa). La differenza di temperatura, che indica una differenza energetica
fa si che il flusso del calore passi attraverso i vari corpi che sono
in contatto con la fonte del calore; ognuno di essi avrà una sua
resistenza termica e sarà possibile misurare una serie di temperature
decrescenti da quella del generatore di calore allo zero della massa.
Su ogni resistenza termica si crea una caduta di "tensione"
termica, ovvero una differenza di temperatura. Analogamente alla legge
di Ohm, anche per questo circuito serie la somma delle singole
temperature è pari alla temperatura del generatore. |
Possiamo visualizzare una situazione simile immaginando una pentola sul
fuoco: il fuoco è il generatore del calore, che passa alle pareti di metallo
della pentola e da queste all' acqua contenuta. La pentola avrà un manico
ricoperto di un materiale plastico termo indurente che trasmette a fatica il
calore (ha una elevata resistenza termica).
La temperatura alla fiamma sarà di molte centinaia di gradi, si ridurrà a
centinai sul metallo del recipiente e a 100°C nell' acqua, mentre potremo
maneggiare la pentola grazie al manico isolante che è a pochi gradi in più
dell' aria ambiente.
|
In un tipico circuito termico attorno ad un componente elettronico,
la situazione è analoga: il calore viene generato dalle giunzioni del
semiconduttore, passa attraverso il materiale del package, quindi nel
contatto tra questo e il sistema di raffreddamento (dissipatore) e da
questo è passato nell' aria. Il calore attraversa le resistenze
termiche dei materiali in serie tra di loro, tra il generatore
costituito dalla giunzione e la massa costituita dall' ambiente. |
Un cenno alla "massa": nel circuito elettrico è il punto di
riferimento a potenziale zero.
La "massa" nel circuito termico
Nel circuito termico la "massa" è
costituita dall' ambiente in cui scarichiamo il calore. Intendiamo come
ambiente l' aria attorno al corpo caldo, aria che ha una temperatura minore
(altrimenti sarebbe l' aria a scaldare il corpo...).
Il
"potenziale", ovvero la temperatura, dell' ambiente normalmente non è a
zero gradi,
ma ha un certo valore, ad esempio 20°C; di questo dovremo tener conto,
sottraendolo nelle operazioni relative al movimento del calore in modo da
azzerarlo.
La temperatura ambiente è molto importante nel calcolo della situazione
termica:
- Influenza la temperatura del sistema in quanto fornisce al sistema
stesso una quantità di calore di base; è evidente a chiunque che
lavorare a 20°C o a 40°C presenta qualche differenza.
- E' influenzata dalla temperatura del sistema, ovvero il calore che il
sistema dissipa nell' ambiente contribuisce ad aumentarne la temperatura
- La temperatura dell'aria all'interno del sistema quando esso è in
funzione sarà maggiore di quella esterna. Di questo va tenuto conto, sia
nei calcoli, sia nella possibile necessità di introdurre mezzi di scambio
dell' aria
- Non può salire oltre un dato limite, in quanto il calcolo dei sistemi
di raffreddamento di un oggetto deve basarsi su limiti sensati: è
evidente che per far funzionare un dispositivo sotto il sole dei tropici
richieda cure e costi diversi da quelli necessari a farlo funzionare nella
propria camera da letto. Così pure temperature ambiente troppo basse
possono essere un limite che impedisce il corretto funzionamento di parti
meccaniche o elettriche, tanto da poter richiedere sistemi di pre
riscaldamento.
- La temperatura dell' ambiente in cui l' apparecchio lavorerà potrà
essere molto diversa da quella del laboratorio: di questo va tenuto conto.
Se la temperatura ambiente ha un valore soggettivo per persone diverse, è
un dato oggettivo e fondamentale nel calcolo dei sistemi termici.
Scaldare e raffreddare
Abbiamo accennato al fatto che gli scambi di energia hanno la tendenza
naturale a raggiungere situazioni di equilibrio. Ovvero, un corpo caldo in
contatto con uno freddo, passerà a questo energia termica fino a che esiste
una differenza energetica, ovvero una differenza di temperatura. Poi, quando
non esiste più differenza di temperatura, non c'è più neppure passaggio di
calore.
Quindi è possibile abbassare la temperatura di un oggetto (il che, ricordiamo, vuol
dire sottrargli calore) fino a quella dell' ambiente che lo circonda. Un corpo
freddo portato in una stanza a 30°C dopo un tempo sufficiente avrà raggiunto
la temperatura di 30°C, pari a quella di tutti gli altri oggetti nella stanza
che non siano generatori di calore.
Un'altro punto che dobbiamo tenere presente è questo: quanto maggiore è la differenza
di calore, tanto più efficiente sarà la sua trasmissione. Ovvero,
avvicinandosi le temperature di due corpi a contatto, lo scambio di calore
sarà via via meno efficiente con l' equilibrarsi delle temperature. Possiamo
ancora ricorrere al paragone con il circuito elettrico: la differenza di
potenziale (differenza di temperatura) è quella che stabilisce l' intensità
della corrente (passaggio di calore), a parità di resistenza: più tensione
(differenza di temperatura), più corrente (passaggio di calore).
Osservando la poderosa alettatura di un motore motociclistico, abbiamo una
ulteriore informazione: maggiore è
la superficie su cui avviene lo scambio del calore, maggiore sarà la
quantità di calore che sarà scambiato. Ovvero un oggetto con una superficie
piccola avrà maggiori difficoltà a smaltire calore rispetto ad uno con una
superficie più ampia. Per curiosità, a pari volume, una sfera è la forma che ha
la superficie minore e quindi limita lo scambio di calore con l' ambiente.
Pompe di calore
E' possibile portare la temperatura dell' oggetto al di sotto della temperatura ambientale solamente
applicando una "pompa" di calore, ovvero un qualche dispositivo che sottragga calore. Esempio comune di questi dispositivi
sono tutti i sistemi frigoriferi oppure le celle di Peltier.
Siccome dovrebbe essere chiaro che:
- raffreddare vuol, dire sottrarre calore
- il calore sottratto non viene fatto sparire, ma solo
"spostato"
per sottrarre calore ad un corpo a temperatura ambiente occorre che la
"pompa di calore" risucchi l' energia termica del corpo; questo
richiede che la pompa abbia a disposizione dell' energia per fare questo.
Un sistema frigorifero funziona utilizzando energia elettrica in un
compressore che comprime un fluido, la cui successiva espansione sottrae
calore dal corpo a cui la serpentina di espansione è collegata. Il calore
sottratto al corpo è stato assorbito dal fluido in espansione e, all' uscita del sistema di raffreddamento, mi troverò a dover smaltire
questo
calore sottratto, più quello prodotto dalla pompa (che consuma energia per
funzionare ed ha rendimento inferiore a 1).
Quindi raffreddare un corpo al di sotto della temperatura ambiente richiede
di impegnare energia tanto maggiore quanto maggiore è la massa da raffreddare
(il calore specifico da rimuovere) e quanto più grande è la differenza di
temperatura che si vuole ottenere.
