Calculer un dissipateur

Refroidir les composants

L'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'échange

Le fer à souder de la photo dissipe 25 W pour mener sa panne à ≃ 300 °C. Le transistor boîtier TO220 à côté 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 : c'est ce que la puce peut dissiper jusqu'à sa température maximale de jonction, le boîtier étant maintenu à :
TC = 25 °C !

À savoir sur les dissipateurs !

Appelés aussi radiateurs (un peu vulgairement parce qu'ils sont chauds...), les dissipateurs du commerce sont généralement en aluminium, quelquefois anodisés noir mat
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
.
Attention, la valeur Rth n'est vraie qu'en respectant un montage optimalL'air chaud monte naturellement, aussi les ailettes devront être verticales pour améliorer la circulation du flux et utiliser toute la surface déployée
!
Pour améliorer les performances, 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

Ici un 'ventirad' de micro-processeur
Ventirad : contraction de ventilateur et radiateur, très en vogue chez les 'Geek' est aussi très efficace.

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		Température boîtier tcc pour case en anglais		Température dissipateur td		Température air ambiant tamb
RthJC ⇒ datasheet				RthD 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) :
  
  À 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...
  
  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...

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 sandwich
À gauche le boîtier du micro-processeur nu : la surface d'échange est minimale : un cœur en cuivre est recommandé au niveau du ventirad.
À 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 les micro-processeurs.

Déterminer la température maxi du boîtier

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 un composant est donnée pour un boîtier maintenu à 25 °C.
À 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 dissiper 40 W, la température maximale de son boîtier sera de :

Attention : cette droite de déclassement est tracée en fonction de la température du boîtier. Elle contient déjà la résistance thermique entre jonction et boîtier, ici (125 – 25) / 100 = 1 °C/W : il ne faut donc pas la retrancher une seconde fois.

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 !

À la fin de ce chapitre : vidéo sur le module Peltier !

Soit 40 W à dissiper. D'après la droite de l'écran précédent, le boîtier doit rester sous 85 °C.
Si l'on admet un très bon contact sans isolateur entre dissipateur et boîtier de 0.3 °C/W :
Température dissipateur td maxi = 85 °C – (40 W × 0.3 °C/W) = 85 – 12 = 73 °C maximum.
Avec un air ambiant pouvant atteindre 30 °CPrenons T ambiant le plus défavorable : 30 °C : RthD maxi = (73 – 30) / 40 ≃ 1.1 °C/W.
Voir ce datasheet dissipateur : un dissipateur conséquent, mais courant.

Seconde méthode, avec le datasheet réel : on part de la température maximale de la jonction et l'on retranche toute la chaîne des résistances thermiques en série :L'IRF540 supporte une jonction à 175 °C et, comme précisé au datasheet IRF540, son RthJC vaut 1.15 °C/W :
RthD maxi = [(175 – 30) / 40] – 1.15 – 0.3 ≃ 3.6 – 1.45 ≃ 2.2 °C/W.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 MTBFMean Time Between Failures
(temps moyen entre deux pannes) de vos montages !!!)
Pour gagner encore en marge, on peut monter 2 IRF540 en // (parallèle) : chacun ne dissipe plus que 20 W, son boîtier peut monter à 125 – [100 × (20 / 100)] = 105 °C, le dissipateur à 105 – (20 × 0.3) = 99 °C, soit RthD maxi = (99 – 30) / 20 ≃ 3.45 °C/W par transistor.
Le 44DN (50 × 130 × 32 mm) du datasheet dissipateur convient alors largement 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% !