Legea lui Ohm termică
Legea lui Ohm termică face posibilă calcularea temperaturii de joncțiune T J de semiconductoare elemente ( diode , diferite tranzistori , tiristori , triace , etc. ).
Definiție
Prin analogie cu legea lui Ohm și plasă legea (legea lui Kirchhoff), avem:
TJ (temperatura de joncțiune (° C sau ° K)) echivalentă cu o tensiune electrică
TA (temperatura ambiantă (° C sau ° K)) echivalentă cu o tensiune electrică
P (putere termică (W)) echivalentă cu un curent electric
RTHJA ( rezistență termică (° C / W sau ° K / W) echivalentă cu o rezistență electrică
Deci, dacă aplicăm legea mesh , obținem:
este :
Această relație între temperatură și putere termică poartă mai riguros numele legii lui Fourier . Cu toate acestea, deoarece aceasta este în aceeași formă ca legea lui Ohm , cei din domeniul electronicii folosesc termenul legea termică a lui Ohm. Cu toate acestea, legea lui Fourier a fost teoretizată cu mult înainte de legea lui Ohm.
Elementele de putere (diode, tranzistoare, tiristoare) sunt în general montate pe radiatoare , care favorizează evacuarea pierderilor produse. În general este prevăzut un izolator (foaie de mică , din material compozit etc. ), astfel încât să se izoleze electric semiconductorul de disipator. În acest caz, rezistența termică de joncțiune la mediu este suma a trei termeni:
- rezistența termică a cutiei de joncțiune R thJB , dată de producător;
- rezistența termică a disipatorului de caz R thBR , care depinde de prezența sau absența unui izolator;
- radiatorul - rezistența termică ambientală R thRA , care depinde de dimensiunea și tipul radiatorului (placă simplă, radiator cu aripioare etc. ), culoarea sa (negru, argintiu), poziția sa (orizontală, verticală) și răcirea sa modul (convecție naturală sau forțată, circulația apei etc. ).
Ordinele de mărime
- R thJA pentru tranzistoare utilizate fără radiator: 200 până la 500 ° C / W pentru TO-18 (carcasă cilindrică mică, metalică) și TO-92 (carcasă cilindrică mică, plastic), 100 până la 200 pentru TO-39 / TO-5 ( carcasă cilindrică medie, metalică), 85 până la 150 pentru TO-126 (carcasă plană, plastic), 60 până la 80 pentru TO-220 (carcasă plană, plastic cu o placă de cupru pentru a îmbunătăți transferul de căldură, vezi tranzistorul prezentat), 30 până la 40 pentru TO-3 (carcasă ovală, metalică).
- R thJB pentru tranzistoare utilizate cu radiator: 175 ° C / W pentru TO-18, 80 până la 90 pentru TO-92, 20 până la 30 pentru TO-39, 5 până la 6 pentru TO-126, 2 până la 4 pentru TO-220, 1 la 2 pentru TO-3.
- R thBR pentru tranzistoare în pachet TO-3: 0,25 ° C / W uscat, fără izolație; 0,15 fără izolație, dar cu grăsime siliconică ; 0,35 cu izolație mica și grăsime siliconică .
- R thRA pentru un radiator tipic cu opt aripioare pe fiecare parte și o lungime de 10 cm : între 1 și 1,75 ° C / W în funcție de puterea disipată, în convecție naturală; R thRA poate scădea la 0,4 ° C / W dacă se folosește ventilație forțată, în funcție de viteza aerului.
Exemple
Exemplul 1: temperatura joncțiunii în funcție de disipator
Este un regulator de tensiune „5 V “ , livrarea la circuitul care furnizează un curent de 2,5 A . Medie tensiune la intrarea regulatorului este 8 V . Regulatorul este montat într-o carcasă TO-3, caracterizată printr-o rezistență termică de 1,5 ° C / W ; este montat pe un disipator R thRA de 5 ° C / W și izolat electric de o foaie de mică acoperită cu grăsime siliconică ; R THBR este în acest caz egal cu 0,4 ° C / W . Care va fi temperatura joncțiunii tranzistorului de putere al regulatorului la temperatura ambiantă de 25 ° C ?
Puterea disipată în regulatorul de : I x (diferență de potențial între intrarea și ieșirea controlerului), sau 7,5 W .
Prin urmare , legea lui Ohm termică da T J = T A + [ I ( V in - V out ) × R thJA ] = 25 + 7,5 x (1,5 + 0,4 + 5) = 76,75 ° C .
Exemplul 2: dimensionarea unui radiator
A „5 V “ regulator de tensiune furnizează 1 A și este alimentat de la un 7 V sursă . Rezistența termică joncțiune-ambient R thJA este de 65 ° C / W și rezistența R joncțiune cazul termic thJB este de 5 ° C / W .
Radiatorul trebuie să aibă o rezistență termică maximă de:
R thRA = [( T J - T A ) / P ] - R thJBAlegând ca temperatură maximă de joncțiune 100 ° C și ca temperatură ambiantă maximă 30 ° C , găsim:
R thRA = ( 100 ° C - 30 ° C ) / [1 A × (7 V - 5 V)] - 5 ° C / W = 30 ° C / WNotă
Puterea disipată se datorează adesea efectului Joule. O scădere a potențialului pe un rezistor (sau un element care se comportă în același mod) determină disiparea puterii:
[W]
Note și referințe
- Tranzistori de putere , Thomson CSF - Sescosem, 1975, p. 75.
- Tranzistori de putere , op. cit. , 1975, p. 77.
- Tranzistori de putere , op. cit. , p. 81.