Come progettare un dissipatore di calore

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Un dissipatore è un corpo capace di trasferire all’ambiente circostante una quantità di energia termica applicata alla sua superficie. Con alcuni calcoli matematici la progettazione di un buon dissipatore di calore è una operazione abbastanza semplice. Vediamo quindi come progettare un dissipatore di calore applicando e spiegando delle semplici formule e poi con degli esempi pratici.

Un dissipatore di calore, si sa, ha la funzione di raffreddare un componente elettronico e di smaltirne il calore generato inevitabilmente dall’attrito degli elettroni. I componenti di potenza, specialmente, se non lavorano a temperature relativamente basse, funzionano male e addirittura possono distruggersi. Un buon dissipatore di calore consente invece di permettere al componente di espletare le sue funzioni anche ai limiti delle sue potenzialità ed ottenere da esso veramente il massimo.

Un componente di potenza, come ad esempio un Mosfet, potrebbe distruggersi senza l’adozione di un dissipatore, anche con una potenza di 1 o 2 Watt mentre, al contrario, dotandolo di un buon supporto per disperdere il calore, esso potrebbe reggere tranquillamente potenze dell’ordine di decine o centinaia di Watt. E’ proprio questo il fine ultimo del progettista: raffreddare il più possibile il componente elettronico, con qualsiasi mezzo.

 

 

Esistono svariate tecniche di raffreddamento, alcune delle quali utilizzano le famose celle di Peltier o addirittura ricorrono all’azoto liquido. Nell’articolo tratteremo un argomento più alla portata degli hobbisti, ossia come si progetta e si calcola un dissipatore metallico, facilmente realizzabile da chiunque disponga di un piccolo laboratorio dotato di opportune attrezzature per lavorare il metallo.

La prima cosa da tenere in considerazione è quella del materiale utilizzato. Si deve sceglierne uno dotato di ottime caratteristiche che consentono una elevata dissipazione di calore. I migliori metalli (conduttivi) sono l’argento, il rame, l’oro e l’alluminio. Ovviamente non utilizzate il braccialetto d’oro della prima comunione o il vassoio d’argento del salotto che, sebbene abbiano un coefficiente molto elevato di dissipazione, non garantiscono un buon risparmio economico per la realizzazione.

Il rame e l’alluminio costituiscono un’ottima scelta, sia dal punto di vista della possibilità di lavorazione che del risparmio di spesa.

 

 

Un altro aspetto importantissimo è la finitura della sua superficie. Essa deve risultare estremamente liscia e deve aderire e combaciare perfettamente alla superficie da raffreddare. Se ciò non avviene vi saranno presenti alcune parti rugose o lievemente ruvide, con la conseguente presenza di parti del componente  non perfettamente aderenti al dissipatore. Questo riduce lo scambio di calore e limita il raffreddamento del componente, che potrebbe anche passare a miglior vita. Per questo motivo si utilizza la pasta termoconduttiva, al silicone che, coprendo e riempiendo le zone non a contatto, compensa e risolve il problema.

Un parametro indispensabile da tenere in considerazione è la resistenza termica, definita come la “difficoltà” che il calore incontra per disperdersi nell’ambiente circostante. Un po’ come la resistenza elettrica. La formula generale è la seguente:

 

dove:

  • Rth è la resistenza termica;
  • T1 è la temperatura raggiunta dal dispositivo;
  • T2 è la temperatura dell’ambiente circostante;
  • Pd è la potenza applicata.

La resistenza termica è misurata in gradi/Watt (°C/W). E’ un parametro importante in quanto permette di comprendere l’efficacia del dissipatore. Esso indica di quanti grandi aumenta il dissipatore, applicandogli una potenza calorica di 1 Watt. Adesso, con degli esempi pratici, vedremo come sfruttare la formula appena vista che, sebbene sembri “semplicistica”, permette di risolvere tanti quesiti.

La stessa equazione, “rivoltata” per isolare le altre variabili, è la seguente:

 

 

Il progettista che ama costruire da sè i propri dissipatori deve obbligatoriamente conoscere la resistività termica dei materiali utilizzati, da cui ricaverà la resistenza termica, dipendente anche dalle dimensioni del dissipatore.

