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> Dissipateur thermique (radiateur) : comment
calculer ?
Dernière mise à jour :
06/07/2014
Présentation
Radiateur = Refroidisseur = Dissipateur thermique (dans le contexte
présent)
Un radiateur est un élement mécanique destiné
à faciliter l'échange thermique entre un matériau
solide (semelle métallique d'un transistor par exemple) et l'air
ambiant. C'est pourquoi on lui donne aussi l'appellation
d'échangeur
thermique. Vous connaissez déjà le rôle d'un
radiateur de chauffage utilisé dans une maison : celui de
fournir de l'énergie calorique afin de chauffer une
pièce, en rayonnant de la chaleur. C'est exactement la
même chose pour le
radiateur que nous utilisons pour refroidir un composant
électronique : le but est de prendre les calories
dissipées par le composant et de les emmener assez loin de lui,
afin de lui éviter de trop chauffer. Dans le texte
qui suit, nous partons du principe que la source chaude est le
composant à refroidir (triac, transistor, diode,
régulateur,
circuit intégré) et que l'air ambiant est la source
froide. Nous verrons quelle formule mathématique
simple
utiliser
pour calculer le type de radiateur nécessaire pour
améliorer le refroidissement d'un composant chauffant. Et pour
rendre
la chose moins désagréable, quelques exemples pratiques
ponctuerons les
infernales formules.
Pourquoi mettre un radiateur ?
Comme dit quelques lignes auparavant, pour refroidir un composant qui
chauffe beaucoup. Oui, d'accord, mais pourquoi faut-il le refroidir ?
Parce qu'un composant qui chauffe trop est vulnérable, bien plus
exposé à sa propre destruction. Et même s'il ne
meurt pas en quelques heures ou en quelques jours, il peut vieillir
prématurement et raccourcir le MTBF (Mean Time Between Failure,
temps moyen entre pannes) de l'équipement dans lequel il est
utilisé. Le composant qui chauffe dispose d'une surface qui
dépend de son type, cette surface est rarement importante.
Toutes les calories dissipées doivent passer par ce
chemin étroit que constitue cette surface, pour quitter le
composant. Ce qui n'est pas toujours aisé ni suffisant. L'ajout
d'un (gros) radiateur sur cette (petite) surface permet d'augmenter la
superficie utilisée par les calories pour s'échapper du
composant. Avec plus de surface, c'est plus simple, le composant se
refroidit beaucoup plus facilement et rapidement. Mais bien
évidement, la combinaison composant-radiateur va prendre plus de
place, et il convient donc de trouver la taille du radiateur qui va
suffire pour une application donnée. Parfois, il ne faut pas
grand chose et un tout petit radiateur suffit. Parfois, la puissance
dissipée est telle qu'un "énorme" radiateur est
indispensable. Pour éviter d'occuper plus de place que
nécessaire, il faut donc effectuer un petit calcul. La raison
d'être de cette page est de vous apprendre comment effectuer ce
petit calcul.
Transmission thermique - Rappel bref
Quand un élement chauffant est placé dans un milieu, la
température de ce milieu augmente. Il existe trois façon
pour la chaleur de se propager : la
conduction, la convection et le rayonnement.
- Conduction
-
La chaleur se
propage au sein de la matière sans qu'il n'y ait de
déplacement de la matière thermique. La quantité
d'énergie thermique transférée dépend de la
nature du matériau, qui détermine ce qu'on appelle sa
conductance thermique. Certains matériaux, comme le cuivre et
l'aluminium, conduisent mieux la chaleur que d'autres, il n'est donc
pas très surprenant de trouver des radiateurs qui en sont
composés.
- Convection
-
La chaleur se
propage par déplacement d'un fluide (air, eau, huile par
exemple). La convection peut être améliorée en
augmentant la vitesse de déplacement du fluide. Un ventilateur,
par exemple, déplacera plus d'air s'il tourne plus vite, et
augmentera ainsi sa capacité à refroidir l'élement
qu'il doit refroidir (tout en faisant plus de bruit il est vrai).
- Rayonnement
- La chaleur se
propage sous forme de radiations électromagnétiques,
issues de l'agitation moléculaire qui règne dans
l'élement chauffant, et dont
la longueur d'onde se situe dans l'infrarouge.
