Les circuits électroniques : Les systèmes de refroidissement - Quiz
Les systèmes de refroidissement
Les composants électroniques convertissent une partie de l'énergie électrique qu'ils consomment en chaleur. Cette chaleur est particulièrement importante dans les processeurs, les cartes graphiques, les circuits de puissance, les alimentations ou les amplificateurs audio.
Si cette chaleur n'est pas correctement évacuée, la température augmente progressivement. Les performances diminuent, les composants vieillissent plus rapidement et des pannes peuvent apparaître. Les systèmes de refroidissement ont donc pour rôle de maintenir les circuits électroniques dans une plage de température compatible avec leur bon fonctionnement.
Pourquoi les composants chauffent-ils ?
Lorsqu'un courant électrique traverse un composant, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. Ce phénomène provient principalement de la résistance électrique des matériaux et des commutations très rapides des transistors.
Plus un circuit contient de transistors et fonctionne à une fréquence élevée, plus il produit de chaleur. Les processeurs modernes, qui renferment plusieurs milliards de transistors, peuvent ainsi dissiper plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de watts.
La puissance thermique
La quantité de chaleur produite dépend de la puissance électrique consommée par le composant.
P = U × I
où P est la puissance en watts (W), U la tension en volts (V) et I l'intensité du courant en ampères (A).
Une grande partie de cette puissance est transformée en chaleur qu'il faut évacuer vers l'extérieur.
La conduction thermique
La chaleur quitte d'abord le composant par conduction thermique.
Elle se propage du silicium vers le boîtier du circuit intégré, puis vers le système de refroidissement.
Les métaux comme le cuivre ou l'aluminium conduisent très bien la chaleur et sont donc largement utilisés pour fabriquer les dissipateurs thermiques.
Les dissipateurs thermiques
Le dissipateur thermique, appelé aussi radiateur, est un bloc métallique fixé directement sur le composant.
Il possède de nombreuses ailettes qui augmentent fortement la surface de contact avec l'air.
Plus cette surface est importante, plus la chaleur est facilement transférée vers l'environnement.
Les dissipateurs passifs sont utilisés sur les petits composants, les régulateurs de tension, certains microcontrôleurs ou les mémoires.
La pâte thermique
Entre le composant et le dissipateur, il subsiste toujours de minuscules irrégularités qui emprisonnent de l'air.
Or l'air est un mauvais conducteur thermique.
On applique donc une fine couche de pâte thermique afin de combler ces imperfections et d'améliorer le transfert de chaleur.
La pâte thermique n'assure pas elle-même le refroidissement ; elle facilite simplement le passage de la chaleur entre les deux surfaces.
Le refroidissement par air
Lorsque le dissipateur seul ne suffit plus, on utilise un ventilateur.
Celui-ci force la circulation de l'air entre les ailettes et accélère considérablement l'évacuation de la chaleur.
Cette technique équipe la majorité des ordinateurs, des cartes graphiques, des alimentations et des consoles de jeux.
La vitesse du ventilateur est souvent régulée automatiquement en fonction de la température du composant.
Les caloducs
Les caloducs (heat pipes) sont des tubes métalliques contenant une faible quantité de liquide.
Lorsque la partie située près du composant chauffe, le liquide s'évapore puis transporte rapidement la chaleur jusqu'à la partie froide du tube, où il se condense avant de revenir vers la source de chaleur.
Cette circulation interne permet de déplacer efficacement la chaleur vers un dissipateur plus volumineux.
Les caloducs sont très utilisés dans les ordinateurs portables et les cartes graphiques.
Les chambres à vapeur
Les chambres à vapeur fonctionnent sur le même principe que les caloducs mais répartissent la chaleur dans deux dimensions.
Elles permettent d'uniformiser rapidement la température sur une grande surface avant son évacuation par un dissipateur.
On les retrouve dans les smartphones haut de gamme, les consoles de jeux et certaines cartes graphiques très puissantes.
Le refroidissement liquide
Les systèmes de refroidissement liquide utilisent un liquide caloporteur pour transporter la chaleur.
