Loi d'Ohm thermique

La loi d'Ohm thermique sert à calculer la température de jonction T J des éléments semi-conducteurs.



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Théorie électrique - Loi en physique - Transfert thermique

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 sert à calculer la température de jonction TJ 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 le plus souvent montés sur des dissipateur thermiques, qui facilitent l'évacuation des pertes produites. Il est le plus souvent prévu un isolant (feuille de mica, de matériau composite, etc. ) de manière à isoler électriquement le semiconducteur du dissipateur. Dans ce cas, la résistance thermique jonction-ambiance est la somme de trois termes :

Quelques ordres de grandeur

RthJA 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 perfectionner le transfert de chaleur, cf. le transistor de l'illustration), 30 à 40 pour TO-3[1] (boîtier ovale, métallique).

RthJB 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.

RthBR pour des transistor 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].

RthRA 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 on utilise une ventilation forcée, selon la vitesse de l'air.

Exemples

Exemple 1 : température de la jonction selon le 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 RthRA de 5 °C/W et isolé électriquement par une feuille de mica enduite de graisse de silicone ; la RthBR 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 par conséquent TJ = TA + [I (Vout - Vin) × RthJA] = 25 + 7, 5 × (1, 5 + 0, 4 + 5) = 76, 75 °C.

Exemple 2 : dimensionnement d'un dissipateur

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

RthRA = [ (TJ - TA) / P ] - RthJB

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

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

Remarque

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

 P = R \cdot Iˆ2   [W]

Notes et références

  1. Transistors de puissance, Thomson CSF - Sescosem, 1975, p.  75
  2. Transistors de puissance, Thomson CSF - Sescosem, 1975, p.  77
  3. Transistors de puissance, op.  cit. , p.  81

Annexes

Liens externes

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