DISIPADORES TÉRMICOS

DISIPADORES DE CALOR:

Cuando se genera potencia, también se genera calor, o sea, que toda etapa de salida de un amplificador, sea este de un transmisor, salida de audio, etc., disipa potencia en forma de calor, el cual si no se retira de forma rápida del elemento que lo produce, la temperatura aumentará a un nivel que puede arruinar por completo a este.


Para proteger a estos componentes se colocan sobre una placa metálica, que puede está provista de aletas para pasar este calor al aire circundante. A esta placa es a lo que denominados disipador. La función del disipador en un amplificador es eliminar el calor a los transistores o IC de salida y pasarlo al ambiente. El calor es generado en la pastilla de material semiconductor, y para eliminarse y pasar al ambiente se utilizan 4 medios:
1. De la carcaza o cubierta del transistor a la superficie de contacto del disipador, a esto se de denomina por conducción. Es de vital importancia que el transistor tenga un área de contacto muy buena con el disipador, con esto se obtiene una resistencia térmica del valor másbajo posible. En casiones se hace necesario colocar un aislante térmico entre el transistor ( o IC ) y el disipador, tal como la mica, que es un buen conductor térmico






Es aconsejable untar el aislante en ambos lados con una pasta disipadora a base de silicón, también conocida como grasa silicona y con esto disminuir la resistencia térmica y rellenar las imperfecciones del aislante. Los tornillos para fijar el componente se deben de apretar los suficiente para que con esto se asegure un buen contacto. HEcho esto se tiene que verificar con un multímetro que no haya quedado en cortocircuito el transistor o circuito integrado con el disipador. Si el disipador de calor que se va a usar es de aluminio se puede anodizar para obtener mejores características de disipación y, al mismo tiempo formar una capa aislante eléctrica.


2. Cuando el calor llega al disipador se debe de repartir por toda la superfiecie de manera rápida, de lo contrario se produce una alta concentración en el punto de contacto con el transistor y por lo mismo una temperatura demasiado alta en ese punt.. El flujo de calor se hace por conduccíon, por este motivo sedebe de usar un material que se buen conductor de calor, con un espesor adecuado en el punto de contacto, aunque se le disminuya al llegar a las aletas.


Cualquier conductor eléctrico conduce bien el calor, eso significa que cualquier metal puede ser usado como disipador. El aluminio y el cobre son los más usados por su bajo costo.
3. Ahora se debe de producir el intercambio de calor con el aire circundante, esto se hace por medio del mecanismo de convección. Para esto es necesario que haya una buena masa de aire en movimiento en contacto con la mayor parte de la superficie del disipador, es por ello que se usan las aletas. Cuando el aire se mueve de forma natural por la diferencia de temperatura entre dos espacio, se le denomina tiro inductivo. El tiro inductivo es mayor cuando se efectúa de manera vertical: Como es sabido, el aire caliente sube por su baja densidad, por lo tanto el aire frío pasará a ocupar ese espacio, originándose con esto una corriente permanente. Gracias a este fenómeno natural , es más práctico montar los disipadores de manera tal que sus aletas queden en forma vertical, para facilitar el movimiento del aire.

Cuando el calor que se produce es muy grande, y prácamente no es posible hacer un disipador de un tamaño para disiparlo por tiro inducido, debemos de proceder a usar el tiro forzado con un ventilador adecuado.


4. El calor también pasa al aire circundante por medio del fenómeno de la radiación, en forma de energía radiante, aquí influyen 2 factores importantes. El área total del disipador y la emisividad, el cual tiene que ver con el color de la superficie. Cuanto más negro sea, mejor disipación tendrá, por lo que se aconseja pintarlo o mandarlo a anodizar, de color negro mate si es con pintura.> El radiador ideal ( color negro ) puede definirse como un cuerpo que absorbe todo tipo de radiación incidente sobre él, dado que no releja o dejarebotar ninguna onda de energía que haga contacto con su cuerpo.




Los disipadores de calor

Un disipador es un componente metálico generalmente de aluminio que se utilizan para evitar que algunos dispositivos electrónicos como, transistores bipolares, reguladores, circuitos integrados etc. se calienten y se dañen.


El calor que produce un dispositivo electrónico no se transfiere con facilidad al exterior del mismo. En incontables ocasiones esto produce daños en el propio componente y sus accesorios deteriorando incluso la plaqueta donde esta montado el transistor. Por ese motivo es necesario dotar al transistor de algún dispositivo que extraiga el calor producido.


Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la juntura (chip) por debajo del máximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente eléctrica por un semiconductor, produce un aumento de la temperatura del chip que llamaremos Tj. Si se quiere mantener la temperatura en un nivel seguro, deberemos evacuar al exterior la energía calorífica generada en el chip. 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 diferentes factores dificultan dicho paso. A estos factores se les denomina, resistencias térmicas para asimilarlas a las resistencias eléctricas.


Algunos transistores son de plástico y otros son metálicos. La juntura es el lugar donde se genera el calor y se encuentra localizada en la propia pastilla o “chip”. Se trata de una zona muy pequeña que puede alcanzar fácilmente los 150ºC, lo que suele llevar al transistor a su destrucción. De modo que es muy importante mantener la unión mecánica entre el “chip” y la cápsula (caja o carcasa del transistor) por debajo del máximo y en lo posible con un muy buen margen. La resistencia térmica entre el chip y la cápsula la suministra el fabricante y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo.


Cuando un circuito integrado o un transistor funcionan con una corriente apreciable, su temperatura de unión es elevada. Es importante cuantificar sus límites térmicos, para alcanzar un funcionamiento aceptable en cuanto a confiabilidad. 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 con relación a la temperatura ambiente. La figura 1 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 genera el chip, debido a que disponen de una superficie mejor conductora del calor y por convección dicho calor se transfiere al aire que los rodea (Convección: enfriamiento debido al movimiento ascendente del aire caliente y la reposición de aire frio). 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 de disipar calor.


Los hay muy sofisticados y hasta existen algunos refrigerados por efecto Peltier (enfriamiento por celdas alimentadas por corriente) o por circulación de agua, aceite u otros líquidos.

¿Cuándo se debe usar disipador?

Utilizando la formula [2] se puede 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 a ésta, entonces es preciso utilizar un disipador. Por supuesto todo depende de la temperatura ambiente máxima que se puede esperar en la zona donde esta instalado el transistor.


Para entender el problema lo mejor es dar un ejemplo. Empezaremos por buscar algunos datos en la hoja de características o especificación del semiconductor. Por ejemplo:


La temperatura máxima de la unión que, depende del dispositivo Tj máxima, Pero recuerde que conviene trabajar con un margen de seguridad importante para alargar la vida del dispositivo, un margen de seguridad adecuado puede ser del 50%.
La resistencia térmica entre la unión y el aire ambiente Rjc, que también depende del dispositivo.
La resistencia térmica entre la cápsula y el disipador Rcd. Recordando que si se usa aislador de mica o plástico se debe incrementar en un 20% aun usando grasa siliconada.
La incógnita del problema es hallar el coeficiente térmico entre el disipador y el aire Rda. Si el dispositivo de nuestro ejemplo debe disipar 25W, los datos que hemos obtenido son:


1º-Pd = 25W
2º-TJ = 100 °C
3º-TA = 25 °C
4º-RJC = 1,52 °c/w
5º-RCD = 0,12°c/w


Usaremos la formula [2] de la cual se despeja Rda :

Rda = [(Tj-Ta)/Pd] -Rjc -Rcd

Aplicado a nuestro dispositivo el resultado es:


Rth = 1,36 ºC/W


A continuación solo basta con buscar 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 trabajo de la juntura, con consecuencias perjudiciales. Según todo lo aprendido hasta ahora la simple medición de la temperatura del disipador en el caso real es suficiente para calcular la temperatura de juntura.


En el siguiente ejemplo, conociendo Rja, podemos calcular la temperatura aproximada que alcanzará la unión del componente Tj ; despejaremos Tj en la formula [1] de la siguiente forma:


Tj = (Pd x Rja)+ Ta


De aquí deducimos que cuanto mayor sea la Tj resultante del calculo con más seguridad debe ponerse un disipador mas grande o con mejor geometría. Por tanto, deberemos calcular el disipador que ayude a evacuar el excedente de calor.


La especificación proporcionara Rjc, también proporciona la Pd o potencia máxima disipable por el dispositivo, normalmente a 25ºC. La Rja resistencia unión ambiente se puede calcular como:


Rja = Rjc + Rca


En definitiva, lo que se pretende hallar es la Rda resistencia del disipador ambiente (en las hojas de datos se suele indicar como Rth). El resto de los parámetros se conoce por el tipo de dispositivo y el cálculo de la potencia que deberá disipar dicho componente; o mas modernamente una simulación del circuito. Así, despejando en la Ley de Ohm térmica, el valor de Rda tendremos que:


Rda = Tj-Ta/Pda – (Rjc + Rcd)


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.


