Modulo C Cap. 8

CAP 8
ACCESSORI UTILIZZATI NELLE APPARECCHIATURE ELETTRONICHE
1 DOCUMENTAZIONE TECNICA DELLE PARTI MECCANICHE
2 CONTENITORI E SCATOLE
3 DISSIPATORI DI CALORE
4 ACCESSORI PER APPARECCHIATURE ELETTRONICHE
5 CALCOLO PER I DISSIPATORI TERMICI
1 DOCUMENTAZIONE TECNICA DELLE PARTI
MECCANICHE
La documentazione tecnica riguardante le parti meccaniche e gli accessori per l’elettronica è costituita essenzialmente da disegni tecnici in
proiezione o in assonometria 4
( Fig. 1). I disegni forniscono le quote di
ogni particolare con l’indicazione (quando è significativa) della tolleranza di lavorazione e mostrano l’oggetto nel suo aspetto reale utilizzando un’assonometria o una fotografia. Se il modo in cui le varie parti
debbono essere assemblate non è di immediata comprensione si utilizzano disegni in esploso 4
( Fig. 2).
Le caratteristiche meccaniche che i costruttori indicano sempre sono:
— le dimensioni (larghezza, altezza, profondità, spessore);
— il peso;
— il materiale impiegato;
— il campo di temperatura di funzionamento.
10,8
10
0,3 5,3
78 9 A
90 1
3
C
BCM10
1 2 4 8
3,5 6,4
10
2 3
45 6
7 8
34 5 6
W0,7-L3,5
BCDE
Fig. 1
Quotatura di un selettore codificato (quote in mm).
0,5 2,54
t = 0,2 7,62
F0 12
4,8 5,05
Fig. 2
Rappresentazione in esploso
di un contenitore.
1
2
3
4
5
6
coperchio
struttura intermedia
base
isolatore
aeratore
pannello frontale
1
2
5
4
6
3
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
35
La temperatura di funzionamento dell’apparecchiatura è importante quando si utilizzano contenitori di plastica perché i materiali plastici, se sottoposti ad alte temperature, possono liberare, a causa di
alterazioni chimiche, fumi o vapori tossici e, se i materiali non sono
autoestinguenti, determinare situazioni pericolose.
2 CONTENITORI E SCATOLE
Le scatole e i contenitori per le apparecchiature elettroniche possono
avere le forme e le dimensioni più diverse; il contenitore viene infatti
scelto in funzione del tipo di apparecchiatura che si vuol realizzare.
Preliminarmente alla scelta della forma e delle dimensioni del contenitore 4
( Figg. 3a, b) occorre risolvere alcuni problemi tecnici quali la
schermatura dei radiodisturbi, la dissipazione di potenza e l’isolamento elettrico dell’apparecchiatura.
Queste considerazioni sono valide soprattutto per le apparecchiature destinate a utilizzazioni di tipo civile. Nel campo professionale la
scelta si orienta su contenitori standardizzati che offrono al costruttore la possibilità di disporre di materiali identici prodotti da fabbricanti
diversi. Per questi contenitori esistono numerosi accessori che facilitano i cablaggi delle apparecchiature.
I contenitori standardizzati di tipo professionale sono realizzati
in metallo (alluminio e sue leghe) o in plastica.
I contenitori di plastica, molto diffusi per il loro basso costo, consentono di utilizzare sistemi di fissaggio molto economici per installare
la scheda, ma hanno il grosso inconveniente di non schermare efficacemente i disturbi in radiofrequenza. Il loro impiego deve quindi essere
attentamente valutato in relazione alle normative nazionali e internazionali che limitano l’intensità delle radiazioni che un’apparecchiatura
elettronica può emettere; trascurare questa specifica può costare molto
caro dal punto di vista economico.
Proporre un tipo particolare di scatola risulta difficile perché ne
esistono per svariati modelli di apparecchiature elettroniche: per strumentazioni da laboratorio, per elaboratori elettronici, per strumenti
portatili provvisti delle apposite maniglie, per apparecchiature audio,
per sistemi di controllo ecc. Il tecnico si deve quindi documentare consultando i fogli tecnici forniti dalle ditte costruttrici, mentre è evidente
che, quando il volume della produzione lo giustifica, è preferibile disegnare e realizzare un contenitore plastico o metallico personalizzato.
L’involucro deve anche tenere conto dell’ambiente in cui l’apparecchiatura elettronica verrà installata. In presenza di corpi solidi (polvere) e di acqua, nella scelta del contenitore bisogna tener conto delle prescrizioni previste dalle norme CEI 64-8 (Impianti elettrici utilizzatoFigg. 3a, b
Forme costruttive di scatole
e contenitori:
a. contenitore per apparecchiature industriali;
b. contenitore per strumentazione elettronica.