Bases de calcul
J'en suis le premier désolé, mais il est difficile de se
passer
totalement de formule mathématique. Mais je ne vais pas parler
de corps noirs, de la loi de Stéfan, ni de
dérivée, ni même de la température absolue
de -273°C. Je vais juste vous proposer cette formule
simplifiée finale, grâce à laquelle la suite de cet
article devrait être plus simple à digérer :
P
= (T1 - T2)
/ Rth
ou
Rth
= (T1 -
T2)
/ P
où
P = puissance, en Watts (W)
T1 - T2 = différence de température, en degrés
celcius (°C)
Rth = résistance thermique, en °C/W (ou K/W, voir plus loin)
Notez l'analogie de cette formule avec une autre célèbre
formule que vous devez connaitre (si vous ne la connaissez pas encore,
apprenez-la maintenant) :
I
= (U1 - U2)
/ R
où
I = courant, en Ampères (A)
U1 - U2 = différence de potentiel, en Volts (V)
R = résistance, en Ohms
Nous devrons donc passer par des
soustractions et des divisions. Avouez qu'il y a pire.
Méthode de calcul
Pour commencer, nous allons convenir que la résistance
thermique, que nous appelerons dès maintenant
Rth, peut se
représenter de
la
même façon que la résistance électrique
utilisée dans les montages électroniques. Cela permet de
s'y retrouver facilement, même avec un schéma de type
habituel :
La chaleur dissipée par le composant gagne le milieu ambiant en
empruntant plusieurs chemins :
- de la jonction du composant jusqu'au boitier du composant,
par
rayonnement et par conduction;
- du boitier du composant à l'air ambiant, par rayonnement
et
par convection;
- du boitier du composant au radiateur, par conduction;
- du radiateur à l'air ambiant, par rayonnement et par
convection.
La jonction du composant est l'élement interne du composant dont
la température ne doit pas dépasser une certaine limite
au risque d'être détruite. La valeur limite est
spécifiée par le constructeur du composant, elle est de
l'ordre de 90°C pour les composants au germanium et de 150 à
200°C pour les composants au silicium. Notons que les
méthodes de calcul utilisées pour les
résistances électriques sont appliquables aux
résistances thermiques, en ce qui concerne les mises en
série ou en parallèle.
Equilibre thermique du composant
Pour parler de choses... qui parlent, prenons l'exemple d'un
transistor.
Ce dernier
reçoit une puissance qui dépend de la tension
appliquée entre son collecteur et son émetteur, et du
courant passant par le collecteur. Appellons cette puissance
reçue Pc (Puissance consommée). Du fait de cette
puissance reçue Pc, le transistor va dissiper une certaine
quantité d'energie, que nous appellerons Pd (Puissance
dissipée). Le transistor tend vers un équilibre thermique
quand la puissance dissipée égale la puissance
consommée, c'est à dire quand Pd = Pc. Si maintenant on
appelle Tj la température de jonction, et Ta la
température ambiante, on peut écrire que la puissance
dissipée Pd est égale à (Tj - Ta) / Rth. On peut
aussi écrire ceci :
Tj
= (Pd * Rth) + Ta
On se rend ainsi compte que la température de jonction du
transistor dépend en même temps de la résistance
thermique totale, de la température ambiante, et bien entendu de
la puissance dissipée dans le transistor. En partant de ce
constat, on se rend compte qu'il est possible de calculer le
système de refroidissement en fonction de la puissance de
jonction maximale permise et de la puissance dissipée.
Calcul du radiateur
Pour le calcul du radiateur, trois résistances thermiques
doivent être prises en compte :
- celle entre la jonction du composant et son boîtier. Sa
valeur
est précisée dans les fiches techniques des constructeurs (datasheet).
- celle entre le boîtier du composant et le radiateur. Elle
dépend du boîtier du composant, et est
généralement comprise entre quelques dizièmes de
°C/W et quelques dizaines de °C/W. Cette valeur est elle aussi
précisée dans les fiches techniques des constructeurs
(mais malheureusement pas toujours).
- celle entre le radiateur et l'air ambiant. Cette valeur est
donnée par le fabricant du radiateur, et est d'autant plus
faible que le radiateur est de grandes dimensions.
