Dissipateur thermique :
refroidir les composants électroniques

by S.B

Les composants électroniques chauffent et doivent être refroidis afin de ne pas être détruit.
La température maximale est appelée : température de jonction TJ (jonction PN des semi conducteurs)
Un dissipateur en métal est ajouté sur le composant afin d'évacuer la chaleur.
Le choix du dissipateur se fait en calculant sa résistance thermique : RthJA
La formule utilisée est appelée : loi d'ohm thermique

Méthode de calcul :

Remarque : La documentation technique des composants fournit les valeurs de RthJA, RthJC et TJmax

Exemple de dissipateur

Méthode : calcul d'un dissipateur pour tous types de composant

Faire un schéma
Flêcher le courant entrant et sortant du composant
Flêcher les tensions aux bornes du composant
Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = (Us - Ue ) x I
Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA
Calculer TJ = ?
Si TJ > T Jmax alors il faut refroidir
Option 1 : sans pâte thermique (RthCD = 0 )

Faire un schéma thermique
Appliquer la loi d'ohm thermique et calculer RthDA
RthDA = [(TJ - TA)/PD] - RthJC

Option 2 : avec pâte thermique (RthCD non nul)

Faire un schéma thermique
Appliquer la loi d'ohm thermique et calculer RthDA
RthDA = [(TJ - TA)/PD] - RthJC - RthCD

Exemples : A vous de jouer, entraînez vous...

Exemple 1 : calcul d'une température de jonction d'un R.I.T.

Faire un schéma
Flêcher le courant entrant et sortant du composant
Flêcher les tensions aux bornes du composant
Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = (Us - Ue ) x I = (9 - 5)x 0,5 = 2 W
Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA
Calculer TJ = 50 x 2 + 45 = 145°C on prend Tambiante = 45°C max
Comme TJ < T Jmax (150°C) alors INUTILE de refroidir

Exemple 2 : calcul d'un dissipateur pour R.I.T.

Faire un schéma
Flêcher le courant entrant et sortant du composant
Flêcher les tensions aux bornes du composant
Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = (Us - Ue ) x I = (12 - 5)x 2 = 14 W
Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA
Calculer TJ = 50 x 14 + 45 = 745°C
Comme TJ > T Jmax (150°C) alors OBLIGATION de refroidir
On calcul Rthca afin de choisir le dissipateur
pour cela on refait la loi thermique en incluant le dissipateur Rthca
soit : Tj - Ta = Pd x (Rthjc + Rthcd + Rthda) on néglige le Rthcd (graisse thermique)
donc : Rthda = (Tj-Ta)/Pd - Rthjc = (150-45)/14 - 3 = 4,5 °C/W
On choisit un dissipateur avec Rthda INFERIEUR ou EGAL à 4,5°C/Ww

Exemple 3 : calcul d'une température de jonction d'un transistor MOS

Faire un schéma
Flêcher le courant entrant et sortant du composant (ici Q4 NMOS)
Flêcher les tensions aux bornes du composant
Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = VDS x ID = 8 x 2 = 16 W
Ecrire la loi d'ohm thermique :
TCH = (RthCH_A x P ) + TA
Calculer TCH = 125 x 16 + 45 = 2045°C avec Tambiant = 45°C
Comme TCH > T CHmax alors OBLIGATION de refroidir

Exemple 4 : calcul d'une température de jonction d'un transistor bipolaire

Faire un schéma
Flêcher le courant entrant et sortant du composant
Flêcher le courant entrant et sortant du composant (ici Q3 BDX53)
Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = VCE x IC = 2 x 3 = 6 W (on néglige Ib)
Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA = (50 x 6) + 45
Calculer TJ = 345°C
Comme TJ > T Jmax alors on calcul le dissipateur RthDA
Ecrire la loi d'ohm thermique incluant le dissipateur: Tj - Ta = Pd x (RthJC + RthCD + RthDA) on prend Rthcd=0.5°C/W
On calcul RthDA = (Tj - Ta)/ Pd - (RthJC + RthCD)
Donc RthDA= 15°C/W ceci est une valeur maximale on peut donc prendre moins !

Dissipateur thermique : refroidir les composants électroniques

FORMULE de la loi d'ohm thermique est

TJ - TA = RthJA x P à dissiper avec T en °C , Rth en °C/W , P en W (Watt)

Méthode de calcul :

1. Calculer la puissance à dissiper par le composant

2. Déterminer si il faut refroidir en calculant TJ sans dissipateur

3. Calculer RthDA (Rthermique dissipateur - air ambiant )

4. Choisir dans la doc. le dissipateur avec un RthDA plus petit ou égal

Remarque : La documentation technique des composants fournit les valeurs de RthJA, RthJC et TJmax

Exemple de dissipateur

Méthode : calcul d'un dissipateur pour tous types de composant

Faire un schéma

Flêcher le courant entrant et sortant du composant

Flêcher les tensions aux bornes du composant

Calculer la puissance dissipée par le composant : P = (Us - Ue ) x I

Ecrire la loi d'ohm thermique : TJ = (RthJA x P ) + TA

Calculer TJ = ?

