Dernière mise à jour le 24/10/2015

Calculs Dissipateur thermique (radiateur)


Un radiateur est un dispositif qui permet l’échange de chaleur entre deux milieux. Il a pour fonction, soit d’évacuer la chaleur d’un objet pour éviter sa surchauffe. L’électronique et l’informatique produisent de la chaleur qu’il est nécessaire de dissiper sous peine d’endommager le matériel. Ces domaines utilisent des petits radiateurs appelés dissipateur thermique qui peuvent être couplés à des ventilateurs . Dans ce domaine on parle d’aircooling ou de Refroidissement à air.

Conduction/Convection/rayonnement(radiateur)


Conduction : On parle de conduction quand des matériaux fournissent la chaleur par exemple : le radiateur donne de la chaleur, une plaque de cuisson, puis un transistor ou un régulateur de tension quand il chauffe trop donne de la chaleur. En revanche la conduction est voulu pour un radiateur ou une plaque de cuisson, car nous voulons que celle-ci ou celui-ci fournissent de l’énergie chauffante. En revanche le transistor ou le régulateur de tension lui n’est pas demandé à ce que celui-ci donne une énergie chauffante et c’est la destruction assurée s’il chauffe trop….


Convection : qui dit convection dit convecteur, les radiateurs sont des convecteurs puisqu’ils fournissent de l’air chaud. En été par exemple dans une pièce ou il fait chaud, celui-ci brasse de l’air chaud et renvoie l’air chaud ventilé nous avons ici le principe de convection.


Rayonnement : Pour ne pas le cité, le soleil, celui-ci nous chauffe par rayonnement…

Un peu de théorie


http://www.selectronic.fr (quelques modèles de dissipateurs)
http://www.giacomazzi.fr/electron/radiateur/radiateur.htm
Radiateurs 1
Radiateurs 2
Radiateurs 3

Comment calculer ?
Nous allons voir plusieurs exemples mais avant de s’attaquer essayons de schématiser ce voir un peu comment se comporte la chaleur dans un composant.

radiateur-synoptique-2


Rth(jc)= Résistance thermique jonction-case (jonction boitier) °C/W.

Rth(cp)=Résistance thermique case-patte thermique °C/W.

Rth(pR)=Résistance thermique patte thermique-radiateur °C/W.

Rth(Ra)=Résistance thermique radiateur air ambiant °C/W.

Rth(ja)= Résistance thermique jonction-air ambiant °C/W.

Avec radiateur (ou dissipateur)

Pd=(Tj-Ta)/somme Rth=(Tj-Ta)/(Rth(jc)+Rth(cp)+Rth(pR)+Rth(Ra)

Sans radiateur (ou dissipateur)

Pd=(Tj-Ta)/somme Rth=(Tj-Ta)/Rth(ja)

Remarque: Cette formule est utilisée lorsque le composants n’utilise aucun élément de dissipation, dans ce cas lui-même dissipe la puissance, voir doc technique pour connaître la résistance thermique maxi du composant. Le schéma montre comment se déplace la chaleur dans le composant.

  • La conduction part de Tj pour aller au boitier
  • Du boiter à la graisse thermique si on l’utilise, sinon directement au radiateur
  • Puis du radiateur à l’air ambiant
  • Il est possible que le composant n’utilise pas de radiateur dans ce cas le chemin part de la jonction au boîtier puis du boitier à l’air ambiant.

Une formule et une seul formule à retenir

Pd=(Tj-Ta)/Rth Pd= puissance dissipé (W)

Tj=température jonction (°C) Ta=température ambiante (°C)

Rth= Résistance thermique total (°C/W)

D’autre part: Pd=(Ue-Us)*I (Ue=tension d’entrée et Us= tension de sortie) Cette formule permet aussi de calculer la puissance dissipée du composant.

A savoir: Plus la résistance thermique est forte moins la quantité de chaleur traversant le corps est forte nul besoin de radiateur, et vice versa , plus la résistance thermique est faible et plus la quantité de chaleur traversant le corps est forte, il faudras un radiateur plus volumineux. Lorsque Rth totale (calculé) < Rth ja (doc constructeur), il faut un dissipateur.

Avec ou sans dissipateur


RthJA pour des transistors utilisés sans dissipateur :

  • 200 à 500 °C/W pour boîtiers TO-18 (petit boîtier cylindrique, métallique), et TO-92 (petit boîtier cylindrique, plastique),
  • 100 à 200 °C/W pour TO-39 / TO-5 (boîtier moyen cylindrique, métallique),
  • 85 à 150 °C/W pour TO-126 (boîtier plat, plastique),
  • 60 à 80 °C/W pour TO-220 (boîtier plat, plastique avec une patte cuivrée pour améliorer le transfert de chaleur),
  • 30 à 40 °C/W pour TO-3(boîtier ovale, métallique).