Pour obtenir la résistance thermique totale (entre jonction du
composant et air ambiant), il suffit d'additionner les trois
résistances thermiques précitées. Il serait
cependant maladroit de se contenter de cette simple addition, sans
prendre en compte quelques petites marges de sécurité. Il
faut en effet éviter de faire travailler le composant de
façon continue trop près de la limite autorisée,
et tenir compte de certains cas de "surchauffe" naturels
(équipement exposé au soleil) ou moins maitrisables
(panne d'un ventilateur). Retenez que lorsqu'on parle de
température ambiante, on fait allusion à l'air qui
entoure le composant ou son radiateur, et que si ce dernier est dans un
coffret fermé, sa température ambiante ne sera pas celle
que vous pensez.
Exemples
Quelques exemples pratiques qui rendront sans doute les choses plus
claires.
Exemple 1
On veut refroidir un transistor de type 2N3055 en boitier TO3 qui doit
dissiper une puissance de 20 W à température
ordinaire.
Rappelons tout d'abord
la formule simplifiée annoncée au début de
l'article :
Rth
= (T1 -
T2)
/ P
Remplaçons maintenant T1 par Tj (température de
jonction), T2 par Ta (température ambiante) et P par Pd
(puissance dissipée). Cela donne
Rth
= (Tj -
Ta)
/ Pd
Première chose, prendre une marge de sécurité.
Nous baserons le calcul sur une puissance dissipée 25%
supérieure, soit 25 W au lieu de 20 W. La température
ordinaire sera évaluée à 55 °C (ça peut
paraître beaucoup, mais ça arrive plus souvent qu'on le
croit), le composant et
son radiateur seront enfermés dans un boitier. Le fabricant
indique pour le 2N3055, une résistance jonction-boitier de
1,5 °C/W, et une résistance boitier-radiateur de 0,5 °C/W
avec graisse silicone. Toujours selon le constructeur, la
température maximale de jonction est de 200 °C. En appliquant
la formule précédente, nous obtenons ceci :
Rth = (200 - 55) / 25 = 5,8 °C/W
Résistance thermique
de 5,8 °C/W auquel il convient de retrancher la résistance
jonction-boitier de 1,5 °C/W et la résistance
boitier-radiateur de 0,5 °C/W. Au final, nous trouvons qu'il nous
faut un radiateur de résistance thermique de 3,8 °C/W. Un
radiateur de résistance thermique inférieure conviendra
aussi mais prendra plus de place, à vous de trouver le
modèle mécanique qui convient à l'application
envisagée.
Exemple 2
Nous disposons d'un
régulateur
de tension de type LM7812 en
boitier TO220, théoriquement capable de délivrer une
tension Us de 12 V sous un courant Is de 1 A, et auquel on applique une
tension Ue de 20 V sur son entrée. On souhaite savoir quel
courant est capable de débiter le régulateur si on ne lui
adjoint pas de radiateur. Le régulateur est placé dans un
boîtier au sein duquel règne une température normale de
35 °C, que nous appelerons Ta. National Semiconductor, le fabricant
du régulateur en question, indique que la température de
jonction du composant ne doit pas excéder 125 °C. Comme nous
ne sommes jamais assez prudent, et que nous avons l'habitude
d'appliquer une petite marge, nous allons considérer que cette
température max de jonction n'est pas de 125 °C, mais qu'elle
est de 100 °C. Pendant que nous y sommes, donnons-lui un nom et
baptisons-la Tj. La résistance thermique jonction-boîtier est
donnée pour 4 °C/W, et la résistance thermique boîtier
- air ambiant est donnée pour 50 °C/W (c'est beaucoup je
trouve, mais c'est réel). La résistance thermique
jonction - air ambiant est donc de 50 °C/W + 4 °C/W soit
54 °C/W. La puissance dissipée par le régulateur Pd
est égale à la différence de tension entre son
entrée et sa sortie, multipliée par le courant de sortie
(on peut négliger ici le courant de polarisation interne qui est
de l'ordre de quelques mA).