Si TJ > T Jmax alors il faut refroidir

Option 1 : sans pâte thermique (RthCD = 0 )

Faire un schéma thermique

Appliquer la loi d'ohm thermique et calculer RthDA

RthDA = [(TJ - TA)/PD] - RthJC

Option 2 : avec pâte thermique (RthCD non nul)

Faire un schéma thermique

Appliquer la loi d'ohm thermique et calculer RthDA

RthDA = [(TJ - TA)/PD] - RthJC - RthCD

Exemples : A vous de jouer, entraînez vous...

Exemple 1 : calcul d'une température de jonction d'un R.I.T.

Faire un schéma

Flêcher le courant entrant et sortant du composant

Flêcher les tensions aux bornes du composant

Calculer la puissance dissipée par le composant : P = (Us - Ue ) x I = (9 - 5)x 0,5 = 2 W

Ecrire la loi d'ohm thermique : TJ = (RthJA x P ) + TA

Calculer TJ = 50 x 2 + 45 = 145°C on prend Tambiante = 45°C max

Comme TJ < T Jmax (150°C) alors INUTILE de refroidir

Exemple 2 : calcul d'un dissipateur pour R.I.T.

Faire un schéma

Flêcher le courant entrant et sortant du composant

Flêcher les tensions aux bornes du composant

Calculer la puissance dissipée par le composant : P = (Us - Ue ) x I = (12 - 5)x 2 = 14 W

Ecrire la loi d'ohm thermique : TJ = (RthJA x P ) + TA

Calculer TJ = 50 x 14 + 45 = 745°C

Comme TJ > T Jmax (150°C) alors OBLIGATION de refroidir

On calcul Rthca afin de choisir le dissipateur

pour cela on refait la loi thermique en incluant le dissipateur Rthca

soit : Tj - Ta = Pd x (Rthjc + Rthcd + Rthda) on néglige le Rthcd (graisse thermique)

donc : Rthda = (Tj-Ta)/Pd - Rthjc = (150-45)/14 - 3 = 4,5 °C/W

On choisit un dissipateur avec Rthda INFERIEUR ou EGAL à 4,5°C/Ww

Exemple 3 : calcul d'une température de jonction d'un transistor MOS

Faire un schéma

Flêcher le courant entrant et sortant du composant (ici Q4 NMOS)

Flêcher les tensions aux bornes du composant

Calculer la puissance dissipée par le composant : P = VDS x ID = 8 x 2 = 16 W

Ecrire la loi d'ohm thermique : TCH = (RthCH_A x P ) + TA

Calculer TCH = 125 x 16 + 45 = 2045°C avec Tambiant = 45°C

Comme TCH > T CHmax alors OBLIGATION de refroidir

Exemple 4 : calcul d'une température de jonction d'un transistor bipolaire

Faire un schéma

Flêcher le courant entrant et sortant du composant

Flêcher le courant entrant et sortant du composant (ici Q3 BDX53)

Calculer la puissance dissipée par le composant : P = VCE x IC = 2 x 3 = 6 W (on néglige Ib)

Ecrire la loi d'ohm thermique : TJ = (RthJA x P ) + TA = (50 x 6) + 45

Calculer TJ = 345°C

Comme TJ > T Jmax alors on calcul le dissipateur RthDA

Ecrire la loi d'ohm thermique incluant le dissipateur: Tj - Ta = Pd x (RthJC + RthCD + RthDA) on prend Rthcd=0.5°C/W

On calcul RthDA = (Tj - Ta)/ Pd - (RthJC + RthCD)

Donc RthDA= 15°C/W ceci est une valeur maximale on peut donc prendre moins !

Exercices : Exercez vous ...

Exercice 1 : Calcul de la température de jonction

On donne : VIN = V. VOUT = V. IOUT = A. Calculer la température de jonction avec les valeurs données à Tambiante= 40°C : TJ = °C.

Exercice 2 : Calcul d'une résistance thermique

On donne : VIN = V. VOUT = V. IOUT = A. Calculer la résistance thermique RthDAd'un dissipateur afin de limiter TJ à TJMAX (pour Tambiante=40°C): RthDA = °C/W.

Dissipateur thermique :
refroidir les composants électroniques

Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = (Us - Ue ) x I

Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA

Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = (Us - Ue ) x I = (9 - 5)x 0,5 = 2 W

Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA

Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = (Us - Ue ) x I = (12 - 5)x 2 = 14 W

Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA

Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = VDS x ID = 8 x 2 = 16 W

Ecrire la loi d'ohm thermique :
TCH = (RthCH_A x P ) + TA

Calculer la puissance dissipée par le composant :
P = VCE x IC = 2 x 3 = 6 W (on néglige Ib)

Ecrire la loi d'ohm thermique :
TJ = (RthJA x P ) + TA = (50 x 6) + 45

On donne :

V_IN = V.

V_OUT = V.

I_OUT = A.

Calculer la température de jonction avec les valeurs données à T_ambiante= 40°C :
T_J = °C.

On donne :

V_IN = V.

V_OUT = V.

I_OUT = A.

Calculer la résistance thermique R_thDAd'un dissipateur afin de limiter T_J à T_JMAX (pour T_ambiante=40°C):
R_thDA = °C/W.