La seguente tabella mostra la resistività termica di alcuni materiali:

 

——————————————-

materiale          Resistività (°C·cm/W)
——————————————-
Rame                       0.25
Alluminio                  0.48
Ossido di Berillio         1.00
Silicio                    1.20
Ossido di Alluminio        6.00
Mica                     150.00
Grasso siliconico        520.00
Mylar                    635.00
Aria ferma              3050.00
——————————————-
Per trovare la resistenza termica, dispondendo della resistività termica e delle dimensioni del dissipatore, occorre utilizzare la formula:
dove:
  • Rth è la resistenza termica;
  • “r” è la resistività termica;
  • “A” è la superficie del dissipatore;
  • “S” è la sua sezione.

Come si nota dalla formula, la resistenza termica è direttamente proporzionale alla superficie ma inversamente proporzionale allo spessore del materiale: tanto più quest’ultimo è elevato, tanto minore sarà la resistenza termica.

Così, ad esempio, se disponiamo di un dissipatore in alluminio da 8 cm. x 4 cm. con spessore di 2 mm, esso avrà una resistenza termica di:

Rth = 0.48 x 32 / 0.2 = 76,8 °C/W

 

 

Adesso forniamo alcuni semplici esempi di calcolo.

 

ESEMPIO 1

Disponiamo di un dissipatore che, dai dati di targa, è caratterizzato da una resistenza termica di 2 °C/W.  Con esso dobbiamo raffreddare un transistor che dissipa 20 Watt. Applicando l’equazione scopriremo la temperatura del dissipatore aumenterà di ben 40 °C e che se la temperatura ambientale è di 27 gradi, il transistor lavorera a 67 °C.

 

ESEMPIO 2

Vogliamo raffreddare un transistor che può reggere la temperatura massima di 140 °C. La massima temperatura ambientale che si prevede ammonta a circa 40 °C ed il componente deve dissipare la potenza di 7 Watt. Dobbiamo calcolare il valore della resistenza termica del dissipatore.

Dalla formula ricaviamo che il suo valore è pari a:

Rth=(T1-T2)/Pd

da cui:

Rth=(140-40)/7 = 14.2 °C/W.

 

ESEMPIO 3

Dall’esercizio di cui sopra, si vuol costruire un dissipatore rettangolare di rame, dotato di uno spessore di 2 millimetri. Ovviamente, in questo caso, le soluzioni sono molteplici. Il dissipatore deve possedere la resistenza termica di 14.2 °C/W.

Eseguendo alcuni calcoli le dimensioni ottimali del dissipatore potrebbero essere pari a 3.2 cm. x 3.6 cm.

 

Nel progettare i dissipatori occorre tenere in considerazione alcuni aspetti, utili per aumentare le prestazioni dell’elemento raffreddante:

 

  • Tanto più basso è il valore della resistenza termica, tanto più elevate saranno le prestazioni del dissipatore;
  • Il colore è molto importante: tanto più esso risulta scuro, tanto più elevata sarà l’efficienza, perchè vi sarà maggiore scambio di calore;
  • I dissipatori dovrebbero essere montati in posizione verticale;
  • Il componente elettronico dovrebbe essere montato al centro del dissipatore,per agevolare lo scambio della temperatura;
  • La superficie di contatto deve essere massimizzata, aggiungendo magari della pasta siliconica tra le due parti;
  • Non montare due dissipatori nelle immediate vicinanze, poichè si annullerebbero a vicenda;
  • Quando il circuito lo permette, si può montare il dissipatore in posizione esterna rispetto al contenitore.
GDM

 

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11 Comments

  1. Bazinga 21 marzo 2013
  2. Giorgio B. Giorgio B. 23 marzo 2013
  3. Antonello Antonello 23 marzo 2013
  4. Boris L. 23 marzo 2013
  5. Boris L. 23 marzo 2013
  6. Emanuele Emanuele 25 marzo 2013
  7. antonio_el 28 marzo 2013
  8. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 1 aprile 2013
  9. gread 2 aprile 2013
  10. gread 2 aprile 2013

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