Pd = (Ue - Us) * Is
Comme nous cherchons Is, nous allons prendre la formule à
l'envers :
Pd
= (Tj -
Ta) / Rth
ce qui nous permet d'écrire :
(Tj - Ta) / Rth = (Ue - Us) * Is
ou encore :
(100 - 35) / 54 = (20 - 12) * Is
soit
1,2 = 8 * Is
soit :
Is = 1,2 / 8 = 0,15 A
Sans radiateur, le régulateur ne devra donc pas débiter
un courant de sortie supérieur à 150 mA. Pour que le
régulateur fonctionne correctement avec un courant de sortie de
1 A (toujours pour une température ambiante de 35 °C), il faudrait un radiateur de 4 °C/W.
(Tj - Ta) / Rth = (Ue - Us) * Is
Pd
= (Tj -
Ta) / Rth(100 - 35) / (4 + Rth) = 8
8 * (4 + Rth) = (100 - 35)
32 + (8 * Rth) = 65
(8 * Rth) = 65 - 32 = 33
Rth = 33 / 8 = 4,1 °C/W
Et pour une température ambiante de 50 °C, le radiateur devrait être au maximum de
(100 - 50) / (4 + Rth) = 8
Rth = 18 / 8 = 2,2 °C/W
Remarque
: nous savons que plus la température ambiante est élevée et plus le
radiateur doit avoir une résistance thermique faible. A partir d'une
certaine valeur de température ambiante, la tension maximale que l'on
peut appliquer à l'entrée du régulateur de tension peut devoir être
revue à la baisse. Si la tension d'entrée ne peut être baissée, alors
c'est le courant de sortie maximal qui doit être limité à une
valeur inférieure. Notons aussi que plus la température ambiante
augmente
et plus le régulateur de tension risque de perdre en qualité de
régulation.
Exemple 3
Un transistor de puissance de type BD435 est
utilisé dans un montage alimenté en 12 V pour allumer une
ampoule à
filament, et fonctionne en tout ou rien (pas de fonction de gradation).
En régime de conduction établi, le courant qui circule
entre son
émetteur et son collecteur est de 2 A, et la tension de
saturation Vce
(tension min entre émetteur et collecteur) est de 0,5 V. Lorsque
le
transistor est bloqué, on retrouve une tension de 12 V entre
émetteur et
collecteur, et un courant négligeable et considéré
comme nul circule
entre ces deux électrodes. La formule adaptée à
notre situation est la
suivante :
Pd = (Ue - Us) * Is
dans laquelle on peut dire que Ue
correspond à la tension de collecteur du transistor et que Us
correspond à la tension présente sur son émetteur.
Le courant Is est le
courant de 2 A circulant dans le transistor et dans l'ampoule. Nous
pouvons donc dire que la puissance maximale que le transistor devra
dissiper en continu est :
Pd = 0,5 * 2 = 1 W
La température
maximale de jonction du transistor (Tj), qui est
spécifiée par le
fabricant, est de 150 °C. Toujours selon la documentation du
fabricant, la résistance thermique entre la jonction du
transistor et
l'air ambiant (Rth) est de 100 °C/W.
Est-il possible d'utiliser ce
transistor sans radiateur, et si oui, jusqu'à quelle
température
ambiante celà est-il permis ? Tournons la formule
déjà utilisée
quelques lignes auparavant pour pouvoir déterminer la
température
ambiante maximale :
Pd
= (Tj -
Ta) / Rth
peut aussi s'écrire de la façon suivante :
Ta = Tj - (Pd * Rth)
ce qui nous donne :
Ta = 150 - (1 * 100)
Ta = 50 °C
On
en déduit donc que le fonctionnement du montage est possible
tant que
la température ambiante ne dépasse pas 50 °C. Encore
une fois, cette
température peut paraître élevée, et il est
vrai que si le montage est
à l'air libre, son fonctionnement en environement "normal" ne
posera
pas de problème. Par contre, une fois mis en boitier, il peut en
être
autrement. Il est donc conseillé de mettre un petit radiateur.
Exemple 4
Cette
fois, nous voulons utiliser un amplificateur BF intégré
de puissance de
type LM3886. Contrairement aux trois exemples précédents,
la
consommation du montage va varier dans de grandes proportions car elle
dépendra du signal sonore amplifié. Dans ce genre de
situation, il est
préférable de prendre comme base de calcul, les valeurs
maximales que
l'on peut rencontrer, plutôt que d'essayer d'établir une
"moyenne". Car
il va de soi que si tout fonctionne bien ou est juste à la
limite du
bon fonctionnement avec les valeurs maximale, alors tout ne pourra
qu'aller bien en utilisation normale (avec une source musicale autre
qu'un signal fixe de 1000 Hz), même en "poussant à fond".