Resolvamos el siguiente ejercicio para fijar conceptos: considerando un dispositivo con cápsula TO-3, que disipe 30W en una temperatura ambiente máxima de 35 ºC. Cual sería la resistencia Rth que debe tener su disipador.


La especificación como la mostrada 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 una Rcd directa con grasa siliconada en 1 ºC/W. Por lo tanto ya podemos hacer el cálculo pedido.


Rda = (150-35)/30 – (1,52 + 1) = 1,3 ºC/W [ºC/W] = [ºC]/[W] – [ºC/W] – [ºC/W]


Ahora podemos calcular la caída de temperatura Tjc (unión carcaza), la Tcd cápsula disipador, la Tc cápsula y el Td disipador.


La diferencia de temperatura Tjc juntura carcaza:


Tj – Ta = Pd x Rjc = 30 W x 1,52 ºC/W = 45,6 ºC


La temperatura Tcd cápsula disipador, por deducción será:


Tc – Td = Pd x Rcd = 30 W x 1 ºC/W = 30 ºC


La temperatura Tc de la carcaza del dispositivo:


Tc = Tj – 45 ºC = 105 ºC


Y la temperatura Td del disipador:


Td = Tc – 30 ºC = 105 ºC – 30 ºC = 75 ºC

Disipadores térmicos comerciales

En el mercado se presentan diferentes tipo de disipadores o radiadores comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la Rda resistencia disipador ambiente (Rth en las especificaciones), algunos para grandes potencias de 0,5 ºC/W. Uno de los fabricantes de disipadores mas grandes se llama Burr Brown y resume los diferentes tipos en su nota de aplicación:


Tabla de resistencias térmicas




En la tabla tenemos un ejemplo para una capsula TO-3 montada 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 de 1.4°C/W.


El circuito térmico, permite estimar con cálculos simples la temperatura de juntura. La subida de temperaturas a través de cada interfaz es igual a la potencia total disipada en los varios dispositivos, la resistencia térmica. Una estimación de la temperatura de unión puede ser calculada usando el fórmula siguiente:


TJ = TA + PD * RJA


en donde PD es la potencia disipada y


RJA = RJC + RCD + RDA


En cuanto a los términos de la tabla las explicaciones son las siguientes:


TJ (°C)  Temperatura máxima en la “Unión” (dato suministrado por el fabricante).
TC (°C)  Temperatura en la carcasa que 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 grasa siliconada, si es que se utiliza).
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.
Los cálculos 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 térmica
T = PD * θJA


Disipadores especiales

Un disipador clásico es una pieza de estrucción de aluminio o una chapa doblada de aluminio con las perforaciones de montaje para el transistor o circuito integrado. Pero actualmente el costo del aluminio invita a resolver el problema de la disipación de calor por métodos menos ortodoxos que a priori parecen caros pero terminan resultando mas económicos que los disipadores clásicos cuando se trata de disipar grandes potencias.


Una fuente inagotable de disipadores son los cooler para PC. Allí se pueden encontrar disipadores de menos de 0,5 ºC/W a precios realmente bajos debido a la enorme escala de fabricación. Por supuesto que se debe realizar un circuito adecuado para evitar que una turbina rota queme un amplificador. Pero los motores de estas turbinas no tienen carbones ya que funcionan de un modo similar a los motores de impulsión directa de los videograbadores o de algunos DVD de marca. Además tienen tres cables: masa 12V y salida del generador de frecuencia que se puede utilizar para reconocer que la turbina esta funcionando. Si esos pulsos desaparecen el amplificador debe apagarse porque se quedó sin refrigeración por aire forzado. En este curso veremos este tipo de detector cuando analicemos los servomecanismos de protección de un equipo.


Todos sabemos que cuando circula una corriente eléctrica por un circuito real se genera calor. Pero ¿sabia que existen dispositivos que generan frío cuando son circulados por una corriente eléctrica? Se llaman celdas de efecto Peltier y pueden trabajar perfectamente como disipadores de calor aunque su bajo rendimiento agranda excesivamente las fuentes de alimentación.


Peltier utilizó el efecto inverso descubierto por un físico Alemán llamado Seebek: Tome dos alambres de distintos metales, de por ejemplo 1 metro de largo. Realice una soldadura de punto en cada punta del par. Ponga una de las puntas en una mezcla de agua y hielo para garantizar una temperatura de 0ºC. Coloque la otra punta en una pava de agua hirviendo (para garantizar una temperatura de 100 ºC). Cuando las soldaduras tomen la temperatura del medio en que están sumergidas, por los alambres circulara una corriente proporcional a la diferencia de temperatura. Este efecto se utiliza en electrónica en las llamadas termocuplas que conectadas a un tester lo transforman en un termómetro.


