Dissipation thermique TO220

[Boby1591]

Bonjour,
Je dois dissiper Pdis = 13W de puissance sur un boitier TO220 de résistance thermique Jonction/boitier RthJC = 5°C/W.
Comme dissipateur je peux utiliser une plaque d'acier de grande surface et d'épaisseur e environ = 5 mm = 0,005 m.
Je souhaiterais calculer la surface minimale de la plaque d'acier nécessaire pour que:
- la température de jonction de mon composant ne dépasse pas Tj = 110°C.
- la plaque d'acier ne brûle pas ceux qui la toucheront (température d'environ Tpla = 45°C maximum).

J'ai trouvé la formule Rpla = e / (lambda * S) sur wikipedia (http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9..._de_conduction) et j'ai pris comme conductivité thermique de l'acier lambda = 26 W.K-1.m-1.
A première vue, il me semble que Tj = Pdis * (RthJC + Rpla) = Pdis * (RthJC + e / (lambda * S)
soit S = e / [lambda * (Tj/Pdis - RthJC)] = une surface microscopique... ce qui n'est pas logique.
Ce qui ne me semble pas logique c'est que Rpla est promotionnelle à l'épaisseur de la plaque, donc en prenant une épaisseur de plaque nulle (donc pas de plaque), la résistance thermique serait également nulle (et donc idéale...). Peut-être que cette formule ne s'applique pas dans ce contexte.
Où se trouve mon erreur ? Comment trouver la surface nécessaire de la plaque autrement ?

Je précise que je ne peux pas utiliser un dissipateur autre que la plaque d'acier et que je ne peux pas non plus remplacer l'acier par de l'aluminium ou du cuivre qui conduiraient mieux la chaleur.

Tout aide sera la bienvenue, je planche sur le sujet depuis le début de la semaine sans succès.
Je vous remercie d'avance.
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[DAUDET78]

Bonjour Boby1591 et bienvenue sur FUTURA
Il y a une impossibilité dans ton application ....
Si tu as 13W dans un boitier TO220 de RthJC = 5°C/W , cela implique, pour une température de jonction de 110°, une température max de boitier de 110-(13*5)=45°
Quelle est la température max ambiante ? disons 40°

Tu ne trouveras jamais un radiateur qui puisse faire le job !
C'est quoi ton TO220 ? un transistor? un régulateur?

Il faut absolument diminuer la puissance dans le composant . En mettre 2 ?

PS : La ferraille a un très mauvais pouvoir de conduction thermique . Si tu persistes dans ton idée, il faut doubler ta ferraille (ton coffret ?) par une plaque de cuivre pour répartir les calories

donc en prenant une épaisseur de plaque nulle (donc pas de plaque), la résistance thermique serait également nulle

Parce que la formule s'applique pour le calcul de la conduction entre les deux faces de la plaque (pour calculer la perte thermique d'une paroi par exemple)

Tu ne trouveras aucune formule pour un point chaud sur une plaque. Il faut expérimenter !

[Boby1591]

Bonjour DAUDET78,
Merci pour cette réponse très rapide.

Mon composant est un régulateur linéaire LM317HV dont la puissance n'est limitée en interne qu'à 20W (bas de page 4 de la datasheet http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm117hv.pdf). La température de jonction est en réalité de 125°C. La température ambiante est de 25°C.
Je précise que les contraintes de mon projet m'empêche de remplacer le régulateur linéaire par un convertisseur DC/DC par exemple.

J'aurais bien mis un dissipateur thermique à ailettes avec une résistance thermique inférieure à 1°C/W, mais je suis limité en hauteur, en revanche je dispose d'une assez grande surface donc l'idée de la plaque de cuivre collée à ma plaque d'acier me plait bien, dommage qu'il faille expérimenter pour être certain que ça dissipe suffisamment.

Comment font les fabricants de dissipateur ? les valeurs de résistances thermiques des dissipateurs à ailettes sont toutes expérimentales ?
J'aurais bien aimé pouvoir calculer la résistance thermique d'une plaque en connaissant sa conductivité thermique et ses dimensions avant d’expérimenter.
Si quelqu'un connaît un calcul adéquate, je suis preneur , sinon ça sera plaque de cuivre et je croiserai les doigts

[DAUDET78]

Mon composant est un régulateur linéaire LM317HV

Pour ne pas passer du temps pour rien .....
Tu peux préciser comment tu arrives à une dissipation de 13W ?

