La dissipazione del calore nei transistori

Problemi connessi con la dissipazione dei transistori

Individuazione delle dimensioni di un dissipatore di commercio

Nelle lezioni precedenti abbiamo esaminato la situazione relativa alla potenza dissipata nei transistori finali ed abbiamo riscontrato che:

• tale potenza a volte è ampiamente dissipabile in aria libera date le caratteristiche termiche dei transistori impiegati.

• a volte possono verificarsi casi nei quali la dissipazione di potenza richiesta al transistore ecceda la capacità di dissipazione del transistore in aria libera.

Nel secondo caso i transistori devono essere dotati di superfici radianti ausiliarie meccanicamente ed efficacemente fissate ad essi.

In questa lezione ci poniamo l’obiettivo del calcolo delle caratteristiche termiche dei dissipatori in funzione della potenza che un transistore deve dissipare.

Supponiamo di avere il transistore di potenza 2N3055, figura 1, in condizioni di dover dissipare $25\ W$ ; essendo la sua capacità di dissipazione in aria libera di soli $3W$ , necessita di una superficie ausiliaria di raffreddamento della quale è necessario calcolare la resistenza di radiazione.

figura 1

Il calcolo della resistenza di radiazione della superficie ausiliaria “dissipatore” è fattibile mediante la formula seguente che, per sicurezza, valuta la potenza da dissipare il $10\%$ in più di quella data:

$Rqrad=[(Tj{-}Ta)/(1.1\cdot P)]{-}(Rqis+Rqjc)$

dove: $Rqrad$ = resistenza termica del radiatore

$Tj=$ temperatura massima della giunzione del transistore

$Ta=$ temperatura dell’ambiente di lavoro

$P=$ potenza da dissipare

$Rqis=$ resistenza termica dell’isolante tra transistore e radiatore

$Rqjc=$ resistenza termica giunzione case ( involucro del transistore)

Dai dati del 2N355 riportati in figura 4 possiamo rilevare:

$Tj=200$° c

$Rqjc=1.5^{\circ }c/W$

Altri dati sono da impostare quali:

$Ta=45$ ° c (s’ipotizza che il transistore debba lavorare in un ambiente surriscaldato a $45$ °)

$P=25\ W$ ( potenza da dissipare – è relativa al dato di partenza per il nostro problema-)

$Rqis=0.5^{\circ }c/W$ (per rondella isolante di mica con grasso – dato praticamente comune a tutte le applicazioni)

applicando i dati alla formula abbiamo:

$Rqrad=[(200^{\circ }c{-}45^{\circ }c)/(25\ W\cdot 1.1)]{-}(0.5^{\circ }c/w+1.5^{\circ }c/w)=3.63^{\circ }c/W$

Il risultato conduce alle caratteristiche termiche del dissipatore richiesto che deve avere una resistenza termica pari od inferiore a $3.63^{\circ }c/W$; radiatori con queste caratteristiche sono disponibili sul mercato, in figura 2 è mostrato il profilo di un tipo individuato che ha le seguenti caratteristiche:

$Rqrad=3.5^{\circ }c/W$

Lunghezza = $87.5\ mm$

Larghezza = $108\ mm$

Altezza =$14\ mm$

figura 2

La figura 2 mostra, non in scala, il profilo del dissipatore con il transistore e l’isolante di mica interposto tra i due componenti.

In figura 3 un insieme di radiatori di mercato con diversi profili:

figura 3

Dimensionamento dei dissipatori autocostruiti

Se il progetto di uno stadio di potenza richiede l’impiego di un radiatore con una resistenza termica non molto bassa si può autocostruirlo utilizzando piccole superfici di alluminio possibilmente anodizzate nere; per questa operazione è sufficiente impiegare la seguente formula approssimata:

$S=650/Rqrad$

dove

$S$ = superficie della lastrina d’alluminio

$Rqrad$ = resistenza termica voluta

Un esempio chiarirà l’impiego della formula :

Si debba costruire un radiatore per un transistore 2N3055 (dati termici rportati in figura 2 ) che deve dissipare una potenza di $5\ W$ in un ambiente a $30$° c:

Applicando la formula ed i dati riportati in precedenza si ha:

$Rqrad=[(Tj{-}Ta)/(1.1\cdot P)]{-}(Rqis+Rqjc)$

$Tj=200$° c

$Rqjc=1.5^{\circ }c/W$

$Rqis=0.5^{\circ }c/W$

Essendo nel nostro esempio

$Ta=30$° c

$P=5\ W$

si ha

$Rqrad=[(200{-}30)/(1.1\cdot 5)]{-}(0.5+1.5)=28.9^{\circ }c/W$

Impiegando ora la formula approssimata si ha infine la superficie del radiatore voluto:

$S=650/Rqrad=650/28.9^{\circ }c/W=22.5\ cm^{2}$

Da ricordare che il transistore deve essere montato rigidamente sul radiatore, mediante viti, con l’interposizione di un sottile isolante di mica con grasso.

figura 4