Disipadores de Calor (Tutorial)

¿Cuantas veces no se nos ha quemado un transistor y solo por que le faltaba un disipador de calor? ¿Cuantas veces al ponerle alguno parece que no es suficiente?

Bueno, a nosotros nos pasaba seguido jejeje, se nos calentaban mucho algunos transistores, reguladores, puentes H, etc. y aun poniéndole algún disipador parecia que no era suficiente, o ya de plano elegiamos el mas grande 😛 para asegurar, pero…

¿Como elegir un disipador? ¿Como saber si alguno es el adecuado? ¿Que valores o unidades manejan?…

Pues lo que intentaremos en el siguiente articulo es dar una base sobre como elegir un disipador de calor, las consideraciones que debemos tomar en cuenta

Para empezar, podemos decir que, en electrónica, todo elemento en el que circula una corriente generara calor, provocando una aumento en la temperatura en el dispositivo. Este incremento de temperatura es proporcional a la potencia a la cual trabaja dicho dispositivo, esto es, su potencia disipada.

Por lo regular los circuitos a electrónicos no requieren mucha corriente y trabajan en voltajes pequeños, como 5V o 3.3V con algunos mili-amperes, así la potencia disipada por nuestros circuitos a su vez no supera algunos mili-watts, por lo tanto el incremento de la temperatura en cualquiera de los elementos del circuito es de apenas un par de grados (°C).

Pero ¿que pasa cuando requerimos corrientes y voltajes mayores?, por ejemplo: si deseamos controlar un motor de gran capacidad para un robot, o tenemos el amplinomada que maneja mas de 50W !!! 😉 La temperatura en nuestros circuitos empieza a subir y subir y subir y…  pueden llegar a quemarse, entonces es necesario una buena gestión térmica 😉 y el camino a seguir es seleccionar un buen disipador de calor. Pero antes de ver el proceso de selección, es necesario definir en primer lugar algunos conceptos.

Calor y temperatura.

Temperatura: Es una propiedad de las sustancias que nos permite clasificarlas como «frías», «tibias» o «cálidas» y todo sistema o sustancia posee un valor para esta propiedad en alguna escala.

Calor: Es un proceso de transferencia de energía debido a la interacción de por lo menos dos sistemas con temperaturas diferentes, y se manifiesta con el cambio de valor de temperatura de al menos uno de los sistemas. Esta transferencia o «flujo» de calor sucede desde el sistema de mayor temperatura al de menor temperatura, y en la mayoría de los casos, hasta alcanzar un equilibrio térmico.

Equilibrio térmico: Es aquel que experimentan los sistemas que originalmente tenían un valor diferente de temperatura, pero que después de un tiempo alcanzan el mismo valor.

Propagación del calor y modelo equivalente.

El calor puede transferirse de tres formas:

Conducción: Cuando se encuentran en contacto directo dos o mas sistemas y no hay intercambio de masa.

Convección: Cuando hay un desplazamiento de masa, sucede principalmente en líquidos y gases; para nuestro caso el ejemplo sera el flujo de aire en un disipador de calor.

Radiación: Cuando la energía se transmite por ondas electromagnéticas , como la luz solar.

En nuestro caso, y para hacer nuestra tarea mas sencilla asumiremos que, a pesar de que se disipa calor en las tres formas, la conducción es la forma dominante y los cálculos, mas simples, nos daran una muy buena aproximacion para las necesidades cotidianas.

Una ventaja del modelo que vamos a utilizar para nuestros cálculos, es la analogía con un circuito eléctrico, como se ve en la siguiente figura:

Como se puede observar, la diferencia de temperaturas es equivalente a la diferencia de potencial eléctrico, la potencia disipada a la corriente y la resistencia térmica a la resistencia eléctrica. Esto nos permite usar la ley de Ohm para realizar nuestros cálculos

Ahora bien, ¿Que temperaturas debemos considerar? La respuesta, aunque no obvia, es sencilla: La temperatura de unión y la temperatura del medio ambiente.

¿Que es la temperatura de unión? Es la temperatura a la que se encuentra el semiconductor (el silicio o germanio) dentro del encapsulado de nuestro dispositivo. Esta temperatura la podemos encontrar en la hoja de especificaciones, como lo muestra la siguiente figura:

La temperatura de unión en la hoja de especificaciones es la máxima a la que puede estar nuestro dispositivo, superada esa temperatura, no hay garantía de buen funcionamiento y el dispositivo tiende a degradarse rápidamente o destruirse.

