Fisica Tecnica per Elettronica

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1 Prof.ssa Matilde Pietrafesa Prof. A. Nucara Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica Curriculum Energia Fisica Tecnica per Elettronica 1

2 Raffreddamento delle apparecchiature elettroniche Per la continua miniaturizzazione dei sistemi elettronici la potenza da essi generata per unità di volume ha raggiunto valori così elevati che i loro componenti possono essere soggetti a temperature di funzionamento talmente elevate da danneggiarli e far perdere affidabilità a tutto il sistema. Essi devono pertanto dissipare adeguatamente la potenza termica sviluppata per non essere soggetti ad un eccessivo riscaldamento.

3 Effetto della temperatura La probabilità di guasto dei componenti elettronici aumenta esponenzialmente con la temperatura. Le variazioni di temperatura sono anche causa di stress termici nelle giunzioni saldate dei componenti elettronici sui circuiti stampati. E evidente quindi il ruolo sempre più importante che ha il controllo della temperatura nella progettazione e nel funzionamento delle apparecchiature elettroniche, che consiste nella rimozione della potenza termica generata al loro interno.

4 Tecniche di raffreddamento Le tecniche di raffreddamento comunemente utilizzate nelle apparecchiature elettroniche sono: a) per conduzione b) per convezione naturale c) per convezione forzata (aria forzata) d) per irraggiamento e) a liquido f) ad immersione g) mediante tubi di calore

5 Obiettivi formativi Il corso fornisce le nozioni di base relative ai diversi meccanismi di trasmissione del calore (conduzione, convezione ed irraggiamento), in regime stazionario e transitorio, ed alle loro applicazioni nell ambito dell elettronica, soffermandosi in particolare sulle tecniche ed i sistemi di raffreddamento delle apparecchiature elettroniche e dei sistemi fotovoltaici.

6 a) Conduzione Trasmissione del calore in regime stazionario Legge di Fourier Equazione generale della conduzione Conduzione monodimensionale in regime stazionario - conducibilità termica costante o variabile con la temperatura Analogia elettrica

7 b) Convezione Convezione forzata, naturale e mista Equazioni fondamentali del moto non isotermo Analisi dimensionale e raggruppamenti adimensionali (numeri di Nusselt, Prandtl, Grashof e Reynolds)

8 c) Irraggiamento Radiazioni termiche Grandezze e leggi fondamentali (Planck, Stefan-Boltzmann, Wien) Riflessione, trasmissione ed assorbimento Corpi neri, grigi e reali Radiosità Scambio termico fra superfici nere e grigie

9 Trasmissione del calore in regime transitorio Sistemi a parametri concentrati (con resistenza interna trascurabile) Conduzione termica in regime variabile Metodi numerici di soluzione dell equazione di scambio termico in transitorio Metodo delle differenze finite: formulazione esplicita ed implicita

10 Raffreddamento delle apparecchiature elettroniche Carico termico nelle apparecchiature elettroniche Raffreddamento: a) per conduzione b) ad aria (in convezione naturale ed irraggiamento; in convezione forzata) c) a liquido d) ad immersione Sistemi di raffreddamento : Alette e piastre di raffreddamento Ventilatori Sistemi di rilevamento della temperatura (termocamere).

11 Energia solare Raffreddamento dei sistemi fotovoltaici Sfruttamento dell energia solare per la produzione d energia elettrica e termica Raffreddamento dei sistemi fotovoltaici mediante scambiatori di calore Metodo della differenza di temperatura media logaritmica Metodo dell efficienza Pannelli fotovoltaici termici (Sistemi PVT) Sistemi di accumulo energetico

12 Testi Consigliati F. Kreith Principi di Trasmissione del Calore Liguori Y. Cengel Termodinamica e trasmissione del calore McGraw-Hill G. Guglielimini, C. Pisoni Elementi di trasmissione del calore Veschi