Ahora saque los alambres de las fuentes de frío y de calor y haga circular una corriente eléctrica por el par. Una de las soldaduras se calentará y la otra se enfriará creando lo que se llama una bomba de calor. En la figura 4 se puede observar una celda comercial.


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”.


Medición de la temperatura de juntura

Suponga que tiene que medir la temperatura del chip de un transistor de potencia de un amplificador de simetría complementaria. No hay una forma directa de hacerlo porque el chip no es accesible. Pero si hay una indirecta.


Una barrera de silicio tiene unos 600 mV a una temperatura de 20 ºC. Pero esa barrera no es fija; varía a razón de -2,5 mV/ºC aproximadamente. Si Ud. conmuta el circuito de base de y emisor de un transistor con dos llaves de modo de conectarlo en la disposición normal o de conectarlo a un tester de aguja como para medir una barrera, podrá medir la barrera en frío y luego en caliente y de la diferencia obtener la temperatura del cristal aplicando el coeficiente de -2,5 mV/ºC.


Circuito del amplificador modificado para medir sobrecalentamiento










Si analiza el circuito verá que es el mismo de siempre pero con el agregado de una llave inversora de dos vías que desconecta el transistor a medir y lo conecta como para medir la tensión de barrera o como está originalmente en el circuito.


La idea es medir la tensión de barrera en frío (llaves hacia arriba).
Luego llevar las llaves hacia abajo y llevar el amplificador a máxima potencia, dejarlo un par de horas funcionando con un tono de 1KHz de entrada al limite del recorte y volver a mover la llave para medir la tensión de barrera.
Es decir que tenemos dos valores de tensión de barrera (tómelos en mV) el correspondiente a temperatura ambiente y el correspondiente a transistor a máxima potencia de salida. Haciendo la diferencia de ambos valores y dividiendo por 2,5 obtenemos la sobreelevación de temperatura entre el cristal del transistor y la temperatura ambiente en ºC.


Por ejemplo si la primer medición es de 700 mV y la segunda es de 600 mV obtenemos 100 mV de diferencia que divididos por 2,5 da 40 ºC. Esto significa que cuando la temperatura ambiente en el lugar donde esta el disipador llegue por ejemplo a 60ºC (caso clásico en un automóvil por ejemplo) la temperatura del cristal estará a 100ºC y el disipador es adecuado. Si diera un valor peligroso habría que colocar un disipador de menor resistencia térmica.

Suponemos que el alumno tendrá varias preguntas para hacer. La primera es la razón por la cual se agregaron los resistores R8, R7 y el diodo D1. R8 es el resistor que hace circular corriente por la juntura para medir la barrera. R7 y el diodo D1 están para que el tester analógico no indique 6V al poner las llaves hacia abajo. ¿Y porque un tester analógico y no el digital que es mas preciso? Porque no hay que darle tiempo a que se enfríe el cristal y en los primeros instantes se enfría muy rápidamente, generando un error de medición. Un tester analógico es mas rápido que uno digital que requiere un segundo por lo menos para hacer la medición.


¿Este método es preciso? Tal como lo aplicamos no es muy preciso. Para que sea preciso se debe calibrar el transistor bajo medición para conocer exactamente cual es su coeficiente de variación de la barrera con la temperatura. Si desea mas precisión calibre el transistor del siguiente modo:


Coloque hielo granizado en un vaso hasta la mitad y agregue agua hasta llenarlo. Revuelva la mezcla espere unos minutos y mientras exista hielo en el vaso sumerja el transistor y mida la tensión de juntura con las llaves del circuito hacia arriba. Este valor es la juntura a cero grado.
Luego caliente agua en una pava y cuando comience a hervir sumerja el transistor a medir y mida la tensión de juntura. Esta será la tensión de barrera a 100 ºC. No se preocupe por el contacto de los terminales del transistor y el agua porque el circuito trabaja con bajas resistencias.
El coeficiente preciso de ese transistor será el valor de la tensión a 100 ºC menos el valor de la tensión a 0ºC dividido por 100, medido en mV/ºC. Ahora la medición es muy precisa si se toma la precaución de medir rápidamente.
Este sistema no se limita a los amplificadores de audio en donde es bastante simple determinar la potencia disipada en el transistor y por lo tanto fácil de determinar la resistencia térmica del disipador en función de la temperatura del mismo. Pero en muchos circuitos digitales en donde la potencia disipada depende de la velocidad de conmutación (por ejemplo un transistor de salida horizontal) el cálculo o simulación es difícil de realizar. Allí esta medición puede ser el única posible.