C'est une
façon comme une autre de définir une marge de
sécurité. Le
LM3886 est capable, selon son fabricant, de supporter une puissance
dissipée (Pd) de 125 W à une température ambiante
de 25 °C, pour une
température de jonction de 150 °C. La puissance
dissipée par le circuit
intégré amplificateur dépend de la
tension d'alimentation, de l'impédance de la charge de sortie
(haut-parleur) et de la puissance électrique
délivrée au HP. Il faut
donc fixer certaines choses avant de continuer, ce que nous allons
faire : disons que l'alimentation utilisée (de type
symétrique)
est de
+/-28 V, et que le HP présente une impédance de 4 ohms.
Dans ces
conditions, le circuit LM3886 est en mesure de dissiper une puissance
maximale (Pd) de 42 W. Si l'on veut que la température de
jonction (Tj)
reste inférieure à 150 °C pour une température
ambiante (Ta) de 25 °C,
nous devons utiliser un radiateur dont la résistance thermique
(Rth)
est de :
Rth
= (Tj -
Ta)
/ Pd
Rth = (150 - 25) / 42
Rth = 2,9 °C/W
Mais... nous
avons oublié ici une composante de la résistance
thermique totale, qui
est celle du boitier du LM3886 lui-même, et qui vaut 1
°C/W. La
résistance thermique du radiateur doit donc être en fait,
de 2,9
°C/W - 1 °C/W, soit 1,9 °C/W. En pratique, un
radiateur de 3 °C/W
pourra convenir, mais vous pouvez alors vous attendre à ce que
le
circuit se mette en protection thermique (coupure du son en
sortie) si vous le faites tourner à plein régime pendant
longtemps.
Pour finir, n'oubliez pas de placer un isolant entre le boitier du CI
et le radiateur, si vous souhaitez en utiliser deux (application
stéréo) sur le même système de
refroidissement... Isolant qui va
apporter sa propre résistance thermique, qui obligera donc
à prendre un
radiateur présentant une résistance thermique
inférieure à celle
calculée. Ce n'est pas compliqué, il faut juste y
penser.
Différentes unités pour Rth ? (°C/W ou K/W ?)
On
trouve dans les caractéristiques affichées par les revendeurs ou
dans les documents techniques, une unité de résistance thermique
parfois exprimée en °C, parfois exprimée en K/W. Si on compare les
valeurs affichées pour différents dissipateurs thermiques de taille
similaire, on s'aperçoit que les valeurs de résistance thermique sont
similaires, qu'elles soient exprimées en °C/W ou en K/W. En fait, il
s'agit bien de la même chose :
°C/W = degré Celcius par watt
K/W = Kelvin par watt
Comme
ces unités font toutes deux référence à une différence de température
(°C ou K) liée à une quantité d'énergie dissipée dans une unité de
temps (W), on a droit à une belle égalité :
Delta(1 K) = Delta(1 °C)
Si vous recherchez un dissipateur thermique de résistance thermique 1 °C/W, un dissipateur thermique marqué 1 K/W conviendra ;-)
Oulà, le radiateur que j'ai calculé est vraiment
énorme !
Peut-être que le composant qui chauffe et que vous souhaitez
refroidir n'est-il pas adapté à l'application
envisagée. Il est probable que sa résistance thermique
boîtier-air soit trop élevée, et qu'une surface de
refroidissement vraiment conséquente soit alors
nécessaire. S'il
s'agit d'un transistor, pensez à un modèle plus gros, ou
à plusieurs composants montés en parallèle pour
répartir la puissance totale. S'il s'agit d'un régulateur
de tension, 7812 en boitier TO220 par exemple, pensez à un
remplaçant 7812 en boitier TO3, dont le courant maximal
sera peut-être le même, mais dont le boîtier
présentera une résistance thermique plus faible, du fait
de la présence d'une semelle métallique de taille plus
grande.
Quel type de radiateur choisir?
En électronique, la plupart des radiateurs que vous trouverez
sont en aluminium anodisé noir. Certains sont
prépercés, d'autres sont bruts de fonderie.

