Le Alette di Raffreddamento

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1 Le Alette di Raffreddamento Comunemente chiamate : Dissipatori Termici. Nella maggior parte dei progetti presentati sul sito leggendo le spiegazioni ad un certo punto il lettore si imbatte nella frase: ricordatevi di fissare il transistor o l'integrato su di una adeguata aletta di raffreddamento. Molti di loro mi hanno scritto chiedendomi: come si sceglie un aletta di raffreddamento? Adeguata in base a quali parametri? Esistono dei calcoli per scegliere una aletta adeguata? A queste e ad altre domande simili cercherò di dare una risposta in questo articolo. Andiamo per ordine partendo dalla teoria: Un qualsiasi Transistor o circuito integrato di potenza durante il suo funzionamento genera del calore, che deve essere velocemente sottratto dal suo corpo per evitare che il chip al suo interno si fonda. Per raffreddare il corpo di questi semiconduttori è sufficiente appoggiarli sopra ad una superficie metallica di ampie dimensioni perché, come tutti sapranno, il corpo che dispone di una temperatura maggiore cederà calore al corpo che ha una temperatura minore e di conseguenza la temperatura del primo si abbasserà. Lo scambio di calore tra due corpi sarà veloce se la differenza di temperatura è elevata, e lento se se la differenza di temperatura sarà minima. Per esempio: se il corpo di un transistor ha una temperatura di 50 gradi e l'aletta una temperatura di 22 gradi il trasferimento risulterà veloce perché esiste un salto termico notevole, se invece l'aletta raggiungesse i 48 gradi il trasferimento risulterebbe più lento perché il salto termico sarebbe di pochi gradi. L'aletta dissipatrice si comporta come un termosifone cede calore prelevato dal transistor verso l'ambiente, per cui maggiori risulteranno le dimensioni dell'aletta e la differenza di temperatura tra aletta/ambiente più velocemente il transistor si raffredderà. 1

2 Es: se un aletta viene collocata all'interno di un mobile di ridotte dimensioni lo scambio di calore avverrà più lentamente perché aumentando la temperatura dell'aria interna si ridurrà il salto termico tra aletta/ambiente. Se l'aletta verrà collocata esternamente al mobile lo scambio avverrà più velocemente perché oltre ad aumentare il salto termico si avrà una maggiore circolazione dell'aria. C'è un altro fattore da tener presente nei calcoli che faremo più avanti, il passaggio di calore da un corpo ad un altro viene quasi sempre frenato dalla diversa conducibilità dei materiali, pertanto ad ogni passaggio ci saranno delle perdite di trasferimento chiamate Resistenze Termiche. LE FORMULE Questa è la tabella riassuntiva delle sigle utilizzate nelle formule: Chiariamo alcune di queste sigle: RC = resistenza che incontra il calore per passare dal Chip del transistor al corpo del suo contenitore. RT = resistenza che incontra il calore per passare dal corpo del transistor all'aletta. 2

3 RD = resistenza che incontra il calore per passare dall'aletta o (dissipatore) all'ambiente. (Questa resistenza termica varia al variare della forma del profilo e dalle dimensioni dell'aletta.) La RC è un valore che dovrebbe essere riportato nelle caratteristiche di ogni transistor con la sigla Rjc (resistenza termica junzione corpo). La RT è un valore che dipende molto da come viene fissato il corpo del transistor sull'aletta. Se il transistor viene fissato direttamente sul metallo dell'aletta avremo una RT molto ridotta. Se invece interponiamo tra il transistor e l'aletta una mica isolante il valore RT aumenterà di circa 1 C/W perché lo spessore della mica frenerà il trasferimento di calore tra i due corpi. Per cui più elevate risulteranno le resistenze termiche siglate RC-RT-RD maggiore difficoltà incontreremo a sottrarre calore dal chip del transistor. Osservando le caratteristiche tecniche di un qualsiasi transistor di potenza,viene riportato che il suo chip interno è in grado di lavorare su una gamma di temperatura compresa tra - 65 gradi e gradi oppure tra - 65 gradi e gradi però il costruttore non ci dice che se il chip raggiungerà questi valori massimi fonderà in pochi secondi. Quindi per evitare di metterlo fuori uso bisogna rimanere al di sotto di di questa temperatura massima per lo meno di 45 gradi, ecco perché nella tabella vi è la sigla TJS (temperatura di sicurezza del chip). Per esempio: ammettiamo di trovare nelle caratteristiche di un transistor di potenza questi dati: 1. Max. potenza dissipabile = 110 watt 2. Max. temp. giunzione TJ = 200 gradi 3. Resistenza termica RC = 1, 59 C/W 3