36
Vol. 1 - MODULO C
3a
3b
ri). Tali norme classificano come involucro l’elemento che assicura un
grado di protezione appropriato contro determinati agenti esterni e un
adeguato grado di protezione contro i contatti diretti.
I gradi di protezione sono definiti in sede internazionale con la
sigla IP seguita da un massimo di quattro cifre, di cui generalmente
vengono usate le prime due.
Gli involucri sono in grado di assicurare la protezione:
— delle persone dal contatto o dall’avvicinamento alle parti in tensione o in movimento;
— del materiale dalla penetrazione di corpi solidi estranei oppure
dall’infiltrazione di acqua.
La figura 4 illustra l’interpretazione della sigla internazionale del
grado di protezione degli involucri. La norma italiana di riferimento è
la CEI 70-1; quelle europee sono la IEC 144 e, la più recente, IEC 529.
La prima cifra indica il grado di protezione, all’interno dell’involucro, dall’ingresso di corpi estranei solidi. La seconda cifra indica la
protezione dall’ingresso nell’involucro di acqua (se un tipo di protezione è assente, la cifra viene sostituita con una “X”). La terza cifra è una
lettera che indica un maggior livello di protezione di tipo meccanico,
delle persone dall’accesso a materiali pericolosi, e dei materiali dagli
urti 4
( Fig. 5). La quarta cifra è una lettera ed è utilizzata in casi eccezionali per informazioni supplementari.
Il grado di protezione minimo per le apparecchiature di uso industriale è 7.
Un urto subìto dal contenitore può anche non produrre un rischio
immediato, ma se comporta fessurazioni o rottura dell’involucro può,
nel tempo, diventare causa di incidente per contatto diretto con parti in
tensione, o determinare il venir meno del grado di protezione IP.
L’elenco che segue permette di comprendere l’utilizzo delle sigle IP
nella classificazione del grado di protezione dei contenitori con riferimento al loro possibile campo di impiego:
— IP20 è adatto per camere e uffici;
— IP21 è adatto per terrazze coperte;
— IP45 è adatto per le stalle;
— IP50 è adatto per i locali di falegnameria.
NEMA
– National electrical manufacturer’s association
Negli ambienti con strutture combustibili in cui si utilizzano componenti che nel funzionamento ordinario e in situazioni di guasto dell’impianto o dell’apparecchiatura possono produrre archi o scintille, e negli
ambienti in cui si effettuano lavorazione, convogliamento, manipolazione e deposito di materiali infiammabili o combustibili (norma CEI
64-8 V2, allegato C), tutti i componenti, compresi gli apparecchi di illuminazione, devono essere racchiusi in involucri con grado di protezione
IP ≥ 4X.
Il NEMA è l’ente incaricato negli Stati Uniti di elaborare le norme in
materia di nomenclatura, composizione, dimensioni, tolleranze, sicurezza, prestazioni e qualità delle apparecchiature elettriche con caratteristiche sostanzialmente simili a quelle delle norme IEC 529. Nella
tabella 1 sono illustrati gli indici di equivalenza fra le classificazioni
NEMA e IEC (IP).
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
37
Fig. 4
Grado di protezione
dalla penetrazione dei solidi
e dall’infiltrazione dell’acqua (IP).
IP
2
1a CIFRA CARATTERISTICA
protezione contro il contatto di corpi solidi
e contro l’accesso a parti pericolose
0
significato per la protezione
del materiale
non protetto
protetto contro l’accesso
con il dorso della mano
2
protetto contro corpi solidi
di dimensioni superiori
a 12 mm
protetto contro
l’accesso con un dito
3
protetto contro corpi solidi
di dimensioni superiori
a 2,5 mm
protetto contro l’accesso
con un attrezzo
protetto contro corpi solidi
di dimensioni superiori
a 1 mm
5
protetto contro la polvere
6
totalmente protetto
contro la polvere
protetto contro
l’accesso con un filo
LETTERA AGGIUNTIVA*
(opzionale)
LETTERA SUPPLEMENTARE
(opzionale)
significato per la protezione
delle persone
informazioni supplementari
per la protezione del materiale
A
protetto contro l’accesso
con il dorso della mano
H
apparecchiature ad alta tensione
B
protetto contro l’accesso
con dito
M
provato contro gli effetti dannosi
dovuti all’ingresso dell’acqua
con apparecchiatura in moto
C
protetto contro l’accesso
con un attrezzo
S
provato contro gli effetti dannosi
dovuti all’ingresso dell’acqua
con apparecchiatura non in moto
D
protetto contro l’accesso
con un filo
W
adatto all’uso in condizioni
atmosferiche specifiche
* utilizzata solo se:
– la protezione effetiva contro l’accesso a parti pericolose
è superiore a quella indicata dalla prima cifra
caratteristica;
– è indicata solo la protezione contro l’accesso a parti
pericolose e la prima cifra caratteristica viene
sostituita con una X.