Un bloc métallique, appelé waterblock, est fixé sur le composant. Une pompe fait circuler le liquide jusqu'à un radiateur où la chaleur est évacuée par un ou plusieurs ventilateurs.
Ce système est particulièrement efficace pour refroidir les processeurs et les cartes graphiques les plus puissants.
Le refroidissement par immersion
Dans certains centres de calcul, les composants électroniques sont entièrement plongés dans un liquide isolant qui ne conduit pas l'électricité.
La chaleur est directement transférée au liquide puis évacuée vers un échangeur thermique.
Cette technique permet de refroidir efficacement des équipements très puissants tout en réduisant le bruit des ventilateurs.
La régulation thermique
Les processeurs modernes possèdent plusieurs capteurs de température intégrés.
Lorsque la température devient trop élevée, ils peuvent diminuer automatiquement leur fréquence d'horloge ou leur tension d'alimentation afin de réduire leur consommation électrique.
Ce mécanisme, appelé thermal throttling, protège le composant contre une surchauffe.
Si la température continue d'augmenter, l'appareil peut s'éteindre automatiquement afin d'éviter toute détérioration.
Les applications
Les systèmes de refroidissement sont présents dans les ordinateurs, les serveurs, les cartes graphiques, les consoles de jeux, les équipements industriels, les véhicules électriques, les alimentations de puissance, les amplificateurs audio et les centres de données.
Les smartphones, les tablettes et certains objets connectés utilisent principalement des dissipateurs miniatures, des feuilles de graphite ou des chambres à vapeur afin d'évacuer la chaleur malgré leur faible épaisseur.
Les capteurs sont des composants électroniques capables de détecter une grandeur physique et de la transformer en un signal électrique. Grâce à eux, les appareils électroniques peuvent « observer » leur environnement. Sans capteurs, un ordinateur, un robot ou un téléphone ne pourrait pas savoir s'il fait jour ou nuit, quelle est la température d'une pièce ou si un objet est en mouvement.
Une grandeur physique est une propriété que l'on peut mesurer. Il peut s'agir de la température, de la lumière, de la pression, de l'humidité, de la distance, de la vitesse, de l'accélération, du son, de la force ou encore d'un champ magnétique. Chaque type de capteur est conçu pour mesurer une grandeur bien précise.
Le fonctionnement d'un capteur est toujours le même : il reçoit une information provenant du monde extérieur et la convertit en un signal électrique. Ce signal peut être une tension, un courant ou un signal numérique que les autres circuits électroniques peuvent interpréter.
Par exemple, un capteur de température modifie son signal lorsque l'air se réchauffe ou se refroidit. Un capteur de lumière produit un signal différent selon que l'environnement est sombre ou fortement éclairé. Un capteur de distance peut mesurer le temps mis par une onde lumineuse ou sonore pour revenir après avoir rencontré un obstacle.
Les informations fournies par un capteur sont ensuite analysées par un circuit électronique, souvent un microcontrôleur ou un microprocesseur, qui prend une décision en fonction des mesures reçues. Le capteur ne décide donc rien : il se contente de mesurer et de transmettre des informations.
Exemple : dans un téléphone portable, plusieurs dizaines de capteurs travaillent en permanence. L'accéléromètre détecte les mouvements, le gyroscope mesure les rotations, le capteur de luminosité règle automatiquement l'éclairage de l'écran, le microphone transforme les sons en signaux électriques et le GPS permet de connaître la position de l'appareil.
Les capteurs sont utilisés dans presque tous les domaines : automobiles, robots, satellites, appareils médicaux, stations météorologiques, drones, électroménagers, usines, agriculture ou domotique. Ils permettent aux machines de réagir automatiquement à leur environnement.
Les progrès de l'électronique ont permis de fabriquer des capteurs toujours plus petits, plus précis et moins gourmands en énergie. Certains mesurent des variations tellement faibles qu'ils peuvent détecter un simple changement de pression, une très faible quantité de lumière ou une variation de température de quelques millièmes de degré.