Questa pagina web tratta il problema rilevante di come accoppiare correttamene un dissipatore ad un dispositivi integrato. La pagina non pretende di essere completa, ma un buon punto di partenza e fornire qualche regola pratica su questo "scottante" problema.

Il problema della dissipazione del calore sviluppato dai circuiti integrati di potenza non va sottovalutato perché può portare alla rottura della giunzione e quindi un danno permanente al dispositivo. Il calore sviluppato prevalentemente per effetto Joule dal silicio deve essere trasferito all'esterno prima dal contenitore ed infine all'ambiente. Questo percorso presenta delle resistenze termiche che ostacolano la propagazione del calore ed in prima approssimazione possiamo affermare che all'equilibrio termico l'aumento di temperatura è proporzionale alla potenza dissipata all'interno: Tj-TA˜ΘJAPD Dove Tj è la temperatura di giunzione, TA è la temperatura ambiente, PD è la potenza dissipata e ΘJA è la resistenza termica giunzione ambiente espressa in [°C/W]. Si può anche considerare ΘJA come una misura della capacità del dispositivo a disperdere il calore, quanto più è bassa, tanto più piccolo è l'aumento di temperatura per una data PD. Per aiutarci a capire meglio il problema possiamo anche sfruttare un'analogia elettrica nella quale la potenza rappresenta la corrente, la resistenza elettrica rappresenta quella termica e la tensione rappresenta la temperatura.

Funzionamento in aria libera

La resistenza termica ΘJA consiste di due componenti: la resistenza termica giunzione-contenitore e la resistenza contenitore-ambiente: ΘJA=ΘJC+ΘCA. Quella più grande e quindi rilevante è la seconda ed è funzione delle dimensioni geometriche del contenitore, dall'incollaggio del silicio al package e dall'ambiente esterno in cui è immerso il dispositivo. L'elevata resistenza termica può essere notevolmente diminuita con l'aggiunta di un dissipatore.

Dissipatori

Quando si applica un dissipatore, il circuito equivalente del percorso termico si modifica nel seguente modo: ΘJA=ΘJC+ΘCS+ΘSA. Il primo termine rimane invariato, mentre ΘCS rappresenta la resistenza termica contenitore-dissipatore e ΘSA rappresenta la resistenza termica dissipatore-ambiente. Sembra strano, ma aggiungendo un termine la resistenza complessiva diminuisce! Il motivo è che ΘCS+ΘSA<< ΘJA. La combinazione contenitore-dissipatore ottima per una data applicazione si determina sulla base della massima dissipazione di potenza prevista, dalla massima temperatura prevista di giunzione e dalla massima temperatura ambiente prevista.

Esempio: TA(max)=60°, TJ(max)=125° (valore tipico), PD(max)=5.6W.

Soluzione: Tramite la prima relazione riportata si calcola ΘJA=(125-60)/5.6=11.6 °C/W. Calcoliamo ora la resistenza termica che il contenitore deve avere nei confronti dell'ambiene: ΘCA=ΘJA-ΘJC=11.6-5=6.6 °C/W. ΘJC è un valore tabulato funzione del contenitore scelto per il dispositivo: 5 è la resistenza termica del TO-220. Ammessa una resistenza per la superficie di contatto ΘCS=0.6 °C/W, resta ΘSA=6 °C/W che può essere soddisfatta da un dissipatore comune di basso costo.

Comunque è bene quando si sceglie un dispositivo di potenza controllare se è necessaria l'installazione di un dissipatore e fare riferimento al datasheet del componente per controllare i valori dichiarati delle resistenze termiche.

Bibliografia

  1. Sergio Franco, "Amplificatori Operazionali e circuiti integrati analogici", Hoepli, pag. 526-529.