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Calculer un dissipateur

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Dissipation thermique

Vidéo : pourquoi installer un dissipateur ?


Mesure de l'échauffement d'un composant avec et sans dissipateur thermique en vidéo !




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Refroidir les composants

éléments de la chaîne de dissipation thermiqueL'air est un très mauvais conducteur thermique. La surface du boîtier d'un composant électronique est bien trop faible pour dissiper la puissance nominale que peut supporter la jonction.
La puissance indiquée sur le datasheet est donnée pour une surface d'échangeFer à souder 25 W vs composant 100 W

Le fer à soudre de la photo dissipe 25 W pour mener sa panne à ≃ 300°C. Le transistor boîtier TO220 à coté est prévu pour supporter jusqu'à 100 Watts...

Nul doute qu'avec 100 W la température frôlera les 1000°C, bien loin des 125 °C à 175 °C maximum que supporte une jonction de puissance :

La température maximale dépend de la série (Grand Public, Industrie, militaire...)
thermique infinie et une température ambiante de généralement :
Tamb ≃ 25 °C !
La valeur de puissance nominale sur un datasheet n'est pas valable pour un composant 'nu' !




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A savoir sur les dissipateurs !

Dissipateur de variateur industrielAppelés aussi radiateurs (un peu vulgairement parce qu'ils sont chauds...), les dissipateurs du commerce sont généralement en aluminium, quelquefois anodisés noir matéchange thermique avec les couleurs
Le noir mat absorbe et donc échange mieux les infra-rouge et la chaleur que le blanc ou gris aluminium qui aura tendance à les réfléchir...
Cliquez à la suite sur datasheet : de 15 à 35% de performance en plus suivant le profil...
, voir datasheet et sont fournis avec leur caractéristique principale :
Leur résistance thermique Rth exprimée en °C/W ou °K/W1° Celsius ou centigrade = 1 °Kelvin, seule la référence du 0 est différente
0 °K = -273,15 °C ; 273,15° K = 0 °C
. Exemple : 5 °C/WRth (Résistance thermique) 5 °C/W ⇒ ce dissipateur voit sa température
augmenter de 5 °C (par rapport à l'air ambiant) pour 1 Watt à dissiper
Dissipateur 5 °C/W
.
Attention, la valeur Rth n'est vrai qu'en respectant un montage optimalL'air chaud monte naturellement, aussi les ailettes devront être verticale pour améliorer la circulation du flux et utiliser toute la surface déployée
Règle de montage du dissipateur
!
Pour améliorer les performance, les fabricants peuvent choisir le cuivre mais au détriment du poids (masse)La densité du cuivre est de 8.92 pour seulement 2.7 pour l'aluminium.
Soit une densité : 8.92 / 2.7 ≃ 3.3 fois supérieure...
.

La ventilation forcéeOn peut diminuer par 2, 3 et jusqu'à 10 la Rth d'un dissipateur
Dissipateur de µprocesseur avec ventilo
Ici un 'ventirad' de micro-processeur
Ventirad : contraction de ventilateur et radiateur, très en vogue chez les 'Geek'
est aussi très efficace.
Un dissipateur 5 °C/W verra sa température augmenter de 50 °C pour 10 Watts à dissiper
Attention ! Sa température sera donc de 50 °C + la température ambiante Exemple : 70 °C si l'air ambiant est à 20 °C !!




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La chaîne thermique

La jonction n'est pas à la température du dissipateur !
Entre eux, plusieurs éléments, possédant chacun leur propre résistance thermique qui viendront contrarier les échanges thermiques...
Ces résistances thermiques sont principalement en série comme représenté ci-dessous :

RthC variable
Température jonction
tjc
Shunt Température boîtier
tcc pour case en anglais
Shunt Température dissipateur
td
Shunt Température air ambiant
tamb
RthJC ⇒ datasheetRthD à calculer

Les résistances thermiques sont en série (même si, selon les montages une partie viendront aussi en //, souvent négligeable)
  • RthJC = Résistance thermique Jonction/Case : voir datasheet (1.15 °C/W pour IRF540)
  • RthC = Résistance thermique de ContactLiée à la surface du composant, à l'emploi de graisse conductrice aux silicones dopée ou non à l'argent (Argent : meilleur conducteur thermique) :
    Boîtiers TOP3 TO220
    A gauche un transistor en TOP3, à droite en TO220 : des références identiques sont quelquefois disponibles en divers boîtiers, il va de soi que le TOP3, doublant la surface de contact, est préférable en dissipation... Mais plus onéreux !
    entre composant et dissipateur, très variable L'idéal est le ressort : il offre une pression constante calibrée une fois pour toutes !
    C'est d'ailleurs lui qui s'est imposé dans les µprocesseurs d'ordinateurs où quelques dizaines de Watts doivent être dissipés dans quelques petits cm²...
    Ressort de µprocesseur ventirad
    La languette faisant office de ressort est marquée par la flèche rouge
    !
  • RthD = La résistance thermique maximale calculéeNous allons aborder cela ! pour le dissipateur
Les inconvénients du serrage par boulon sont :
  • Trop serré = déformation et donc diminution des surfaces réellement en contact
  • Pas assez = résistance de contact plus élevée que prévu !
L'isolateur électriqueLes composants commutant le réseau 230 V~ (alimentations, variateurs...) peuvent requérir un isolement électrique du dissipateur. Or les isolants électriques sont aussi isolants thermiques...
Mica isolant boîtier TO3zoom isolant dissipateur boîtier TO220
Un isolateur mica pour boîtier TO3, un composite pour boîtier TO220, les Rth respectifs sont fournis par les fabricants
: la catastrophe thermiqueCompter > 1 °C/W pour un petit boîtier, contre ≃ 0.3 °C/W sans isolateur... !
Optimiser la surface en contact : méthode sandwichPlaque sandwich capsule sur micro-processeur et ventirad
A gauche le boîtier du micro-processeur nu : la surface d'échange est minimale : un coeur en cuivre est recommandé au niveau du ventirad.
A droite un µProc encapsulé afin d’augmenter la surface d'échange.
Notez en vert sur le dessin du haut la présence d'un isolateur (isolant électrique), souvent requis pour les applications fonctionnant en 230 V (variateurs, alimentations...) correctement positionné entre la plaque sandwich et le dissipateur !
utilisée dans mes micro-processeurs.