Et si tu donnais le schéma de ton montage ? et le schéma de ce que ça alimente ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Boby1591]

Merci de t’intéresser autant à mes questions.
Mon schéma utilise 2 LM317HVT en série.
Le premier monté en limiteur de courant d'environ 500mA ( I = Vref / R ref = 1,25 / 2.7) et le 2nd en régulateur de tension réglé à 27V (Vout = Vref (1 + R2/R1 = 1,25 *(1+5000/240) ).
En entrée du système j'ai une tension de 48V et en sortie j'alimente une batterie dont la tension minimale est de 22V.
La puissance à dissiper est donc Pdis = (Vin - Vout min) * I = (48 - 22) * 0,5 = 13W. en théorie il y a environ 1,5W sur le 1er régulateur et 11,5W sur le 2nd.
j'ai déjà réalisé le montage avec un gros dissipateur non adapté au projet final, le problème est uniquement lié à la dissipation thermique, pas à l'électronique :s

[DAUDET78]

pas à l'électronique

Hélas si ......
Tu peux concevoir une régulation linéaire beaucoup plus futé avec un seul LM317HVT et des transistors ballast. Tu réparties alors la dissipation thermique dans plusieurs transistors

Par contre, la solution d'une alimentation à découpage est typique de ce genre de chargeur. Et c'est la bonne solution pour supprimer les problèmes de dissipation thermique.

[bobflux]

+1 pour l'alim à découpage, un petit module traco power ou autre, et la limitation de courant est incluse, le tout pour moins cher qu'un gros dissipateur.

[Boby1591]

Je précise que les contraintes de mon projet m'empêche de remplacer le régulateur linéaire par un convertisseur DC/DC par exemple.

Désolé, ça m'est interdit... :s

[DAUDET78]

Désolé, ça m'est interdit... :s

Interdit par qui ? Il y a des fois ou la désobéissance est un acte de courage !

[diodeled80]

Bonjour,
votre calcul est fort intéressant, pour moi 12 watts, je pensais que ca aurait passé.
souvent je calcule le Rth avec des calculateurs en ligne comme celui ci :
http://www.bcfmkm.fr/include_bcfmkm/...inbloc-LED.asp

bon c'est vrai c'est pour des lumieres , mais pour moi les watts restent des watts.
en revanche, c'est vrai que l'acier c'est pas un bon dissipateur, mieux vaut encore une corniere en alu

[Boby1591]

Merci pour vos conseils,
Je vais opter pour une grande plaque de cuivre finalement.
J'ai utilisé un abaque trouvé ici : http://www.giacomazzi.fr/electron/ra.../radiateur.htm pour m'aider à la dimensionner.

[bobflux]

- mets un convertisseur à découpage ...
- sinon, si pour une raison ultra secrète, tu ne veux pas mettre de convertisseur à découpage, mets un certain nombre de grosses résistances entre les 2 LM317...

[Tropique]

J'ai trouvé la formule Rpla = e / (lambda * S) sur wikipedia (http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9..._de_conduction) et j'ai pris comme conductivité thermique de l'acier lambda = 26 W.K-1.m-1.
A première vue, il me semble que Tj = Pdis * (RthJC + Rpla) = Pdis * (RthJC + e / (lambda * S)
soit S = e / [lambda * (Tj/Pdis - RthJC)] = une surface microscopique... ce qui n'est pas logique.
Ce qui ne me semble pas logique c'est que Rpla est promotionnelle à l'épaisseur de la plaque, donc en prenant une épaisseur de plaque nulle (donc pas de plaque), la résistance thermique serait également nulle (et donc idéale...). Peut-être que cette formule ne s'applique pas dans ce contexte.
Où se trouve mon erreur ? Comment trouver la surface nécessaire de la plaque autrement ?

Si on ne prend en compte que la conductivité du matériau, c'est relativement simple, il faut intégrer sur le volume, limité ici par l'épaisseur, c'est trop loin pour que je puisse être plus précis, mais en gros ça doit être ta conductivité multipliée par l'épaisseur et une constante, peut-être e ou 2*pi, quelque chose du genre.
C'est comme pour la conductivité électrique, tous les exercices d'électricité sont transposables ici.
Pour l'acier (doux) la résistance limite d'une plaque de 5mm doit être un peu inférieure à 4°C/W (selon les nuances d'acier), ce n'est donc pas le premier facteur limitatif dans ton cas.
Si tu dois choisir une régulation linéaire, il faut prendre un régulateur équivalent au 317 mais à courant plus élevé, il en existe.
S'il faut réellement calculer en détails, il faut faire appel à Fourier pour les cas géométriques simples, et aux logiciels de calculs par éléments finis, pour les cas réels.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Conduction_thermique