¿Que se recomienda para el caso de nuestro amplificador elemental como disipador? Aun es muy pronto para realizar un proyecto preciso porque los niveles de potencia que logramos hasta ahora son muy bajos de modo que es preferible que lleguemos a un amplificador mas adecuado antes de diseñar el disipador.


COMPARATIVA DE VARIOS DISIPADORES



SilentPCReview

En SilentPCReview, una de las referencias en SilentPC, han rediseñado el equipo de pruebas que tenían para pruebas de disipadores. Ahora pasan a utilizar una plataforma con un microprocesador Core i7-965 que genera mucho más calor que el del anterior equipo de pruebas. El ventilador de referencia sigue siendo el Nexus. Llama la atención que utlizan una de las nuevas fuentes de la serie X de Seasonic, la X-650 en lugar de la anterior fuente pasiva Silversonte. Comentan que la nueva fuente es más silenciosa que la anterior, incluso a pesar de no ser pasiva, debido al ruido eléctrico que tenía la Silverstone con cargas altas.




Aprovechando el nuevo sistema de pruebas, han realizado una comparativa de 8 de los mejores disipadores en la anterior plataforma: Noctua NH-C12P y NH-U12P, Prolimatech Megahalems, Scythe Kabuto y Mugen-2, Thermalright Ultra-120 y Ultra-120 eXtreme, y Zalman CNPS10X Extreme.




Ranking de disipadores a frecuencia de stock (consumo del micro aproximado de 110W)

Incremento de temperatura (°C) i7-965 @ Stock
Disipador	Voltaje del ventilador (Nexus)/ SPL @1m			Ranking
	12V	9V	7V
	16 dBA	13 dBA	12 dBA
Prolimatech Megahalems	35	39	42	#1
Scythe Mugen-2	37	40	43	#2
Noctua NH-U12P	38	40	41	#2
Thermalright Ultra-120 eXtreme	38	41	45	#4
Zalman CNPS10X Extreme	39	43	48	#5
Thermalright Ultra-120	42	44	49	#6
Scythe Kabuto	43	48	54	#7
Noctua NH-C12P	44	47	54	#7

Ranking de disipadores con Overclock (consumo del micro aproximado de 160W)

Incremento de temperatura (°C) i7-965 @ 3.6GHz, 1.4V
Disipador	Voltaje del ventilador (Nexus)/ SPL @1m			Ranking
	12V	9V	7V
	16 dBA	13 dBA	12 dBA
Prolimatech Megahalems	50	53	59	#1
Thermalright Ultra-120 eXtreme	51	56	63	#2
Noctua NH-U12P	53	56	60	#2
Scythe Mugen-2	53	56	62	#4
Thermalright Ultra-120	56	60	67	#5
Zalman CNPS10X Extreme	60	66	CPU Throttle	#6
Scythe Kabuto	62	70	CPU Throttle	#7
Noctua NH-C12P	64	73	CPU Throttle	#8

La ley de Ohm térmica

Se puede afirmar que, extrapolando los términos, estamos ante una revisión de la Ley de Ohm para parámetros térmicos. En este caso la similitud son los términos como temperaturas por tensiones, resistencias térmicas por resistencias óhmicas y flujo de calor por corriente eléctrica. La ley de Ohm térmica puede expresarse como sigue:


Tj – Ta = Pd x Rja [1]


Que significa que la diferencia entre la temperatura de la juntura y la temperatura ambiente es igual a la potencia disipada en el dispositivo multiplicada por la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente. En la formula [1] Rja corresponde a la suma aritmética


Rja = Rjc + Rcd + Rda


es decir que la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente es igual a la resistencia térmica entre la juntura y la carcaza mas la resistencia térmica entre la carcaza y el disipador, mas la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente.


En realidad nos interesa saber cual es la potencia máxima que puede disipar el dispositivo: por lo tanto despejamos el valor de la potencia disipada.


Pd = (Tj – Ta) / Rja = (Tj – Ta) / (Rjc + Rcd + Rda) [2]


Esta fórmula nos indica que la potencia que puede disipar un dispositivo electrónico es función directa de la temperatura máxima adoptada para la juntura (150ºC como máximo) y de la máxima temperatura ambiente e inversa de la resistencia térmica desde la juntura al ambiente (recordando que la resistencia juntura ambiente está fijada por las tres resistencias indicadas anteriormente).