Molto importante comprende la differenza tra un passaggio di calore tra un
punto caldo ed uno freddo dovuto al gradiente di temperatura generato dal
punto caldo e il raffreddamento dovuto ad una pompa di calore.
Se pensiamo ad un sistema raffreddato ad aria forzata, il calore viene
asportato dal corpo caldo dal flusso di aria che lo lambisce; maggiore sarà
il flusso, maggiore sarà la quantità di calore spostato.
In questo caso cosa
muove il calore? E' la differenza di temperatura tra il corpo caldo che genera
il calore e l' aria più fredda che lo acquisisce. Ovvero il
"motore" dello scambio termico è l' energia del punto caldo.
Usiamo certamente energia per spingere l' aria con una ventola, ma questa
energia serve esclusivamente ad abbassare la resistenza termica dello scambio
di calore tra aria e ambiente. E l' aria deve avere temperatura minore del
corpo da raffreddare: se usiamo aria più calda, più ne spingiamo, più scaldiamo
il corpo invece di raffreddarlo.
Altrettanto se usiamo al posto dell' aria un altro fluido, come ad esempio l'
acqua come nel motore dell' automobile. Anche qui il generatore dello scambio
termico è il motore a combustione che produce calore; l' acqua è solo un
mezzo che trasporta il calore al radiatore.
In tutti e due i casi il corpo caldo non può assumere una temperatura
inferiore a quella del fluido di raffreddamento, in quanto è il corpo che genera
energia termica, ovvero ha energia in eccesso e può passarla ad un altro
corpo che ne ha un livello inferiore.
Nel caso della pompa di calore la situazione è diversa: essa "assorbe" il calore
grazie al fatto che, in qualche modo, si è fatta
assumere alla pompa una temperatura minore di quella dell' ambiente.
Questo
vuol dire che si è asportato in anticipo calore dalla pompa, ovvero si è spesa energia
in questa operazione.
Il calore passa sempre dal corpo caldo perchè la sua temperatura
è maggiore di quella della pompa, ma il vero motore del passaggio termico è
l' energia fornita alla pompa per abbassare la temperatura.
Si può dire che presenta una resistenza
termica negativa.
Il fluido usato nella pompa potrà assumere temperature minori
o molto minori di quella ambiente. Se la sua possibilità di assorbire calore è maggiore della
potenza generata nel punto caldo diventa possibile abbassare la temperatura
del punto caldo al di sotto di quella ambiente: tutta la potenza prodotta in
calore viene "aspirata" dalla pompa più velocemente di quanto il
punto caldo la genera e la sua temperatura scende a meno di quella
ambiente, dato che la pompa assorbe anche il calore che l' ambiente passa al
corpo.
In questo senso, per ottenere un rendimento accettabile, occorre che il punto
raffreddato sia quanto più possibile isolato termicamente dall' ambiente;
così nella bottiglia di Dewar (thermos) c'è il vuoto e nelle pareti del
frigorifero si trova un isolante.
Il problema principale delle pompe di calore, a parte la più o meno grande
complessità della loro realizzazione, è quello di richiedere una energia pari a
quella che devono spostare e che va aumentata del rendimento del loro funzionamento.
Sfortunatamente questo rendimento è solitamente piuttosto basso. Ad esempio, le celle di
Peltier, che sono pompe di calore azionate dall' energia elettrica, permettono
notevoli risultati sul lato
freddo della cella, ma ad un costo energetico sensibile, dato che il loro
rendimento è del 2-5%.
Altrettanto si può dire dei circuiti frigoriferi e criogenici. Per ogni
caloria rimossa dal corpo caldo, all' ambiente ne vengono rese di più e viene consumata
energia per mantenere attiva la pompa.
Il fatto che le pompe di calore non siano energeticamente e ambientalmente
convenienti non toglie che esse vengano usate, dato che ci sono circostanze in
cui abbiamo necessità di ottenere una temperatura più bassa di quella
ambiente (frigorifero, condizionatore) oppure occorre raffreddare un oggetto
in un volume limitato, tanto che l' applicazione di una altro metodo di
raffreddamento non è adeguato (diodi laser, CPU, ecc).
Misurare la temperatura
Una misura, ma anche solo una valutazione, della temperatura può essere
sensata solamente utilizzando un termometro. La misura della temperatura
della giunzione non è normalmente possibile, dato che questa sta all' interno
del package, che, a meno di distruggerlo, non può essere aperto. Quindi, l'
unica temperatura a cui possiamo accedere è quella della superficie del
package.
Inoltre va curato che la sonda termometrica non abbia una massa elevata rispetto al
dispositivo da misurare e quindi non falsi la misura. Inoltre la sonda deve
essere a reale contatto con il corpo di cui si vuole misurare la temperatura;
se per liquidi o fluidi i problemi sono relativi, maggiori lo sono nel caso in
cui si voglia valutare la temperatura di un corpo solido, cui si accede
solamente alla superficie.
Va anche considerato che la sonda ha una certa
inerzia nella risposta alle variazioni della temperatura.
Occorre quindi che
il termometro abbia un sensore di dimensioni il più piccole possibile in
relazione a cosa si vuole valutare oppure vengano utilizzati termometri senza contatto (misura a raggi infrarossi).
Per quanto detto, la
misura della temperatura di un semiconduttore o del suo dissipatore è molto meno semplice di quanto si
pensi, per molte ragioni; ad esempio, il punto in cui effettuare la misura: un
corpo composto di materiali diversi, come il package di un semiconduttore
(resina epossidica e metallo) avrà temperature diverse a seconda di dove si
posiziona la sonda. Così pure, quanto più ampio è il dissipatore rispetto al
semiconduttore, tanto più il calore sarà maggiore vicino allo stesso che non
alla periferia.
Quindi, volendo effettuare delle valutazioni accurate, occorrono misurazioni
altrettanto accurate.
In ogni caso, una misura della temperatura è necessaria per verificare la
correttezza pratica di quanto viene definito teoricamente, dato che spesso il
calcolo teorico può poi essere vanificato da problemi realizzativi.
In particolare, la pretesa di valutare la resistenza termica di un
materiale
|
Le misure di temperatura e, sopratutto, di gradienti di temperatura,
su oggetti piccoli e compositi come sono i componenti elettronici, non
è una operazione semplice.
Ad esempio, la macchina a lato ha la funzione di valutare la
resistenza termica di materiali di interfaccia tra superfici di
scambio termico e non è certo un sistema alla portata di tutti. Voler
valutare questo parametro con metodi empirici può portare a
valutazioni troppo approssimative e fuorvianti. Anche la scelta
del punto dove misurare la temperatura e della sonda da utilizzare
possono non essere così semplicistici come troppi pensano. |
Ad esempio, la temperatura misurata sul corpo di un transistor in package
TO-220 e quella misurata sul tab possono discostarsi di parecchi gradi (la
prima è minore). Quindi, quale è la "temperatura del case"?
|
Le norme JEDEC e MIL prevedono i punti su cui operare le misure di
temperatura e queste possono richiedere sonde molto piccole e non
comuni o particolaroi soluzioni costruttive: ad esempio, nel TO-220
citato, la temperatura andrebbe misurata al centro del tab metallico,
dove è circa fissato il die. Questo richiede che il dissipatore su
cui è fissato il componente abbia un foro per la sonda.
