Loi d'Ohm thermique

Un composant de puissance disposé sur un dissipateur.

La loi d'Ohm thermique permet de calculer la température de jonction TModèle:Ind des éléments semi-conducteurs (diodes, transistors divers, thyristors, triacsModèle:Etc.).

Définition

Loi d'ohm thermique

Par analogie à la loi d'ohm et la loi des mailles (loi de Kirchhoff), nous avons :

TJ (température de jonction (°C ou °K)) équivalente à une tension électrique

TA (température ambiante (°C ou °K)) équivalente à une tension électrique

P (puissance thermique (W)) équivalente à un courant électrique

RTHJA (Résistance Thermique (°C/W ou °K/W) équivalent à une résistance électrique

Donc, si nous appliquons la loi des mailles, nous obtenons :

$T_{\mathrm{J}}-P\cdot R_{\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{J}\mathrm{A}}-T_{\mathrm{A}}=0$

soit :

$T_{\mathrm{J}}=T_{\mathrm{A}}+P\cdot R_{\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{J}\mathrm{A}}$

Cette relation entre la température et la puissance thermique porte plus rigoureusement le nom de loi de Fourier. Cependant, puisque celle-ci est de la même forme que la loi d'Ohm, les spécialistes du domaine de l'électronique emploient le terme de loi d'Ohm thermique. Pourtant, la loi de Fourier a été théorisée bien avant la loi d'Ohm.

Transistor en boîtier plastique et dissipateur adapté ; le transistor est accolé au dissipateur grâce à la vis.

Les éléments de puissance (diodes, transistors, thyristors) sont généralement montés sur des dissipateur thermiques, qui favorisent l'évacuation des pertes produites. Il est généralement prévu un isolant (feuille de mica, de matériau compositeModèle:Etc.) de façon à isoler électriquement le semiconducteur du dissipateur. Dans ce cas, la résistance thermique jonction-ambiance est la somme de trois termes :

• la résistance thermique jonction-boîtier RModèle:Ind, donnée par le constructeur ;
• la résistance thermique boîtier-dissipateur RModèle:Ind, qui dépend de la présence ou non d'un isolant ;
• la résistance thermique dissipateur-ambiance RModèle:Ind, qui dépend de la taille et du type de dissipateur (simple plaque, dissipateur à ailettesModèle:Etc.), de sa couleur (noire, argentée), de sa position (horizontale, verticale) et de son mode de refroidissement (convection naturelle ou forcée, circulation d'eauModèle:Etc.).

Ordres de grandeur

• RModèle:Ind pour des transistors utilisés sans dissipateur : Modèle:Unité/2 pour boîtiers TO-18 (petit boîtier cylindrique, métallique) et TO-92 (petit boîtier cylindrique, plastique), 100 à 200 pour TO-39 / TO-5 (boîtier moyen cylindrique, métallique), 85 à 150 pour TO-126 (boîtier plat, plastique), 60 à 80 pour TO-220 (boîtier plat, plastique avec une patte cuivrée pour améliorer le transfert de chaleur, cf. le transistor de l'illustration), 30 à 40 pour TO-3 (boîtier ovale, métallique).
• RModèle:Ind pour des transistors utilisés avec dissipateur : Modèle:Unité 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.
• RModèle:Ind pour des transistors en boîtier TO-3 : Modèle:Unité à sec, sans isolant ; 0,15 sans isolant mais avec graisse de silicone ; 0,35 avec isolant mica et graisse de silicone.
• RModèle:Ind pour un dissipateur typique avec huit ailettes de chaque côté et une longueur de Modèle:Unité : entre 1 et Modèle:Unité selon la puissance dissipée, en convection naturelle ; RModèle:Ind peut descendre à Modèle:Unité si l'on utilise une ventilation forcée, selon la vitesse de l'air.

Exemples

Exemple 1 : température de la jonction en fonction du dissipateur

Soit un régulateur de tension de « Modèle:Unité » délivrant au circuit qu'il alimente un courant de Modèle:Unité. La tension moyenne à l'entrée du régulateur vaut Modèle:Unité. Le régulateur est monté dans un boîtier TO-3, caractérisé par une résistance thermique de Modèle:Unité ; il est monté sur un dissipateur de RModèle:Ind de Modèle:Unité et isolé électriquement par une feuille de mica enduite de graisse de silicone ; la RModèle:Ind est dans ce cas égale à Modèle:Unité. Quelle va être la température de la jonction du transistor de puissance du régulateur à Modèle:Température de température ambiante ?

Puissance dissipée dans le régulateur : I × (différence de potentiel entre l'entrée et la sortie du régulateur), soit Modèle:Unité.

La loi d'Ohm thermique donne donc TModèle:Ind = TModèle:Ind + [I (VModèle:Ind - VModèle:Ind) × RModèle:Ind] = 25 + 7,5 × (1,5 + 0,4 + 5) = Modèle:Température.

Exemple 2 : dimensionnement d'un dissipateur

Un régulateur de tension « Modèle:Unité » fournit Modèle:Unité et est alimenté par une source de Modèle:Unité. La résistance thermique jonction-ambiante RModèle:Ind est de Modèle:Unité et la résistance thermique jonction-boîtier RModèle:Ind est de Modèle:Unité.

Le dissipateur devra avoir une résistance thermique maximale de :

RModèle:Ind = [(TModèle:Ind - TModèle:Ind) / P ] - RModèle:Ind

En choisissant comme température maximale de jonction Modèle:Température et comme température ambiante maximale Modèle:Température, on trouve :

RModèle:Ind = (Modèle:Température - Modèle:Température) / Modèle:Nobr = Modèle:Unité

Remarque

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

$P=R\cdot I^2$ [W]

Voir aussi

Articles connexes

• Transfert thermique
• Georg Ohm

Lien externe

• Dissipateur thermique (radiateur) : comment calculer ?