Pd = t - t j. R = t - t j. Etude des systèmes techniques. Choix de radiateur. 1. Echauffement. 2. Puissance dissipée. 3. La résistance thermique.

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1 Choix de radiateur 1. Echauffement Une élévation de température dépassant les limites permises, peut donner lieu à: - Un changement des caractéristiques du composant (dérive thermique). - Un changement tel que la puissance dissipable devienne plus faible que la puissance normale. - La destruction de la jonction. Une bonne évacuation thermique permet d utiliser le semis conducteur: - Dans de meilleures conditions de fiabilité et de maintien de ces caractéristiques. - A une puissance supérieure à celle admissible sans radiateur Exemple: Un transistor, de puissance nominale de 10 W, avec dissipateur ne peut fonctionner que sous 2 W sans radiateur. 2. Puissance dissipée L opposition à l évacuation de la chaleur d un élément est caractérisée par sa résistance thermique Rth. 3. La résistance thermique Pd = t - t j ma x R amb Elle s exprime en C/W ( degré Celcius par Watt) L unité de résistance thermique est la résistance qui donne lieu à une variation de température de 1 C pour une dissipation de puissance de 1 W. R = t - t j th Pd en C/W Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 1/10 th amb max

2 Dans un dispositif électronique, il y a intérêt à ce que les résistances thermiques, soient aussi faible que possible. 3.1 Définition On définira par: * Tj = température de jonction * Tfb = température de fond de boîtier ou t case = température du boîtier * Tr = température du radiateur * Tamb = température ambiante * Rth = résistance thermique totale *Rth j-fb = résistance thermique entre la jonction et le fond de boîtier *Rth fb-r = résistance thermique entre le fond de boîtier et le radiateur *Rth r-amb = Résistance thermique entre le radiateur et l air ambiant *Rth fb-amb Résistance thermique entre le fond de boîtier et l air ambiant sans radiateur 3.2 Chaîne thermique On détermine en fonction de la puissance à évacuer en fonction de la température de jonction et de la température ambiante Rth. D après la chaîne thermique d évacuation de la température on trouve que: Rth = Rth j-jb + Rth fb-r + Rth r-amb On choisit un radiateur qui correspond à la condition suivante Rth r-amb < Rth - Rth j-fb - Rth fb-r 4. Méthode de résolution 4.1 Recherche des caractéristiques du composant à refroidir - Courant et tension à l état passant. - Tj : température de la jonction. - Rth j-fb certain constructeur l appelle Rth j-c. - Rth j-a (résistance thermique sans dissipateur). - Rth fb-r en général 0.5 C/W. Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 2/10

3 4.2 Calcul de la puissance à dissiper Exemple: * Pour un thyristor Pd = Vtm * I0 Vtm tension efficace aux bornes du thyristor à l état passant I0 Courant efficace qui le traverse * Pour une diode Pd = Vfm* I0 4.3 Calcul de la résistance thermique totale Rth 4.4 Calcul de la résistance thermique du radiateur Rth r-amb 4.5 Choisir dans les abaques constructeurs le radiateur Ce radiateur doit avoir un Rth r-amb < à celui calculé 5. Exemples 5.1 Alimentation stabilisée Soit le montage suivant On prend une température ambiante de 25 C 5.11 Régulateur de type TO220 Boîtier plastique Le constructeur donne pour le régulateur (Memotech page 234 et 250) Température de jonction maxi : 150 C Rth j-case Résistance thermique jonction boîtier TO220 max 3 /W Rth j-amb Résistance thermique jonction air ambiant Boîtier TO220 max 50 /W Choix du radiateur a) Calcul de la puissance dissipée par le régulateur: U tension aux bornes du régulateur I courant qui le traverse Pd = U x I Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 3/10

4 On suppose que la tension, en entrée du régulateur, est parfaitement filtrée ( 12 2 ), la tension de sortie du régulateur est constante 5V, le courant qui le traverse est égal au courant nominal 1A Pd = (16.9-5) * 1 = 12 W b) calcul de Rth Rth = /12 = 10.5 C/W c) Calcul de Rth r-amb Rth rad-amb = Rth - Rth j-case - Rth fb-r Rth rad-amb = = 7 C/W d) Choix du radiateur On choisit le radiateur en fonction du type de boîtier ici un type TO220, soit un radiateur de type WA 203, avec une longueur de 37.5 mm ( Memotech page 536), de manière à limiter l encombrement. On peut également choisir un radiateur adapté au boîtier chez un fabricant ( type K18/2 chez HBN avec des dimensions similaires). e) Calcul du courant maxi sans radiateur Rth = 50 C/W P= / 50 = 2.5 W Imax = 2.5 / ( ) = 0.2 A, le régulateur dans ce cas ne peut débiter que 0.2 A si on n utilise pas de radiateur Régulateur de type TO3 Boîtier métallique. Le constructeur donne pour le régulateur (Memotech page 234 et 250) Température de jonction maxi : 150 C Rth j-case Résistance thermique jonction boîtier TO3 max 4 C/W Rth j-amb Résistance thermique jonction air ambiant Boîtier TO3 max 35 C/W Choix du radiateur a) Calcul de la puissance dissipée par le régulateur: Pd=( ) * 1 = 12 W b) calcul de Rth Rth = (150-25)/12 = 10.5 C/W c) Calcul de Rth rad-amb Rth rad-amb = Rth - rth j-case - Rth fb-r Rth rad-amb = = 6 C/W Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 4/10