Così come su un dissipatore di una certa superficie, quale è il
punto dove misurare la temperatura, dato che, allontanandosi dal punto
caldo generatore, essa andrà diminuendo? Non avendo riferimenti ben
determinati, la misura della temperatura e i calcoli successivi per
determinare la resistenza termica possono risultare ampiamente
falsati.
A lato, una apparecchiatura per la determinazione della resistenza
termica giunzione-case, che, come si vede, non è costituita da un
tester su cui è collegata una termocoppia... |
...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 a causa del
fatto che, 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.
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. Ovvero, 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 175°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.
Altri componenti, come i resistori possono arrivare a temperature maggiori,
mentre 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.
|
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 quanto espresso finora è chiaro, potete proseguire. Se non è chiaro o
lo ritenete una esposizione di principi di fisica scolastica
"inutile", il consiglio è quello di non avere niente a che fare con
semiconduttori e calore e, in generale, con la necessità di raffreddare
qualcosa in quanto, mancando le basi minime per capire il fenomeno, fareste
solo dei danni.
Trasferire il calore dai semiconduttori
Se sono BEN chiari i principi esposti precedentemente, possiamo proseguire.
|
Rivediamo più in dettaglio il percorso che fa il calore generato dal
nostro componente elettronico "caldo". Nella situazione minima
abbiamo che:
- il calore è generato al centro del componente, nel "die",
dove, nelle giunzioni del silicio, si sviluppa l' effetto Joule.
- il calore passa dal die al package (per conduzione)
- il calore passa dal package all' ambiente (per convezione e
irraggiamento)
|
Abbiamo detto che alcuni materiale conducono bene il calore, altri meno.
Nella realtà, troviamo una intera gamma di sostanze che vanno dall' ottima
conduzione del calore dei metalli a quella pessima del legno o di molte
materie plastiche.
Siamo in una situazione del tutto analoga a quella della conducibilità
elettrica: alcuni materiale conducono bene l' elettricità, altri meno bene,
altri (gli isolanti) quasi per niente.
E questo a cosa corrisponde? Al fatto che il materiale presenta una
"resistenza" più o meno grande al passaggio della corrente,
resistenza che si esprime in ohm. L' argento ha una bassissima resistenza
specifica e quindi è un ottimo conduttore; il ferro ha una resistenza
maggiore e farà passare meno facilmente la corrente elettrica. Il vetro ha
una elevatissima resistenza e si opporrà fieramente al passaggio della
corrente.
Se questo concetto basilare della elettrologia elementare, che si esplica
nella Legge di Ohm, è chiaro, possiamo applicarlo pari pari al calore.
Vediamo allora il calore come un flusso di "elettroni termici" e
i vari materiale come dotati di una conducibilità termica più o meno buona,
dal rame, con una ottima conducibilità, al legno con una pessima
conducibilità.
in altre parole, giustifichiamo in modo più "scientifico" il fatto
che rimestare la minestra con il cucchiaio di legno non scotta le dita come il
farlo con quello di metallo. E, analogamente all' isolamento elettrico,
vediamo come materiali a bassissima conduzione termica, come la bachelite,
costituiscono le impugnature dei manici di pentole e padelle, proprio per
"isolare" la mano dal calore.
Chiaro ?
Così dovrebbe essere evidente che la Legge di Ohm ha un analogo nel
movimento del calore: possiamo rappresentare il passaggio del calore dal die
all' aria ambientale con un equivalente circuito elettrico.
|
Come in un circuito elettrico:
-
La sorgente del calore, la giunzione, è analoga ad un generatore.
- La differenza di temperatura è analoga alla differenza di
potenziale
- Una corrente di elettroni scorre dal punto di potenziale
maggiore a quello di potenziale minore. Il calore è analogo alla
corrente
|
- Il calore viene
spinto attraverso il materiale del package, che offrirà una certa "resistenza
termica", dipendente dalla natura del materiale stesso e dalla sua costruzione.
Questa resistenza è un parametro fornito dal costruttore e si definisce come Rθjc
, ovvero resistenza termica tra giunzione e case.
- La superficie del case passa questo calore all' aria circostante, con una
certa resistenza che dipende dalla sua natura, dalla superficie, dal colore,
ecc. Questa resistenza si indica come Rθca, resistenza termica tra case e
ambiente.
Solitamente il costruttore del dispositivo fornisce la Rθjc
e la Rθja che
è la somma di Rθjc
e Rθca , ovvero la resistenza termica
tra giunzione e ambiente.
Queste resistenze termiche si misurano in gradi Celsius/watt [°C/W] o in
gradi
Kelvin/watt [°K/W].
Il senso di questa unità è semplice: essa indica di
quanti gradi salirà la temperatura dell' oggetto in funzione dei watt
applicati.
Quindi, minore è il valore della resistenza termica, minore sarà la
temperatura raggiunta a pari potenza.
Ad esempio, una potenza di 10W applicata ad una resistenza termica di 3
°C/W produce un aumenti di temperatura di:
T = P * Rθ
= 10 * 3 = 30 °C
Le sigle utilizzate
Un breve riepilogo dei parametri che questa
trattazione utilizza:
-
Tj(max) è
la massima temperatura che la giunzione può raggiungere. Occorre
non superare mai questo limite favorendo la trasmissione del
calore dalla giunzione all' esterno
-
Ta è la massima
temperatura dell' ambiente in cui si prevede di far funzionare il
dispositivo. Si possono considerare 40°C per oggetti utilizzati
in ambienti protetti, 40-60°C per oggetti utilizzati all' aperto
o in contenitori chiusi con aerazione limitata e 50-80°C per
ambienti industriali o automotive.
-
Rθjc o Rthjc
è la resistenza termica tra giunzione e package ed è un
parametro tipico fisso di ogni dispositivo. Indica la resistenza
che si oppone al passaggio del calore tra la giunzione e la
superficie del package. Ci serve per calcolare
la resistenza termica complessiva del semiconduttore montato su un
dissipatore.
-
Rθja o
Rthja è la
resistenza termica tra giunzione ed ambiente. Tiene conto sia
della precedente che delle caratteristiche di dissipazione del
calore del package del semiconduttore; è un parametro tipico
fisso di ogni dispositivo. Ci serve a calcolare la potenza
dissipabile dal semiconduttore senza radiatore.
-
Rθha o
Rthha è
la resistenza termica del dissipatore, dichiarata dal costruttore
per funzionamento ottimale in aria libera. Dipende dalle
caratteristiche (materiale, superficie, finiture, ecc) del
dissipatore stesso. La presenza di una circolazione di aria forzata
(ventola) riduce drasticamente questo valore.
-
Rθch
o Rthch
è
la resistenza di contatto tra semiconduttore e dissipatore.
Dipende dalla finitura delle superfici e dalle dimensioni della
superficie del contatto. L' uso di un compound termo conduttivo
migliora l' accoppiamento termico; l' interposizione di un
isolante elettrico lo peggiora.