En la figura 2 se muestra el llamado “grafico de reducción de potencia” que como ya se ha mencionado lo suministra el fabricante, además de las características térmicas.





"grafico de reducción de potencia”






Este grafico nos indica que si utilizamos un disipador infinito y la temperatura ambiente es de 25ºC la potencia que se puede disipar en este dispositivo en particular es de 115ºC. A medida que el disipador va tornándose mas pequeño comienza a sobrecalentarse con respecto a la temperatura ambiente. Por ejemplo si con un determinado tamaño de disipador la temperatura del mismo llega a 100ºC entonces solo se pueden disipar 55W.


¿Y que importancia tiene esto, por ejemplo para el técnico o el diseñador de un amplificador de potencia de audio? Que simulando el amplificador y midiendo la potencia desarrollada en el/los transistor/es de salida y la temperatura del disipador del dispositivo real, puede determinar si este es apropiado o si debe agrandarlo. Y esto tiene una importancia vital en el costo del amplificador porque el aluminio tiene un precio elevado.


Las características de un disipador no solo dependen de su tamaño:


Un determinado perfil de estrucción puede generar bajas resistencias térmicas “disipador ambiente” sin utilizar mucho aluminio. La resistencia térmica es en realidad función de la superficie del disipador y no de la masa de aluminio. Y la forma afecta enormemente a la relación entre la masa y la superficie exterior. De allí que los disipadores tengan aletas.
Pero no es el único factor a tener en cuenta ya que un disipador disipa no solo por convección. También existe la radiación térmica (ya que el calor puede considerarse como una onda electromagnética infrarroja) y el color de la superficie afecta la radiación. De allí que los disipadores siempre son de aluminio anodizado negro.

Disipadores térmicos

Propagación del calor Analogía eléctrica Cálculo de disipadores Ejemplo de cálculo Grandes radiadores Varios transistores en un radiador Tablas de resistencias térmicas Links de información general

radiadores de extrusión

Introducción.- Las potencias manejadas por los dispositivos semiconductores, transistores, TRIAC, MOSFET, Reguladores de tensión, etc., es en muchos casos de una magnitud considerable. Además, el problema se agrava teniendo en cuenta que el tamaño de tales dispositivos es muy pequeño, lo que dificulta la evacuación del calor producido. Un cuerpo que conduce una corriente eléctrica pierde parte de energía en forma de calor por efecto Joule. En el caso de los semiconductores, se manifiesta principalmente en la unión PN, y si la temperatura aumenta lo suficiente, se produce la fusión térmica de la unión, inutilizando el dispositivo. Los dispositivos de potencia reducida, disipan el calor a través de su encapsulado hacia el ambiente, manteniendo un flujo térmico suficiente para evacuar todo el calor y evitar su destrucción. En los dispositivos de más potencia, la superficie del encapsulado no es suficiente para poder evacuar adecuadamente el calor disipado. Se recurre para ello a los radiadores (heatsinks), que proporcionan una superficie adicional para el flujo térmico.

analogía térmica - Ley de Ohm
intensidad ( I )	calor ( W )
tensión ( V )	temperatura ( T )
resistencia ( R )	resist. térmica ( R )
V = IR	T = WR

Las unidades son W (watios), T (°C, grados centígrados) y R (°C/W)

T = Tj-Ta = W (Rjc + Rcd + Rda)


 Tj = temp. de la unión
 Ta = temp. ambiente
 Rjc = resist. térmica unión-cápsula
 Rcd = resist. térmica cápsula-disipador
 Rda = resist. térmica disipador-ambiente






 La asociación de resistencias térmicas es igual que la asociación de resistencias. En serie, sumamos los valores de cada R, de manera que la resistencia térmica equivalente es mayor que cada una de las resistencias por separado. Lógicamente, cuanto mayor es la resistencia térmica, mayor dificultad para el flujo de calor.






Cálculo del disipador.- La mayoría de fabricantes de semiconductores proporcionan los datos suficientes para poder calcular el disipador que necesitamos. Necesitamos como punto de partida, la temperatura máxima que puede alcanzar la unión del transistor. Esta temperatura no se deberá alcanzar en ningún caso, para no destruir el componente. Normalmente el fabricante proporciona el "operating temperature range" por ejemplo, -65 to 200 °C indica que la temperatura máxima es de 200°C. Nosotros podemos tomar unos coeficientes de seguridad k como sigue:


k = 0.5 para un diseño normal con temperatura moderada.
k = 0.6 para economizar en tamaño de disipador.
k = 0.7 cuando el disipador permanezca en posición vertical y en el exterior (mejora de convección).


con el coeficiente k, y tomando la temperatura máxima de funcionamiento como Tj, tenemos la expresión:






T = k Tj - Ta =  w (Rjc + Rcd + Rda)






donde w representa la potencia en watios (calor) que disipará el componente.






