Prévision des températures de jonction

 

La température de jonction d’un dispositif en silicium peut être une considération importante pour la conception des régulateurs linéaires. Disons que nous voulons vérifier les effets d’un dissipateur thermique donné et prouver s’il est efficace ou non pour garder le régulateur en sécurité à des températures ambiantes et dans les conditions nominales. Cet article explore la manière dont nous pouvons créer un modèle électrique à éléments localisés pour représenter le système thermique physique, puis l’utiliser pour nous aider à choisir/tester un dissipateur thermique approprié. 

Le circuit du régulateur linéaire


Pour notre exemple, disons que nous avons conçu un simple régulateur linéaire de 5Vdc comme indiqué ci-dessous et que nous avons besoin d’un courant de sortie continu d’environ 1A pour la charge de sortie.

Le régulateur devra fournir de manière fiable le courant de sortie requis à une température ambiante de 50°C maximum et, surtout, le régulateur devra fonctionner en toute sécurité pendant des heures sans griller.

Puissance dissipée


Notre première étape est de déterminer la puissance dissipée par le régulateur U1. Pour ce faire, nous allons mesurer la tension aux bornes du régulateur lui-même entre les broches d’entrée et de sortie et le courant de sortie dans la charge. Proteus peut vous aider en utilisant un voltmètre DC et un ampèremètre DC connectés comme indiqué dans l’image ci-dessus. Cela nous donne 6.32Vdc et 0.97Adc dans la charge ce qui, pour une sortie de 5Vdc et 1A nominal, implique que U1 dissipera une puissance de :

 

P(W)=6,32V*0.97A=6.13W

 

A partir de la fiche technique, nous pouvons obtenir la puissance maximale dissipée à la température ambiante requise. La courbe est montrée ci-dessous :

 

À la température ambiante maximale de 50°C, nous pouvons constater que la puissance moyenne que le régulateur peut dissiper sans dissipateur thermique est bien inférieure à la valeur prévue de 6,13W. Cela implique également que la température de jonction du régulateur va dangereusement augmenter et que le régulateur sera probablement endommagé. Nous devons donc trouver un moyen de dissiper la température du régulateur en utilisant un dissipateur thermique approprié.

A partir de la fiche technique du régulateur (LM7805), nous obtenons la valeur de la résistance thermique de la jonction au boîtier (fil métallique) pour le boîtier TO220 et la température maximale de la jonction comme suit :

Rjc = 1.7°C/W Jtmax=150°C

Le modèle thermique physique


Examinons maintenant le modèle thermique physique d’un dispositif générique avec un dissipateur thermique et identifions tous les paramètres thermiques.

 

La formule nécessaire est :

 

Tj = Pd (Rj-c + Rc-s + Rs-a) + Ta

 

Où :
Rj-c est la jonction du boitier
Rc-s est le puit de boitier
Rs-a est la résistance puit-ambiante
Pd est la puissance dissipée
Ta est la température ambiante maximale
Tj est la température de jonction

Tj sera la température de jonction établie à partir de l’équilibre thermique dû aux éléments de transfert de chaleur, à la valeur de la température ambiante et à la puissance dissipée

Modèle thermique à éléments groupés


Ce que nous voulons maintenant faire, c’est transposer ce modèle thermique en un modèle électrique utilisant Proteus. Nous allons utiliser un modèle thermique RC, également connu sous le nom de modèle à « éléments localisés ».

Tous les éléments thermiques représentant les résistances de transfert de chaleur sont simulés avec des résistances électriques. De plus, la puissance dissipée est simulée avec un générateur de courant dont le courant est égal à la valeur Pd et représente le flux de chaleur. La température ambiante est représentée par un générateur de tension et, enfin, les condensateurs représentent les capacités thermiques de la jonction et du dissipateur thermique, CTHJ et CTH.

Une technique utile dans Proteus consiste à représenter les valeurs de chaque élément du modèle par des noms de variables génériques sur le dispositif. Vous le voyez dans la capture d’écran ci-dessus. Nous pouvons ensuite appliquer des valeurs spécifiques à la pièce dans un bloc *DEFINE lorsque nous les calculons pour un dissipateur thermique particulier.

 

 

Calcul des valeurs des éléments


Donc, nous savons que notre bloc *DEFINE dans le modèle thermique RC définit toutes les valeurs numériques des éléments thermiques. Maintenant, nous définissons les valeurs applicables à notre circuit. RJC nous vient de la fiche technique et est fixé à 1.7 °C/W. RCS est défini comme la résistance introduite par le composé thermique entre le boîtier métallique et le dissipateur thermique. Pour un composé générique, une valeur de 0.5°C/W est raisonnable. RSA est la résistance thermique du dissipateur thermique. Le dissipateur sélectionné est celui présenté ci-dessous.

Il s’agit d’un dissipateur thermique à montage vertical en aluminium de OHMITE, modèle RA-T2X-38E. Le poids est de 38g avec un coefficient de transfert de chaleur (convection naturelle) de 3,9 °C/W.

Nous allons utiliser la valeur du poids pour calculer la valeur de la capacité thermique, CTH, du dissipateur thermique. Sachant que la chaleur spécifique de l’aluminium est de 0,9 J/g°C, nous calculons la capacité thermique CTH en utilisant la formule suivante :

Où :

CTH = m * c

m est la masse en grammes

c est la chaleur spécifique

Cela nous donne :

CTH = 38g * 0.9 J/g°C = 34.2 J/°C.

Simulation de la température


Nous avons maintenant obtenu toutes les valeurs des éléments pour exécuter Proteus avec une simulation graphique des températures de la jonction (vert), du boîtier (rouge) et du dissipateur thermique (bleu clair). Nous pouvons voir que la température de la jonction sera maintenue en dessous de 90°C à une température ambiante de 50°C. Ceci est bien en dessous de la température maximale de jonction autorisée de 150°C avec une marge de sécurité raisonnable et nous indique que notre régulateur fonctionnera en toute sécurité en fournissant 1A en continu.

 

Résumé


Dans de nombreuses situations, nous pouvons utiliser ces techniques dans Proteus pour faire une analyse de prédiction des températures maximales qu’un dispositif en silicium générique de puissance atteindra dans les conditions nominales pour un fonctionnement sûr.