-
Pd(max)
è la massima potenza che il semiconduttore può dissipare. Il
foglio dati specificherà i limiti di questo parametro e
presenterà una tabella in cui è riportata l'area di lavoro di
sicurezza (SOAR).
-
Pd è la potenza
che dobbiamo far dissipare al semiconduttore, ottenuta come
prodotto della corrente per la tensione,
In inglese:
- il dissipatore è heatsink
- il package è anche case
- la giunzione è junctione
- l' ambiente è ambient.
-
θ o th indica un fatto termico, in
inglese thermal.
Questo
rende conto delle sigle utilizzate, per cui Rθch
sarà la resistenza termica (Rθ)
tra case (c) e dissipatore (h). |
Sono possibili ed utilizzati anche altri acronimi, ma il senso è lo
stesso.
Un esempio pratico
Facciamo un esempio pratico. Prendiamo il IRLB3034PBf.
|
Si tratta di un
MOSFET a canale N di IR, in contenitore TO-220, dalle caratteristiche notevoli.
Il foglio dati fornisce i
seguenti parametri:
massima potenza |
Pd(max)
|
375 W |
corrente massima |
Id(20°C)
|
343 A |
minima resistenza drain-source |
Rds |
1.7 mohm |
resistenza termica giunzione-ambiente |
Rθja |
62 °C/W |
temperatura massima di giunzione |
Tj(max)
|
175 °C |
|
Possiamo porre alcune domande.
Con una corrente drain-source di 343A, quanta potenza Pd
dissiperà il MOSFET
in piena conduzione?
Piena conduzione si intende il punto in cui la resistenza tra drain è source
è la minima, ovvero, in questo caso, 1.7 mohm. Quindi:
Pd = I2
* Rds = 3432 * 0.0017 = 200 W
Questa potenza Pd è dissipabile realmente dal semiconduttore?
Il calore prodotto alla
giunzione si trova a dover superare la resistenza termica tra questa e la
superficie del package Rθja
, per poi disperdersi nell' ambiente. Supponiamo che l' ambiente
Ta sia a 20 °C, quindi
Tj = (Pd * Rθja) +
Ta = (200 * 62) + 20 = 12420 °C
Ovviamente la cosa è impossibile.
Quale sarà allora la potenza massima dissipabile ?
E' presto detto: la potenza massima che il dispositivo può supportare, senza
aggiungere alcunchè al package è limitata dalla resistenza termica tra
giunzione ed ambiente Rθja
, dalla temperatura massima della giunzione Tj
e da quella
dell' ambiente
Ta.
Il concetto da tenere presente è il seguente: il die produce calore e se non
viene sottratto, questo calore si accumula e porta ad un aumento tale della
temperatura da danneggiare il chip. Come abbiamo visto nel modello elettrico,
il calore (corrente) passa attraverso la resistenza termica del matriale, a
capi della quale si determina una differenza di temperatura. La temperatura
nel die dipenderà da quanta potenza termica viene eliminata attraverso questa
via.
Quindi:
Pd = (Tj
-
Ta) / Rθja
Supponendo una temperatura ambiente Ta massima di 35 °C, abbiamo:
Pd= (175 - 35) / 62 = 2.25 W
Infatti, se applichiamo una potenza Pd di 2.25W con una temperatura ambiente
Ta di 35°C, la giunzione assumerà la
temperatura Tj :
Tj = (Pd * Rθja) +
Ta = (2.25 * 62) +35 = 175 °C
ovvero il massimo ammissibile.
Quindi, attenzione ad interpretare correttamente i fogli dati: certamente
il foglio dati dà 375W come potenza massima, ma questo dato è fornito con un riferimento alla temperatura massima di
25°C per il case.
Questo non lo possiamo ottenere dal solo transistor, perchè la resistenza
termica tra giunzione e ambiente lo mette a rischio già dissipando 2 W. In
altre parole, esso non è in grado di scambiare con l' ambiente circostante una potenza
superiore, date le dimensioni molto piccole del package.
Perchè a rischio? Perchè la temperatura di 175°C, come abbiamo detto, è un
massimo non superabile e, con il calcolo fatto basta un minimo aumento della
temperatura ambiente o della corrente per danneggiare irrimediabilmente il
semiconduttore.
Il derating
Allora, la potenza di 375 W ...?
Ricorriamo ancora al foglio dati. Questo parametro fornito dal foglio dati è un valore massimo e indica la
potenza trattabile dal semiconduttore se questo fosse mantenuto ad una
temperatura tale da non pregiudicare la giunzione.
All' atto pratico, questo non è possibile.
|
Se osserviamo il foglio dati con cura, troviamo la tabella a
lato, che rappresenta la SOAR (Safe Operating Area Region
= area operativa di sicurezza) del semiconduttore, ovvero la curva che
indica il limite della potenza dissipabile in funzione della
temperatura, in questo caso la temperatura del case. La curva fornisce una chiara indicazione: il
chip è in grado (teoricamente) di trattare una corrente di oltre 300A, ma nella pratica
IRBL3034 non supera i 195A, in quanto il trasferimento di calore all'
esterno, verso un adeguato sistema di smaltimento, è fortemente
limitato dalla natura del pagkage TO-220, oltre alle dimensioni
insufficienti della sezione dei pin.
|
Pertanto la corrente massima erogabile (e quindi la potenza
massima) si riduce con l' aumentare delle temperatura del package,
fino ad azzerarsi quando questa arriva al limite massimo
sopportabile.
Con 195A, la potenza dissipata in conduzione sarà di:
Pd = I2
* Rds = 1952 * 0.0017 = 64.6 W
|
Una ulteriore tabella rappresenta le condizioni operative di
sicurezza in funzione della corrente di drain (ID)
e della tensione drain-source (VDS).
L'area di per se quadrata, in realtà ha un andamento riduttivo in
funzione dei parametri realizzativi del componente, che costituiscono
limiti sensibili alle prestazioni energetiche.
In particolare si nota il limite imposto dal package TO-220 ch
taglia, come visto prima, la massima corrente.
Inoltre una porzione dell' area operativa è preclusa dalla resistenza
di conduzione del MOSFET (RDSon).
Altro parametro che genera curve via via più limitanti è il tempo
in cui viene applicata la potenza: minore è la durata dell' impulso,
maggiore sarà al sua possibile ampiezza. |
Questo è dovuto al fatto che tra un impulso e il successivo ci sia un
tempo adeguato perchè il calore possa essere smaltito. La curva più
limitante è quella relativa all' applicazione continua della potenza (DC).
In ultimo osserviamo che le curve fanno riferimento ad una temperatura
ambiente di 25°C; se questa è maggiore, esse dovranno venir valutate in modo
via via più limitativo.
L' area di possibile funzionamento del componente sta al di
sotto di queste curve ed indica che il componente è raffreddato
adeguatamente.
Un' altra forma comune di curva SOAR è quella disegnata in funzione della
potenza e della temperatura misurata sul case.
|
Quella di seguito riportata è la tipica curva di derating di un
darlington di potenza MJ11016 in package TO-3, nella versione prodotta
da SPC
Multicomp.
