Dissipare il calore

In parallelo

Con applicazioni ad alta potenza può essere difficile trovare un adeguato dissipatore di calore per un transistor particolare oppure può essere impossibile usare un singolo componente. Una soluzione possibile è quella di utilizzare un diverso componente di potenza maggiore o un caso differente: esistono sicuramente elementi particolari che possono svolgere quel lavoro, ma è probabile che abbiano un costo elevato e siano di difficile reperibilità o di impiego complesso.

Una alternativa comune è quella di utilizzare due o più componenti collegati in parallelo; in questo modo la potenza totale da dissipare viene condivisa tra loro, applicando ad ognuna una frazione inversamente proporzionale al numero degli elementi in parallelo. Questo può essere una scelta più economica di un singolo componente molto costoso e che richiede un grosso dissipatore di calore. Infatti va considerato che, suddividendo la potenza, ogni componente avrà una sua propria superficie di scambio del calore e questa potrà essere sufficiente anche senza radiatore.

	Ad esempio, una resistenza da 10 ohm che deve dissipare 50W dovrà essere per forza un elemento del genere detto "corazzato", costoso e che necessita forzatamente di un sistema di dissipazione del calore.
E, se la potenza da dissipare è costantemente al massimo, occorrerà utilizzare un elemento di potenza nominale maggiore, ad esempio 75-100W, per avere il sufficiente margine per l'impiego reale.
	Se sostituiamo questo componente con 10 resistenze da 100 ohm in parallelo, ognuna di esse dovrà dissipare solo 5W e si potranno usare elementi del genere a blocchetto in cemento da 7-10W, che potranno lavorare senza dissipatore.

Lo stesso concetto può essere applicato a transistor, MOSFET, diodi, regolatori di tensione lineari: le resistenze termiche tra le giunzioni e l' ambiente, o il dissipatore, si troveranno anch'esse in parallelo, riducendo la caduta termica complessiva di un fattore proporzionale al numero degli elementi in parallelo.

Mettendoli in parallelo si aumenta (circa)  la corrente che complessiva e la potenza dissipata complessiva analogamente alle resistenze. Il guadagno in corrente rimane più o meno come quello di un singolo transistor, per cui, per elementi di potenza a basso guadagno, occorrerà un ulteriore transistor di pilotaggio delle basi.

I BJT sono vittime dei problema di instabilità termica dei transistor a giunzione, in cui il flusso di corrente aumenta, come effetto naturale, seguendo la temperatura.  L' aumento di temperatura produce ad un ulteriore aumento del flusso di corrente ed un successivo aumento della temperatura, finché l'aumento della temperatura e corrente, fino ad innescare una spirale fuori controllo (run down termico) che distrugge il dispositivo.

E' però possibile collegare in paralello BJT semplicemente inserendo all' emettitore una piccola resistenza (0.1-1ohm) che equilibra le correnti che attraversano i vari elementi, anche se essi presentano piccole differenze strutturali. Se il guadagno di ogni transistor non è simile, ma ha una larga tolleranza, in un elemento si troverebbe a scorrere una corrente diversa dagli altri. Le correnti potrebbero generare il run down termico prima descritto. La tensione ai capi della resistenza sull'emettitore si sottrae a quella che pilota la base del transistor determinando una retroazione negativa e questo ripartisce la corrente in eccesso sugli altri transistor.

A questo proposito, è importante che gli elementi del parallelo:_

• siano tutti dello stesso modello, in modo che non ci siano differenze non correggibili dalle resistenze di emettitore, e 

• installati sullo stesso dissipatore, in modo che la temperatura dei dispositivi sia la più uguale possibile.

Per funzionamento in parallelo i MOSFET sono preferibili ai BJT, non risentendo di questa problematica.

Per fare un esempio, prendiamo un transistor di potenza comune, come 2N3055 o BD142. I dati di targa danno 115W a 25 ° C, con giunzione al massimo a 200°C. La resistenza tra giunzione e case è circa 1.1-1.5 °C/W. Il package tipico è il TO-3 metallico, con una superficie di contatto con il dissipatore abbastanza grande e quindi con una bassa resistenza termica di contatto.  Se utilizziamo un compound termo conduttivo, si può dare questa resistenza a circa  0.4 °C/W. La resistenza termica complessiva tra giunzione e dissipatore sarà dunque tra 1.5 e 1.9 °C/W. Se vogliamo dissipare solo 80W con 40°C ambiente siamo in difficoltà, essendo richiesto un radiatore da meno di 0.3 °C/W, ottenibile sensatamente solo con sistemi ad aria forzata. E comunque staremmo usando il semiconduttore al limite delle sue possibilità.