Lo siguiente es determinar que podemos manipular y que no, obviamente no podemos manipular la temperatura del medio ambiente (por lo menos no es fácil) así que la suponemos como una constante que podemos medir o estimar de acuerdo al ambiente al que va a estar expuesto nuestro circuito. Nunca debemos superar la temperatura de unión si queremos un buen desempeño de nuestro circuito, así que agregamos un factor de seguridad «k» que puede ser de alrededor de 0.75 asi, si la temperatura máxima indicada por nuestra hoja de datos es de 150 (°C) al multiplicarla por el factor de seguridad tenemos una tempera máxima optima de 112.5 (°C), que permite trabajar a nuestro circuito pero no es un valor de temperatura que quisiéramos manejar de manera usual, a nadie le gusta quemarse  o quemar a alguien mas con un circuito (eso creo 😛 ); así que también podemos decir o planear a que temperatura «máxima» queremos que llegue nuestro circuito por lo que también la podríamos considerar como una constante de valor máximo, con lo que una ecuación de ley de ohm puede convertirse en una desigualdad,  y replanteando el circuito térmico y su ecuación serian como en la siguiente figura:

Antes de continuar, debemos de tener en cuenta algo IMPORTANTE: cada dispositivo tiene una «curva de reducción de potencia» para la potencia que puede ser disipada por el mismo dispositivo, esto es, si queremos que maneje cierta potencia, debemos mantenerlo por debajo de cierta temperatura, por ejemplo en la siguiente figura:

El área «segura» de operación es la que esta por debajo de la curva en color amarillo; por ejemplo si queremos que nuestro dispositivo pueda manejar 60 de potencia, debemos mantener el encapsulado por debajo de 50 (°C), o bien, con una temperatura de operación de encapsulado de 100(°C) lo máximo que se pueden disipar son 30 de potencia. Como puede verse también, si mantenemos por debajo de los 25 (°C) a nuestro dispositivo, puede manejar la potencia máxima para la que esta diseñado.

Ahora, regresando a nuestros cálculos, habíamos visto que no podemos manipular la temperatura ambiental, y de manera muy limitada la temperatura de unión, por lo que la consideraremos una «constante». Entonces si buscamos un disipador, este también tiene una propiedad: su resistencia térmica. Esta resistencia, proporcionada por el fabricante, nos permite saber o determinar la temperatura de nuestro dispositivo cuando lo conectamos a el, ya que por medio del área (mucho mas grande que el encapsulado) intercambia calor que le conduce el encapsulado al medio ambiente por medio de convección.

Entonces si colocamos nuestro disipador, tendremos un montaje físico muy parecido con la siguiente figura:

Con lo que nuestro modelo y  ecuación quedan como sigue:

Donde:

• Tj: Temperatura de la unión
• Ta: Temperatura ambiente
• Rjc: Resistencia térmica entre la unión y el encapsulado
• Rcd: Resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador, usualmente es la interfaz que conecta al disipador con el encapsulado, donde puede ser por contacto directo o a través de una mica aislante o pasta térmica o ambas.
• Rda: Resistencia térmica entre el disipador y el medio ambiente

Parece una ecuación mas compleja pero, en realidad no lo es, solo es un poco mas descriptiva, ya que a pesar de que parece que se agregan incognitas, como la resistencias adicionales, en realidad son datos proporcionados por los fabricantes.

Para la resistencia entre la unión y el encapsulado, puede leerse directamente de la hoja de especificaciones:

O bien determinarse de la curva de reducción de potencia, la resistencia es el inverso y negativo de la pendiente de la curva (o recta en este caso), que en nuestra hoja de especificaciones nos daría una pendiente de -0.6 (W/°C) con lo que la resistencia es de 1.6666 (°C/W) como lo indica la hoja de especificaciones.

En el caso de la resistencia entre el encapsulado y el disipador, lo proporcionan las combinaciones de mica dielectrica con pasta termica (ayuda a mejorar el flujo de calor), en el caso del encapsulado de prueba (TO-220), las resistencias posibles de la interfaz son:

• Metal-Metal: Es el contacto directo entre el encapsulado y el disipador, su resistencia térmica estará alrededor de 1.2(°C/W), cuando se le aplica pasta térmica puede llegar hasta 0.8(°C/W)
• Mica aislante: Es cuando se aísla eléctricamente el encapsulado del disipador pero hay conducción térmica. Con una mica de 2 milésimas de pulgada de grosor, la resistencia es de alrededor de 3.4 (°C/W) y con pasta térmica puede llegar hasta 1.6 (°C/W).