4 Molti commettono l'errore di considerare la potenza massima dissipabile come se fosse quella di lavoro. In pratica questi 110 watt no riusciremo mai a dissiparli, perché questa potenza la si otterrebbe se la temperatura del corpo del transistor rimanesse sempre fissa sui 25 gradi (cosa impossibile). Infatti applicando la formula avremo: Watt max = (TJ - TA) : RC > (200-25) : 1,59 = 110 watt max Quindi per motivi di sicurezza converrà sostituire il valore TJ (200) con il valore TJS (155). Così avremo: Watt max = (TJS - TA) : RC > ( ) : 1, 59 = 81, 76 Watt Con 81,76 watt correremo ancora il rischio di fondere il transistor, perché nella formula di prima non abbiamo incluso la RT (resistenza termica transistor/aletta). E neppure la RD (resistenza termica ambiente/aletta). Prendiamo ancora in esame il transistor di prima, ammettiamo che abbia il corpo metallico e di averlo fissato su di una aletta che ha una RD di 0,8 C/W interponendo una mica isolante che ha una RT di 1,4 C/W la formula è la seguente: Watt max = (TJS - TA) : (RC + RT + RD) > (155-25) : (1,59 + 1,4 + 0,8) = 34, 3 Watt. Come avete notato un transistor che dovrebbe risultare idoneo a dissipare 110 Watt all'atto pratico riusciremo a fargli dissipare soltanto 34,3 watt. Sapendo che il transistor dissipa 34 watt ecco alcune formule utili per calcolare : La temperatura del chip = Watt x (RC + RD + RT ) + 25 La temperatura del corpo del transistor = Watt x (RT + RD) + TA La temperatura dell'aletta = Watt x RD + TA 4

5 Questa è la tabella dei valori fissi per la RT: Come potete osservare dalla tabella il valore della RT con mica isolante ha un determinato valore senza mica varia sensibilmente. Provate a rifare i calcoli senza mica isolante e noterete subito la differenza. Poiché non è sempre possibile eliminare la mica isolante per poter ridurre la temperatura sul corpo del transistor dovremo aumentare le dimensioni dell'aletta. Leggendo le caratteristiche di un transistor non sempre viene riportato il valore della resistenza termica RC. Questo dato lo si può ricavare se si conoscono i Watt Max dissipabili dal transistor e la temperatura massima che può raggiungere il chip che viene sempre indicata con la sigla TJ o Junction Temperature. Questa è la formula: RC = (TJ - TA ) : Watt Max Prima di passare al calcolo dell'aletta di raffreddamento devo spiegarvi come calcolare la potenza in Watt Lavoro. Prendiamo in esame un Amplificatore BF in classe A, in questo tipo di amplificatore la corrente assorbita dal transistor sia in assenza che in presenza di segnale BF varia pochissimo,quindi per conoscere la potenza dissipata si dovrà moltiplicare la tensione in volt per la corrente massima assorbita dallo stadio finale. Se un amplificatore di questo tipo è alimentato con una tensione di 20 volt e assorbe 1 Amper la potenza da dissipare sarà: 20 x 1 = 20 Watt. (watt lavoro). In un Amplificatore in classe AB in cui sono presenti sempre due transistor finali, l'assorbimento deve essere calcolato alla massima potenza,poiché a riposo il suo assorbimento è irrisorio. Se un amplificatore di questo tipo è alimentato con una tensione di 20 volt e assorbe 1,5 Amper la potenza da dissipare sarà: 20 x 1,5 : 2 = 15 (watt Lavoro). 5

6 Calcolare i C/W dell'aletta da utilizzare Prendiamo in esame il transistor per il quale abbiamo calcolato 34 Watt Lavoro per prima cosa dobbiamo calcolare le resistenze termiche totali con la seguente formula: RTot = (TJS - TA) : Watt lavoro (155-25) : 34 = 3, 82 C/W Dopo aver conosciuto questo dato possiamo calcolare i C/W dell'aletta. C/W aletta = RTot - (RC + RT) Qui ci viene in aiuto la tabella dei valori fissi RT (supponiamo di avere un transistor con corpo plastico fissato senza mica isolante) quindi con C/W 0,7. 3,82 - (1,59 + 0,7 ) = 1,53 C/W Quindi l'aletta che dovremo scegliere per raffreddare questo transistor dovrà avere una resistenza termica di 1,53 C/W. Le industrie che costruiscono le alette di raffreddamento forniscono sempre un grafico con riportato il valore della loro resistenza termica espressa in C/W in funzione del loro profilo e della loro dimensione. Più l'aletta è grande maggiore risulterà la sua superficie dissipatrice di calore,quindi minore risulterà il valore C/W termico. In genere le alette partono da una lunghezza minima di 50 mm fino ad un massimo di 250 mm,perché superando i 250 mm la resistenza termica rimane costante. Questo significa che sostituendo un'aletta lunga 250 mm con una di identico profilo ma lunga mm questa raffredderà un transistor in modo identico a quella lunga 250 mm. Come avete potuto constatare per calcolare le dimensioni di un'aletta occorre fare diversi calcoli matematici,cosa che i progettisti raramente fanno. 6

