Cosa posso fare senza dissipatore ?
Abbiamo visto nell' esempio precedente che il semiconduttore può
funzionare entro limiti ristretti se non è dotato di un radiatore.
Il "quanto" è possibile dissipare in queste
condizioni dipende essenzialmente dal package del semiconduttore.
La tabella seguente riporta alcuni valori per:
- Rθja :
resistenza termica tra giunzione e ambiente
- Rθjc
: resistenza termica tra giunzione e case
- Pd @ 25°C : potenza
dissipabile con raffreddamento a 25°C
- Pd : potenza dissipabile
senza dispositivi di raffreddamento
I valori sono medi; sarà facilmente possibile individuare transistor con
parametri migliori o peggiori di quelli indicati, ma comunque non molto
differenti da quanto indicato.
Quello che si voleva
rilevare è che, mediamente, la massima potenza dissipabile da un certo
package è abbastanza costante anche al variare delle sigle del componente, mentre
si tratta di un valore di gran lunga inferiore a quello che si otterrebbe
dotando il semiconduttore di un dissipatore di calore o di un sistema di
raffreddamento che mantenga la temperatura del case a 25°C.
Per cui la risposta alla domanda iniziale "Cosa posso fare senza
dissipatore?" è: "poco, rispetto a quanto possibile applicando un
dissipatore di calore".
Da un punto di vista pratico, come esempio, in questa
tabella trovate qualche specifica di transistor adatti come buffer sui pin
di uscita del microcontroller.
Si potrà osservare che alcuni modelli hanno Vcesat molto più bassa
della media o minore resistenza termica o maggiore potenza della media.
Solitamente queste caratteristiche fanno lievitare il costo rispetto a modelli
più correnti, ma, dove la temperatura è un limite e non è previsto un
dissipatore, sono le uniche scelte possibili per aumentare la potenza
trattabile.
Alcuni esempi
Un transistor 2N3055
in TO-3 metallico, con TJmax = 150°C, Rθja=
35 °C/W e Rθjc
= 1.52 °C/W lavora ad una temperatura ambiente massima di 50°C. Quale
è la massima potenza dissipabile senza radiatore?
Pd = (Tj
- Ta) / Rθja
= (150 - 50) / 35 = 2.8 W
Per un valore reale bisognerà tenere conto del derating, che
è 0.657 W/°C e quindi una potenza reale, senza forzare il componente, potrà
essere attorno a 1.5-2 W. Al tatto il transistor risulterà molto caldo.
E se applichiamo il transistor ad un dissipatore con Rθha
= 1 °C/W ?
Considerando la resistenza termica del collegamento meccanico tra transistore
e dissipatore Rθch
pari a 0.3 °C/W
Pd = (Tj
- Ta) / (Rθjc
+ Rθch
+ Rθha
) = (150 - 50) / (1.52 + 0.3 +1) = 35 W
Un altro esempio.
Un transistor PN2222A
in TO-92 plastico, con TJmax = 150°C, Rθja=
200 °C/W e Rθjc
= 83.3 °C/W lavora ad una temperatura ambiente massima di 50°C. Quale
è la massima potenza dissipabile senza radiatore?
Pd = (Tj
- Ta) / Rθja
= (150 - 50) / 200 = 0.5 W
Per un valore reale bisognerà tenere conto del derating, che
è 12 mW/°C e quindi una potenza reale, senza forzare il componente, potrà
essere attorno a 200/300 mW. Al tatto il transistor risulterà caldo.
Un eventuale collegamento ad un dissipatore migliora le cose, ma non
molto, dato che il piccolo package plastico non è previsto per essere
collegato ad un dissipatore.
Un altro esempio.
Un transistor TIP32
in TO-220, con TJmax = 150°C, Rθja=
62.5 °C/W e Rθjc
= 3.25 °C/W lavora ad una temperatura ambiente massima di 50°C. Quale
è la massima potenza dissipabile senza radiatore?
Pd = (Tj
- Ta) / Rθja
= (150 - 50) / 62.5 = 1.6 W
Per un valore reale bisognerà tenere conto del derating, che
è 16 mW/°C e quindi una potenza reale, senza forzare il componente, potrà
essere attorno al watt o poco più. Al tatto il transistor risulterà caldo.
Un eventuale collegamento ad un dissipatore migliora le cose. Con un
dissipatore con Rθha
= 4 °C/W, considerando la resistenza termica del collegamento meccanico tra transistore
e dissipatore Rθch
pari a 0.3 °C/W
Pd = (Tj
- Ta) / (Rθjc
+ Rθch
+ Rθha
) = (150 - 50) / (3.25 + 0.3 + 4) = 13.2 W
Un altro esempio.
Un transistor TIP120
in TO-220, con TJmax = 150°C, Rθja=
62.5 °C/W e Rθjc
= 1.92 °C/W lavora ad una temperatura ambiente massima di 50°C. Quale
è la massima potenza dissipabile senza radiatore?
Pd = (Tj
- Ta) / Rθja
= (150 - 40) / 62.5 = 1.6 W
Osserviamo che, come nel caso precedente, quello che importa
nella dissipazione di potenza senza radiatore è il tipo di package, e non i
dati di massima del transistor. Anche qui, per un valore reale
bisognerà tenere conto del derating, che è 16 mW/°C e quindi una potenza
reale, senza forzare il componente, potrà essere attorno al watt o poco più.
Al tatto il transistor risulterà caldo.
Un eventuale collegamento ad un dissipatore migliora le cose più
significativamente del caso precedente, in quanto è più bassa la resistenza
giunzione-case. Con un dissipatore con Rθha
= 4 °C/W ?
Considerando la resistenza termica del collegamento meccanico tra transistore
e dissipatore Rθch
pari a 0.3 °C/W
Pd = (Tj
- Ta) / (Rθjc
+ Rθch
+ Rθha
) = (150 - 50) / (1.92 + 0.3 + 4) = 16.07 W
Rθja
> (Tj - Ta)
/ Pd
Questi calcoli sono facilmente ripetibili per ogni situazione
e semiconduttore (transistor, MOSFET, diodi, regolatori di tensione, ecc).
In sostanza si determina la necessità di un dissipatore
se
P Rθja
> (Tj - Ta)
/ Pd
ma in pratica occorrerà considerare un buon margine di
sicurezza onde non abbreviare troppo la vita al semiconduttore.
Va osservato che, per avere risultati reali, occorre che:
-
il semiconduttore, se usato senza dissipatore, sia
realmente in aria libera e non cacciato tra altri componenti e in una
posizione dove il calore faticherà a smaltirsi per convezione e
irraggiamento.
-
la temperatura dell' ambiente massima sia realmente quella
introdotta nel calcolo, in quanto la situazione sul tavolo del laboratorio
o in soggiorno sarà molto diversa da quella possibile in un veicolo o
all' aperto o in un quadro industriale.
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