38
0
1
4
Vol. 1 - MODULO C
2a CIFRA CARATTERISTICA
protezione contro
la penetrazione dei liquidi
significato per la protezione
delle persone
protetto contro corpi solidi
di dimensioni superiori
a 50 mm
3
significato per la protezione
del materiale
non protetto
1
protetto contro la caduta
verticale di gocce d’acqua
2
protetto contro la caduta
di gocce d’acqua con
inclinazione massima di 15°
3
protetto contro
la pioggia
4
protetto contro gli spruzzi
d’acqua
5
protetto contro i getti
d’acqua
6
protetto contro le ondate
7
protetto contro gli effetti
dell’immersione
8
protetto contro gli effetti della sommersione
C
W
Fig. 5
Protezione meccanica dagli urti
secondo la norma francese
NFC 20010.
cifra
caratteristica
descrizione
della prova
energia d’urto
(J)
0
non protetto
1
resistenza all’urto
di un peso di 150 g
che cade da 15 cm
0,22
2
resistenza all’urto
di un peso di 150 g
che cade da 25 cm
0,37
3
resistenza all’urto
di un peso di 250 g
che cade da 20 cm
0,49
5
resistenza all’urto
di un peso di 500 g
che cade da 40 cm
1,96
7
resistenza all’urto
di un peso di 1,5 kg
che cade da 40 cm
5,88
8
resistenza all’urto
di un peso di 5 kg
che cade da 40 cm
19,6
metodo di prova
Un altro ente di riferimento, riconosciuto a livello mondiale, sono gli
Underwriters Laboratories, che seguendo le normative in vigore negli
Stati Uniti valutano i materiali, i dispositivi e le attrezzature in funzione della loro sicurezza per l’uomo.
Rack a 19≤
Fig. 6
Rack a 19’’.
I rack a 19≤ in sono contenitori normalizzati conformi alla norma DIN
41498. La loro struttura di base è composta da 4
( Fig. 6):
— due squadrette anteriori con fori di fissaggio per le maniglie;
— due fiancate con fori e riferimenti di centratura per il montaggio
delle guide in profilato di alluminio;
— due profilati anteriori;
— due profilati intermedi;
— due profilati posteriori.
I profilati anteriori e posteriori permettono il montaggio dei pannelli
frontali e posteriori dell’apparecchiatura; il profilato intermedio e quello
anteriore permettono il montaggio dei guidascheda 4
( Fig. 7 ). Le dimensioni di questi rack vengono fornite come multipli di due parametri base:
— altezza unità (1 HE = 48,45 mm);
— larghezza passo modulare (1 TE = 5,08 mm).
Fig. 7
Montaggio dei guidascheda.
Le sigle HE e TE sono soltanto indicative, dal momento che costruttori diversi usano sigle diverse; la quota, invece, è la stessa per tutti.
ESEMPIO 1
SIGNIFICATO
DELLA CLASSIFICAZIONE
RACK A 19≤
L’indicazione rack a 19≤
3HE/84TE profondità = 210 mm
significa:
larghezza 132,5 mm; altezza 426,2 mm; profondità 210 mm.
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
39
Tabella 1
Conversione della classificazione
NEMA 250-1997 nella classificazione IEC 60 529
CLASSIFICAZIONE NEMA
CLASSIFICAZIONE
IEC (IP)
1 Apparecchiature per uso interno che forniscono un grado di
protezione tale da evitare i contatti con i dispositivi in essi contenuti
IP10
2 Apparecchiature per uso interno che forniscono un grado di
protezione tale da evitare i contatti con i dispositivi in essi contenuti
e contro liquidi sgocciolanti
IP11
3 Prodotti per uso interno ed esterno che assicurano la protezione
dalla polvere portata dal vento, dalla pioggia, dal nevischio
e dalla formazione esterna di ghiaccio
IP54
3R Apparecchiature che forniscono lo stesso grado di protezione
del tipo 3, esclusa la protezione dalla polvere umida trasportata
dal vento
IP14
3S Apparecchiature che forniscono lo stesso grado di protezione
di tipo 3, ma che mantengono operativi i meccanismi esterni al
contenitore quando questi si riempiono di ghiaccio
IP54
4-4X Apparecchiature per uso interno ed esterno che garantiscono
la protezione dalla polvere e dalla pioggia portate dal vento,
dall'acqua spruzzata e dai getti di acqua diretta.
Gli involucri di tipo 4X sono protetti anche dalla corrosione
IP56
5 Apparecchiature costruite per uso interno che forniscono
un grado di protezione tale da evitare contatti accidentali, e
contro lo sporco, la polvere, le fibre e i liquidi sgocciolanti
IP52
6-6P Apparecchiature intese per uso interno ed esterno che
forniscono un grado di protezione dall’entrata di acqua durante
immersioni occasionali e temporanee a una profondità limitata.