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Déterminer la vraie température maxi de la jonction

température jonction maxi en fonction de la puissance
On linéariseCela nous préserve de toute erreur et simplifie les calculs : une simple règle de 3 suffit ! la courbe sachant que dans la majorité des cas la puissance maxi supportée par une jonction est vraie jusqu'à 25 °C.
A la température maximale le composant ne peut fournir aucune puissance, on pourra ainsi tracer une ligne et calculer avec une simple règle de 3 !
Exemple ici : 100 W maxi à 25 °C et 125 °C maxi donc pour 0 W.
Si notre composant doit fournir 40 W, sa température de jonction maximale sera de :

tj = 125 – [ (125 – 25) × (40 / 100)] = 125 – [ 100 × 0.4 ] = 125 – 40 = 85 °C !
tjc = t maxi - [ (t maxi – t refPlage de fonctionnement : ici 100, l'oblique qui va de 25 °C à 125 °C sur ce schéma) × (P à dissiper / P maxi)]

Polémique : Notez que plus vous vous rapprocherez de la ligne rouge, tout en restant dans la verte, plus vous rendrez votre montage peu fiable... De 'mauvais' esprits diraient que cette méthode permet un renouvellement 'naturel' d'une électronique quasiment inusable sans cela... Bien loin de nous de telles pensées ! L'emploi de graisse pour améliorer l'échange thermique est efficace mais cette graisse sèche perd de ses propriétés : à renouveler !

En partie abonnés : vidéo sur le module PeltierModule Peltier en vidéo, mesure laser !





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Calculs avec IRF540 : 40 Watts et donc 85 °C maxi

Soit 40 W à dissiper avec une température de jonction maximale de 85 °C.
RthJC comme, précisé au datasheet IRF540, vaut 1.15 °C/W.
Donc tc maxi = 85 °C – (40 W × 1.15 °C/W) = 85 - 46 = 39 °C
Si l'on admet un très bon contact sans isolateur entre dissipateur et boîtier de 0.3 °C/W :
Température dissipateur td maxi = 39 °C – (40 W × 0.3 °C/W) = 39 – 12 = 27 °C maximum...
Si l'air ambient ne dépasse pas 20 °C cela laisse 7 °C de marge (27 – 20)...
Dans ce cas RthD maxi = 7 °C / 40 W = 0.175 °C/W ce qui est très très bas !
Voir ce datasheet dissipateur.
La seule solution serait de ventiler... Sans compter que si l'on admet un air ambiant pouvant atteindre 30 °C, on trouve une valeur négative 27 – 30 = –3 °C = impossible ; à moins de climatiser !

La solution consiste ici à monter 2 IRF540 en // (parallèle)
Ou à choisir un autre transistor avec un RthJC plus faible en boîtier plus large : TOP3 par exemple
En installant 2 IRF540 en //, chacun ne dissipe plus que 20 Watts et il faut tout reprendre depuis le début car tj maxi devient, fort heureusement, plus grand :
tj maxi = 125 – [ (125 – 25) × (20 / 100)] = 125 – [ 100 × 0.2 ] = 125 – 20 = 105 °C
Nous allons utiliser la formule issue des résistances en série :
RthD maxi = [(tjc maxi – tamb) / P] – RthJC – RthC
RthD maxi = [(105 °C - 30 °CPrenons T ambiant le plus défavorable : 30 °C) / 20 W] – 1.15 °C/W – 0.3 °C/W = 75 / 20 – 1.45 ≃ 2.3 °C/W ce qui est bien plus raisonnable ! Comme on peut le voir sur le datasheet dissipateur, le type 44DN en (50 × 130 × 32 mm) correspond 'pile poil'. Mais dans un souci de fiabilité, toujours prendre une marge d'au moins 20%,
(à moins que vous ne cherchiez volontairement à limiter la durée de vie, le MTBFMedium Time Before Failure
(temps moyen avant une panne)
de vos montage !!!)

Donc avec 20% de marge : le 41DN (120 × 37 × 50 mm) pour chaque transistor ou mieuxOn a vu que les MOSFET supportaient bien la mise en // de par leur équilibrage naturel, toutefois on peut aussi utiliser le même dissipateur : 41DN (120 × 37 × 125 mm) en noir anodisé...
Notez au passage que le noir anodisé sur dissipateur permet un gain de performances de 15% à 35% !




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12345C

Crée le 04 / 06 / 2017, der. màj le 01 / 07 / 2018 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 9134 fois
Difficulté : ★★★★☆
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