Chaque composant électrique et électronique dans un circuit génère une certaine quantité de chaleur tandis que le circuit est exécuté en fournissant une alimentation électrique. Dispositifs semi-conducteurs de puissance généralement élevée comme transistors de puissance et l'électronique opto telle que diodes électroluminescentes , les lasers génèrent de la chaleur en quantités considérables et ces composants sont insuffisants pour dissiper la chaleur, car leur capacité de dissipation est significativement faible.
Pour cette raison, l'échauffement des composants entraîne une défaillance prématurée et peut entraîner une défaillance de l'ensemble du circuit ou des performances du système. Ainsi, pour vaincre ces aspects négatifs, des dissipateurs de chaleur doivent être prévus à des fins de refroidissement.
Qu'est-ce qu'un dissipateur de chaleur?
Dissipateur de chaleur
Le dissipateur de chaleur est un composant électronique ou un appareil d'un circuit électrique qui disperse la chaleur d'autres composants (principalement des transistors de puissance) d'un circuit dans le milieu environnant et les refroidit pour améliorer leurs performances, leur fiabilité et évite également la défaillance prématurée des composants. Pour le refroidissement, il intègre un ventilateur ou un dispositif de refroidissement.
Principe du dissipateur de chaleur
La loi de Fourier de la conduction thermique stipule que si un gradient de température est présent dans un corps, la chaleur sera transférée d'une région à haute température à une région de température permise.Et, cela peut être réalisé de trois manières différentes, telles que convention, rayonnement et conduction.
Principe du dissipateur de chaleur
Chaque fois que deux objets avec une température différente entrent en contact l'un avec l'autre, la conduction se produit, provoquant la collision des molécules à déplacement rapide de l'objet à haute chaleur avec les molécules à déplacement lent des objets plus froids, et ainsi, transfère l'énergie thermique à l'objet plus froid. , et ceci est appelé conductivité thermique.
De même, le dissipateur thermique transfère la chaleur ou l'énergie thermique d'un composant à haute température vers un milieu à basse température comme l'air, l'eau, l'huile, etc. Habituellement, l'air est utilisé comme milieu à basse température et, si l'eau est utilisée comme milieu, alors il est appelé plaque froide.
Types de dissipateurs de chaleur
Les dissipateurs thermiques sont classés en différentes catégories en fonction de différents critères. Considérons les principaux types, à savoir les dissipateurs de chaleur actifs et les dissipateurs de chaleur passifs.
Types de dissipateurs de chaleur
Dissipateurs de chaleur actifs
Ceux-ci sont généralement de type ventilateur et utilisent l'énergie à des fins de refroidissement. Ils peuvent également être appelés dissipateur de chaleur ou ventilateurs. Les ventilateurs sont en outre classés comme type de roulement à billes et type de roulement à manchon. Les ventilateurs de moteur à roulement à billes sont préférés car leur durée de travail est plus longue et ils sont moins chers lorsqu'il s'agit d'une utilisation à longue portée.Les performances de ce type de dissipateur thermique sont excellentes, mais pas pour les applications à long terme car sont aussi un peu chers.
Dissipateurs de chaleur passifs
Ceux-ci ne possèdent aucun composant mécanique et sont constitués de radiateurs à ailettes en aluminium. Ceux-ci dissipent l'énergie thermique ou la chaleur en utilisant le processus de convection. Ceux-ci sont plus fiables que les dissipateurs de chaleur actifs et, pour un fonctionnement efficace des dissipateurs de chaleur passifs, il est recommandé de maintenir un flux d'air continu à travers leurs ailettes.
Dissipateur de chaleur en aluminium
Les dissipateurs de chaleur sont généralement constitués de métaux et l'aluminium est le métal le plus couramment utilisé dans les dissipateurs de chaleur.Nous sommes conscients du fait que la conductivité thermique de chaque métal est différente.La conductivité thermique du métal est proportionnelle au transfert de chaleur dans le dissipateur de chaleur. . Ainsi, si la conductivité thermique du métal augmente, alors le
la capacité de transfert de chaleur du dissipateur thermique augmentera également.