Per prodotti di tipo 6P è tollerata anche un’immersione prolungata
a una profondità limitata
IP67
12-12K Prodotti per uso interno che forniscono protezione dallo
sporco in precipitazione e dal gocciolamento di liquidi non corrosivi
IP52
13 Prodotti per uso interno immuni a spruzzi d'acqua, olii
e refrigeranti non corrosivi
IP54
I rack a 19≤ in trovano largo impiego in tutti i progetti di tipo modulare. L’industria utilizza ampiamente questo tipo di contenitore che consente di usare procedure standard di progetto e di produzione permettendo di realizzare, a costi contenuti, apparecchiature più flessibili e
facilmente modificabili.
Per esempio, poiché le schede da inserire nei rack hanno dimensioni
standard (formato Eurocard 100 ¥ 160 mm o Doppio Eurocard 233,4 ¥ 160
mm), è possibile progettarle in modo da poter essere impiegate in differenti apparecchiature.
40
Vol. 1 - MODULO C
I rack sono completati da una serie di accessori che ne semplificano
l’impiego come:
— pannellini frontali da 19≤ di vario spessore, nei quali si colloca in
genere il pannello di controllo dell’apparecchiatura;
— griglie di chiusura traforate per la convezione dell’aria all’interno
dell’apparecchiatura;
— pannello posteriore;
— profilati di forma adatta al montaggio dei connettori femmina destinati a ricevere i segnali dalle schede inserite nel contenitore; le dimensioni variano in funzione del tipo di connettore utilizzato;
— maniglie per l’estrazione e il trasporto del contenitore.
PER FISSARE I CONCETTI
1.
2.
Un contenitore per applicazioni elettriche ed elettroniche deve garantire
un’adeguata protezione a chi lo manipola. Come viene codificato
il grado di protezione offerto?
Nelle applicazioni elettroniche di tipo professionale vengono utilizzati
i rack a 19≤. Quali vantaggi offrono rispetto a una scatola ordinaria?
3 DISSIPATORI DI CALORE
I dissipatori di calore (heatsink) sono piastre metalliche che disperdono il calore generato dai componenti elettronici montati su di esse.
Affinché la resistenza termica complessiva dissipatore-componente sia
sufficientemente bassa da impedire che la temperatura della giunzione
raggiunga valori suscettibili di danneggiare l’apparecchiatura, devono
presentare un basso valore di resistenza termica.
La resistenza termica di un materiale è data da:
쏋
1
dove:
Rth
è la resistenza termica (°C/W)
Tj - Ta è la variazione di temperatura dovuta alla potenza dissipata (°C)
Pd
è la potenza dissipata (W)
La resistenza termica del componente elettronico è una caratteristica
che dipende dal materiale e dalla tecnica costruttiva, e non è modificabile dall’utilizzatore; nei fogli tecnici essa viene indicata con vari simboli: Rth, Rq , q, K.
La resistenza termica del dissipatore, e quella fra contenitore del
dispositivo e dissipatore, sono modificabili.
La resistenza termica del complesso contenitore-dissipatore dipende dalle tecniche di montaggio adottate, dalla presenza cioè di isolanti
e di paste siliconiche, e dalla pressione di serraggio fra le superfici. La
resistenza del dissipatore dipende dall’area, dallo spessore, dal materiale e dalla colorazione dello stesso.
L’area del dissipatore viene aumentata adottando opportune forme
che, a parità di volume, massimizzano la superficie radiante. L’allumi-
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
41
36
Fig. 8
Forme costruttive dei dissipatori
(quote in mm).
15
11,5
L
15
L
L
29
12
70
H
26
L
115
45
45
10
Figg. 9a, b:
a. curva caratteristica resistenza
termica-lunghezza;
b. sezione del dissipatore di calore
(quote in mm).
resistenza termica (W/°C)
18,5
2
130,2
115,0
1,5
32,6
1
6,4
31,8
0,5
4,7
0
0
9a
100
200
lunghezza (mm)
300
24,5 (T)
22,2 (W)
9b
nio, per la sua leggerezza e lavorabilità, è il materiale più usato. Talvolta,
per incrementare il potere radiante, i dissipatori vengono colorati di
nero. Occorre anche valutare attentamente le modalità di installazione
scegliendo l’orientamento migliore, che di solito è quello in senso assiale.
Le case costruttrici offrono dissipatori costruiti con fori di fissaggio
già predisposti per tutti i principali tipi di contenitore utilizzati dai vari
dispositivi elettronici 4
( Fig. 8 ). La resistenza termica di questo tipo di
contenitori è fornita dai singoli fogli tecnici.