RthJB pour des transistors utilisés avec dissipateur :

  • 175 °C/W pour TO-18,
  • 80 à 90 °C/W pour TO-92,
  • 20 à 30 °C/W pour TO-39,
  • 5 à 6 °C/W pour TO-126,
  • 2 à 4 °C/W pour TO-220,
  • 1 à 2 °C/W pour TO-3.


RthBR pour des transistors en boîtier TO-3 :

  • 0,25 °C/W à sec, sans isolant,
  • 0,15 °C/W sans isolant mais avec graisse de silicone,
  • 0,35 °C/W avec isolant mica et graisse de silicone.


RthRA pour dissipateur typique avec huit ailettes de chaque côté et une longueur de 10 cm :


entre 1 et 1,75 °C/W selon la puissance dissipée, en convection naturelle ; la Rth peut descendre à 0,4 °C/W si l’on utilise une ventilation forcée, selon la vitesse de l’air.


J=jonction / A=air ambiant / B=boitier / R=Radiateur


Différents boitier de semi-conducteurs
Boitier de semi conducteurs
boitier.de.semi-conducterus

Exemple transistor de puissance 2N3055


Prenons un exemple simple: nous utilisons un transistor de puissance type 2N3055 TO-3 le datasheet donne ces éléments :
Tj Max=200°C
Ptot=115W
RthMax(jonction case)=1,5°C/W (on s’arrête au boitier il faudra utiliser un dissipateur de toute maniere pour libérer la chaleur du boitier à l’air ambiant)
La puissance dissipée par le transistor est Pd=Vce*Ic+Vbe*Ib.
D’après le datasheet en mode saturation nous avons deux cas :
saturation


Saturation
Il en résulte, que si nous avons Vbe(sat)=1,5 et Ib=400mA, puis Ic=4A avec Vce(sat)=1,1V => P=(1,1*4)+(1,5*0,4)=5,15W
ou on peut avoir Vbe(sat)=1,5 et Ib=3,3A, puis Ic=10A avec Vce(sat)=3V=> P=(3*10)+(1.5*3,3)=34,95W
La valeur moyenne est de (5,15+34,95)/2=20,05W soit 20W.
D’apres la doc constructeur si Tjmax=200°C Rth(Tjc)=1,5°C/W pour une puissance de 20W la température ambiante doit être de:
Ta=(Pd*Rth)*TjMax=-((20*1,5)-200)=170°C!!!!, compliquer quand même à moins de mettre le montage dans un four…..


Puissance de 20W avec Ta=25°C (c’est déjà plus raisonnable)
Pour maintenir la température de la jonction à (Tj=200°C) et une température ambiante (Ta=25°C) avec une puissance de 20W,
En effet le dissipateur aura pour but de maintenir la puissance à 20W.
Rth=(Tj-Ta)/Pd=(200-25)/20=8,75°C/W, puisque nous avons le Rth total nous retirons Rth(Tjc) soit 8,75-1,5=7,25°C/W. Le dissipateur choisi sera de 7,5°C/W et aura les dimensions suivante: 40 x 80 x 14mm.
Remarque: Le but est de diminuer la puissance qui est sous forme de chaleur (une puissance dissipée), ainsi en limitant cette puissance transformée sous forme de chaleur le transistor chauffera moins.


Puissance de 115W (puissance maxi) avec Ta=25°C
La température ambiante est de 25°C. La puissance maximale Pmax spécifiée pour le 2N3055 est de 117 W ce que l’on pourra facilement vérifier à partir de la température maximale de jonction de 200°C. et de la résistance thermique jonction boîtier spécifiée à 1,5°C/W.
Pmax=(Tj-Ta)/Rth=(200-25)/1,5=1166,6666 (117). Avec une telle puissance nous somme proche de la limite maxi donné par le constructeur ce qui veut dire que nous somme proche de sa destruction !!!
Il est évident que pour un courant Ic de 15A et une chute de tension maxi de 60V, la puissance dissipé serait de P=(60*15)=900W (en négligeant Vbe*Ib) très supérieur à 115W (il faut même pas y penser).


