Clculo de disipadores de calor

Clculo de disipadores de calor. Los disipadores de calor son unos elementos complementarios que se usan para aumentar la evacuacin de calor del componente al que se le coloque hacia el aire que lo rodea. Esto trae como consecuencia que se reduce la temperatura de trabajo del componente ya que la cantidad de calor que se acumula en l es menor que sin disipador. Un clculo estricto de los disipadores puede ser complejo. En este artculo se tratar un sistema de clculo aproximado, que sin embargo proporciona buenos resultados y est muy difundido. Este sistema se basa en una analoga entre circuitos de flujo de calor y circuitos elctricos resistivos.

Disipador o radiador?

Ambos trminos se usan como sinnimos en el mbito de la evacuacin de calor en los componentes electrnicos. Sin embargo, en opinin del autor de este artculo, el trmino apropiado es el de disipador de calor. Y esto porque el mtodo que se usa para extraer el calor del componente no es el de radiacin, sino el de conveccin. Por tanto, al ser el trmino disipador (que disipa o extrae el calor) ms genrico que el de radiador (que extrae el calor por radiacin) creo que el primero es el ms adecuado. Por tanto, me referir a estos elementos como disipadores y no como radiadores.

Establezcamos la analoga: la Ley de Ohm trmica:

Al igual que en los circuitos elctricos, se puede definir una Ley de Ohm en los circuitos de flujo de calor. Pero antes identifiquemos los elementos trmicos equivalentes a sus anlogos elctricos. As, el papel de la fuente de tensin elctrica (por ejemplo una batera) lo cumple el componente que genera el calor que se desea evacuar. El papel de masa de un circuito elctrico lo tiene el aire, que supendremos a una temperatura de unos 25C. La diferencia de tensin elctrica encuentra su homlogo en la diferencia de temperatura. La potencia generada en forma de calor en el componente tiene su equivalente en la corriente elctrica entregada por la fuente de tensin. Por ltimo, la resistencia elctrica tiene su reflejo en la resistencia trmica medida en C/W (grados centgrados por vatio). Con estos elementos podemos ya formular la Ley de Ohm trmica:

S, pero realmente necesito colocar un disipador?:

Supongamos que tenemos cierto componente de tipo semiconductor y queremos saber si necesitar o no un disipador. Pues bien, deberemos empezar por buscar en su hoja de caractersticas (data sheet) algunos datos. A saber,

Temperatura mxima de la unin (o las uniones), Tj.

Resistencia trmica entre la unin y el aire cirdundante, Rth j-amb (o en su defecto la resistencia trmica entre la unin y la cpsula del componente, Rth j-c).

Conocidos estos parmetros, necesitaremos saber tambin la potencia que va a estar disipando el componente, P, y la temperatura ambiente de trabajo que estimemos oportuna, Ta (digamos 35 40C). Pues bien, si conocemos Rth j-amb podemos estimar la temperatura que alcanzara la unin (o uniones) del componente, Tj estimada, de la siguiente forma:

As, si Tj estimada > Tj o Tj estimada = Tj o Tj estimada < Tj pero est peligrosamente cerca de esta ltima, debe de colocarse un disipador que ayude al componente a evacuar el calor. Qu ocurre si el fabricante proporciona Rth j-c en lugar de Rth j-amb en el data sheet? En ese caso el fabricante proporcionar tambin la potencia mxima disipable por el componente, normalmente a 25C. Entonces Rth j-amb se puede hallar mediante un simple clculo:

donde Ta es en este caso la temperatura para la que el fabricante especifica la potencia mxima, Pmx. Entonces, Rth j-amb se obtendra de la siguiente forma:

Necesito un disipador, pero cal?:

Llegados a la conclusin de que el disipador es necesario tendremos que realizar un clculo que nos oriente sobre el disipador que debemos usar. El diagrama del montaje componente-disipador podra ser el siguiente:

Este montaje tiene el siguiente circuito trmico, o de flujo de calor, asociado:

Por la analoga con los circuitos elctricos se puede ver que

con lo que la Ley de Ohm trmica podr expresarse as:

Lo que se pretende hallar es Rth d-amb, debiendo de ser conocidos el resto de parmetros (por el data sheet del componente y por un clculo de la potencia que deba disipar dicho componente). As, despejando de la Ley de Ohm trmica el valor de Rth d-amb tendremos que:

Por regla general, Rth c-d se puede tomar entre 0.5 y 1C/W siempre y cuando la unin que se haga entre el componente y el disipador sea directa (sin mica aislante) y con silicona termoconductora. Si esta unin se efecta con mica y sin silicona estaremos hablando de resistencias trmicas de contacto entre 1 y 2C/W. Si necesitamos usar mica para aislar tambin podemos aplicar silicona termoconductora, en cuyo caso la resistencia estara comprendida entre 1 y 1.5C/W.