(cliquez pour agrandir)
Il est bien
sûr plus pratique d'opter pour un modèle
prépercé qui pourra servir aussitôt acheté,
si le composant à refroidir est doté d'un
ou plusieurs trous de fixation. Les modèles non
percés sont préférés quand il s'agit de
découper le radiateur à une dimension qui n'existe pas
toute faite dans le
commerce. Les différents modèles disponibles
présentent tous une caractéristique commune qui ne
devrait plus vous faire peur, et qui est la résistance
thermique, notée Rth. Pour rappel,
cette résistance thermique est exprimé en °C/W et
représente l'élévation de température pour
chaque Watt dissipé. Plus le radiateur est petit, et plus sa
résistance thermique est élevée (moins ça
va refroidir). Voici ci-dessous quelques exemples de dissipateurs
thermiques.
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Radiateur pour
boitier TO5
(transistor 2N2219 par exemple), modèle ML61, Rth = 55°C/W |
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Radiateur pour
boitier TO5
(transistor 2N2219 par exemple), modèle CO180,
Rth = 28°C/W. Au vu de la résistance thermique de ce
radiateur, on voit tout de suite que le refroidissement sera meilleur
qu'avec le ML61, présenté juste avant. |
 |
Radiateur pour
boitier T0220
(triac type TIC226 ou régulateur de tension type LM7805 par
exemple), modèle ML24, Rth =
17°C/W. Modèle assez typique et très utilisé. |
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Radiateur pour
boitier TO3
(2N3055 par exemple), modèle ML25 simple, Rth = 2,4°C/W |
 |
Radiateur pour deux boitier TO3
(2N3055 par
exemple), modèle ML25 double, Rth = 2,4°C/W |
Remarques :
- La valeur de la résistance thermique des (gros)
radiateurs à ailettes est parfois spécifiée pour
un montage vertical, cette valeur peut être différente
quand le radiateur
est monté horizontalement
(légèrement plus élevée).
- Certains constructeurs spécifient deux valeurs de
résistance thermique pour leurs composants : valeur sans
radiateur et valeur avec radiateur. Parfois, deux valeurs sont
spécifiées pour présence de radiateur : avec
graisse thermique, et sans graisse (pour cette histoire de graisse,
voir un peu plus loin). Soyez curieux, et regardez la différence
entre ces différentes valeurs...
Et le cuivre ?
On trouve aussi effectivement des radiateurs en cuivre, voire
moitié cuivre moitié aluminium. Jetez un oeil sur les
radiateurs pour PC vendus par le fabricant Zalman, permettant de
refroidir les processeurs sur carte mère (CPU) ou processeurs
de cartes graphiques (GPU). Le cuivre présente une
caractéristique de transfert thermique un peu meilleure que
celle de l'aluminium, mais est aussi un peu plus cher. On pourrait
penser que le choix du cuivre est la meilleure direction à
prendre, mais le jeu n'en vaut toujours pas la chandelle. En tout cas,
rien n'interdit de consulter les forums spécialisés pour
voir ce qu'il s'y dit.
Exemples d'utilisation d'un radiateur

|
Petit radiateur
monté sur
un transistor type TO5, pour une dissipation de puissance de l'ordre de
2 W
|

|
Gros radiateur
permettant le
refroidissement d'une charge résistive de 50 ohms, pour une
dissipation de puissance de 400 W (utilisation en HF).
|
Déterminer la résistance thermique d'un radiateur
Vous disposez d'un radiateur dont les caractéristiques
techniques vous sont totalement inconnues. S'agit-il d'un modèle
2°C/W ou d'un modèle 40°C/W ? Bien sûr, la taille
du radiateur permet déjà de se faire une idée (un
modèle miniature ne peut pas être un 1 °C/W), mais il
peut être bigrement interressant d'en savoir plus... Pour
être franc avec vous, je ne connaissais pas de méthode
particulière, avant qu'un internaute (Jean-Guy, que je remercie
au passage) ne me propose la sienne :
"
Perso, je me sers d'un
transistor de
puissance (TO-220) monté en régulateur de tension. C'est
un montage archi connu : le transistor est alimenté sur sa base
par un ampli-op qui prélève une partie de la tension de
sortie.... Ca me permet de fournir une puissance stable au transistor.
Le transistor est monté sur le dissipateur à
étudier. Je fournie de la puissance au transistor. Lorsque la
température du radiateur se stabilise, je prend mes mesures puis
: Rth = Tth - Ta / P".