Si no disponemos de estos datos, podemos tomar como Tj = 135 °C para transistores de silicio, y Tj = 90°C para transistores de germanio.






El flujo de calor, desde la unión PN hasta el ambiente tiene que atravesar varios medios, cada uno con diferente resistencia térmica.


Resistencia unión-cápsula (Rjc). Viene dado en manuales y tablas, y depende de la construcción de la cápsula. El tipo TO-3 disipa gran cantidad de calor.


Resistencia cápsula-disipador (Rcd). Depende del encapsulado y del aislamiento, si lo hay, entre el componente y el disipador. El aislante puede ser mica, pasta de silicona y otros medios. Cada uno presenta diferente resistencia térmica.


Resistencia disipador-ambiente (Rda). Este es el que tratamos de calcular.

radiador para TO-220    radiador para TO-3

Ejemplo.- Vamos a utilizar un regulador de tensión LM317T con encapsulado TO-220 y cuyos datos son los siguientes: De la datasheet sacamos estos datos:

Tj = 125 °C 

Rjc = 5 °C/w

De nuestro montaje y las tablas, deducimos:

Rcd = 1.4 °C/w (separador de mica)
Ta = 25 °C (tomamos este valor)

Cálculo de la potencia que disipa el LM317. La potencia que disipa el regulador es el producto de la V que existe entre la patilla de entrada y salida y la corriente que entrega el regulador.


Por mediciones obtenemos:


Vin = 12 voltios
Vout = 6.3 voltios
V = Vin-Vout = 5.7 voltios
I = 0.9A es la corriente que entrega el regulador.
Pot = 5.7 x 0.9 = 5.13 watios


partimos de la expresión:

T = Tj - Ta = w (Rjc + Rcd + Rda)

Tenemos que calcular el valor de disipador que necesitamos, Rda. Despejamos y ponemos un k = 0.7 porque vamos a poner el disipador en el exterior y vertical.

Rda = [(k Tj - Ta) / w] - Rjc - Rcd = [(0.7·125 - 25)/5.13] - 5 - 1.4 = 5.78 °C/w

    Buscamos en catálogo y encontramos el radiador siguiente:

tiene una R = 5 °C/w, es suficiente, máxime teniendo en cuenta que ya hemos tomado un coeficiente k de seguridad igual a 0.7 y nos aseguramos de sobra. Con este radiador, podemos calcular la temperatura que alcanzará el mismo cuando el LM317 disipa 5.13 w de una forma muy sencilla:






Td - Ta = Rda · w  --->  Td = Rda · w + Ta = 5 · 5.13 + 25 = 50.65 °C


La elección del coeficiente k es arbritraria por nuestra parte. Podemos perfectamente elegir k=1 pero nos arriesgamos mucho. Es preferible en este caso subir la temperatura ambiente de diseño a 30 ó 35 grados, o incluso más para evitar que se destruya. Tener en cuenta que si el dispositivo está en una caja, la temperatura fácilmente sube a 40 grados y más.


Obsérvese cómo influye en el regulador de tensión la diferencia de tensión en entrada y salida para la disipación de potencia.


Este mismo radiador lo estoy utilizando con este regulador, que alimenta los filamentos de 3 válvulas tipos ECC82 y ECC83. El radiador está en el exterior y entrega 0.9A perfectamente, sin que hasta ahora haya tenido problemas.






Cálculo de grandes radiadores.- Cuando tengamos que disipar potencias de más de 50 vatios, las dimensiones del radiador se disparan (y las pesetas también :). Es habitual en transistores de salida, sobre todo en amplificadores de clase A.


A veces, es incluso difícil evaluar cual será la potencia que tenemos que disipar. Si por ejemplo, se trata de un amplificador clase A, la cosa es fácil, pues sabemos que la máxima potencia se disipa en el reposo y conociendo la corriente y la tensión a la que está sometido el transistor podemos inmediatamente saber la potencia. Pero en el caso de clase B o clase AB la cosa no es tan sencilla y tendremos que recurrir a predicciones más o menos acertadas, teniendo siempre presente que más vale tirar por lo alto para evitar fallos.


