La misura della temperatura

[ I dissipatori di calore: indice ] [ Pagina precedente ] [ Pagina successiva ]

Questo argomento è tutt'altro che banale: non è infatti sufficiente appoggiare un termometro alla superficie del semiconduttore e leggerne il valore. Questo per diversi motivi:

L'unica temperatura davvero utile è quella del silicio, ma non è possibile raggiungere l'interno del circuito integrato con metodi meccanici
E' impossibile seguire rapide variazioni di temperatura a causa delle capacità termiche
Spesso la massa del termometro è comparabile alla massa dell'oggetto da misurare: questo significa che comunque la misura della temperatura introduce una perturbazione della situazione (in pratica il termometro aiuta a raffreddare il circuito)
La sonda usata per misurare la temperatura è necessariamente collegata ad una apparecchiatura di misura che si trova a temperatura ambiente. Questo collegamento è ovviamente fatto con fili elettrici che hanno la proprietà di essere anche buoni conduttori di calore. Questo significa che la temperatura misurata è in realtà intermedia tra quella reale del dispositivo e quella dell'ambiente.

Il problema più grosso è, apparentemente a sorpresa, l'ultimo: per esempio da prove effettuate utilizzando normali cavetti si è rilevato che, nelle migliori ipotesi, il sensore rileva valori prossimi alla media aritmetica tra la temperatura superficiale del semiconduttore e quella dell'ambiente. Se il sensore è saldato al circuito stampato, la grandezza rilevata può addirittura dipendente solo per il 10-20% dalla temperatura che si vorrebbe misurare.

Gli unici risultati abbastanza attendibili sono ottenibili solo con sensori di piccolissime dimensioni (tipicamente termocoppie) utilizzando fili molto sottili e con cattive prestazioni termiche (quindi, per esempio, non in rame) oppure sensori ad infrarosso non a contatto.

Il problema è addirittura peggiore se si misura la temperatura del dissipatore. Ai problemi precedenti si aggiunge infatti il rischio che la misura sia eccessivamente influenzata dalla resistenza termica tra case e dissipatore, tra l'altro il fattore meno controllabile e più a rischio nella vita operativa delle apparecchiature. Per esempio verrebbe rilevata come condizione ottimale dal punto di vista termico quella in cui il dissipatore è staccato dal semiconduttore: il termometro segnerebbe una temperatura bassa quando in realtà la situazione del dispositivo è termicamente catastrofica.

Conoscendo i dettagli del sistema termico si potrebbero in teoria considerare tutti i fattori coinvolti (in particolare le varie resistenze termiche e la temperatura ambiente) ed arrivare ad una stima della temperatura di giunzione, valida però, ovviamente, solo in situazioni nominali.

La soluzione reale al problema prevede l'uso di un sensore di temperatura costruito sullo stesso chip del dispositivo da tenere sotto controllo. Questa soluzione è adottata da molto tempo nei circuiti integrati di potenza e, un po' più recentemente, nei circuiti digitali VLSI (per esempio a partire dai Pentium 3 tutti i processori integrano un diodo il cui unico scopo è misurare la temperatura di giunzione).

La conoscenza precisa della temperatura interna consente una maggiore "rilassatezza" nel dimensionamento termico: i valori forniti dai costruttori sono infatti quelli limite (e questo implica un generale sovradimensionamento del progetto termico) mentre, con conoscenze più precise della temperatura, ci si può avvicinare ai valori massimi.

Inoltre se si presume che le situazioni limite siano raggiunte solo occasionalmente (e non nelle normali situazioni operative), è possibile semplicemente sottodimensionare intenzionalmente il sistema termico e, raggiunta la massima temperatura, procedere allo spegnimento automatico; questa prassi è cosa abbastanza comune per esempio nei circuiti integrati di alimentazione dove questa operazione ed il successivo riavvio sono completamente automatici. Analogamente alcuni processori provvedono a diminuire autonomamente la propria frequenza operativa e la tensione di alimentazione (o addirittura a spegnersi) in caso di surriscaldamento.

I dissipatori di calore: un tutorial

Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, with no Front-Cover Texts and with no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in the section entitled "GNU Free Documentation License".