DERIVA TERMICA

Riprendiamo il discorso da dove lo avevamo lasciato, parliamo di deriva termica.

Per capire come si comporta un elemento attivo quando dissipa potenza dobbiamo studiarlo dal punto di vista termico: dobbiamo fare il modello equivalente termico. Se consideriamo la struttura di un transistor di potenza, sappiamo che la potenza da dissipare viene generata a livello di giunzione, quindi per dissiparla deve esserci un flusso di calore dall’interno verso l’esterno.

Per studiare questa situazione facciamo un’analogia con i circuiti elettrici  e alla potenza dissipata Pd associamo la corrente I, alla temperatura T la tensione V, alla resistenza termica  Rth la resistenza elettrica R, e infine alla capacità termica Cth la capacità elettrica C. Il package del transistor è costituito dal transistor stesso, dal supporto dove è saldato, dal case esterno e dall’involucro, elemento che non contribuisce alla dissipazione di calore.



Da questo schema ricaviamo il circuito equivalente termico del transistor: 



Visto che la temperatura della giunzione Ti aumenta, a causa della potenza dissipata Pd, rispetto a Ta (temperatura ambiente), che è quindi il nostro riferimento, cioè la massa, posizioniamo il generatore di corrente  tra Ti e la massa. Il calore generato si trasmette dal transistor al supporto, quindi inseriamo la resistenza RTj-s tra i nodi Ti e Ts (temperatura supporto).
Il calore passa poi dal supporto al case esterno e quindi inseriamo la resistenza RTs-c . tra i nodi Ts e Tc (temperatura case). Infine il flusso di calore va verso l’ambiente esterno, quindi inserisco tra Tc e massa (Ta) la resistenza Rtc-a  e la resistenza RTd in parallelo se è presente il dissipatore. Ta è la temperatura ambiente a cui lavora il sistema ed in generale non è nota, quindi la gestiamo secondo il caso peggiore, cioè le assegniamo il massimo valore (la massima temperatura ambiente a cui si prevede di far lavorare il sistema ). RTj-s e RTs-c sono fornite dal costruttore che fornisce anche il valore del flusso termico massimo dissipabile considerando RTd =0 (caso migliore). L’equazione fondamentale di progetto che ci permette di individuare quale dissipatore utilizzare in funzione della massima temperatura di giunzione è: 



Dove la sommatoria di Ri è la resistenza termica equivalente tra Ti e massa (Ta). Da tenere in conto ci sarebbero anche le capacità, che sono una misura di quanto calore ci vuole per far salire la temperatura di un grado. Non entro nel merito dell'analisi delle capacità perchè ci sarebbe da tirar fuori qualche integrale, considerare la potenza continua e potenza di segnale e via discorrendo, quindi vi risparmio questa parte;)

Certamente non è finita qui, adesso viene il bello non è tutto così immediato e veloce bisogna ancora considerare qualcosina, vediamo cosa!

Non basta considerare il problema in termini puramente statici, cioè avendo Pd e Ta calcolo Ti. Infatti, considerando il caso di transistor bipolari, la Pd fa variare Ti, che aumenta e di conseguenza variano i parametri del transistor. per il BJT la variazione più significativa è quella della VBE, tensione base emettitore , che varia di 26 mV al grado. Che cosa produce la variazione di VBE ?


Dipende dal circuito, perchè dobbiamo considerare come varia la corrente per effetto della VBE e questo dipende dal circuito di polarizzazione ed è misurato attraverso il parametro SvBE , che misura la variazione di corrente di collettore rispetto ala temperatura. Quindi SvBE  da un’idea di come la variazione di VBE  produce una variazione di IC . SvBE  è un parametro di stabilità.

Se siete riusciti ad arrivare fin qui, adesso sarà tutto in discesa, l'ultimo sforzo e abbiamo finito.

La variazione di Pd è esprimibile come: 

ΔPd= VCE ΔIC +IC ΔVCE

Il primo termine è positivo perchè se aumenta IC , aumenta la potenza dissipata, mentre il secondo termine è negativo; considerato un punto lungo la retta di carico del transistor, se aumenta la corrente diminuisce la tensione, quindi il ΔVCE è negativo. Questi due termini, in qualche modo, si compensano  e questa compensazione avviene in base al valore di VCE  e di Ic , cioè in base al punto di riposo.
Ma purtroppo non è tutto cosi bello come sembra, ciò è vero per l’elettronica lineare ma non per quella di potenza. Nell’elettronica di potenza le rette di carico diventano praticamente verticali e quindi il termine negativo tende a scomparire perchè all’aumentare della corrente la VCE non varia più(ΔVCE =0) e quindi si perde la compensazione tra i due termini della ΔPd,  e si hanno grossi problemi di deriva termica, perchè all’aumentare della corrente tutto tende ad aumentare. Quindi si ha 

ΔPd= VCE ΔIC  tanto maggiore è VCE tanto maggiore è ΔPd.

la variazione di VBE con la temperatura è non lineare. La non linearità del problema può essere messa in evidenza dal grafico della potenza dissipata Pd in funzione della temperatura T: per temperature basse la variazione di potenza con la temperatura è molto piccola: man mano che ci avviciniamo alla temperatura di rottura della giunzione Tr, la potenza può crescere sempre più velocemente.






La retta di carico rappresenta la potenza dissipabile e la si può variare (pendenza) agendo sul dissipatore. Analizziamo i punti di intersezione tra la retta di carico e la curva della potenza dissipata Pd. Nel punto più basso se la temperatura aumenta, la potenza dissipabile è maggiore della potenza dissipata e quindi il sistema si raffredda e torna indietro verso il punto di intersezione; se invece la temperatura si riduce, la potenza dissipabile è minore di quella dissipata e la temperatura tende ad aumentare. Il punto di funzionamento considerato è quindi stabile. Nel punto più alto invece, se la temperatura aumenta, la potenza dissipata supera quella dissipabile e la temperatura tende ad aumentare ancora e di conseguenza il funzionamento è instabile.


Fino adesso abbiamo parlato del fenomeno della deriva termica applicato ad un BJT, ma i MOSFET? 

Teoricamente i MOS non hanno questo problema! 
L'aumento della temperature fa diminuire la mobilità degli elettroni quindi si ridurrà la corrente che circola. 



Penso che con questo nuovo articolo siamo a posto almeno per un paio di settimane. Dopo averlo digerito fatemi un fischio che vi posto un paio di nozioni su quella brutta cosa che è la distorsione.............
















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