La lógica nos dice que si tenemos un radiador con una resistencia térmica R y lo dividimos en dos partes iguales, entonces obtenemos dos radiadores cuya R es justo el doble. No es cierto. Dependerá de la geometría y características propias del fabricante. No hay más remedio que consultar datasheets, que para grandes radiadores de extrusión incluyen gráficas de R y longitud. Normalmente, en el caso anterior la R obtenida en cada una de las mitades es menor que el doble.


El gráfico adjunto corresponde a un radiador de la casa Semikron (modedo P39):



Observamos el gráfico y vemos que el rendimiento disminuye con la longitud del radiador


Por ejemplo, para 200 watios de disipación térmica, la R oscila entre  0.29 °C/w (200mm) y 0.38 °C/w (100mm) y no como era de esperar (0.58 °C/w para 100mm).


al revés, el rendimiento aumenta según la potencia que disipe.


Por ejemplo, para una L=100mm la R varía desde 0.5 (75w) hasta 0.38 °C/w (200w).


Si por ejemplo, necesitamos 0.4 °C/w para 200w vale con un radiador de 90mm, pero si sólo disipamos 75w de calor, entonces vamos a necesitar una longitud de 160 mm. (Porque la R se hace mayor)


Tener en cuenta que la anchura (w) es constante y vale 300mm.





Varios transistores en un radiador.- Ya vimos como el sentido común nos jugó una mala pasada en nuestro cálculo de la longitud del radiador. Examinemos otro proceso mental muy habitual en estas lides. Nos encontramos ante dos transistores que disipan cada uno 30 watios y decidimos poner ambos en el mismo radiador. Por tanto, debemos disipar un total de 60 watios, y con los datos del fabricante, sabemos que:


Tj = 200 °C
Rjc = 1.5 °C/w
Rcd = 0.8 °C/w (separador de mica y cápsula TO-3)
Cogemos una Temperatura ambiente de 30 grados (el radiador está al aire libre)
Hacemos nuestros cálculos mecánicamente, y en seguida hacemos cuentas de la resistencia de radiador que necesitaremos:





Otra vez nos hemos equivocado !!


Examinemos detenidamente la situación, dibujando un diagrama de analogía eléctrica:



FIGURA2                                            FIGURA1                                               FIGURA3


La asociación de resistencias térmicas se tratan igual que las eléctricas, asociando series y paralelos llegamos al resultado de la Fig.3. La resistencia térmica total de los transistores (Rjd) es de 1.15°C/w en lugar de los 2.3°C/w que alegremente supusimos. O sea, hemos reducido a la mitad la Rjd por el mero hecho de utilizar dos transistores. Tiene sentido, porque proporcionamos dos caminos al flujo de calor. Calculemos de nuevo nuestro radiador:





La diferencia entre un radiador de 0.53°C/w y otro de 1.68°C/w es notable.


Si en lugar de dos transistores, pusiéramos cuatro, la nueva Rjd valdría 0.575°C/w y el nuevo radiador que necesitaríamos tendría una R de 2.26°C/w.


En resumen, podemos ahorrar en radiador si distribuimos el flujo de calor entre más transistores.


Estos sencillos cálculos nos han mostrado que no siempre las cosas son como parecen. Si bien un primer vistazo nos condujo por el camino equivocado, un análisis con mayor detenimiento nos enseñó una realidad bien diferente.






Para saber más sobre cálculo de radiadores.- No es fácil conseguir información sobre este campo, la info está dispersa y es incompleta. La mayor parte de lo que expongo lo he sacado de fabricantes, datasheets y algún libro de electrónica.


La mayoría de la gente se desorienta bastante con unidades del tipo "°C/w" que le suenan poco menos que a chino. Desgraciadamente, esto es extensible a profesionales del ramo; lo habitual es que si pides un radiador por su resistencia térmica en °C/w en una tienda, el dependiente te mire con cara atónita. Y yo me pregunto cómo narices elige la gente un radiador. ¿Basándose en qué?.


A continuación facilitaré algunos fabricantes donde conseguir datasheets:

Semikron                Aavid                 Thermalloy

Sitios donde conseguir otra información adicional:

Audio Pages (Rod Elliott) .- Consultar "Audio Articles" - Heatsinks

TABLAS DE RESISTENCIAS TéRMICAS DE AISLADORES

aisladores para TO-220 y TO-3

TABLAS DE RESISTENCIAS TéRMICAS DE ENCAPSULADOS

TO218  TO220   TO247       TO5             TO92