Introducción.
Los disipadores de calor son componentes metálicos normalmente de aluminio que, se utilizan para evitar que algunos dispositivos electrónicos como, transistores bipolares, reguladores, ect. se calienten demasiado y se dañen.
El calor que produce un dispositivo electrónico en funcionamiento, no se transfiere con facilidad, lo que en incontables ocasiones produce daños en el propio componente y sus alrededores, deteriorando incluso el soporte, por ese motivo es necesario dotar de algún medio que absorba el calor producido, evitando así que deteriore los componentes.
Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unión por debajo del máximo indicado por el fabricante.
El paso de la corriente eléctrica por un semiconductor, produce un aumento de la temperatura de la juntura o unión (Tj). Si se quiere mantener la temperatura a un nivel seguro, deberemos evacuar al exterior la energía calorífica generada por la unión. Para que se produzca un flujo de energía calorífica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasará del punto más caliente al más frío, pero aparecen factores que dificultan dicho paso. A estos factores se les denomina, resistencias térmicas.
Algunos dispositivos son de plástico y otros metálicos. La juntura es el lugar donde se genera el calor, se encuentra localizado en la propia pastilla o «chip», se trata de una zona muy pequeña que puede alcanzar fácilmente los 150ºC, lo que suele llevar a su propia destrucción por el efecto avalancha. De modo que, la unión o juntura entre el «chip» y la cápsula (caja o carcasa) es importante mantenerla por debajo del máximo siempre. Este dato lo suministra el fabricante y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo.
Fig. 1
Cuando un circuito integrado funciona con una corriente apreciable, su temperatura de unión es elevada. Es importante cuantificar sus límites térmicos, para alcanzar el funcionamiento aceptable y fiabilidad. Este límite es determinado por la suma de las partes individuales que consisten en una serie de subidas de temperatura de la unión del semiconductor en funcionamiento ambiente. La figura que sigue, muestra la arquitectura de un circuito integrado y sus componentes resistivos térmicos descritos.
Los componentes que son metálicos, transfieren con más facilidad el calor que generan, debido a que disponen de una superficie mejor conductora del calor y por convección dicho calor se transfiere al aire que los rodea. Al mismo tiempo estos dispositivos nos permiten realizar un mejor acoplamiento con otros elementos metálicos que a su vez absorben calor y además permiten una mayor superficie de contacto con el aire que es el modo más económico. Los hay muy sofisticados y pueden ir refrigerados por efecto peltier, agua o aceite.
Cálculos.
Ante lo expuesto, se puede afirmar que extrapolando los términos, estamos ante una revisión de la Ley de Ohm. En este caso la similitud con los términos como temperaturas por tensiones, resistencias térmicas por resistencias óhmicas y flujo de calor por corriente eléctrica, puede expresarse como sigue:
En la figura siguiente se muestra el tipo de curva de reducción de potencia que como ya se ha mencionado la suministra el fabricante, además de unas características y su símbolo.
Fig. 3
Las características de un disipador no solo dependen de un determinado perfil y de la superficie del mismo sino de la forma, el material, el color de la superficie y posición.
CUANDO DEBEMOS USAR DISIPADOR.
Utilizando la formula [2] podemos conocer cual es la potencia máxima TJ que puede disipar nuestro dispositivo sin disipador. Cuando la potencia que va disipar el dispositivo es ≥ (igual o mayor) que ésta, entonces es preciso utilizar un disipador.
Empezaremos por buscar algunos datos en su hoja de características o data sheet, tal como:
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1 2 3 4 5 6 7 8 |
- La temperatura máxima de la unión que, depende del dispositivo <b>T<sub>j</sub></b> máxima, sin embargo, siempre debemos trabajar con un margen de seguridad del 50%. - La resistencia térmica entre la unión y el aire ambiente <b>R<sub>jc</sub></b>, también depende del dispositivo (data sheet). - La resistencia térmica entre la cápsula y el disipador <b>R<sub>cd</sub></b>, corresponde al contacto entre la cápsula del dispositivo y el disipador. - La resistencia térmica entre el disipador y el aire <b>R<sub>da</sub></b>, es lo que debemos encontrar. Es la incógnita. |
Por ejemplo: El dispositivo de nuestro circuito debe disipar 30W, los datos que hemos obtenido son:
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1 2 3 4 5 |
<b>P<sub>d</sub></b> = 25W <b>T<sub>J</sub></b> = 100 °C <b>T<sub>A</sub></b> = 25 °C <b>R<sub>JC</sub></b> = 1,52 °c/w <b>R<sub>CD</sub></b> = 0,12°c/w |
Cuyo resultado es: Rth = 1’36 ºC/W
Se buscará en catálogos de fabricantes de disipadores algún disipador que tenga una resistencia térmica con el valor que acabamos de calcular. No se debe elegir nunca un disipador que tenga una resistencia térmica mayor, ya que esto implicaría aumentar gravemente la temperatura de juntura de trabajo, con consecuencias perjudiciales.
Otro ejemplo:
Conociendo Rja, podemos calcular la temperatura aproximada que alcanzará la unión del componente, Tj despejando en la formula [1] de la siguiente forma: Tj = Pd x Rja + Ta
Deduciendo que cuanto mayor sea la Tj resultante del calculo con más seguridad debe ponerse un disipador. Por tanto, deberemos calcular el disipador que ayude a evacuar el excedente de calor.
Si el data sheet proporcionara Rjc, también proporcionará la Pd potencia máxima disipable por el dispositivo, normalmente a 25ºC. Como se aprecia en la figura de arriba.
