DISSIPATION THERMIQUE

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1 DISSIPATION THERMIQUE A). Présentation : Il arrive fréquemment en électronique, que les composants actifs chauffent énormément, ceci pouvant entraîner leur destruction. La solution a ce problème est de les doter d un dissipateur thermique (ou radiateur). Dans un transistor, l élément chauffant est la jonction Emetteur-Collecteur du transistor (P=Vce.Ic). Et pour arriver jusqu à l air ambiant, la puissance dissipée par effet Joule peut prendre 2 trajets si l on a un refroidisseur. Un trajet 1 : qui correspond à la dissipation thermique sans radiateur, qui existe toujours. Un trajet 2 : qui correspond à la dissipation thermique avec radiateur. En général, quand on fixe le boîtier sur un radiateur, la résistance thermique 2 est très inférieure à la résistance thermique 1, et comme il s agit de résistances en parallèles, on ne tient compte que de la plus petite des 2, ceci dans le but de simplifier les calculs, soit (RthJB+RthBR+RthRA). Remarque : On peut faire l association du circuit thermique avec un circuit électrique. Dans la relation fondamentale, on peut assimiler : : à une différence de potentiel, P : au courant, Rth : à l association de résistances. Donc le problème revient à résoudre celui d un générateur de tension débitant dans des résistances. Thermique 1 JFA07

2 B). Relation thermique : La seule relation que nous utiliserons est : P Rth Avec : : Différence de température entre les deux points considérés. P : Puissance qui traverse la chaîne. Rth : Somme des résistances thermiques entre les deux points considérés. C). Types de dissipateurs : Radiateur pour boitier TO5 (transistor 2N2219 par exemple), modèle ML61, Rth = 55 C/W Radiateur pour boitier TO5 (transistor 2N2219 par exemple), modèle CO180, Rth = 28 C/W. Au vu de la résistance thermique de ce radiateur, on voit tout de suite que le refroidissement sera meilleur qu'avec le ML61, présenté juste avant. Radiateur pour boitier T0220 (triac type TIC226 ou régulateur de tension type LM7805 par exemple), modèle ML26, Rth = 15 C/W. Modèle assez typique et très utilisé. Radiateur pour boitier T0220 (triac type TIC226 ou régulateur de tension type LM7805 par exemple), modèle ML24, Rth = 17 C/W. Modèle assez typique et très utilisé. Thermique 2 JFA07

3 Radiateur pour boitier TO3 (2N3055 par exemple), modèle ML25 simple, Rth = 2,4 C/W Radiateur pour deux boitier TO3 (2N3055 par exemple), modèle ML25 double, Rth = 2,4 C/W D). Isolants : Le mica est parfois utilisé pour isoler la semelle du composant du radiateur, dans le cas par exemple où plusieurs composants à refroidir se partagent le même radiateur, et que les semelles de ces composants doivent être isolées entre elles (la semelle metallique d'un transistor ou d'un triac peut être reliée à l'une des électrode du composant). Excellent pour l'isolation électrique, le mica se présente cependant comme un sérieux frein au transfert thermique. Il faut éviter au maximum l'emploi de rondelle ou plaquette mica pour limiter les pertes de transfert thermique. Pour cette raison, il est préférable d'utiliser des composants dont la semelle métallique est entièrement isolée ; ou de mettre en place plusieurs radiateurs isolés entre eux, si les composants avec semelle isolée ne sont pas disponibles. Si vraiment l'emploi d'un seul radiateur est impératif et que la semelle des composants utilisés n'est pas isolée, il faudra prévoir une surface de refroidissement supérieure pour compenser les pertes liées à la présence du mica. Et pensez à ajouter de la graisse thermique sur les deux faces de l'isolant en mica, pour améliorer un peu les choses. Ah, un détail : si vous voulez utiliser un isolant en mica, pensez aussi à utiliser un canon isolant pour les vis de fixation, ou utilisez des vis en nylon... Pochette contenant : mica, canons, vis Ø 3 mm, etc. Thermique 3 JFA07

