Loi d'Ohm thermique

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Un composant de puissance disposé sur un dissipateur

Transistor en boîtier plastique et dissipateur adapté ; le transistor est accolé au dissipateur grâce à la vis

La loi d'Ohm thermique permet de calculer la température de jonction T_J des éléments semi-conducteurs (diodes, transistors divers, thyristors, triacs, etc.).

Tj = Ta + P.Rthja
où Ta est la température ambiante, P la puissance dissipée par l'élément semi-conducteur et Rthja la résistance thermique jonction-ambiance.

Les éléments de puissance (diodes, transistors, thyristors) sont généralement montés sur des dissipateur thermiques, qui favorisent l'évacuation des pertes produites. Il est généralement prévu un isolant (feuille de mica, de matériau composite, etc.) de façon à isoler électriquement le semiconducteur du dissipateur. Dans ce cas, la résistance thermique jonction-ambiance est la somme de trois termes :

• la résistance thermique jonction-boîtier R_thJB ; celle-ci est donnée par le constructeur ;
• la résistance thermique boîtier-dissipateur R_thBR ; elle dépend de la présence ou non d'un isolant ;
• la résistance thermique dissipateur-ambiance R_thRA ; celle-ci dépend de la taille et du type de dissipateur (simple plaque, dissipateur à ailettes, etc.), de sa couleur (noire, argentée), de sa position (horizontale, verticale), de son mode de refroidissement (convection naturelle ou forcée, circulation d'eau, etc.).

Quelques ordres de grandeur

R_thJA pour des transistors utilisés sans dissipateur : 200 à 500 °C/W pour boîtiers TO-18 (petit boîtier cylindrique, métallique) et TO-92 (petit boîtier cylindrique, plastique), 100 à 200 pour TO-39 / TO-5^[1] (boîtier moyen cylindrique, métallique), 85 à 150 pour TO-126^[1] (boîtier plat, plastique), 60 à 80 pour TO-220^[1] (boîtier plat, plastique avec une patte cuivrée pour améliorer le transfert de chaleur, cf. le transistor de l'illustration), 30 à 40 pour TO-3^[1] (boîtier ovale, métallique).

R_thJB pour des transistors utilisés avec dissipateur : 175 °C/W pour TO-18, 80 à 90 pour le TO-92, 20 à 30 pour TO-39, 5 à 6 pour TO-126, 2 à 4 pour TO-220, 1 à 2 pour TO-3.

R_thBR pour des transistors en boîtier TO-3 : 0,25 °C/W à sec, sans isolant^[2] ; 0,15 sans isolant mais avec graisse de silicone^[2] ; 0,35 avec isolant mica et graisse de silicone^[3].

R_thRA pour dissipateur typique avec 8 ailettes de chaque côté et une longueur de 10 cm : entre 1 et 1,75 °C/W selon la puissance dissipée, en convection naturelle ; la Rth peut descendre à 0,4 °C/W si l'on utilise une ventilation forcée, selon la vitesse de l'air.

Exemples

Exemple 1 : température de la jonction en fonction du dissipateur

Soit un régulateur de tension de « 5 V » délivrant au circuit qu'il alimente un courant de 2,5 A. La tension moyenne à l'entrée du régulateur vaut 8 V. Le régulateur est monté dans un boîtier TO-3, caractérisé par une résistance thermique de 1,5 °C/W ; il est monté sur un dissipateur de R_thRA de 5 °C/W et isolé électriquement par une feuille de mica enduite de graisse de silicone ; la R_thBR est dans ce cas égale à 0,4 °C/W. Quelle va être la température de la jonction du transistor de puissance du régulateur à 25 °C de température ambiante ?

Puissance dissipée dans le régulateur : I × (différence de potentiel entre l'entrée et la sortie du régulateur), soit 7,5 W.

La loi d'Ohm thermique donne donc T_J = T_A + [I (V_out - V_in) × R_thJA] = 25 + 7,5 × (1,5 + 0,4 + 5) = 76,75 °C.

Exemple 2 : dimensionnement d'un dissipateur

Un régulateur de tension « 5V » fournit 1 A et est alimenté par une pile de 7 V. La résistance thermique jonction-ambiante R_thJA est de 65 °C/W et la résistance thermique jonction-boîtier R_thJB est de 5 °C/W. Le dissipateur devra avoir une résistance thermique maximale de :

R_thRA = [(T_J - T_A) / P ] - R_thJB

En choisissant comme température maximale de jonction 100 °C et comme température ambiante maximale 30°C, on trouve :

R_thRA = (100 °C - 30 °C) / [1 A × (7 V - 5 V)] - 5 °C/W = 30 °C/W

Remarque

Souvent la puissance dissipée est due à l'effet Joule. Une chute de potentiel aux bornes d'une résistance (ou d'un élément qui se comporte de la même façon) provoque une dissipation de puissance :

$P = R \cdot I^2 [W]$

Notes et références

1. ↑ ^{a, b, c et d} Transistors de puissance, Thomson CSF - Sescosem, 1975, p. 75
2. ↑ ^{a et b} Transistors de puissance, Thomson CSF - Sescosem, 1975, p. 77
3. ↑ Transistors de puissance, op. cit., p. 81

Annexes

Articles connexes

• Transfert thermique
• Georg Ohm

Liens externes

• [PDF] Haute École d'ingénierie et de gestion du canton de Vaud, Électronique de puissance - Modélisation thermique des composants de puissance
• Comment calculer le radiateur