Talvolta le realizzazioni standardizzate non soddisfano le esigenze
del tecnico per specifiche applicazioni. Si ricorre allora a profilati di varia
forma che possono essere acquistati specificando la lunghezza desiderata; la resistenza termica di questi radiatori viene ricavata da una curva
caratteristica resistenza termica (W/°C)-lunghezza (mm), come illustrato
nelle figure 9a, b.
Quando il dissipatore assume dimensioni considerevoli, il tecnico
deve considerare l’opportunità di utilizzare un ventilatore che sostituisca la convezione naturale dell’aria nel contenitore con quella forzata.
4 ACCESSORI PER APPARECCHIATURE
ELETTRONICHE
La realizzazione pratica di un montaggio elettronico richiede spesso l’utilizzo di particolari componenti che servono per:
— migliorare alcune caratteristiche meccaniche della scheda del circuito stampato (per esempio irrigiditori);
42
Vol. 1 - MODULO C
Fig. 10
Manopole.
Fig. 11
Manopole per slider.
— regolare i dispositivi elettronici (per esempio potenziometri e
manopole, 4Figg. 10 e 11);
— ancorare le schede alle scatole 4
( Figg. 12a, b), rafforzare la stabilità
meccanica dei dispositivi con reofori lunghi, controllare l’altezza di
un dispositivo sulla scheda, favorire la dissipazione del calore
(distanziatori);
— ancorare i componenti alla scheda (clip a molla o collanti);
— isolare il contenitore dei componenti elettronici dai dissipatori o da
altre parti metalliche, per esempio gli schermi elettrostatici (isolatori in mica o in plastica);
— facilitare l’estrazione delle schede dai contenitori (per esempio
estrattori, maniglie, supporto guidascheda, 4Fig. 13);
— cablare i fili di collegamento (connettori Faston,4Fig. 14 ) e mantenerli ordinati e ben distribuiti nel contenitore (fascette autobloccanti);
— facilitare la sostituzione nelle schede dei componenti elettronici, di
tipo analogico e digitale, e dei supporti che vengono montati sulla
scheda al posto del dispositivo elettronico (zoccoli per transistor
o circuiti integrati, 4Figg. 15a, b);
— permettere il cablaggio di componenti sui pannelli di controllo delle
apparecchiature (portafusibili e portaled, 4Figg. 16a, b) o l’accesso
ai segnali di ingresso o di uscita (morsettiere, prese);
— realizzare schermi per l’abbattimento dei disturbi elettrostatici ed
elettromagnetici (per esempio gabbie metalliche).
Non esiste alcuna normalizzazione delle dimensioni di questi accessori
che ogni costruttore realizza con siglature e dimensioni proprie. È
necessario che il tecnico, prima di realizzare le parti dell’apparecchiatura che comportano l’uso di questi prodotti (difficilmente intercambiabili), consulti i fogli tecnici. Per esempio, nel progetto del pannello di
controllo, oltre alle dimensioni del corpo di un potenziometro si considereranno le dimensioni della manopola, che dovrà essere accessibile e
non coprire le scritte serigrafate sul pannello; nel progetto del circuito
stampato, se è richiesto l’utilizzo di una vite o di un dado si lascerà uno
spazio sufficiente per il montaggio e l’uso dell’utensile appropriato.
L’uso di questi accessori comporta comunque un costo di montaggio
dell’apparecchiatura più alto, per il costo dell’accessorio stesso e per il
tempo richiesto dalla sua installazione.
Figg. 12a, b
Distanziatore:
a. metodo di utilizzo;
b. applicazione elettronica
che impiega distanziatori.
PCB
installazione
chassis
1,9 mm
12a
12b
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
43
Fig. 13
Estrattore per schede.
Fig. 14
Connettore Faston.
13
14
Figg. 15a, b:
a. tipi di zoccolo per circuiti
integrati;
b. sezione di uno zoccolo
per circuiti integrati.
15a
vasta area
di contatto
dispositivo
autopulente
del contatto
all’inserzione
15b
parte inferiore
chiusa
dispositivo
di protezione
antideformante
Ø3
M 6 ¥ 0,5
Figg. 16a, b
Portaled:
a. per led Ø 3 mm;
b. per led Ø 5 mm.
12
6,1
16b
44
Vol. 1 - MODULO C
Ø5
M8
16a
1,7
8,1
PER FISSARE I CONCETTI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Che funzione ha un dissipatore di calore?
Da che cosa dipende la resistenza termica di un dissipatore di calore?
Descrivi e suggerisci una possibile applicazione dei seguenti accessori
meccanici per le applicazioni elettroniche: manopola, supporto
guidascheda, collante, isolatore in mica, portafusibile, gabbia metallica.
L’uso di un accessorio elettromeccanico incide sul costo
di un’apparecchiatura?
Le dimensioni per gli accessori delle apparecchiature elettroniche sono
soggette a normalizzazione?
Come vengono colorati i dissipatori per aumentare il potere radiante?