Dal foglio
dati si rileva che:
- la potenza massima dissipabile Pd(max)
è 200W e viene dichiarato un derating di 1.15
W/°C.
- la resistenza termica tra giunzione e case Rθjc,
è 0.87 °C/W
- la massima temperatura alla giunzione Tj(max)
è 200°C
|
Osservando il diagramma si nota come il dispositivo possa dissipare 200W
solo se la temperatura del contenitore è inferiore a 25°C, dopo di che , con
l' aumentare della temperatura misurata al case, la potenza dissipabile si
riduce linearmente, fino ad annullarsi a 175°C.
Ad esempio, con i dati forniti dal diagramma, per una temperatura del case di
100°C si potrà disporre di non più di 115-120W. Se la temperatura del
package sale a 150°C, la potenza disponibile sarà solamente attorno ai 60W.
Il grafico è creato in relazione alla Tj(max)
e alla Rθjc . Infatti vediamo che la fine della
curva corrisponde alla massima temperatura ammissibile per la giunzione e la
resistenza termica tra giunzione e case è data da:
Rθjc = (Tn - Tm) /
(Pdm - Pdn)
dove Tn
e Tm
sono due punti di temperatura sull'asse delle
ascisse e Pdn
e Pdm sono i corrispondenti punti di potenza sull' asse delle
ordinate. Ad esempio, prendendo la temperatura di 25°C e quella di 200°C (la
curva è una retta in questo tratto), esse corrispondono rispettivamente a
200W e a 0W, per cui (25-200)/(0-200) = 0.87, che è il valore fornito nel
foglio dati.
Il foglio dati del nostro IRLB3034 fornisce il dato di derating sotto forma
numerica :
Il derating è lineare. Il suo valore indica che per ogni grado di aumento
della temperatura ambiente, il rating di dissipazione di potenza deve essere
ridotto.
Questo parametro è deducibile anche da questa considerazione: se la potenza
massima dissipabile è 375 W a 25°C e diventa 0 a 175°C, la costante per
grado è pari a (75-.25)/150 = 2.5 W/°C.
Con questo si intende che per ogni grado di aumento della temperatura del case
la potenza dissipabile va ridotta di 2.5W. Così, con il case a 100°C, la
potenza dissipabile dovrà essere ridotta di 100*2.5=250W, per cui sarà
375-250=125W. Se il case arriva a 60°C la potenza disponibile sarà 225W.
Possiamo arrivare a conclusioni analoghe anche attraverso la valutazione
della potenza massima dissipabile dal MOSFET con
diverse temperature ambiente:
Ta |
Pd = (Tj-
Ta) / Rθja
|
0 |
175-0 / 62 = 2.82 |
20 |
175-20 / 62 = 2.5 |
40 |
175-40 / 62 = 2.17 |
50 |
175-60 /62 = 2.01 |
Per non superare la massima
temperatura della giunzione, con l' aumento della temperatura ambiente si deve
ridurre la potenza dissipata; questo fatto dovrebbe essere evidente: se la temperatura ambiente
è alta, occorre meno energia per elevare la temperatura della giunzione.
Di questo fattore di derating (la cui
traduzione più adeguata è declassamento) si tiene conto solamente in poche (e serie) analisi
relative alla dissipazione di calore dei semiconduttori, ma è un fatto
fondamentale, che può limitare drasticamente le possibilità del componente
rispetto alle aspettative.
Conclusioni
Da quanto sopra possiamo trarre alcune conclusioni importanti.
- I dati forniti dal foglio dati vanno considerati per il loro reale
significato e non come valori da prendere senza alcuna discrezione
- In particolare, la potenza dissipabile da un componente senza
sistema di raffreddamento è una frazione minima del valore nominale
riportato nel foglio dati
- Ugualmente, corrente e tensione massime vanno relazionate in funzione
delle limitazioni imposte dal componente
- Maggiore è la temperatura ambiente, minore sarà la potenza dissipabile
dal componente. Da qui il tipico limite di temperatura per l' impiego
delle varie apparecchiature.
Il dissipatore.
Come posso, allora, ottenere più potenza dal dispositivo? Applicandogli un
sistema per asportare il calore in eccesso.
La sostanza del problema è quella
esposta negli esempi precedenti:
- il semiconduttore, funzionando, sviluppa calore
- se il calore resta confinato nel package, perchè non c'è sufficiente
passaggio con l' ambiente, l' energia termica accumulata fa elevare la
temperatura oltre il limite sopportabile dal materiale
Per far si che il semiconduttore possa trattare una
potenza maggiore si deve "semplicemente" far si che il calore sia sottratto
adeguatamente al package in modo da impedire un aumento pericoloso della temperatura.
Il dissipatore, o radiatore (in inglese heatsink, assorbitore di
calore) è una sagoma di metallo, usualmente alluminio estruso o rame (buoni
conduttori di calore), che offre una elevata superficie di scambio termico con l' ambiente, grazie ad una costruzione con numerose alettature
(il che dà grande
superficie in un volume limitato).
Il semiconduttore è collegato
meccanicamente alla superficie metallica: per conduzione, il calore passa dal
package al dissipatore e da questo all' aria ambiente. La superficie del
dissipatore può essere molto, molto maggiore di quella del semiconduttore e
quindi abbassare in modo sensibile la resistenza termica tra la giunzione e
l'ambiente.
|
Le forme sono le più diverse, e così pure le dimensioni e le
caratteristiche della resistenza termica.
Ci sono dissipatori specifici per i package comuni, come TO-3,
TO-220, Multiwatt, ma anche per diodi, SCR, CPU o per uso generale, sia
previsti per raffreddamento in aria libera, sia per aria forzata.
Costruttori con un ampio catalogo, interessante da consultare per
avere una idea della varietà di oggetti proposta sono AAVID
Thermalloy e Fischer |
Il modello elettrico diventa questo:
|
- la potenza Pd è dissipata in
calore nella giunzione
- La "corrente termica" generata dalla giunzione attraversa il
package e la sua resistenza Rθjc.
- Poi attraversa la
resistenza termica della connessione meccanica tra package e radiatore Rθch
-
e quindi quella del radiatore stesso verso l' ambiente Rθha
La temperatura massima sarà quella della alla giunzione e
diminuirà fino ad arrivare a quella ambiente nei flussi convettivi di
aria attorno al dissipatore.
|
Quindi, la resistenza complessiva che il calore deve superare tra
giunzione e ambiente è pari alla somma delle resistenze in serie:
Rθja = Rθjc + Rθch +
Rθha
Supponiamo di aver fissato il nostro MOSFET ad un radiatore che dichiara una
resistenza termica Rθha = 1 °C/W.
Per una temperatura ambiente di 35°C si avrà:
Pd = (Tj -Ta) / (Rθjc +
Rθch +
Rθha) = (175 - 35) / (0.4 + 0.5 + 1) = 73, 68 W
Questa è la potenza massima dissipabile nelle condizioni indicate.
