Loi d'ohm thermique et les dissipateurs

Introduction

Ce cours a pour but de vous informer sur le refroidissement des semi-conducteurs. Il va vous apprendre la loi d'ohm thermique et comment choisir un dissipateur pour vos applications qui en ont besoin.


Présentation et principe 

Dans nos montages électroniques, quand on fait passer un courant dans un composant, il produit de la chaleur par effet Joule.

A faible courant cette chaleur n'est pas perceptible. Par contre, dans des composants ou il passe plusieurs ampères (comme les régulateurs de tension, les transistors utilisés dans les amplificateurs de puissance, les microprocesseurs en pleine action, etc...) ceux-ci dégage une chaleur beaucoup plus grande et perceptible.

Souvent les boîtiers utilisés suffisent à évacuer cette chaleur. Mais parfois, le boîtier ne suffit plus et le composant se détruit.

Dans ce cas, il est donc utile d'aider le composant à évacuer cette chaleur en utilisant un dissipateur (on appelle cela dissipateur, radiateur ou refroidisseur mais je préfère le terme dissipateur...).

Exemple : Les radiateurs et ventilateurs sur les processeurs des ordinateurs permettent de dissiper la chaleur émise...

Un dissipateur fonctionne de la manière suivante : il augmente la surface du composant avec l'air ambiante ce qui améliore l'évacuation de la chaleur. Il doit donc y avoir un contact parfait entre le dissipateur et le composant pour qu'il réalise efficacement son rôle.


Prochain chapitre : Loi d'ohm thermique
4Aklisme

Présentation et principe

Avant toute chose je vais définir ce qu'est une résistance thermique.
Quand un composant chauffe, son cœur est toujours plus chaud que sa surface, car il existe un phénomène de ''résistance thermique'' qui fait que cette chaleur ne se propage pas instantanément. La résistance thermique s'exprime en °C/W (degrés Celsius par watt).
Donc plus la valeur de la résistance thermique est grande, moins la chaleur sera dissipée (C'est comme les résistances, plus la valeur est grande moins elle laisse passer de courant).

Voici la loi d'ohm thermique :




RthAB = Résistance thermique entre le point A et B.
TA = température au point A.
TB = température au point B.
P = puissance dissipée.

On a appelé cette loi la loi ''d'ohm thermique'' car on peut faire l'analogie avec la loi d'ohm : serait l'intensité, la tension au bornes de la résistance et la résistance.

Pour ceux qui se demandent comment se servir de cette loi d'ohm thermique, ne vous inquiéter pas, le chapitre IV illustre cette loi dans un exemple...


On peut associer des ''résistances thermiques'' de la même manière que les résistances. En série on les ajoute.

Exemple :
Imaginons que je veuille associer la résistance thermique d'un composant avec la résistance thermique du dissipateur pour connaitre la résistance thermique totale :




Les dissipateurs.

Les dissipateurs

Chaque composant utilise un boîtier spécifique. Donc à chaque boîtier on va trouver un dissipateur qui lui correspond.

Voici quelques exemples de boîtiers et de dissipateurs que l'on peut rencontrer :

Boitier TO3 :



Boitier TO18 :



Boitier TO220 :



Il existe en faite de nombreux dissipateurs, plus ou moins encombrants et à des prix différents.
Chaque dissipateur a une valeur de résistance thermique qui lui est propre.

Voici un extrait d'un catalogue :


On trouve donc la résistance thermique de ce dissipateur (qui est de 10°C/W), ainsi que ses dimensions, sa forme et son prix.

Quand on voudra choisir un dissipateur il faudra prendre en compte sa résistance thermique ainsi que l'encombrement qu'il aura sur notre circuit imprimé.
 
Certain on peut être déjà vu des plaques de cuivre ou d'aluminium fixées sur des composants dans des montages perso. Ces plaques sont aussi des dissipateurs, mais faits maison ! Cette technique est à utiliser s'il faut dissiper une faible puissance thermique et si on est sûr que cette solution suffise.

Application de la loi d'ohm thermique

Je vais prendre comme exemple une alimentation stabilisée dans laquelle j'utilise un régulateur de tension de type 7805.

Pour plus d'informations sur les régulateurs, lisez le tuto suivant : Les régulateurs de tension


Voici quelques caractéristiques tirées de la documentation constructeur du régulateur 7805 qui nous sont utiles pour la suite : (Doc au format .PDF)
( Doc technique du 7805 )

Boitier TO 220 (boitier utilisé pour le modèle 7805)
TjMax = 125 °C (température max du cœur sans qu'il y ait destruction du composant).
RthJC = 5 °C/W (résistance thermique entre le cœur et le boîtier).
RthJA = 65 °C/W (résistance thermique entre le cœur et l'air ambiant).

Voici les conditions que je me fixe pour l'utilisation de mon régulateur :

Il doit être capable de me fournir 500mA max à 5V avec une tension max d'entrée de 12V. Donc la puissance max dissipée par le régulateur sera de : P = (12-5)*0,5 = 3.5W.
Par mesure de sécurité Tj ne devra pas dépasser 110°C. (Tjmax étant de 125 °C/W)
Le régulateur sera utilisé à une température ambiante max de 40°C.


1 – Me faut-il un dissipateur ?

Pour savoir si notre régulateur a besoin d'un dissipateur, nous allons nous servir de la loi d'ohm thermique pour calculer la température du cœur avec les conditions d'utilisations, pour voir si elle dépasse la valeur Tj max du constructeur.

Voici le schéma thermique :


RthJA = résistance thermique du 7805.
Tj = température du cœur.
Ta = température ambiante.
P = puissance dissipée par le 7805.

Calcul :


Donc

Tj dépasse Tjmax donner par le constructeur. A cette température il y aura destruction du composant.
On doit donc installer un dissipateur.


2 – Comment choisir mon dissipateur ?

Maintenant que je sais qu'il me faut un dissipateur, on va calculer la résistance thermique que celui-ci devra avoir.

Voici mon nouveau schéma thermique une fois le dissipateur monter :


RthJC = résistance thermique entre le cœur et le boitier du composant.
RthR = résistance thermique du dissipateur.
Tj = température du cœur du composant.
Ta = température ambiante.
P = puissance dissipée par le composant.

Je peux déjà écrire la résistance équivalente pour simplifier mes calculs :


J'utilise la loi d'ohm thermique pour déduire RthEq :




Donc .

Mon dissipateur devra donc avoir une résistance thermique max de 15°C/W.

Donc quand j'irai acheter un dissipateur j'en choisirai un pour boitier TO220 avec une résistance thermique inférieure à 15 °C/W.

Ce type de dissipateur serait adéquate (celui pris en exemple dans le chapitre III) :

 
Certains seraient tentés de prendre un dissipateur supérieur à 15 °C/W, mais il faut prendre inférieur car plus la résistance thermique est faible, plus la chaleur dissipée est grande (et donc on refroidit mieux). C'est comme le principe d'une résistance, plus sa valeur est petite plus le courant est grand...