Rôle du dissipateur
Considérons ce transistor 2N3055 monté sur un refroidisseur de résistance thermique égale à 3°C/W. Le transistor est isolé électriquement du radiateur par un isolant mica qui apporte une résistance thermique supplémentaire de 0,5°C/W. La température ambiante est de 40°C.
Calculons dans ces conditions la puissance maximale que peut dissiper le transistor.
En appliquant la loi d’Ohm thermique entre la jonction et l’ambiance on peut écrire :
(TJ – Tamb) /(Rth j- radiateur + Rth radiateur-ambiance)=Pd
D’où Pd max= (TJ – Tamb )/ Rth j-amb
Pd max = (200-40)/(1,5 + 0,5 + 3) = 32W
En comparant cette valeur à la valeur de la puissance spécifiée on se rend mieux compte de l’importance du refroidissement dans les applications de puissance.
dissipateur
Plus la puissance à dissipée est important plus le radiateur est volumineux.

 

Diode de puissance


On utilise une diode de puissance qui laisse passer un courant de 30A type BYT 30P-100 TO-220, d’apres le catalogue constructeur, pour un courant direct de 30A (Iforward), la Température de jonction maxi (Tj)=150°C, on se basera sur une température de 100°C (évitons de se faire chauffer la jonction à 150°C). d’autre part il est stipuler toujours dans la doc constructeur, que pour une chute de tension aux bornes de la led de 1,9V (Tj)=25°C, et pour une chute de tension de 1,8V (Tj)=100°C, la valeur moyenne de la tension serais de 1,85V et la valeur moyenne de (Tj) serais de 62,5°C.
Prenons le cas extrême, et restons toujours sur (Tj)=100°C.
en ce qui concerne Rth(Tjc)=1°C/W.


Est-il possible de placer cette diode sans radiateur ?
Pour un courant de 30A et une chute de tension de 1,85V la puissance dissipée par la diode est de P=1,85*30=55,5W.


Prenons une température ambiante de 30°C:
Pd=(Tj-Ta)/Rth => Rth=(100-30)/55,5=1,26°C/W, à savoir que Rth(Tjc)=1°C Rth=1,26-1=0,26°C/W.
Si la résistance thermique est inférieure à la valeur prescrite par le constructeur Rth(Tjc) il faut mettre un radiateur, avec une résistance thermique qui est faible le radiateur risque d’être encombrant.


Prenons cette même diode mais sous une température de 50°C :
Pd=(Tj-Ta)/Rth => Rth=(100-50)/55,5=0,9°C/W.
Plus la température ambiante est élevée et plus le radiateur doit avoir une résistance thermique faible


Prenons cette même diode mais sous une température de -20°C :
Pd=(Tj-Ta)/Rth => Rth=(100+10)/55,5=2,16°C/W, à savoir que Rth(Tjc)=1°C Rth=2,16-1=1,16°C/W,
Plus on descend en température et moins le radiateur est encombrant.
Prenons cette même diode mais sous un courant de 15A (moitié moins) et sous 30°C :
Pd=1,85*15=27,75W.
Pd=(Tj-Ta)/Rth => Rth=(100-30)/27.75=2,52°C/W, à savoir que Rth(Tjc)=1°C Rth=2,52-1=1,52°C/W

diode type BY229


IF=8A
Vf=1,5V
Tj=125°C (on prendra 100°C)
Rth(jc)=2°C/W
Rth(Ja)=60°C/W


Pd=1,5*8=12W
Pd=(Tj-Ta)/Rth => Pd=(125-30)/60=1,58W, si on utilise pas de radiateur et pour une température de 30°C avec une Rth=60, la puissance de la diode ne doit pas dépasser 1,58W et nous somme à 12W la puissance dissipé est supérieur à la puissance maximal donc besoin de radiateur.
dans ce cas si on prend les valeurs limite du datasheet pour une puissance de 1,12W il faudrait avoir un courant de Pd/1,5=I => 1,12/1.5=0,6A (600mA) on ne doit pas être supérieur à ce courant et dans ce cas nul besoin de mettre de radiateur mais bon aucun intrêt d’avoir ce genre de diode de puissance…
Il faut donc Rth=(100-30)/12=5,84°C/W à savoir que Rth(jc)=2°C Rth=5,84-2=3,52°C/W, obligation de mettre un radiateur.

Régulateur de tension LM7812


Prenons un régulateur type LM7812, nous avons:
RthMax(jonction case)=5°C/W
RthMax(case air)=65°C/W
Tj Max=125°C
Ptot=?W (nous avons pas la puissance dissipé )


Nous avons évoqué précédement Pd=(Ue-Us)*I, la tension d’entrée minimum est de 20V et la tension de sortie est de 12V pour un corant de 1A Maxi ce qui donne
Pd=(20-12)*1=8W.