La formule donnée dans la citation qui précède est
la même que celle énoncée en début
d'article, sauf que Tth et Ta s'appellent respectivement T1 et T2 :
Rth
= (T1 -
T2)
/ P
où Rth est la résistance thermique du radiateur que l'on
cherche à déterminer,
T1 la température du radiateur,
T2 la température ambiante
et P la puissance dissipée par le transistor.
Le montage auquel Jean-Guy fait allusion est un montage de ce type :
Le transistor Q1 est celui qui permet de "chauffer" le radiateur. La
résistance RL est la résistance de charge qui permet
à l'alimentation de débiter un courant fixe et bien
précis (si on n'utilise pas une charge résistive
parfaitement connue, le calcul de la résistance thermique du
radiateur risque d'être fort difficile). Par exemple 900 mA sous
9 V, si RL vaut 10 ohms. Le fonctionnement de ce régulateur est
décrit à la page
Alimentation
ajustable 007. Prenons maintenant un exemple pratique. Vous
disposez d'un radiateur de taille moyenne doté d'un unique trou.
Visiblement non prévu pour un boitier TO3, vous décidez
d'utiliser un transistor en boitier TO220, qu'il sera pratique de fixer
(sans isolant et avec graisse thermique de préférence,
voir plus loin pourquoi). Vous mettez donc en oeuvre le montage
proposé ci-avant, avec un TIP122 monté sur le radiateur
(le TIP122 est un transistor darlignton mais convient aussi tout
à fait). Vous cablez la charge (résistance de 10 ohms /
10 watts) et ajustez la tension de sortie à 6V. De cette
façon, la tension aux bornes du transistor de puissance (entre
émetteur et collecteur) est de 6V (12 V en entrée - 6 V
en sortie). La tension de sortie de 6V appliquée à la
résistance RL de 10 ohms occasionne un courant de sortie de 600
mA (I = U / R). Le transistor dissipe donc une puissance de 3,6 W (6 V
* 0,6 A). Vous laissez le montage se stabiliser en température,
ce qui peut prendre un peu de temps (entre dix minutes et une heure
selon puissance dissipée et taille du radiateur). Vous mesurez
la température du
radiateur (il faut un thermomètre à point de contact
efficace ou un thermomètre à infrarouge) et vous
appliquez la formule précédente. Si par exemple la
température ambiante est de 21 °C et que la
température du radiateur s'est stabilisée à 43
°C, vous pouvez évaluer la résistance thermique du
radiateur à :
Rth
=
(43 - 21) / 3,6 =
6,6
°C/W
Remarque :
pour un même
radiateur et même transistor de puissance, vous pouvez trouver
une résistance thermique légèrement
différente selon la puissance dissipée. Mais vous aurez
toujours une bonne idée de ce que le radiateur vaut, à
condition bien sûr que la fixation des deux élements ne
soit pas trop lache...
Utilisation du mica
Le mica est parfois utilisé pour isoler la semelle du composant
du
radiateur, dans le cas par exemple où plusieurs composants
à refroidir
se partagent le même radiateur, et que les semelles de ces
composants
doivent être isolées entre elles (la semelle metallique
d'un transistor
ou d'un triac peut être reliée à l'une des
électrode du composant). Excellent pour l'isolation
électrique, le mica se présente cependant comme un
sérieux frein au transfert thermique. Il faut éviter au
maximum l'emploi de rondelle ou plaquette mica pour limiter les pertes
de transfert thermique. Pour cette raison, il est
préférable d'utiliser des composants dont la semelle
métallique est entièrement isolée. Ou de mettre en
place plusieurs radiateurs isolés entre eux, si les composants
avec semelle isolée ne sont pas disponibles. Si vraiment
l'emploi d'un seul radiateur est impératif et que la semelle des
composants utilisés n'est pas isolée, il faudra
prévoir une surface de refroidissement supérieure pour
compenser les pertes liées à la présence du mica.
Et pensez à ajouter de la graisse thermique sur les deux faces
de l'isolant en mica, pour améliorer un peu les choses. Ah, un
détail : si vous voulez utiliser un isolant en mica, pensez
aussi à utiliser un canon isolant pour les vis de fixation, ou
utilisez des vis en nylon...
