Electronique : les Dissipateurs Thermiques

 

Electronique : les Dissipateurs Thermiques

Lorsque l'on utilise un composant électronique de puissance (transistor, régulateur de tension, etc.) il est souvent nécessaire de l'équiper d'un dissipateur thermique afin d'évacuer les calories. Sans cette précaution, la puce pourrait subir des dommages.

Plus la différence entre sa tension d'entrée et de sortie sera élevée et plus le composant dissipera de la puissance. Nous pourrons calculer cette puissance comme ceci :

P = (Vout - Vin) * I

Pour un régulateur, Vout est la tension de sortie, Vin est la tension d'entrée et I est le courant.

Pour un transistor, Vout - Vin est la tension entre collecteur et émetteur, ou entre source et drain dans le cas d'un MOSFET.

Dans le calcul du dissipateur, il faudra considérer la résistance thermique du composant, qui peut varier entre 0.5°C/W pour les meilleurs et 5°C/W. Celle-ci est normalement précisée dans la datasheet du composant.

1. Calculer son dissipateur

La formule utilisée pour le calcul de la résistance thermique du dissipateur est celle-ci :

Rd = ((Tj - Ta) / P) - Rj

Tj est la température maximale, Ta est la température ambiante, P est la puissance à dissiper et Rj est la résistance jonction / boîtier du composant.

On peut éventuellement ajouter à Rj la résistance thermique de l'isolant électrique si l'on décide d'en intercaler un entre le composant et le dissipateur :

Plaquette isolante TO220

Attention : afin d'améliorer la conduction thermique entre le composant et le dissipateur il est fortement conseillé d'appliquer une fine couche de graisse thermique entre les deux. Dans le haut de gamme on peut citer celle-ci :

Arctic MX-4

Les plus petits dissipateurs font en général 25°C/W. Cela correspond à une dissipation de 3W pour un régulateur ayant une résistance thermique de 5°C/W. Au dessus de 25°C/W nous n'aurons pas besoin de dissipateur. Si cela ne vous rassure pas, choisissez le plus petit.

Sinon, il vous faudra trouver un dissipateur correspondant à la résistance thermique voulue.

Beaucoup de vendeurs précisent sa valeur :

GOTRONIC

AUDIOPHONICS

FARNELL et TME vous proposent un moteur de recherche

Sachez simplement qu'en matière de dissipateur, c'est comme pour les résistances ohmiques, une valeur plus faible de résistance thermique évacue mieux la chaleur, tout comme une résistance ohmique faible laisse mieux passer le courant.

Un dissipateur de 1°C/W sera moins chaud, à puissance dissipée égale, qu'un dissipateur de 2°C/W.

Si l'on achète des dissipateurs sur des sites chinois, la résistance thermique est rarement précisée. Il faudra faire une estimation par comparaison par rapport à d'autres dissipateurs ayant la même taille et dont on connait les caractéristiques.

On peut également la mesurer. Pour cela, il suffit de faire circuler un courant dans le composant, équipé du dissipateur à tester, et de mesurer sa température une fois que celle-ci est stabilisée. Il faudra s'équiper d'un thermomètre.

Si la puissance dissipée est connue, la résistance thermique sera obtenue à l'aide de la même formule que précédemment, en remplaçant Tj par la valeur de température mesurée.

2. Exemple pratique

Prenons comme exemple un régulateur de tension LM317. Ce régulateur a une température limite de 125°, et une résistance thermique jonction-boîtier de 5°C/W. La température ambiante sera de 35° maximum. Si nous avons 6W à dissiper, la résistance thermique du dissipateur sera :

Rd = ((125 - 35) / 6) - 5 = 10°C/W

La résistance que nous venons de calculer est une valeur limite à ne pas dépasser, sous peine de destruction du régulateur. Il vaut mieux prévoir une marge de sécurité. Egalement, si le montage est confiné dans un boîtier, des ouvertures d'aération sont indispensables.

Le dissipateur ML33 de chez GOTRONIC a une résistance thermique de 10°C/W. La marge est inexistante.

Pour cet exemple, je choisirais plutôt un dissipateur de ce type (un ML97 de chez GOTRONIC) :

Dissipateur 4.3°C/W

Si l'on considère que ce dissipateur est trop imposant, il faudra revoir la conception du montage, réduire la tension en entrée du régulateur par exemple.

3. KICAD

Pour ceux qui utilisent le logiciel de conception électronique KICAD, implanter un dissipateur sur un PCB est une opération simple :

Il faut tout d'abord ajouter le dissipateur au schéma. Pour cela il existe un composant schématique nommé HeatSink.

Ensuite, lors du choix des empreintes, il suffira de lui associer celle du dissipateur choisi. Si l'empreinte du dissipateur n'existe pas dans la librairie KICAD, il faudra la créer soi-même. Je ne vous cache pas qu'il est assez fastidieux de dessiner les ailettes d'un dissipateur.

4. Bonus

Je mets à disposition une petite librairie KICAD de 19 empreintes de dissipateurs, dessinées par moi-même :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/kicad-libraries/src/master/library.pretty/HeatSinks.pretty/

Cordialement

Henri