Utilizzando un dissipatore con una resistenza termica inferiore, ad esempio 0.5°C/W,
si arriverà a:
Pd = (175-35) / (0.4 + 0.5 + 0.5) =
100 W
Vediamo come il dissipatore consenta di aumentare la potenza
dissipabile.
La motivazione dovrebbe essere ben chiara: l' applicazione di una superficie
temo conduttrice al punto che genera calore ne abbassa la resistenza termica
verso l' ambiente e quindi consente al calore di passare ad esso in modo più
efficace.
E se volessimo dissipare 200W ?
Pd = (Tj -Ta) /
Rθja
da cui:
Rθja= (Tj -Ta)
/ Pd = 140 / 200 = 0,7 °C/W
Quindi occorrerebbe una resistenza massima tra giunzione e ambiente di
0.7°C/W.
Abbiamo detto che
Rθja = Rθjc + Rθch +
Rθha
Ma già la somma di Rθjc + Rθch
= 0,9°C/W !
Quindi, con una temperatura ambiente di 35 °C non sarà possibile in alcun modo
dissipare 200W senza portare la temperatura della giunzione oltre il limite
massimo ammesso: per quanto sia ampio il dissipatore (ovvero per quanta sia
bassa la sua resistenza termica) non sarà possibile arrivare ai 200W.
E se utilizzassimo un sistema ad aria forzata, che può
arrivare senza problemi ad una
Rθha
di 0.2°C/W
Pd = (Tj -Ta) /
Rθja = (Tj -Ta) /
( Rθjc + Rθch
+
Rθha)
= 140 /(0.4 + 0.5 + 0.2) = 127 W
Una maggiore potenza sarà possibile solamente utilizzando un
sistema di pompa di calore in grado di applicare una resistenza termica
negativa, ovvero di sottrarre calore forzatamente (criogenico, cella di
Peltier, ecc).
Uno sguardo più approfondito
Però quanto calcolato finora non è sufficiente. Occorre
chiedersi quale siano le temperature nei vari punti della serie, ovvero quella
al dissipatore, quella al case e quella alla giunzione. Nel caso della
dissipazione di 127W abbiamo:
-
Temperatura al dissipatore = Ta
+ (Pd *
Rθha)
= 35 + (127 * 0.5) = 60.4°C
-
Temperatura al case = Ta + (Pd
* ( Rθch+ Rθha))
= 35 + (127 * (0,5 + 0.5)) = 162°C
-
Temperatura alla giunzione = Ta + (Pd
* Rθja
) = 35 + (127 * (0,5 + 0.4 + 0.5)) =
175°C
Osserviamo che con una temperatura al case di 122.5°C, si ha
un derating pari a:
derating = 162 * 2.5 = 405 W
essendo la potenza massima dichiarata di 375W, ne deriva che
stiamo già ampiamente superando i limiti massimi.
Quindi, se vogliamo avere questa dissipazione di
potenza, occorrerà scegliere un semiconduttore in un diverso package con
maggiore superficie, ovvero con una minore Rθjc + Rθch
e un dissipatore con una
Rθha inferiore.
Nel caso della dissipazione di 100W:
-
Temperatura al dissipatore = Ta
+ (Pd *
Rθha)
= 35 + (100 * 0.5) = 85°C
-
Temperatura al case = Ta + (Pd
* ( Rθch+
Rθha))
= 35 + (100 * (0,5 + 0.5)) = 135°C
-
Temperatura alla giunzione = Ta + (Pd
* Rθja
) = 35 + (100 * (0,5 + 0.5 + 0.4)) =
175°C
Perchè con una potenza minore le temperatura al case e al
radiatore sono maggiori di quelle precedenti? Semplicemente perchè la
resistenza termica del radiatore è maggiore !
Di conseguenza, il derating per una temperatura al case di 135°C è di 337.5
W, il che rende impossibile anche questa soluzione.
Però qui abbiamo la possibilità di agire sulla resistenza termica del
dissipatore: se la portiamo a 0.2°C/W, raggiungibile facilmente con un
sistema ad aria forzata, abbiamo:
-
Temperatura al dissipatore = Ta
+ (Pd *
Rθha)
= 35 + (100 * 0.2) = 55°C
-
Temperatura al case = Ta + (Pd
* ( Rθch+
Rθha))
= 35 + (100 * (0,5 + 0.2)) = 105°C
-
Temperatura alla giunzione = Ta + (Pd
* Rθja
) = 35 + (100 * (0,4 + 0.5 + 0.2)) =
145°C
Osserviamo che la giunzione assume una temperatura inferiore
alla massima, proprio perchè il dissipatore adottato è più ampio di quello
calcolato per i limiti applicativi. Con il case a 105°C il derating è
262.5W, ovvero c'è un margine di 375-262.5=112.5W, il che permette la
dissipazione voluta.
Il derating imposto
Attenzione perchè lavorare in condizioni vicine al limite è
molto rischioso se non si ha la certezza della stabilità dei parametri. Ad
esempio, provate a rifare i calcoli con una temperatura ambiente di 40-60°C,
facile da raggiungere in ambienti chiusi o d' estate all' aperto: oppure
considerate un aumento della resistenza termica del dissipatore dovuta all'
accumulo di polvere sulle alettature.
E' evidente che occorre considerare non
i massimi assoluti, ma dei valori che consentano un margine di sicurezza;
quanto maggiore è la sicurezza che vogliamo, tanto maggiore sarà il margine
che dovremo applicare ai parametri massimi.
Non c'è una regola generale, in quanto il grado di sicurezza dipende dall'
applicazione; in generale, però, un margine del 20-25% di riduzione dei
parametri massimi è un punto di partenza.
va ricordato che il derating di sicurezza viene applicato in fase di progetto
a qualsiasi componente soggetto a riscaldamento, dai semiconduttori ai
resistori, dai conduttori ai LED, dai trasformatori ai materiali isolanti.
La progettazione sicura è un ambito di ogni ramo dell' ingegneria e riguarda
realizzazioni che siano in grado di lavorare con sicurezza in un certo ambito
di condizioni.
Altro punto da considerare è il tempo per cui la potenza è applicata.
Come abbiamo visto prima a riguardo di una curva SOAR, il tempo per cui è
applicata la potenza è un dato sensibile, in quanto una potenza continua
richiederà una continua azione di dissipazione del calore, mante una
applicazione di potenza ad impulsi può lasciare il tempo al calore di essere
smaltito. Anche l' ambito di impiego è determinante per il dimensionamento
dei vari parametri termici.
Se si
tratta, ad esempio, di finali di un amplificatore BF, utilizzato in ambito
domestico, è probabile che solo in circostanze particolari e per tempi brevi
la potenza arrivi al picco massimo; ma se si tratta di un amplificatore per
strumenti usato in concerto, è vero il contrario. Quindi, nel primo caso il
dissipatore potrà essere calcolato al limite, nel secondo dovrà avere ampi
margini di sicurezza.
