Radiateurs

Introduction

Un radiateur est aussi appelé refroidisseur ou encore dissipateur thermique. Le but est d'éliminer l'excès de chaleur dissipé par un composant (régulateur, transistor). On en retrouve dans a peu près tous les circuits, dés qu'il y a des éléments de puissance. On choisit un radiateur pour un composant en fonction de plusieurs critères dont la forme du boitier du composant.

La surchauffe des composants étant très souvent un facteur de pannes, il est important de refroidir correctement les composants d’un circuit.

Dissipation thermique : la circulation d’un courant au sein d’un conducteur dégage une énergie calorifique :

$$P = RI^2$$

P en watt, R en ohms et I en A.

Pour un composant et son dissipateur, la chaleur est dissipée :

  • de la jonction du composant jusqu'au boitier du composant, par rayonnement et par conduction;
  • du boitier du composant à l'air ambiant, par rayonnement et par convection;
  • du boitier du composant à l'air ambiant, par rayonnement et par convection;
  • du radiateur à l'air ambiant, par rayonnement et par convection.

type commutation interrupteur

Radiateur ou pas ?

Un radiateur est caractérisé par sa forme (adaptée au composant à refroidir) et par sa résistance thermique. Les radiateurs sont généralement en aluminium ou en cuivre avec une surface découpée permettant de maximiser le contact avec l'air. Les radiateurs anodisés de couleur noire disposent d'une résistance thermique plus faible.

Afin de choisir un radiateur, il faut prendre en compte la température ambiante (boitier fermé ou air libre), la forme du composant, la puissance dissipée maximale par le composant en utilisation dans le circuit, et les caractéristiques du boitier du composant.

Il est recommandé de choisir un radiateur avec une résistance thermique inférieure à celle calculée afin de mieux refroidir le composant et maintenir une température plus faible de l’ensemble.


Exemple 1 pour un régulateur

schema thermique

Soit un régulateur 7812, alimenté en 18V et connecté à une charge de 50 ohms.

$$P_{disp} = UI = (18-12) .I = (18-12) \times \left( \frac{12}{50} \right) $$ $$P_{disp} = 1,44W$$.

D’après la datasheet du composant, $R_{Tjc} = 4^{\circ} C/W$ (résistance jonction boîtier), $R_{Tja} = 35^{\circ} C/W$ (résistance jonction air), $P_{max}= 20W$ (puissance dissipable par le boîtier) et que $T_{jmax} = 150^{\circ} C$.

On doit obligatoirement avoir :

$$P_{disp} < P_{max}$$ $$T_j = T_a + P_{disp}.R_{Tja} $$

Avec $T_j$ la température de jonction, $T_a$ la température de l’air dans le boîtier ,

$$T_j = 50 + (1,44 \times 35) = 100 ^{\circ} C$$

Dans ce cas, $T_j$ < $T_{jmax}$. Il n’est donc pas indispensable d’utiliser un radiateur.

Exemple 2 pour un régulateur

schema thermique

Soit un régulateur 7812, alimenté en 18V et connecté à une charge de 10 ohms.

$$P_{disp} = UI = (18-12) .I = (18-12) \times \left( \frac{12}{10} \right) $$ $$P_{disp} = 7,2W$$.

D’après la datasheet du composant, $R_{Tjc} = 4^{\circ} C/W$ (résistance jonction boîtier), $R_{Tja} = 35^{\circ} C/W$ (résistance jonction air), $P_{max}= 20W$ (puissance dissipable par le boîtier) et que $T_{jmax} = 150^{\circ} C$.

On doit obligatoirement avoir : (sinon composant pas adapté à l’utilisation)

$$P_{disp} < P_{max}$$ $$T_j = T_a + P_{disp}.R_{Tja} $$

Avec $T_j$ la température de jonction, $T_a$ la température de l’air dans le boîtier,

$$T_j = 50 + (7,2 \times 35) = 302^{\circ} C$$

Dans ce cas, $T_j$ > $T_{jmax}$. Il faut donc un radiateur.

$$T_j = T_a + P_{disp}.(R_{Tjc}-R_{Tr}) $$ $$R_{Tr} = ((T_j – T_a) / P_{disp}) - R_{Tjc} $$ $R_{Tr} = 5,7^{\circ} C/W$ si l’on souhaite que $T_j <120^{\circ} C$ (une marge de sécurité de 30 degrés est recommandée)

Il faudra donc choisir un radiateur de $5^{\circ} C/W$ environ.


Type de radiateur

Une fois la résistance thermique du radiateur nécessaire calculée, il faut choisir un modèle adapté au composant.

Il en exite différents types, au plus il y aura d'ailettes sur le radiateur, plus grande sera la surface en contact avec l'air, et donc plus faible sera la résistance thermique.

Remarque : Les parties métalliques des boitiers peuvent parfois faire office de radiateur lorsque la puissance à dissiper est faible, en fixant le composant sur celles-ci (en faisant attention à bien l'isoler, car le boitier du composant est souvent relié à l'un de ses poles, et le boitier à la masse).

Configuration de contacts interrupteur

Configuration de contacts interrupteur

Mise en place du radiateur

Certains radiateurs sont vissés ou soudés au PCB avant de souder les composants, d'autres peuvent etre vissés ou glissés sur les composants.

Dans la mesure du possible, prévoir l'implantation du dissipateur lors du placement des composants, et maintenir la distance maximale entre les dissipateurs et les autres composants. Si deux dissipateurs sont très proches ou entourés par des composants volumineux, ne pas hésiter à prendre des dissipateurs plus gros pour éviter la surchauffe.

Attention : lorsque le dissipateur est monté avec ses ailettes à l'horizontale, l'efficacité diminue d'environ 20%, ce qu'il faut prendre en compte. Eviter dans la mesure du possible.

Optimisation du contact entre le composant et le radiateur :
  • La surface du composant, et celle du dissipateur n'étant jamais parfaitement lisse, il est recommandé de placer une fine couche de pate thermique entre le composant et le dissipateur, après dégraissage des deux surfaces à l'alcool isopropylique.

  • Il existe des joints thermiques (feuille de silicone) plus pratiique que la pate thermique, et déjà prédécoupés à la forme de la semelle du composant.

  • Lorsque plusieurs composants sont sur le meme radiateur et doivent etre isolés, utiliser des feuilles de mica, voir ci-après.


Plusieurs composants sur un radiateur

La semelle des composants étant souvent reliée à l'une de borne (boitiers TO-3 TO-220...) il est parfois nécessaire d'isoer chacun des composants pour en fixer plusieurs sur un meme radiateur.

Il faut isoler la semelle du composant avec une feuille de mica (vendu découpé à la forme de la semelle), mais aussi les vis de fixation, avec des canons isolants

Pour les boitier TO-3, il existe des kits afin de réaliser une isolation correcte (photo)

Pour ce qui concerne la résistance thermique du radiateur, il suffit de considérer celle des composants comme pour une ssociation en parallèle de résistances électriques.

$$ R_{total} = \frac{1}{\frac{1}{R_{composant1}} + \frac{1}{R_{composant2}} }$$
Configuration de contacts interrupteur

Sources et liens pour en savoir plus :

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