7 La maggior parte di loro usa un metodo molto più sbrigativo, che di seguito vi illustrerò, e che ho adottato anch'io con ottimi risultati. Adesso leggerete la parte più interessante di questo articolo, (quella riguardante le formule è stata un po'noiosa). Quando si deve fissare un transistor di potenza o un integrato su di una aletta in genere si compra un trafilato per alette standard, in funzione della potenza da dissipare si sceglie un dissipatore di dimensioni tali che,in linea di massima possa andare bene allo scopo. Si alimenta il circuito e lo si fa funzionare in condizioni normali per circa 1 ora, poi si prende un tester digitale che abbia la portata termometro la sua sonda la si appoggia sull'aletta e si controlla quale temperatura rileva. Se l'aletta è posizionata all'esterno del mobile deve avere una temperatura compresa tra 45 e 55 gradi. Se l'aletta è posizionata all'interno del mobile deve avere una temperatura tra 50 e 65 gradi. Poi si misura la temperatura del corpo del transistor. Se tra corpo del transistor e aletta è inserita una mica isolante il corpo del transistor non dovrà raggiungere una temperatura maggiore di 30 gradi rispetto all'aletta. Questo significa che se avete rilevato sull'aletta una temperatura di 50 gradi, il corpo del transistor non deve superare gli 80 gradi. (50+30 = 80) se così non fosse occorre sostituire l'aletta con una di dimensioni maggiori. Se tra il corpo del transistor e l'aletta non è inserita la mica isolante il corpo del transistor non dovrà raggiungere una temperatura maggiore di 15 gradi rispetto all'aletta. Vale a dire che se avete rilevato sull'aletta una temperatura di 50 gradi, il corpo del transistor non deve superare i 65 gradi. (50+15 = 65) se così non fosse occorre sostituire l'aletta con una di dimensioni maggiori. Utili consigli per evitare che commettiate errori. Un transistor o integrato andrà sempre applicato al centro dell'aletta. Se lo fisserete su di un lato il suo corpo scalderà molto di più. Se applicate due transistor su di un'aletta, non collocateli mai uno vicino all'altro perchè così facendo l'aletta dissiperà meno calore. 7

8 Per poter dissipare il calore in modo corretto dovrete considerare questa unica aletta come due distinte alette e collocare i transistor al centro delle rispettive sezioni. Per esempio: se disponete di una aletta lunga 16 cm, la sua metà sarà di 8 cm per cui il centro delle rispettive sezioni è di 4 cm. E' sempre consigliabile fissare l'aletta all'esterno del mobile. Se l'aletta deve essere collocata per forza all'interno posizionatela in un punto dove l'aria possa circolare liberamente. (Tenete presente che l'aria calda tende a salire ) quindi è consigliabile scegliere dei contenitori forati sotto oppure di lato e con coperchio forato, in modo da consentire all'aria calda di fuoriuscire da sopra e all'aria fredda di entrare attraverso i fori presenti lateralmente o sotto. Non interponente mai due miche isolanti tra corpo del transistor e aletta. Se applicherete nel mobile una ventola per forzare la circolazione dell'aria, va posizionata in modo che aspiri l'aria calda all'interno del mobile e la espelli verso l'esterno (e non viceversa). Se fisserete un transistor direttamente sul metallo dell'aletta senza interporre una mica isolante,ricordatevi che il corpo metallico del transistor è quasi sempre collegato elettricamente al terminale del Collettore per cui se fisserete l'aletta su un mobile metallico potreste provocare dei cortocircuiti. Per evitare questo rischio conviene isolare l'aletta dal metallo del mobile con delle rondelle in plastica. Se fisserete un transistor utilizzando una mica isolante per evitare cortocircuiti dovrete necessariamente isolare anche le viti che utilizzerete per fissare il corpo del transistor. Prima di applicare un transistor su di un'aletta controllate che i bordi dei fori siano leggermente svasati vero l'interno. In caso contrario dovrete svasarli voi con un trapano, perchè questa imperfezione se non viene notata ha come conseguenza la rottura del transistor. Il quale non appoggiando perfettamente alla superficie dell'aletta si surriscalderà fino all'estrema conseguenza della fusione del suo chip interno. 8