Dissipare il calore

Uno sguardo più approfondito

Quanto calcolato finora può non essere sufficiente. Ci si può chiedere quale siano le temperature nei vari punti della serie, ovvero quella al dissipatore, quella al case e quella alla giunzione. Riprendendo l' esempio del MOSFET, per la dissipazione di 127W abbiamo:

• Temperatura al dissipatore = T_a + (P_d * R_θha)  = 35 + (127 * 0.5) = 60.4°C
   

• Temperatura al case = T_a + (P_d * ( R_θch+ R_θha))  = 35 + (127 * (0,5 + 0.5)) = 162°C
   

• Temperatura alla giunzione = T_a + (P_d * R_θja )  = 35 + (127 * (0,5 + 0.4 + 0.5)) = 175°C

Osserviamo che con una temperatura al case di 162°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 R_θjc + R_θch e un dissipatore con una R_θha inferiore.

Nel caso della dissipazione di 100W:

• Temperatura al dissipatore = T_a + (P_d * R_θha)  = 35 + (100 * 0.5) = 85°C
   

• Temperatura al case = T_a + (P_d * ( R_θch+ R_θha))  = 35 + (100 * (0,5 + 0.5)) = 135°C
   

• Temperatura alla giunzione = T_a + (P_d * R_θja )  = 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 = T_a + (P_d * R_θha)  = 35 + (100 * 0.2) = 55°C
   

• Temperatura al case = T_a + (P_d * ( R_θch+ R_θha))  = 35 + (100 * (0,5 + 0.2)) = 105°C
   

• Temperatura alla giunzione = T_a + (P_d * R_θja )  = 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.

Si deve osservare che la temperatura del package e quella del dissipatore si riflettono sull' ambiente circostante, influenzando il resto dei componenti del circuito. Questa è una ragione per mantenere basse queste temperature o ricorre a sistemi di montaggio per cui il calore prodotto influisca minimamente sull' apparecchiatura (radiatori posti all' esterno, circolazione di aria forzata, ecc).

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. 

Una azione per l' applicazione del derating imposto è quella di considerare la temperatura di giunzione (o, in generale, quella sopportabile dal componente) come una frazione di quella massima. Così, se la Tj dichiarata nel foglio dati è 150°C, i calcoli verranno effettuati utilizzando non più di 110-125°C. Così, per una Tj dichiarata di 200°C, utilizzeremo 150°C. Questo mette al riparo da  possibili aumenti inaspettati della temperatura ambiente come da variabili nelle catena delle resistenze termiche che ne aumentano il valore (collegamento del componente al dissipatore non ottimale, superficie del dissipatore sporca o polverosa, ecc).
Certamente il calcolo con questo parametro ridotto porterà alla necessità di più ampie superfici di dissipazione o, nel caso peggiore, renderà impossibile l' uso di un certo componente. Però questa progettazione in sicurezza è l' unica via possibile per evitare molto probabili guasti.

Altro punto da considerare è il tempo per cui la potenza è applicata. Come abbiamo visto prima a riguardo di una curva SOA, 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.