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La capacità termica

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Con il concetto di "capacità termica" si descrive la caratteristica di un oggetto di accumulare calore, cioè di assorbire per un tempo breve un calore elevato senza aumentare di molto la sua temperatura. La cosa è facile da riscontrare in comuni esperienze: per riscaldare un oggetto occorre fornire energia per un tempo abbastanza lungo e togliendo la fonte di calore rimane caldo per un tempo significativo.

In pratica, a ciascun oggetto che costituisce il sistema termico descritto nella pagina precedente si associa una "costante di tempo" (millisecondi per il silicio, secondi per il case, minuti per il dissipatore): solo se l'applicazione della potenza termica supera questo tempo, l'oggetto si riscalda in modo significativo e quindi espelle il calore assorbito. Altrimenti si può ritenere l'aumento di temperatura trascurabile o comunque ridotto secondo opportuni coefficienti.

Per esempio, se il dispositivo emette potenza solo per un secondo, il dissipatore è spesso inutile in quanto l'aumento di temperatura del case è trascurabile e quindi il dissipatore si trova tra due corpi praticamente alla stessa temperatura e quindi non è in grado di spostare calore.

Per descrivere in modo abbastanza rigoroso questo comportamento, pur restando ancora in un ambito a parametri concentrati e mono-dimensionale, si ricorre ancora al modello elettrico precedentemente introdotto aggiungendo una capacità per ciascun elemento presente nel circuito equivalente. Due sono le strade possibili:

In genere il dato numerico sulla capacità termica non è disponibile e quindi questo concetto risulta poco utile nell'attività pratica. Personalmente l'ho usato solo per stime "qualitative", non avendo praticamente mai trovato i valori numerici da utilizzare.

Più utile nelle applicazioni concrete il caso in cui il costruttore fornisce un grafico che, in funzione delle modalità di funzionamento del semiconduttore, dà un numero, sempre minore di 1, per cui moltiplicare la Rth "normale" per ottenere un comportamento simile alla realtà.

Grafico dell'impedenza termica

L'esempio riportato è riferito ad un transistor di potenza previsto per il funzionamento On/Off: nell'ipotesi di avere un tempo di ON pari ad 1ms ed un duty cycle del 10% (parametri individuabili sul grafico, rispettivamente sull'asse delle ascisse e come parametro della terza curva partendo dall'alto), posso utilizzare un dissipatore con una resistenza termica pari a circa 0.2 volte quella nominale calcolata usando le formule della pagina precedente: questa costante va letta sull'asse verticale e produce un notevole risparmio su costi e dimensioni del dissipatore.

Il "ciclaggio termico"

Quando un dispositivo elettronico è sottoposto a cicli di riscaldamento/raffreddamento abbastanza lenti (secondi o decine di secondi) è possibile che lo stress meccanico associato alla dilatazione termica dei diversi materiali che lo compongono crei con il tempo microfratture nella struttura cristallina del silicio o addirittura il distacco del silicio dal case metallico, con effetti facilmente immaginabili. Questo fenomeno è descritto in letteratura con il brutto termine di ciclaggio termico.

Dispositivi che subiscono simili stress (tipicamente transistor e TRIAC usati in controllo ON/OFF) dovrebbero essere accuratamente selezionati e la Tj(max) mantenuta a livelli più bassi del normale (per esempio Motorola in una sua nota applicativa consiglia 100°C invece dei canonici 130°C).

Purtroppo praticamente nessun produttore fornisce dati numerici sull'affidabilità a lungo termine relativamente a questo aspetto, perlomeno tra quanto pubblicato sui fogli tecnici.

I dissipatori di calore: un tutorial


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