Se dobbiamo dissipare 200W, questo componente è del tutto inadatto.  Potremmo usare un BUT92, sempre in TO-3, ma che dichiara 250W: ovviamente, questo è un dato di massima e anche 200W potrebbero essere sfruttati a fatica, con un notevole dissipatore.  Meglio andrebbe con il BUT30, in package ISOTOP, che ha una minore resistenza termica tra case e giunzione ed una maggiore superficie di contatto con il dissipatore.  Ma si tratta di un componente difficile da trovare e non certo economico.

Mettendo più transistor in parallelo, ognuno si farà carico di una frazione della potenza. Ad esempio, con 4 elementi, ognuno dissiperà 50W, il che dà un ampio margine di sicurezza rispetto alla potenza nominale. La  resistenza termica totale si abbassa, dato che quella tra le giunzioni e il dissipatore sarà circa un quarto, essendo le fonti di calore e le relative resistenze in parallelo, ovvero 0.375-0.475 °C/W. 
Questo consente l' uso di un dissipatore meno imponente. Se usiamo 6 transistor invece di 4, la resistenza termica in parallelo diventerà 0.25-0.32°C/W, il che rende sufficiente un dissipatore da 0.55-0.48 °C/W.
Ovviamente l' aumento degli elementi in parallelo genera un aumento di costo, tenuto anche presente che nel caso di transistor BJT occorrerà la resistenza di emettitore, ma si ottiene una riduzione del costo del dissipatore ed un aumento dell' affidabilità intrinseca dell' apparecchiatura, fattori questi che possono essere più importanti di altre considerazioni.

Ugualmente è possibile utilizzare diodi in parallelo, con una piccola resistenza serie. Però, anche se si 'dovrebbero' usare resistenze di bilanciamento, è abbastanza comune per prodotti commerciali essere ridotti al solo parallelo:  per i "puristi" che ritengono la cosa insensata va detto che molto probabilmente nel loro PC i diodi dell' alimentatore, sui rami ad alta corrente, sono un parallelo di più elementi (doppi diodi, anche tre o quattro in parallelo) ed è molto raro che sia questo a causare un problema, anche perchè il costruttore userà componenti della stessa serie e collegati termicamente in modo molto stretto tra loro. 

Anche regolatori a tre terminali possono essere messi in parallelo, separando con un semplice diodo in serie ad ognuno di essi, per incrementare la corrente massima ottenibili, anche se alcuni sono parallelizzabili solamente con resistenze in serie. Ad esempio, una idea di progetto da EDN per usare in parallelo più 78xx (anche 10 o 20 !) e una applicazione da Linear per i suoi LT1083.

E pure in altri casi il parallelo di più unità risolve problemi di potenza o di corrente che non sarebbero altrimenti possibili con quei dati componenti.

Ad esempio, LM3886 è un amplificatore mono di Texas Instruments che arriva ad un massimo di 60W circa. Per ottenere una potenza maggiore occorre utilizzare una configurazione a ponte, che raddoppia, circa, la potenza, oppure scegliere un diverso componente. Però, combinando la configurazione a ponte con il parallelo, il risultato supera di gran lunga le capacità di un solo amplificatore, mantenendo livelli ragionevoli di dissipazione di potenza all'interno di ogni integrato. La connessione a ponte raddoppia l'escursione della tensione di uscita e quadruplica la dissipazione di potenza, mentre la porzione parallela dimezza la corrente tra ogni serie IC e divide la dissipazione di potenza tra ciascuno dei quattro circuiti integrati. Il circuito a ponte / parallelo con quattro amplificatori produrrà una potenza > 200W con carichi da 4Ω a 8Ω.

Il risultato è una elevata potenza di uscita del sistema con gli amplificatori integrati che non superano le singole capacità di dissipazione di potenza, funzionando ad una temperatura normale e offrendo elevata affidabilità a lungo termine (applicazione Texas Instruments).

In ogni caso, non bisogna pensare illimitata la quantità di elementi che è possibile inserire nel parallelo, nè che la cosa sia semplice per semiconduttori o integrato come per i componenti passivi; ci possono essere certo problemi di costo o di spazio o di complicazione circuitale, ma vanno anche considerati altri elementi, come capacità e impedenze che diventano importanti in una gestione a impulsi.