Calcolo Termico e Dissipatori: Temperatura di Giunzione, Piastre e Impulsi
Dalla potenza dissipata alla temperatura di giunzione: catena termica, scelta del dissipatore, telaio come aletta, contenitore chiuso e impulsi.
Il calcolo termico è una catena di resistenze in serie, e come tutte le catene si rompe nel punto che nessuno guarda. La giunzione e il contenitore li dichiara il costruttore, il dissipatore lo dichiara il catalogo, e in mezzo c’è l’isolante — che spesso pesa quanto il dissipatore. Fuori dalla catena ci sono poi tre cose che il datasheet non sa: come è orientato il pezzo, se sta chiuso dentro una scatola, e se la potenza è continua o a impulsi.
Questo tool le mette tutte insieme. Regge più componenti sullo stesso dissipatore, calcola una piastra o un telaio piegato in casa partendo dalle sue dimensioni vere, aggiunge il salto fra aria interna e aria esterna quando c’è un contenitore, e per gli impulsi usa la rete termica del datasheet.
I componenti
Un componente per riga: la potenza che deve smaltire, la resistenza giunzione-contenitore del suo package, l’isolante con cui è montato e quanti pezzi identici ci sono. Le righe che lasci a zero vengono ignorate.
| componente | P (W) | Rth j-c (K/W) | Tj max (°C) | isolante | n° |
|---|---|---|---|---|---|
Perché più componenti sullo stesso dissipatore non è come sommarli
Il dissipatore vede la somma delle potenze e si porta a una sola temperatura, ma ogni componente sale ancora sopra quella, ciascuno per conto suo, attraverso il proprio isolante e la propria giunzione. Chi dissipa di più, o è montato peggio, arriva più in alto: due pezzi identici sulla stessa aletta sono alla stessa temperatura, un regolatore e un finale di potenza no.
Ne discende la regola pratica: sul dissipatore comune conviene mettere insieme i componenti che dissipano poco, e riservare l’aletta dedicata a quello che dissipa tanto. Il contrario — un pezzo caldissimo che scalda il dissipatore di tutti — sposta il limite su chi non c’entra niente.
Il dissipatore
Dimensioni della piastra o del telaio, usate solo in modalità calcolata. La lunghezza è quella verticale se il pezzo sta in piedi.
L’anodizzazione nera non è un vezzo
In convezione naturale l’irraggiamento vale quanto la convezione, a volte di più: nei conti di questa pagina i due coefficienti si somigliano. Ma l’irraggiamento è proporzionale all’emissività della superficie, e l’alluminio lucido ha un’emissività intorno a nove centesimi contro gli oltre otto decimi di una superficie anodizzata nera o verniciata.
Tradotto: lo stesso pezzo, lasciato grezzo, perde più della metà della sua capacità di irraggiare, e la resistenza termica peggiora di parecchie decine di per cento. In aria forzata la cosa conta molto meno, perché lì la convezione domina. E il colore visibile non c’entra: nell’infrarosso una vernice bianca si comporta come una nera.
Ambiente e contenitore
Se il dissipatore sta dentro una scatola chiusa, l’aria che lo raffredda non è quella della stanza: è quella interna, che sta più in alto. Il salto in più lo fa il contenitore stesso con la sua superficie esterna, e va messo in conto.
Le temperature
La catena delle temperature, dall’aria alla giunzione più calda. Ogni gradino è una resistenza termica: si vede subito quale pesa.
Quanto dissipatore serve
Temperatura di giunzione di ogni componente al variare della resistenza termica del dissipatore, con il limite di ciascuno e il punto in cui ti trovi.
Se il dissipatore te lo fai tu
Una piastra di alluminio piegata, il fondello del contenitore o il pannello posteriore funzionano bene, purché siano abbastanza spessi da portare il calore fino ai bordi. Sotto un certo spessore la parte lontana dal punto di montaggio resta fredda e non serve a niente.
Resistenza termica della piastra al crescere della sua altezza, per tre spessori. Dove le curve si separano, lo spessore ha smesso di bastare.
Potenza a impulsi
Se la potenza non è continua, la giunzione non fa in tempo a salire fino al valore di regime: conta l’impedenza termica, che parte da zero e cresce fino alla resistenza termica statica. I costruttori la pubblicano come curva, e sempre più spesso anche come tabella di quattro coppie resistenza-tempo, che è la forma con cui si calcola.
Rete di Foster: quattro coppie resistenza e costante di tempo, come le pubblica il datasheet.
Impedenza termica in funzione della durata dell’impulso, a impulso singolo e per alcuni cicli di lavoro. In alto la curva si appiattisce sulla resistenza statica: da lì in poi è come se la potenza fosse continua.
Il montaggio
Le cose che rovinano un calcolo giusto
- La pasta termica è un velo, non uno strato: riempie le asperità fra due superfici che si toccano. Se ne vedi uscire una corona quando stringi, ce n’è troppa, e la sua conducibilità è dieci volte peggiore di quella del metallo che ha allontanato.
- Una superficie di appoggio non piana vale più di qualunque isolante scelto bene. Un profilato tagliato con la sega ha bave sui bordi dei fori: vanno tolte prima di montare.
- Il serraggio conta. Una vite lasciata lenta raddoppia la resistenza di contatto; una stretta troppo deforma il contenitore di plastica del TO-220 e stacca il die dal suo appoggio.
- Alette in verticale, sempre, e con la scanalatura aperta in alto e in basso. Un profilato coricato perde circa un terzo, e uno con le alette contro un pannello a due centimetri non è più un profilato: è una piastra.
- Se il contenitore è chiuso e il dissipatore è dentro, il dissipatore migliore non risolve niente: il collo di bottiglia è la scatola. Meglio portare il dissipatore fuori, o farlo diventare il pannello posteriore.