5 CALCOLO DEI DISSIPATORI TERMICI
JFET
– Junction field effect transistor
Il problema della dissipazione termica nei dispositivi elettronici,
soprattutto di quelli a semiconduttore (diodi, tiristori, transistor a giunzione, transistor a effetto di campo (JFET), circuiti integrati) va valutato
sempre con grande attenzione. La dissipazione di calore avviene:
— per conduzione, mediante contatto con la parte riscaldata;
— per convezione, mediante la circolazione dell’aria che viene in contatto con la superficie calda;
— per irraggiamento nello spazio circostante.
La potenza dissipata all’interno del semiconduttore si trasforma in
calore e provoca l’innalzamento della temperatura delle giunzioni; tale
aumento, per non danneggiare il componente, non deve superare un
determinato valore massimo (per il silicio la temperatura massima è
compresa fra 120 e 200 °C).
Per stabilire se un dispositivo è in grado di dissipare il calore prodotto è necessario:
— ricercare sui fogli tecnici il valore della resistenza termica interna
giunzione-contenitore Rthjc e il valore della resistenza termica giunzione-ambiente Rthja;
— calcolare la resistenza termica giunzione-ambiente Rthja massima
del dispositivo.
쏋
2
dove:
PD
Tj(max)
Ta(max)
è la potenza dissipata dal dispositivo in watt
è la temperatura massima che la giunzione è in grado di sopportare senza distruggersi
è la temperatura ambiente massima
Il componente è in grado di dissipare il calore che produce solo se
Rthja(max) > Rthja del componente; in questo caso, per i valori assegnati di
temperatura ambiente e di potenza dissipata la temperatura della
giunzione non può mai superare il valore massimo.
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
45
dado
Fig. 17
Tecnica di montaggio, in esploso,
di un transistor incapsulato
in un contenitore tipo TO-3 su
un dissipatore di calore.
ranella
dissipatore
mica
isolante
terminale
vite
Tj
Rthjc
PD
Tc
Rthca
Ta
Fig. 18
Circuito equivalente elettrotermico
di un componente elettronico
assemblato su un dissipatore
di calore in regime statico.
46
Vol. 1 - MODULO C
Se la resistenza termica giunzione-contenitore (Rthjc) del dispositivo
prescelto supera la resistenza termica giunzione-ambiente massima,
esso non è in nessun caso in grado di dissipare il calore prodotto, per
cui è necessario ricercare un dispositivo di maggior potenza caratterizzato da un valore di resistenza termica (Rthjc) più basso. Se il valore
della resistenza termica Rthja(max) è superiore a quella della giunzionecontenitore (Rthjc) del componente, ma inferiore a quella della giunzione-ambiente Rthja, è necessario aggiungere un dissipatore di calore
(4Fig. 17 ).
Il circuito elettrotermico che descrive il comportamento del sistema
termico formato dal chip di silicio e dal contenitore del dispositivo
(case) è mostrato nella figura 18.
La resistenza termica giunzione-ambiente è formata da:
— Rthjc, resistenza termica giunzione-contenitore; è caratteristica del
dispositivo e non modificabile dall’utilizzatore se non sostituendo il
componente con uno di potenza più elevata 4
( Tab. 2 );
— Rthca, resistenza termica contenitore-ambiente; dipende dalla su perficie del contenitore e dal materiale utilizzato per realizzarlo.
L’utente può modificare la superficie e le caratteristiche dello
scambio di calore applicando il contenitore su un dissipatore di
calore che ne altera le caratteristiche termiche. Il valore di questa
resistenza non è mai riportato dai manuali in quanto è ricavabile
dai due precedenti: Rthca = Rthja - Rthjc. Il circuito elettrotermico
della figura 19 mostra in che modo l’introduzione del dissipatore
di calore nel circuito termico del dispositivo elettronico provoca
l’abbassamento della resistenza termica complessiva del circuito;
Tabella 2
Resistenze termiche che caratterizzano
i principali tipi di contenitore utilizzati per
i componenti a semiconduttore di tipo discreto
Rthjc (°C/W)
TIPO DI CONTENITORE
TO-3
TO-3P
TO-5
TO-126
TO-220
20a
20b
Figg. 20a, b
Dissipatori di calore standard
per contenitori TO-3 e TO-220:
a. q = 24 °C/W;
b. q = 6,9 °C/W.
min
max
min
max
0,8
1
10
3
1,5
3
2
60
15
4,2
30
35
175
80
60
40
45
220
100
70
Tj
Fig. 19
Circuito equivalente elettrotermico di un componente elettronico
assemblato su un dissipatore
di calore in regime statico.