Estos valores pueden cambiar con diversos factores, como la presión con la que se fija el encapsulado al disipador, el material de la mica, la cantidad de pasta, etc. Pero estos valores son los mas usuales y cumplen para casi cualquier situación.

Características de un disipador de calor

Para poder elegir un disipador de calor, es necesario saber que características o propiedades nos puede proveer el fabricante, básicamente son tres: su resistencia térmica, el tamaño y el precio 😉

Por el momento nos enfocaremos en la resistencia termica, ya que esta nos guiara hacia el tamaño y despues hacia el precio 😛 uno puede leerla de la hoja de especificaciones:

Lo fabricantes proporcionan esta resistencia caracterizada convección natural (sin flujo de aire o despreciable), a 25(°C) y a nivel del mar.

Obviamente estas características cambian con el aumento del flujo de aire, la temperatura ambiente (este cambio es mínimo por que casi siempre trataremos de que la temperatura ambiente este dentro de un rango razonable) y dependiendo a la altura a nivel del mar a la que se encuentre nuestro dispositivo. Esta ultima variante (la altura s.n.m.) es determinante en la eficiencia del disipador, por que a mayor altura, es menor es la densidad del aire, entonces hay menos desplazamiento de  masa y por lo tanto menos intercambio de calor entre el disipador y el medio ambiente.

Para nuestro estudio supondremos que no hay flujo de aire (convección natural) ya que ante un aumento del flujo de aire la resistencia térmica del disipador bajaría, aumentando la eficiencia y haciendo que nos preocupemos menos 😉

Regresando a la variante de la altura, dependiendo de esta, es como afectara la resistencia que nos provee el fabricante, para saber como afecta la altura, esta la siguiente tabla:

Como se puede observar, a mayor altura, la resistencia también aumenta, puesto que el dato de fabrica se divide entre el factor de altura.

Para la Ciudad de México, donde resido, el factor es de ~0.8441 (~2240 [m] s.n.m )

Con todos los conceptos y datos recopilados, podemos finalmente hacer el…

Calculo de resistencia térmica necesaria

A la formula, basada en la ley de ohm, del modelo térmico de nuestro circuito, solo falta agregarle el factor de altura, con lo que la formula queda finalmente como sigue:

Si debemos encontrar la resistencia del disipador, debemos despejar esa variable, quedando la formula:

Donde:

• Rda-nom: Resistencia térmica nominal que buscaremos con el fabricante.
• Fh: Es el factor de altura sobre el nivel del mar.
• Tj: Es la temperatura de unión en la cual deseamos operar el dispositivo.
• Ta: La temperatura ambiente de trabajo.
• Rjc: Resistencia térmica de la unión al encapsulado, es un dato de fabricante.
• Rcd: Resistencia térmica de interfaz entre encapsulado y disipador

Como se puede observar, y en base a todo lo que vimos con anterioridad, solo hay que sustituir valores y el valor obtenido es el que vamos a buscar en la hoja de especificaciones del fabricante

Hay que tener en cuenta que para los valores mas cercanos a cero, el disipador puede ser muy grande o necesitara una convección forzada (un sistema de refrigeración), en ambos casos el precio aumenta y puede ser muy cara una implementación. Cuando el valor es menor o igual a cero, significa que no existe un disipador que podamos implementar con las caracteristicas de temperatura, potencia o ambas 😛 y es momento de pensar nuevamente en el diseño del circuito.

Ahora, que pasa si no tenemos el dato de fabricante o queremos hacer nuestro propio disipador. Pues bueno, siempre es posible hacer un proceso de caracterizacion para una pieza de metal con la que pretendamos construir un disipador, generalmente un pedazo de perfil de aluminio 😉 o similar

El proceso de caracterización lo dejaré para otro artículo, basicamente por que no tengo un buen termómetro a la mano para tener las medidas con la presicion necesaria jejejeje.

En fin, espero que esto sea de utilidad y solo como dato extra, lo siguiente: según las especificaciones del fabricante los disipadores TO-300 que venden en Steren y en AG Electronica ronda los 10.4(°C/W) (nominal)

Referencias

Libros:

Thermal Design of Electronic Equipment – Ralph Remsburg – ISBN-10: 0849300827,  ISBN-13: 978-0849300820

The Circuit Designer’s Companion – Peter Wilson  – ISBN-10: 0750663707, ISBN-13: 978-0750663700

Para los libros citados, en la biblioteca central de la UNAM-CU existe una copia de ellos 😉

Enlaces:

Technical Tools and Documents – Aavid Thermalloy (Varios Autores) – link

————–

Argos.

Anuncio publicitario