4 Pochette contenant : mica, canons, vis Ø 3 mm, etc. Pochette contenant : mica, canons, vis Ø 3 mm, etc. E). Compound, Graisse thermique au silicone : La graisse thermique, aux silicones ou à l'argent, permet d'améliorer considérablement le transfert thermique entre le composant et son radiateur. Les surfaces à mettre en regard (composant qui chauffe et radiateur) ne sont en effet jamais parfaitement planes et parfois même plutôt rugueuses, et il subsiste en divers endroits, des petites zones d'air lorsqu'on assemble les deux pièces. Or, l'air est un frein à l'échange thermique. L'usage d'un peu de graisse entre les deux pièces permet d'augmenter la surface d'échange effective, et est très fortement recommandé pour les transistors de puissance ou pour les circuits intégrés pouvant dissiper beaucoup de chaleur (amplis BF intégrés, microprocesseurs d'ordinateurs récents). Il est important de noter que d'en mettre trop peut être néfaste à l'échange thermique, il faut mettre la juste dose (on peut utiliser une épingle mise à plat ou le bord d'une carte téléphonique pour étaler la pate en une mince couche). Graisse spéciale en seringue pour améliorer la dissipation thermique des transistors de puissance Enduire le mica d isolation des 2 côtés avec modération. Graisse spéciale en tube pour améliorer la dissipation thermique des transistors de puissance Enduire le mica d isolation des 2 côtés avec modération. Thermique 4 JFA07

5 Existe aussi en aérosol F). Joints silicones KERATHERM : Il existe aussi des joints silicone souples, isolants d'un point de vue électrique mais conducteurs d'un point de vue thermique. Ce type de joint se veut plus pratique et moins "sale" que la graisse silicone, et moins fragile que le mica. La photo ci-dessous montre un exemple de tels joints, spécialement adaptés aux boitiers de type TO3. Système professionnel qui remplace avantageusement les micas et surtout la graisse thermique si pénible d emploi Isolant souple à base de céramique et de silicone, offrant une conductibilité thermique et une rigidité diélectrique exceptionnelles, répondant aux normes VDE 0303/II. Non toxique. Tension de claquage : 4 kv e = 0,4 mm Rth : 0,33 C/W Couleur : blanc Système professionnel qui remplace avantageusement les micas et surtout la graisse thermique si pénible d emploi Isolant souple à base de céramique et de silicone, offrant une conductibilité thermique et une rigidité diélectrique exceptionnelles, répondant aux normes VDE 0303/II. Non toxique. Tension de claquage : 4 kv e = 0,4 mm Rth : 0,33 C/W Couleur : blanc Thermique 5 JFA07

6 Système professionnel qui remplace avantageusement les micas et surtout la graisse thermique si pénible d emploi Isolant souple à base de céramique et de silicone, offrant une conductibilité thermique et une rigidité diélectrique exceptionnelles, répondant aux normes VDE 0303/II. Non toxique. Tension de claquage : 4 kv e = 0,4 mm Rth : 0,33 C/W Couleur : blanc G). Montage : H). Exemple : Pour un transistor de puissance BDY 38, le constructeur nous définit une température maximum de jonction de 150 C, ainsi que les valeurs de résistances thermiques suivantes : Rth JA = 40 C/W ; c est la résistance thermique totale entre la jonction et l air ambiant sans radiateur. Rth JB = 1,5 C/W ; c est la résistance thermique entre la jonction et le boîtier Rth BR = de 0,5 C/W à 1,5 C/W ; c est la résistance thermique de contact entre le boîtier et le radiateur. Elle est de : 0,5 C/W avec de la graisse au silicone sans isolant. 0,75 C/W avec un isolant au mica. 1 C/W avec un isolant et de la graisse au silicone. Thermique 6 JFA07

7 I). Application : Remarque : 1 ). La température ambiante étant de 25 C, calculer la puissance maximum que peut supporter ce transistor (BDY 38) sans radiateur. J A P Rth JA ,125 W 40 2 ). Le transistor devra dissiper 30 W, il sera monté sur un dissipateur CO 358P. On interposera entre ces 2 éléments une rondelle de mica et des canons isolants (électriquement). Quelle doit être la longueur du radiateur. Rth RA J A P Rth JB Rth BR ,5 0, 75 1,91 C / W 30 La longueur devra être au minimum de 80 mm. 3 ). Le fabricant nous indique que la puissance totale (maximum) dissipée par ce type de transistor est de 115 W. Quelles solutions préconisez-vous pour atteindre ces performances? Rth RA J A P Rth JB Rth BR ,5 0,5 0,913 C / W 115 C est impossible à réaliser si ce transistor dissipe continûment 115 W, il faudrait néanmoins que l air puisse circuler librement sur ces aillettes. Il sera monté de manière à ce qu elles soient verticales, afin qu il n y ait pas d accumulation d air chaud. On s efforcera de ne pas placer le radiateur dans un boîtier fermé, où l air circule mal, voire pas du tout, ce qui diminue considérablement les performances des dissipateurs. Thermique 7 JFA07

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