Dissipateur de chaleur en aluminium
La conductivité thermique de l'aluminium est de 235 W / mK, c'est le métal le moins cher et le plus léger. Les dissipateurs de chaleur en aluminium sont également appelés dissipateurs de chaleur extrudés car ils peuvent être fabriqués par extrusion.
Dissipateurs de chaleur estampés
Ceux-ci sont faits de métaux qui sont estampés pour former une forme particulière. Ce tampon crée les dissipateurs de chaleur chaque fois que le métal est déplacé à travers la machine à estamper. Ceux-ci sont moins chers que les dissipateurs de chaleur extrudés.
Ceux-ci sont utilisés pour les applications à faible puissance et par conséquent, ils sont de faible performance.
Usinage de dissipateurs de chaleur
Ceux-ci sont fabriqués par un processus d'usinage fréquemment utilisé pour enlever un bloc de matériau afin de fabriquer des inter ailettes avec un espacement précis. Ceux-ci sont chers car beaucoup de métal peut devenir un gaspillage dans le processus de fabrication.
Dissipateurs de chaleur à ailettes collées
Ceux-ci sont fréquemment utilisés pour des applications physiquement importantes qui nécessitent des performances sensibles comme le soudage électrique et Applications de brique DC-DC . Celles-ci sont fabriquées en collant des ailettes individuelles en métal à la base d'un dissipateur thermique. Cela peut se faire selon deux méthodes à savoir l'époxy thermique qui est économique et l'autre est par brasage qui est coûteux.
Dissipateurs de chaleur à ailettes pliées
Ces dissipateurs de chaleur à ailettes pliées ont une grande surface et possèdent un matériau de dissipateur de chaleur plié, et par conséquent, ils ont des performances très élevées et une densité de flux thermique très élevée. Dans ces éviers, l'air est dirigé pour s'écouler directement dans les dissipateurs de chaleur à travers une sorte de conduit. Cela rend le tout coûteux car le coût de fabrication et de canalisation est inclus dans le coût global de l'évier.
Dissipateurs de chaleur skived
Le procédé de skiving est utilisé pour la fabrication de ces éviers, ce qui consiste à fabriquer des blocs très fins de métaux généralement en cuivre. Par conséquent, ils sont appelés dissipateurs de chaleur déformés. Ce sont des dissipateurs de chaleur de moyenne à haute performance.
Dissipateurs de chaleur forgés
Les métaux comme le cuivre et l'aluminium sont utilisés pour former des dissipateurs de chaleur en utilisant des forces de compression. Ce processus est appelé processus de forgeage. Par conséquent, ils sont appelés dissipateurs de chaleur forgés.
Dissipateurs de chaleur à ailettes simples
Ceux-ci sont légers et peuvent être installés dans des espaces restreints. Ils possèdent également des performances faibles à élevées et peuvent être utilisés pour de nombreuses applications. Mais l'inconvénient majeur est qu'ils sont peu chers.
Dissipateurs thermiques sertis
Le matriçage est un processus de forgeage à froid, mais peut parfois être fait même en tant que processus de travail à chaud dans lequel les dimensions d'un article sont modifiées en matrice. Ceux-ci sont peu coûteux, moyennement performants et limités dans la gestion du flux d'air.
Importance des dissipateurs de chaleur dans les circuits électroniques
- Un dissipateur de chaleur est un échangeur de chaleur passif, et il est conçu pour avoir une grande surface en contact avec le milieu (de refroidissement) environnant comme l'air. Les composants ou pièces électroniques ou appareils insuffisants pour modérer leur température nécessitent des dissipateurs thermiques pour leur refroidissement. Chaleur générée par chaque élément ou composant de circuit électronique doit être dissipé pour améliorer sa fiabilité et éviter la défaillance prématurée du composant.