Avec radiateur:
Rth=(125-25)/8=12,5°C/W, à savoir que Rth(Tjc)=5°C/W Rth=12,5-5=7,5°C/W, obligation de mettre un radiateur.
Puisque Rth(case air)=65°C/W cette valeur étant bien supérieur à 7,5°C/W, la résistance thermique étant plus faible la chaleur est beaucoup plus importante le régulateur ne va pas vivre bien longtemps, il faut donc rajouter un radiateur pour dissipé cette chaleur.
Ou bien:
Pmaxdissipable_souhaité=(125-25)/12,5=8W et PmaxDissipable=(125-25)/(65+5)=1,42W.
Pmaxdissipée_souhaitée>Pmaxdissipable il faut calculer un dissipateur thermique.


Sans radiateur
Si on décide d’utiliser ce LM7812 sans radiateur la puissance dissipée ne doit pas être supérieure à :
Pd=(Tj-Ta)/Rth(c-a)=(125-25)/65=1,53W soit un courant de I=P/(Ue-Us)=1,53/(20-12)=192mA.
Sachant que la température ambiante est située autour des 21°C voir 22°C Pd=1,58W soit 130mA.

Transistor 2N2222A



Pour un transistor de type 2N2222A, la température au niveau de la jonction ne doit pas être supérieur à Tj=175°C, pour une température inféieur ou égale à 25°C, e ce qui concerne la puissance Pd=Vce*Ic+Vbe*Ib, encore une fois faisons une moyenne en mode saturations (transistor saturé) avec:
Vbe(sat)moy=1,6V
Vce(sat)moy=0,65V
Ibmoy=0,013A
Icmoy=0,325mA
ce qui donne Pd=Vce*Ic+Vbe*Ib=(0,65*0,325)+(1,6*0,013)=0,211+0,0208=0,2318W (c’est une valeur moyenne)
si on prend à pleine puissance, en utilisant les valeur Max nous avons
Vbe(Sat)max=2V
Vce(sat)max=1V
Ibmax=0,050A
Icmax=0,5A
Pd=Vce*Ic+Vbe*Ib=(1*0,5)+(2*0,050)=0,211+0,0208=0,6W.
Rth=(175-25)/0,6=250°C/W.


Attention la puissance est limité d’apres le constructeur de 0,5W, inutile d’aller plus loin nous avons 0,1W de trop, il faut donc diminuer le courant Ic.
Prenons Ic=0,4A et négligeons Vbe*Ib => Pd=Vce*Ic=1*0,4=0,4W.
Rth=(175-25)/0,4=375 °C/W nul besoin de radiateur car la résistance thermique est grande.
Effectivement pour un boitier de type TO-39 (jonction air ambiant =187,5°C/W), puis pour un boitier TO-18 (jonction air ambiant =300°C/W), en général c’est celui-ci que le commerçant nous livre.

AOP


Comment procède-t-on pour déterminer la puissance dissipée par un AOP de manière théorique ?
Le 1er calcul :
Consiste à prendre en compte la consommation propre de l’AOP soit :
P1= Is* (Vcc+ – Vcc-)
Le 2ème calcul :
De calculer la dissipation dans l’AOP du au courant dans la charge qui dépend de de la charge et de la tension de sortie soit:
P2=(Vcc+-Ucharge)*Icharge


Exemple TL081
aop-1
(clique pour agrandir)
Pour un ampliOP classique (P1+P2 est très faible. Le TL081 alimenté en +15/-15V avec 10K de charge et une tension de 10V de sortie:
P1= Is* (Vcc+ – Vcc-) = 2,8 mA * 30V = 84 mW
P2 = (Vcc+-Ucharge)*Icharge = (15V – 10V) * 1mA= 5 mW
Soit un total de 89 mW en statique à 25°. Si la température monte, généralement la consommation diminue. En dynamique, il peut y avoir une charge capacitive qui augmente la consommation

Comment isoler le transistor et dissipateur (radiateur)


Le composant est fixé mécaniquement au dissipateur. Pour diminuer la résistance thermique du contact, il est toujours souhaitable d’enduire les surface en contact avec du composite thermique (souvent une pâte blanche).
Pour isoler électriquement le composant du dissipateur, on intercale entre les 2 une fine feuille de mica, bon isolant électrique et bon conducteur thermique.


Montage d’un composant sur un dissipateur avec isolation électrique :
isolation
Pour un transistor type 2N3055, le corps du composant est un boitier métallique (boitier TO3 représenté par la figure ci-dessus), pour accéder à la 3 ème broche (collecteur), il est nécessaire de placer une cosse ronde relié à un fil (monté avec une vis de diamètre : 3mm et un écrou pour obtenir la 3ème connexion. (la figure ci-dessus montre l’emplacement de la cosse)