5 d) Choix du radiateur Pour un type TO3 on dispose de radiateur du type WA131 avec une longueur de 37.5 mm e) Calcul du courant maxi sans radiateur Rth max = 35 C/W P= / 35 = 3.6 W Imax = 3.6 / ( 12 v2-5 ) = 0.3 A, le régulateur dans ce cas ne peut débiter que 0.3 A si on n utilise pas de radiateur. 5.2 Transistor en commutation Soit le montage suivant T: 2N3055 VCE max 100V Tj = 200 C Pmax 117 W IC max 15 A Rth j-amb 35 C/W Rth j-fb 2 C/W VCE sat = 1.5 V Ic = 3A On prend VCE sat = 1.5 V et Ic = 3A Rth = (200-25) / (1.5 * 3 )=38.8 C/W Comme le constructeur donne une résistance thermique jonction air ambiant de 35 C/W et que cette résistance est inférieure à la résistance thermique calculée en fonction de la puissance à dissipée, il n y a pas besoin de radiateur. 6. Exemple d application Alimentation de l induit d un moteur à courant continu P = 7 KW, U=220V, n = 0.9, à partir d un réseau 220 V monophasé 50 Hz, protection par disjoncteur. Il n y a pas besoin de condensateur pour lisser la tension, car sa valeur serait trop grande et son effet serait négligeable, mais le moteur est monté avec une inductance de lissage pour obtenir une ondulation de courant pratiquement négligeable. 6.1 Choix du montage On choisit un montage petite puissance ( pont de Graetz monophasé) 6.2 Choix des diodes Voir tableau page 6 VD = 220 V et ID = 35 A Courant moyen redressé par diode 0.5 ID = 17.5 A Tension de crête inverse Vrrm = 1.57 x VD Vrrm = 345.4V Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 5/10

6 Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 6/10

7 a) détermination des diodes Etude des systèmes techniques Il nous faut quatre diodes pouvant supporter 17.5 A avec une tension inverse de crête de 345, 4 A, soit des diodes 1N1196 ( deux à anodes communes, et deux à cathodes communes, pour les fixées sur deux radiateurs séparés) b) Caractéristiques des diodes Courant de crête non répétitif 10 ms 450 A Contrainte thermique I²t = 1000 A²s 6.3 Choix du transformateur Voir page suivante On désire une tension moyenne de 220 V - Tension efficace en sortie de transformateur : V V0 = 1.11 V d = 1.11 x 220 = V - Chute de tension aux bornes des diodes ramenée coté alternatif : U = 2.4 V - Tension nominale du secondaire du transformateur : U = = V 2n - Puissance apparente du transformateur S pt = 1.23 Id Ud = 1.23 x 220x 35 = V A Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 7/10

8 Transformateur Protégé type TMP Caractéristique du transformateur U1: U2: f: S: Type : Protection primaire I1 = S/U1= 10000/220 = 45 A - 1 Fusible AM 50 A sur la phase - Un bouchon de neutre sur le neutre 6.4 Protection du moteur Courant moyen dans la charge 35 A La charge est supposée constante, et il n y a pas d ondulation de courant. Les faibles surcharges seront éliminées par un relais thermique Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 8/10

9 6.5 Protection du pont et du moteur Deux modes de protection peuvent être envisagés: * En plaçant un fusible su chaque phase. * En plaçant un fusible en série avec chaque diode. a) fusible sur chaque phase : Sur chaque phase on trouve, en sortie du transformateur, un courant carré de valeur moyenne nulle et une valeur efficace de 35 A Î = 35 A = Ieff Le calibre normalisé immédiatement supérieur est de 40 A soit un fusible du type CP URGA b) Fusible en série avec chaque diode La valeur efficace du courant devient 35/ =25 A Î = 35 A, Imoy = 17.5 A, Ieff = 25 A Le calibre normalisé immédiatement supérieur est de 32 A soit 4 fusibles CP URGA Calcul des radiateurs On prend une température ambiante de 30 C par mesure de sécurité. Puissance à dissipée par diode VFM = 1.5 V I0= 20 A d où Pd/diode = 1.5 * 20 = 30 W Détermination de la résistance thermique Rth = (175-30)/30 = 4.83 C On trouve dans la documentation constructeur : Rth j-fb = 1.3 C/W ( boîtier DO5) Rth jb-r = 0.3 /W Rth jb-amb = 30 C/W Il faut utiliser un radiateur car Rth < Rth j-amb pour un boîtier DO5 Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 9/10

10 Rth r-amb = Rth - Rth j-fb - Rth fb-r = = 3.2 C/ W Si on monte deux diodes par radiateur ( anode commune sur un radiateur et cathode commune sur un autre ). On prend Rth r-amb = 3.2/2 = 1.6 C/W a) radiateur spécifique pour les boîtiers DO5 Pour ce type de boîtier on peut prendre un refroidisseur de type P80 ( 0.70 C/W en convection naturelle ) Il faut isoler les radiateurs du boîtier. b) Radiateur classique Certain distributeur donne une deuxième méthode pour déterminer la longueur des radiateurs en fonction de la différence de température et de la puissance à dissipée. Calcul de la différence de température Dt = (tc - tamb) tc = tj - Rth j-fb * Pd Ici Dt = ( * 30) - 30 = 106 C On prend dans la documentation le radiateur immédiatement inférieur à Dt On peut choisir ici sur l abaque un rail de type KS pour une diode donc un rail KM Pour les deux diodes. Il faut isoler les radiateurs du boîtier. En résumé il faut, pour réaliser un tel redresseur: - Un transformateur TMN /246.5 V - Un fusible AM 50 + une barrette de neutre - Deux diodes 1N1196 A - Deux diodes 1N1196 A, R - Deux fusibles CP URGA Deux radiateurs KS Lycée Polyvalent Jean Monnet EST STI GE Page 10/10

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