La Rja resistencia unión ambiente se puede calcular con: Rja = Rjc + Rca
En definitiva, lo que se pretende hallar es la Rda resistencia del disipador ambiente (en las hojas de datos como Rth), el resto de parámetros se conocen por el data sheet del dispositivo y el cálculo obtenido de la potencia que deberá disipar dicho componente). Así, despejando en la Ley de Ohm térmica, el valor de Rda tendremos que:
El valor de Rcd suele estar entre 0’5 y 1’0 ºC/W, considerando que la cápsula está unida al disipador con una capa de silicona térmica y no con mica aislante, lo que aumentaría la resistencia alrededor de 2 ºC/W.
Considerando un dispositivo con cápsula TO-3, que disipe 30W en una temperatura ambiente de 35 ºC. Cual sería la resistencia Rth del disipador necesario.
El data sheet como el mostrado arriba, nos dice que la Rjc es de 1’52 ºC/W, con una Tc máxima de 200 ºC que por seguridad reduciremos a 150 ºC y la Rcd directa con silicona térmica en 1 ºC/W. Por lo tanto ya podemos hacer el cálculo pedido.
Ahora podemos calcular la temperatura que alcanzarán la Tjc unión cápsula, la unión cápsula, la Tcd cápsula disipador, la Tc cápsula y el Td disipador.
La diferencia de temperatura Tjc unión cápsula: Tj – Ta = Pd x Rjc = 30 W x 1’52 ºC/W = 45’6 ºC
La temperatura Tcd cápsula disipador, por deducción: Tc – Td = Pd x Rcd = 30 W x 1 ºC/W = 30 ºC
La temperatura Tc de la cápsula del dispositivo: Tc = Tj – 45 ºC = 105 ºC
Y la temperatura Td del disipador: Td = Tc – 30 ºC = 105 ºC – 30 ºC = 75 ºC
En el mercado se presentan unos tipo de disipadores o radiadores comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la Rda resistencia disipador ambiente (Rth), algunos para grandes potencias de 9’5 ºC/W.
Fig. 4
NOTA.– Según las hojas de características de Burr Brown en su nota de aplicación: sboa021.pdf
Una cuestión crítica con todos los dispositivos de semiconductor es la temperatura de unión (TJ). TJ se debe mantener por debajo de su máximo valor nominal, típicamente 150°C. Es lo mejor la más abaja temperatura de unión TJ.
El ejemplo siguiente muestra valores típicos para una cápsula TO – 3 montado de dos modos diferentes – (1) para usos de alta potencia y (2) para usos de baja potencia. El valor para RJC de 0.8°C/W es para el disipador OPA512 que funciona en condiciones de señal de corriente alterna. Para condiciones de señal de corriente continua, RJC es sobre 1.4°C/W.
El circuito térmico mostrado debajo, permite estimar con cálculos simples la temperatura. La subida de temperaturas a través de cada interfaz es igual al potencia total disipada en los varios dispositivos, la resistencia térmica (PD * R). Una estimación de la temperatura de unión puede ser calculada usando el fórmula siguiente:
TJ = TA + PD * RJA ; RJA = RJC + RCD + RDA
Donde:
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
- TJ (°C) = Temperatura máxima en la "Unión" (dato suministrado por fabricante) - TC (°C) = Temperatura en la carcasa, depende de la potencia que vaya a disipar el dispositivo, el tamaño del disipador y la temperatura ambiente. - TD (°C) = Temperatura del Disipador, depende de la temperatura ambiente y el valor de RDA (RD) - TA (°C) = Temperatura ambiente - PD (Watts) = Potencia Disipada en semiconductor. - RJC (°C/Watt) = Resistencia térmica entre la Unión y la carcasa - RCD (°C/Watt) = Resistencia térmica entre Carcasa y Disipador (incluye el efecto de la mica y la pasta de silicona, si se pone). Evitar poner mica, mejor si se pone sólo pasta de silicona. - RDA (°C/Watt) = Resistencia térmica entre el Disipador y el Aire (Resistencia térmica del disipador RD) - RJA (°C/Watt) = Resistencia térmica entre la Unión y el aire. |
Fig. 5
Los cálculos comienzan a pie de tabla y asumen una temperatura ambiente de 25°C en estos ejemplos. Cada componente de resistencia térmica produce una subida de temperaturas igual al producto de la potencia disipada y la resistencia térmica. La temperatura de la unión es igual al producto de potencia disipada y la resistencia total térmica (PD * θJA).
La resistencia térmica θ puede variar considerablemente con modelos y montajes particulares. Mientras los valores de θ pueden ser obtenidos de datos específicos, deberían confirmar temperaturas deliberadas medidas hechas en el fondo del caso.
La capacidad de transmitir el calor se llama conductancia térmica y a su recíproco se le llama resistencia térmica (Rth) que tiene unidad de °C/ W (grado Centígrado/Watio).
EFECTO PELTIER.
El efecto que, en una cadena de soldaduras de dos metales distintos se produce una corriente eléctrica, cuando existe una diferencia de temperatura entre soldaduras alternativas, es conocido desde que el físico alemán Thomas Johann Seebek descubrió en 1821 el efecto que lleva su nombre, efecto Seebek.
Fig. 6
Poco después, el francés Jean Charles Peltier descubrió en 1834 el fenómeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a través de un circuito de dos metales soldados, una de las soldaduras se enfría mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una «bomba de calor».
El efecto Thomson, descubierto por Lord Kelvin en 1854, completó los descubrimientos anteriores. Este efecto Thomson se produce en un circuito de un único material conductor, según el sentido de paso de la corriente eléctrica, el conductor emite o absorbe calor. Esto ya es otro tema que no se discute aquí.