Utilisation de graisse thermique
La graisse thermique, aux silicones ou à l'argent, permet
d'améliorer considérablement le transfert thermique entre
le composant et son radiateur. Les surfaces à mettre en regard
(composant qui chauffe et radiateur) ne sont en effet jamais
parfaitement planes et parfois même plutôt rugueuses, et il
subsiste en divers endroits, des petites zones
d'air lorsqu'on assemble les deux pièces. Or, l'air est un frein
à l'échange thermique. L'usage d'un peu de graisse entre
les deux pièces permet d'augmenter la surface d'échange
effective, et est très fortement
recommandé pour les transistors de puissance ou pour les
circuits intégrés pouvant dissiper beaucoup de chaleur
(amplis BF intégrés, microprocesseurs d'ordinateurs
récents). Il est important
de noter que d'en mettre trop peut être néfaste à
l'échange thermique, il faut mettre la juste dose (on peut
utiliser une épingle mise à plat ou le bord d'une carte
téléphonique pour étaler la pate en une mince
couche).
Utilisation de joints silicone
Il existe aussi des joints silicone souples, isolants d'un point de vue
électrique mais conducteurs d'un point de vue thermique. Ce type
de joint se veut plus pratique et moins "sale" que la graisse silicone,
et moins fragile
que le mica. La photo ci-dessous montre un exemple de tels joints,
spécialement adaptés aux boitiers de type TO3.
Temps de réactivité pour le transfert thermique
Un radiateur correctement dimensionné ne protegera pas forcement
le composant contre toute "surcharge très importante". Le
transfert thermique de la jonction du composant vers le radiateur
demande en effet un certain temps, pendant lequel la jonction doit
supporter l'élevation de température. Ce temps
dépend en partie de la masse du radiateur, et est lié au
fait que la surface de refroidissement doit absorber une certaine
quantité de chaleur avant d'atteindre le point de stabilisation.
Vous pouvez assimiler ce phénomène, appelé
capacité thermique, à une cellule passe-bas
constitué d'une résistance et d'un condensateur, et
où le condensateur met un certain temps avant que la tension
à ses bornes n'atteigne la tension de charge, à cause de
la résistance mise en série avec lui.
Pas assez de place pour mettre un radiateur...
Il existe des situations où la mise en place d'un radiateur est
impossible. Dans le domaine HF (Haute Fréquences) par exemple,
il peut arriver que l'on ait recours à un composants de
très petite taille qui chauffe beaucoup (un petit amplificateur
monolitique par exemple). Le composant, de par sa petite taille
(diamètre de 2 ou 3 mm), ne permet pas la pose d'un radiateur,
et de plus le domaine d'utilisation impose que tous les composants
autour soient très proches. Dans ce cas, que faire ?
Premièrement, prévoir une surface de cuivre plus
importante pour les pattes du composant, l'évacuation de la
chaleur en sera facilité. Il va de soi que le dessin de cette
surface "additionnelle" devra se faire en suivant les règles
d'usage en HF, et il faudra tenir compte de la plus forte
capacité parasite engendrée par cette augmentation de
surface de cuivre. Deuxièmement, prévoir une
aération suffisante. Si le composant doit se retrouver dans une
enceinte close (blindage HF) pour raison de CEM ou de protection avec
d'autres circuits proches, cela va être difficile. Essayez tout
de même de faire quelques trous dans le dessus du blindage, dont
le diamètre pourra être calculé en fonction des
fréquences mises en jeux. Si la présence de trous est
vraiment impossible, ventiler le boitier avec un ventilateur.
Troisièmement, imposer un espace libre au dessus de
l'équipement afin de laisser circuler librement l'air. Si ces
quelques conseils ne peuvent être suivis, je suis
désolé, mais votre montage ne fonctionnera sans doute pas
très longtemps.
Conclusion
J'espère que les quelques formules mathématiques
énoncées ici ne
vous ont pas trop barbées. Il est des cas où les formules
sont
indispensables, surtout quand on veut fabriquer quelque chose de
fiable. Si vous concevez un montage ou si vous en réalisez
un conçu par un autre, et que vous constatez qu'un
élement chauffe exagérement (que vous pouvez à
peine
laisser le doigt dessus), pensez tout de suite à
deux choses : soit il y a un vrai problème (panne), soit
tout va bien et vous devez juste ajouter un radiateur. La pratique et
le "nez" peuvent bien sûr permettre de
sentir le type de radiateur à utiliser, mais le
côté "scientifique" de la chose est tout de même
assez interressant aussi, non ?