E, sempre punto fondamentale, è la giusta identificazione del
range di temperatura ambiente in cui si prevede il funzionamento dell'
apparecchiatura. Ad esempio, un oggetto in ambiente domestico potrà al
massimo arrivare alla temperatura estiva della zona in cui è in uso, ma lo
stesso oggetto usato su un autoveicolo sarà sottoposto a temperature molti
più estreme, sia nel freddo invernale che nel caldo estivo; in un veicolo si
possono raggiungere facilmente temperature anche superiori ai 70-80°C°C per
oggetti lasciati sul cruscotto sotto al sole, mentre è evidente che
all'interno del vano motore l' elettronica presente deve affrontare
temperature ancora maggiori.
Quindi, se la realizzazione funziona bene sul banco del
laboratorio, questo non è per nulla un elemento determinante del fatto che
essa funzionerà in altri ambienti, se di questo non abbiamo tenuto conto.
Inerzia termica
Possiamo introdurre qui un ulteriore concetto, che è quello
di inerzia termica.
Si tratta semplicemente di questo: un corpo che ha assunto una
certa quantità di energia termica impiega un certo tempo per passarla all'
ambiente. Un po come un condensatore che si è caricato impiega un certo
tempo a scaricarsi a seconda della resistenza su cui è chiuso.
Nel modello la posiamo rappresentare proprio come una capacità:
Nel caso di un dissipatore, l' inerzia termica è determinata, a parità di
materiale, essenzialmente dalla sua massa.
Un dissipatore di grosso spessore potrà accumulare forti impulsi di energia
termica, ma prima di raffreddarsi richiederà più tempo rispetto ad uno di
minore spessore. Per questa ragione le estrusioni di alluminio hanno grossi
spessori dove si tratta, a parte problemi di robustezza meccanica, di
assorbire impulsi di energia. Per contro, sistemi con alettature fitte, avranno preferibilmente spessori
minimi, in quanto lo scambio con l' aria ambiente avviene in ragione della
superficie e non dello spessore.
Va considerata un ulteriore problema: certamente
lo scambio con l' aria ambiente avviene in ragione della superficie e quindi
sarebbe auspicabile una superficie più ampia possibile.
Il problema è che, aumentando oltre una certa quantità questa superficie,
non si ottiene alcun miglioramento dell' efficienza del trasferimento termico.
Questo è facilmente spiegabile: il centro di produzione del calore, il die
del semiconduttore, diventa puntiforme rispetto ad una vasta superficie del
dissipatore. Ed il materiale del dissipatore ha un certa resistenza termica
che, per comodità, nel modello è stata raccolta nella , ma nella pratica si
tratta di un parametro distribuito in tutto il materiale. Ne risulta che la
temperatura andrà diminuendo a mano a mano che ci si allontana dal die, fino
ad equilibrare quella ambientale alla massima distanza. Siccome l' efficienza dello scambio termico
dipende dalla differenza di temperatura, a distanza elevata dal die questo
gradiente sarà talmente basso da risultare indifferente.
Quindi è preferibile un dissipatore ben alettato, ma compatto e proporzionato
alle dimensioni del package applicato; una riduzione della sua resistenza
termica sarà effettuata con aria forzata. Vedi ad esempio i dissipatori delle
CPU che hanno piccoli volumi alettati, ma sempre dotati di una ventola.
Applichiamo un dissipatore
|
Ad esempio, possiamo prendere il p/n 436710 di AAVID Thermalloy.
Questa sagoma di alluminio estruso, nella lunghezza di 115 mm
(6NV-1) risulta aver la resistenza termica richiesta.
Si tratta di un bell'oggetto come peso e dimensioni; e anche come
costo !
Se però cercassimo di realizzare quanto detto finora, ci
scontreremmo con un probabile insuccesso. |
Che cosa non va nei calcoli visti finora ? Essenzialmente
alcuni punti che sono solitamente non considerati e che , invece,
occorre tenere ben presente:
-
la temperatura della giunzione: considerare come limite la
temperatura di giunzione massima applicabile non è il massimo 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 20 °C
-
la temperatura ambiente: d' estate si arriva
tranquillamente oltre i 35°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 più alta di quella
ambiente
-
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
-
il fissaggio del package al dissipatore: la resistenza Rthcs
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 Rthcs
può aumentare considerevolmente.
Quale è allora un calcolo reale?
Supponiamo di voler far dissipare 150W in piena sicurezza al MOSFET dell'
esempio precedente.
Pd |
375W |
derating |
2.5W/°C |
Rthjc |
0.87 °C/W |
Tjmax |
175°C |
package |
TO-220 |
|
|
La potenza massima trattabile dal dispositivo è molto maggiore di quella
che ci necessita e quindi c'è un margine di sicurezza più che sufficiente.
Il derating indica che, con una temperatura del case di 60°C si potrà
dissipare al massimo una potenza di 60x2.5=150W, il che va bene per la nostra
applicazione.
La temperatura di giunzione massima di sicurezza la valutiamo come
175-25=150°C, con un margine di sicurezza adeguato.
Supponiamo di utilizzare un buon compound termo conduttivo tra case e
dissipatore, ottenendo una Rthcs= 0.2°C/W.
La temperatura ambiente massima sarà di 40°C.
Abbiamo quindi:
Rthja = (Tj -Ta)
/ Pd = (175 - 40) / 150 = 1.35 °C/W
dove
Rthja = Rthjc + Rthcs +
Rths
da cui
Rthsa = Rthja - Rthjc - Rthcs =
1.35 - 0.87 - 0.1 = 0.38 °C/W
Una scorsa al catalogo di un produttore di dissipatori ci
permette di scegliere il tipo adatto al nostro scopo, ad esempio il modello
SK02 di Fischer che, nella lunghezza 100 mm offre una resistenza termica di 0.35
°C/W.
In queste condizioni, quale sarà le temperatura del case?
senza portare la temperatura della giunzione oltre il limite
massimo. Quindi, per quanto sia ampio il dissipatore (ovvero per quanta sia
bassa la sua resistenza termica) non sarà possibile arrivare ai 200W.
Se il semiconduttore va isolato
Se è necessario interporre un isolante (mica, plastica
conduttiva, ecc) per isolare elettricamente il package dal dissipatore, il
modello deve tenerne conto e la serie diventa
in quanto l' isolamento ha anch' esso una resistenza termica,
la quale può essere anche significativa:
materiale |
resistenza termica
[°C/W ] |
Note |
mica |
0.7 - 1 |
fragile |
ossido di alluminio |
0.4 - 0.7 |
fragile |
ossido di berillio |
0.3 - 0 5 |
fragile, costoso |
plastiche termo conduttive |
1 - 1.5 |
robusto, economico |
kapton |
0.9 - 1.5 |
robusto |
La mica è probabilmente il più classico isolatore usato, ma ha
limitazioni nel costo e nella fragilità. Questo fa si che il sistema più
diffuso sia, attualmente, quello dei sil-pad, o plastiche termo conduttive,
che non sono ottimali dal punto di vista della resistenza termica, ma sono
quanto mai economiche.
Ossido di berillio e ossido di alluminio sono ottimi isolati elettrici, ma
sono costosi e fragili.