Tj temperatura della giunzione
Tc temperatura del contenitore
Td temperatura del dissipatore di
calore
Ta temperatura ambiente
Rthja (°C/W)
Rthjc
dissipatore
di calore
Tc
Rthcd
PD
Td
Rthja – Rthjc
alto valore
di resistenza
termica
basso valore
di resistenza
termica
Rthda
Ta
— Rthcd, resistenza termica contenitore-dissipatore; dipende dal tipo di
contenitore e dal tipo di montaggio. Il contatto fra contenitore e dissipatore può essere diretto, tramite una pellicola isolante (mica o
materiale plastico), oppure tramite un grasso termoconduttore al
silicone. La pellicola isolante viene utilizzata quando si desidera
mantenere l’isolamento elettrico fra contenitore del dispositivo e
dissipatore di calore.
Nella tabella 3 sono elencati alcuni valori tipici della resistenza termica Rthcd per alcuni dissipatori di uso comune;
— Rthda, resistenza termica dissipatore-ambiente, caratteristica del
dissipatore di calore; viene indicata dal costruttore e la si può rilevare dal foglio tecnico.
I dissipatori di calore sono realizzati secondo dimensioni e forme
standard adatte a contenitori normalizzati di uso corrente 4
( Figg.
20a, b), oppure in barre estruse di varie forme e dimensioni, la loro
lunghezza viene calcolata, in funzione del valore della resistenza
termica desiderata, utilizzando una curva caratteristica fornita dal
costruttore 4
( Figg. 21a, b).
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
47
Tabella 3
Valori della resistenza termica
contenitore-dissipatore Rthcd (°C/W)
CONTATTO
diretto
diretto con
pasta siliconica
0,8 ∏ 1
0,4 ∏ 0,6
0,25
0,4
1
1,4
0,8
0,6 ∏ 0,8
0,3 ∏ 0,5
0,12
0,2
0,7
1
0,5
TIPO DI CONTENITORE
Figg. 21a, b
Curva caratteristica resistenza
termica-lunghezza di alcuni
dissipatori di calore e forma
della barra estrusa di alluminio:
a. forma a doppia U;
b. forma a doppio pettine.
resistenza termica (W/°C)
DO-4
DO-5
TO-3
TO-3P
TO-5
TO-126
TO-220
resistenza termica (W/°C)
6,5 ÷ 7
2,4 ÷ 2,6
0,8
1
4,5 ÷ 5
1,4 ÷ 1,6
0,4
0,7
2
1,4
1,5
1,2
5
33,0
4
4,0
3
2
23,0
49,0
1
0
21a
21b
con mica
con mica e
interposta pasta siliconica
100
200
lunghezza
300
2,5
98,4
2
35,0
(superficie
piatta)
1,5
4,8
15,0 34,1
1
117,5
0,5
0
0
100
200
lunghezza
300
ESEMPIO 2
DIMENSIONAMENTO
DEL REGOLATORE 7805
Il regolatore a circuito integrato 7805, utilizzato nel circuito della figura 22, deve essere in grado di dissipare una potenza pari a:
Il regolatore 7805 presenta le seguenti caratteristiche termiche:
— contenitore plastico
Rthjc = 5 °C/W
Rthja = 65 °C/W
— contenitore metallico
Rthjc = 2,5 °C/W
Rthja = 45 °C/W
La temperatura di giunzione massima è di 150 °C, mentre quella ambiente è di 50 °C.
쑺쑺
48
Vol. 1 - MODULO C
쑺쑺
U1
7805
Fig. 22
Alimentatore stabilizzato.
1
Vi
Io
VI
VO
GND
3
2
Vo
1 2 3
TO-220
La resistenza termica giunzione-ambiente massima vale:
La resistenza termica Rthja(max) risulta superiore a quella giunzione-contenitore (per cui il dispositivo è in grado di dissipare il calore), ma è
inferiore a quella giunzione-ambiente.
Utilizzando il dispositivo con il contenitore plastico (Rthjc = 5 °C/W),
e supponendo di non impiegare né isolanti né grasso al silicone (Rthcd =
0,8 °C/W), il dissipatore deve essere caratterizzato da una resistenza
termica Rthda pari a:
Ponendo:
e dopo alcuni passaggi matematici, sostituendo i valori noti si ottiene:
Utilizzando invece il dispositivo con il contenitore metallico, la resistenza termica del dissipatore vale:
Il dimensionamento appena descritto è stato effettuato utilizzando il
programma di calcolo relativo all’utilizzo del foglio di calcolo elettronico nella progettazione elettronica.
쑺쑺
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
49
쑺쑺
Figg. 23a-e
Principali modelli di dissipatore
standard con l’indicazione
della resistenza termica
dissipatore-ambiente Rthda:
a. q = 7,1 °C/W;
b. q = 9,9 °C/W;
c. q = 13 °C/W;
d. q = 8,9 °C/W;
e. q = 6 °C/W.
23b
23a
23d
23e
23c
Con i parametri indicati nelle figure 23a-e si può selezionare il dissipatore di calore che presenta un valore di resistenza termica inferiore a
quello calcolato.