- Il maintient la stabilité thermique dans les limites pour chaque électrique et composant électronique de tout circuit ou des pièces électroniques de tout système. Les performances du dissipateur thermique dépendent de facteurs tels que le choix du matériau, la conception de la saillie, le traitement de surface et la vitesse de l'air.
- Les unités centrales de traitement et les processeurs graphiques d'un ordinateur sont également refroidis à l'aide des dissipateurs thermiques. Les dissipateurs de chaleur sont également appelés dissipateurs de chaleur, qui sont fréquemment utilisés comme couvercles sur la mémoire d’un ordinateur pour dissiper sa chaleur.
- Si les dissipateurs de chaleur ne sont pas fournis pour les circuits électroniques, il y aura un risque de défaillance de composants tels que les transistors, les régulateurs de tension, les circuits intégrés, les LED et les transistors de puissance. Même pendant souder un circuit électronique , il est recommandé d'utiliser un dissipateur thermique pour éviter une surchauffe des éléments.
- Les dissipateurs de chaleur fournissent non seulement une dissipation thermique, mais sont également utilisés pour la gestion de l'énergie thermique en dissipant la chaleur lorsque la chaleur est plus élevée. En cas de basses températures, les dissipateurs thermiques sont destinés à fournir de la chaleur en libérant de l'énergie thermique pour le bon fonctionnement du circuit.
Sélection du dissipateur de chaleur
Pour la sélection du dissipateur de chaleur, nous devons considérer les calculs mathématiques suivants:
Considérer
Q: Taux de dissipation thermique en Watt
T_j: température de jonction maximale de l'appareil en 0C
T_c: température du boîtier de l'appareil en 0C
T_a: température de l'air ambiant à 0 ° C
T_s: température maximale du dissipateur thermique situé au plus près de l'appareil à 0 ° C
La résistance thermique peut être donnée par
R = ∆T / Q
La résistance électrique est donnée par
R_e = ∆V / I
La résistance thermique entre la jonction et le boîtier de l'appareil est donnée par
R_jc = (∆T_jc) / Q
La résistance du cas à la chute est donnée par
R_cs = (∆T_cs) / Q
L'abaissement à la résistance ambiante est donné par
R_sa = (∆T_sa) / Q
Ainsi, la jonction à la résistance ambiante est donnée par
R_ja = R_jc + R_cs + R_sa = (T_j-T_a) / Q
Désormais, la résistance thermique requise du dissipateur de chaleur est
R_sa = (T_j-T_a) / Q-R_jc-R_cs
Dans l'équation ci-dessus, les valeurs de T_j, Q et R_jc sont fixées par le fabricant et les valeurs de T_a et R_cs sont définies par l'utilisateur.
Ainsi, la résistance thermique du dissipateur thermique pour l'application doit être inférieure ou égale au R_sa calculé ci-dessus.
Lors de la sélection du dissipateur de chaleur, divers paramètres doivent être pris en considération tels que le budget thermique autorisé pour les dissipateurs de chaleur, les conditions de débit d'air (débit naturel, mélange à faible débit, convection forcée à haut débit).
Le volume du dissipateur thermique peut être déterminé en divisant la résistance thermique volumétrique par la résistance thermique requise. La plage de résistance thermique volumétrique est la suivante dans le tableau ci-dessous.
Le graphique ci-dessous montre la variation de la taille du dissipateur thermique en aluminium et de la résistance thermique à titre d'exemple de choix du dissipateur thermique en fonction de la résistance thermique.
Zone vs résistance thermique du dissipateur de chaleur
Cet article traite des dissipateurs de chaleur, des différents types de dissipateurs de chaleur et de l'importance du dissipateur de chaleur dans les circuits électroniques en bref. Pour plusinformations concernant les dissipateurs de chaleur, veuillez envoyer vos questions parcommenter ci-dessous.
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