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Migliorare il raffreddamento: i dissipatori

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Quando le potenze da dissipare superano il watt è necessario effettuare l'analisi termica del circuito realizzato.

Montaggio senza dissipatore

Non sempre è richiesto l'utilizzo di un dissipatore.

Per esempio voglio utilizzare un integrato in contenitore TO220, caso frequente per i dispositivi di potenza, nelle seguenti condizioni:

Tj = 2W * 50°C/W + 40°C = 140 °C < 150°C

E quindi il sistema è correttamente dimensionato anche senza dissipatore

Spesso è inoltre possibile, soprattutto nel caso di circuiti integrati con molti pin, usare una porzione della superficie in rame del circuito stampato per smaltire il calore, sfruttando la buona conducibilità termica dei piedini metallici del dispositivo. A volte i grafici con indicate le superfici da dedicare a questo scopo sono forniti dal costruttore.

I dissipatori

Un dissipatore è una massa metallica destinata a smaltire il calore generato da un semiconduttore. Per favorire la massima dispersione di calore i dissipatori

Il parametro principale è la Rth ed in genere è anche l'unico noto. La resistenza termica è corretta solo se il dissipatore è montato come prescritto dal produttore in quanto, soprattutto quelli per potenze più elevate, sfruttano le correnti d'aria causate dal riscaldamento stesso per migliorare il trasferimento termico.

In genere la Rth è inversamente proporzionale al peso, al volume e, soprattutto, alla superficie delle alette ed al disegno delle stesse; è ovviamente necessario consultare i cataloghi, almeno per trovare un modello simile a quello che si intende usare. Valori normali di resistenza termica sono compresi tra gli 0.5°C/W e la decina di °C/W.

Fotografia di tre dissipatori estrusi in alluminio

Nelle tre fotografie sono accostati, senza rispettare la scala, un piccolo dissipatore per transistor in contenitore TO220, un grosso dissipatore tipicamente usato per moduli ad alta dissipazione ed uno usato per processori di modesta potenza. Si noti la finitura di color nero e, nei primi due, la presenza di fori o scanalature per il fissaggio dei componenti tramite viti (con il terzo tipo sono usati collanti o clips).

Nell'effettuare il montaggio meccanico del dissipatore occorre seguire, se possibile, le indicazioni del costruttore; anche la pressione da esercitare tra dissipatore e semiconduttore è importante: se eccessiva causa infatti deformazioni e stress al dispositivo, se scarsa impedisce una buona conducibilità termica.

Normalmente tra il componente ed il dissipatore è spalmato un materiale biancastro simile al grasso detto impropriamente pasta siliconica(in inglese silicon grease oppure, più correttamente, thermal compound): si tratta di un conduttore di calore a base di ossidi metallici, zinco in particolare, destinato a favorire il massimo trasferimento termico in quanto elimina l'aria presente tra il dissipatore ed il circuito integrato.

Questa pasta va usata con molta parsimonia perché da una parte tende a sporcare e dall'altra, se di spessore esessivo, finisce col peggiorare il trasferimento di calore: lo spessore corretto è tale che, premendo con forza componente e dissipatore, non si ha praticamente fuoriuscita di materiale. Praticamente deve solo "ungere" le superfici di contatto.

L'uso corretto del "silicone" su superfici a buona finitura superficiale dimezza circa la Rth(c-h), che passa, per esempio nel caso del TO220, da circa 1°C/W a 0.5°C/W.

Una necessità è spesso ottenere l'isolamento elettrico tra dissipatore e dispositivo a semiconduttore. La soluzione tradizionale prevede l'uso di apposite lamine in mica e di bussole in materiale plastico. Purtroppo questo metodo di montaggio peggiora le caratteristiche termiche; è infatti cosa normale che un isolante elettrico sia anche un isolante termico.

La soluzione è spesso l'uso di dispositivi integrati già isolati, anche se in genere più costosi. Occorre prestare attenzione al fatto che nei dispositivi ad altissime prestazioni l'isolamento è ottenuto con ossido di berillio, ottimo isolante elettrico e buon conduttore termico ma anche sostanza altamente tossica e quindi pericolosa se il contenitore viene aperto.

A volte l'uso dell'isolante in mica e del grasso al silicone è sostituito da materiali solidi di aspetto spugnoso, in genere leggermente peggiori dal punto di vista termico ma decisamente più pratici nel montaggio.

L'efficienza termica del dissipatore può essere di molto aumentata utilizzando un flusso d'aria forzato che lambisce le alettature. La resistenza termica in questi casi scende anche ad un quinto, permettendo di risparmiare sulle dimensioni e sui costi; come contropartita occorre però tener conto di un certo aumento di rumorosità (penso che tutti una volta o l'altra sono stati irritati dal rumore della ventola del PC) e del rischio di guasti alla ventola, soprattutto quando è di bassa qualità o viene usata in ambienti ostili.

Molti dissipatori sono appositamente progettati per il montaggio diretto di ventole: osservando, per esempio, la conformazione del modello rappresentato al centro nella fotografia più sopra riportata, facilmente si può immaginare la presenza di una ventola che assorbe aria calda o soffia aria fresca nella direzione delle alette. In questo caso il produttore fornisce generalmente un grafico che riporta l'andamento della resistenza termica in funzione del flusso d'aria.

Due precisazioni:

Durante la progettazione elettrica e del circuito stampato, e quindi prima di procedere al progetto termico, è opportuno tenere presenti alcuni punti:

I dissipatori di calore: un tutorial


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