Regime dinamico
Il circuito elettrotermico rappresentato nella figura 19 si riferisce a un
comportamento statico del circuito: si suppone, cioè, che il calore sia
tale da mantenere costante la temperatura; in effetti, invece, la potenza dissipata sulla giunzione non è costante, per cui si verificano fenomeni di accumulo di calore.
Ciò è dovuto al fatto che ogni corpo accumula una quantità di calore
proporzionale al peso specifico e alla sua massa. Il passaggio del calore
dal punto più caldo (la giunzione) al punto più freddo (l’ambiente) avviene attraverso il contenitore e il dissipatore, cedendo a ogni passaggio una
parte del calore al corpo freddo del contenitore e parte all’ambiente per
irraggiamento; quando tutti i corpi si trovano alla stessa temperatura,
tutto il calore si propaga per irraggiamento.
L’accumulo di calore da parte del sistema diventa evidente quando,
togliendo l’alimentazione al dispositivo, il calore dissipato dalla giunzione si annulla ma il contenitore e il dissipatore continuano a dissipare il calore accumulato per un certo tempo. Per tener conto di questo
fenomeno il circuito elettrotermico viene modificato come mostrato nella figura 24, introducendo in parallelo alle resistenze termiche le capacità termiche Cth. Quando la potenza elettrica assorbita dal sistema è
costante, le capacità termiche non assorbono e cedono calore, per cui
possono essere trascurate; quando, invece, la potenza dissipata varia
nel tempo, come per esempio accade se l’elemento opera in commutazione (tiristori, circuiti integrati monolitici binari), l’effetto delle capacità termiche deve essere attentamente valutato.
50
Vol. 1 - MODULO C
Tj
Fig. 24
Circuito equivalente elettrotermico di un componente elettronico
assemblato su un dissipatore
di calore in regime dinamico.
Cthjc
Rthjc
Tc
Rthcd
Td
Rthja – Rthjc
PD
Cthcd
Rthda
Cthda
Ta
I fogli tecnici riportano a volte dei diagrammi che mostrano l’andamento dell’impedenza termica Zth.
La figura 25 mostra il grafico dell’impedenza termica di un transistor bipolare di potenza. Si noti che quando il duty-cycle si avvicina al 100%,
cioè a una conduzione piena, l’effetto della capacità termica tende ad annullarsi e l’impedenza termica tende al valore della resistenza termica.
La figura 26a mostra l’andamento dell’impedenza termica nel tempo
di un Triac; la figura 26b mostra le curve che pongono in relazione, in
funzione dell’angolo di conduzione, la potenza dissipata con la corrente
efficace e con la temperatura. Noti il valore massimo della potenza dissipata dal dispositivo e il valore della tensione di alimentazione, si ricava
il valore della corrente efficace circolante; successivamente, scelta la condizione di conduzione peggiore (angolo di conduzione a = 180°), si ricava
Fig. 25
Diagramma che mostra
la variazione dell’impedenza
termica in funzione del tempo
di conduzione del transistor
bipolare di potenza BY45
(fonte: Telefunken).
Zthp (K/W)
1
tp
=1
T
0,5
0,5
0,2
0,1
0,1
0,05
0,05
0,02
0,01
0,01
10–6
10–5
10–4
10–3
10–2
10–1
100
tp (s)
CAP 8 - Accessori utilizzati nelle apparecchiature elettroniche
51
Figg. 26a, b
Triac BT136:
a. diagramma che mostra
la variazione dell’impedenza
termica in funzione del tempo;
b. diagramma che pone
in relazione la potenza dissipata
con la massima temperatura
ammissibile (fonte: Philips).
10
Zth j – mb (K/W)
unidirezionale
bidirezionale
1
10–1
10–2
10–3
10–5
10–4
10–3
10–2
tempo (s)
26a
10–1
5
30
5
10
102
105
108
20
a = 180°
= 120°
= 90°
= 60°
= 30°
10
15
4
Rth mb – a = 0,3 K/W
1
3
5
P (W) 6
1
111
35
oper
2
114
azio
ne a
ll’ap
erto
117
1
0
120
0
26b
1
2
3
4 0
IT (RMS) (A)
50
100
Tamb (°C)
il valore della potenza dissipata dal componente e, incrociandone il valore con quello della temperatura ambiente si legge, nella parte destra della figura 26b, il valore della resistenza termica. Il valore così ricavato tiene conto dei differenti angoli di conduzione.
PER FISSARE I CONCETTI
1.
2.
3.
4.
52
Vol. 1 - MODULO C
Descrivi il circuito elettrotermico di un dispositivo elettronico.
Descrivi il circuito elettrotermico di un dispositivo elettronico montato
su un dissipatore.
Descrivi il comportamento del circuito elettrotermico in regime dinamico.
Che cos’è la capacità termica?