In tutti i casi, nell' accoppiamento meccanico delle
superfici, è importante escludere spazi di aria, dato che l'aria è un ottimo
isolante termico. Anche le più piccole sacche di aria che esistono tra il
case del semiconduttore e il radiatore aumentano drammaticamente la resistenza
termica dell' accoppiamento, anche tenendo presente la piccolissima superficie
offerta dal package del semiconduttore.
Questo viene compensato con l' uso di una pasta termo conduttiva il cui scopo
è quello di fornire una superficie di contatto priva di spazi di aria.
In questa direzione, si potrà osservare che un package di dimensioni maggiori
ha una superficie maggiore e quindi una resistenza termica minore. Questo
dipende anche dal fatto che il costruttore utilizzerà un package
proporzionato alla potenza da trattare. Ecco alcuni esempi
Package |
Aspetto |
Esempio |
Rthjc |
Rthja |
T0-3
TO-204 |
|
2N3055
MJ11015 |
1.5
0.87 |
35 |
TO-220 |
|
TIP121
IRF540N
RFP50N05 |
1.92
1.15
1.14 |
62.5
62
62 |
TO-247 |
|
IRFP250
SJDP120R085
RFG50N05 |
0.83
1.1
1.14 |
30
50
30 |
SOT-227 |
|
MCO100
IXTN62N50L |
0.35
0.156 |
|
hockey puck |
|
W0642W160 |
0.09 |
|
In genere le caratteristiche di un certo package 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.
Da considerare che esistono anche dispositivi 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.
Come si risolve la cosa ? Considerando e applicando quanto
detto.
-
nei calcoli considerare la temperatura massima di
giunzione diminuita di un fattore di sicurezza di 20°C
-
scegliere il semiconduttore adeguato sia come prestazione
che come package
-
valutare la massima temperatura ambiente reale a cui il
dispositivo sarà sottoposto
-
posizionare il dissipatore in aria libera e, dove non sia
possibile, considerarne uno con resistenza termica inferiore. Avendo la
possibilità, utilizzare una ventola per creare una circolazione di aria
forzata, il che può ridurre anche del 50% la resistenza termica del
radiatore.
-
fissare il package del componente non a secco, ma
interponendo sempre una pasta termo conduttiva.
Se possibile, non introdurre elementi isolanti, ma dove questo è
indispensabile, tenerne conto nei calcoli.
-
dove il volume disponibile non permette di posizionare
dissipatori di grandi dimensioni, utilizzarne una versione prevista per
ventilazione ad aria forzata, che consente una drastica riduzione della Rths
INCREMENTARE LO SCAMBIO DEL CALORE
|
A questo proposito si può notare come i dissipatori di calore delle
CPU dei personal computer sia in massima parte dotati di ventola:
questo consente di avere una bassissima resistenza termica tra
dissipatore e ambiente in un volume molto contenuto.
L' alettatura assai fitta offre una elevata superficie di
scambio con l' aria ambientale che vene soffiata dalla ventola. A pari
volume con un dissipatore passivo, uno di questi dissipatori attivi
offre una resistenza termica della metà o anche minore. |
Un' altra tecnologia è stata diffusa proprio dai PC.
|
Si tratta di applicare degli heatpipes tra la placca in contatto con
il semiconduttore e l' alettatura di scambio con l' ambiente.
Gli heatpipes trasferiscono il calore basandosi non solo sulla
conduzione, ma anche sulla convezione del fluido che contengono,
aumentando significativamente la capacità di trasferimento termico
del dissipatore
Nell' immagine, il modello S122 di EKL,
dotato di 6 heatpipes del diametro di 6mm ciascuno ed una torre di 48
"fins" di dissipazione. |
Va considerata anche la possibilità di utilizzare un fluido
più efficace dell' aria per spostare il calore: si tratta di utilizzare l'
acqua:
La cella di Peltier è un dispositivo che permette di trasferire il calore da
un lato all' altro del suo volume, utilizzando energia elettrica per questa
operazione.
In sostanza, si tratta di una pompa di calore che sottrae calorie da un lato e
le rende dall' altro.E' impiegata essenzialmente per risolvere problemi termici particolarmente critici
o non risolvibili con altri metodi, ad esempio
apparecchiature che devono funzionare in ambienti ad alta temperatura,
sorgenti di calore puntiformi o delicate, come e emettitori laser, sistemi
frigoriferi portatili, raffreddamento rapido in complessi di misurazione, ecc.
Si possono ottenere gradienti di temperatura molto elevati su superfici di
dimensioni ridotte. Le celle possono poi essere collegate "in serie"
per raggiungere gradienti più elevati.
La cella di Peltier sposta il calore, ma ovviamente occorre disporre di un
sistema per poi eliminare questo calore.
Unica in alcune applicazioni, non è di uso generalizzabile per alcune
problematiche non secondarie:
-
richiede correnti elevate per funzionare, anche molte decine di ampere.
E potenze corrispondenti, anche se a tensioni relativamente basse. E'
ovvio che per spostare il calore occorre energia.
-
e, siccome il rendimento è molto minore di 1, la cella di
Peltier oltre a trasferire calore, ne produce anche di suo. Risulta quindi
necessario dissipare una potenza superiore a quella generata dal punto
caldo.
-
Richiede circuiti di gestione che possono essere anche
complessi in quanto occorre evitare che la temperatura sul lato freddo
scenda eccessivamente e quella sul lato caldo salga eccessivamente.
Inoltre occorre evitare correnti eccessive nelle celle, che ne potrebbero
pregiudicare il funzionamento. Solitamente si tratta di sistemi con doppio
controllo della temperatura e PWM di alimentazione delle celle.
-
Il punto raffreddato deve evitare il pericolo dalla possibile formazione di condensa
che crea problemi di natura elettrica ed elettrochimici (corrosione).
-
Può occorrere una procedura di spegnimento della cella in
quanto, in relazione alle masse dei materiali ed al loro calore specifico,
l' interruzione improvvisa del raffreddamento può rischiare di scaricare sul dispositivo da raffreddare un calore eccessivo accumulato sul
sistema dissipatore della cella, con i rischi dovuto ad un rapido sbalzo di temperatura.
In pratica l' uso di queste celle è limitato a potenze
relativamente basse, dove l' introduzione di un circuito frogorifero a
compressione di fluido sarebbe poco proponibile o non possibile.
Alcune note essenziali
-
L'uso di un dissipatore, anche con ventola, diminuisce la resistenza termica
tra giunzione e ambiente e quindi facilita il passaggio del calore dall'
una all' altro. Però non "raffredda" il dispositivo elettronico
al di sotto della temperatura ambiente! Nessun sistema di scambio
della temperatura di questo genere è in grado di fare questo. Anzi, più
la temperatura ambiente e quella del dissipatore si avvicinano, minore è
l' efficienza dello scambio termico: il semiconduttore sarà sempre ad una
temperatura superiore a quella ambiente.
Per ottenere una temperatura inferiore occorre usare sistemi di pompa
termica, come circuiti frigoriferi o celle di Peltier.
-
L' applicazione di una ventola al dissipatore modifica
solo la sua Rths , ma non varia i parametri del
semiconduttore.
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Link
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