Se necesita calcular el disipador que debe colocarse a un transistor 2N3055 que trabajar disipando una potencia de 30W. Considerar la temperatura ambiente de trabajo igual a 40C. Por el data sheet del 2N3055 sabemos que Rth j-c es de 1,5C/W. Adems, su temperatura mxima de la unin, Tj, es de 200C. Este valor lo rebajaremos por seguridad hasta los 150C (a pesar de lo que diga el fabricante). Como la unin con el disipador ser directa con silicona termoconductora supondremos Rth c-d de 1C/W. Con estos datos ya podemos calcular Rth d-amb:

Por tanto, el disipador que le coloquemos al transistor deber tener una resistencia trmica de como mucho 1.2C/W. La eleccin del modelo concreto ya se hara mirando en los catlogos. Qu temperatura alcanzar el disipador del ejemplo anterior? Y la cpsula del transistor? La unin estar, segn hemos supuesto en el clculo anterior, a 150C. En Rth j-c existir una diferencia de temperatura debida al flujo de calor. En concreto:

Tambin en Rth c-d caer una temperatura dada por

Entonces, la temperatura de la cpsula del transistor ser

y la temperatura del disipador ser

La conexin de ms de un componente activo en un disipador:

Es habitual colocar ms de un coponente semiconductor en un solo disipador. Por ejemplo, podran colocarse sobre un disipador los transistores finales de un amplificador con la etapa de potencia en simetra complementaria. Veamos cmo calcular el disipador necesario en estos casos basndonos en el ejemplo expuesto. El circuito trmico sera el siguiente:

Supondremos que la situacin (tanto elctrica como fsica a efectos de transmisin de calor) es simtrica, ya que de lo contrario podra darse el caso de que uno de los componentes fuese receptor de calor del otro, lo que complicara todo el clculo amn de que podra darse el caso de que el componente que actuase como receptor alcanzace una temperatura mayor que sin disipador. Bien, con esta limitacin que hemos impuesto se podra simplificar el circuito trmico a este otro:

Un circuito de este tipo ya se ha calculado en el apartado anterior, con lo que no debera tener ningun problema con l.

Juntas y piezas de repuesto

La eleccin obvia

www.hgf-phe.comBuenas tardes: Por favor necesito saber como calcular la capacidad de los estractores de aire para un tablero elctrico en cuyo interior va a ir instalado un variador de frecuencia que segn sus hojas tcnicas tiene una disipacin total de 2512watts. Los estractores que actualmente tengo son de 740m3 / H y quisiera saber si son suficientes para esta aplicacin. colocara uno en la parte inferior del tablero para que succione el aire de afuera y el otro en la parte superior del tablero para que expulse el aire caliente de dentro del tablero. Gracias por su gentil ayuda. Slds, PattyEddy

15/02/2008

Experto Hola. La formula es la siguiente P = (V* T/3,1) + K*A*T T = ti - te Siendo P la potencia de disipacion (en w) V el caudal del ventilador (en m3/h) T la diferencia de temperaturas (en K) K el coeficiente de transmision de calor (2 para ventiladores) (en w/(m2K) A la superficie de enfriamiento (en m2) ti la temperatura interior del tablero (en K) te la temperatura ambiente fuera del armario Con estas formulas podes calcular los ventiladores. A mi me falta el dato de las temperatura, por eso no lo calculo. Suerte

20/ Disipadores

En la entrega anterior aprendimos a medir las caractersticas mas importantes de nuestro amplificador:

Tensin de recorte

Sensibilidad a tensin de recorte

Potencia de salida

Rendimiento

Distorsin

Respuesta en frecuencia.

Parece que est todo bien medido pero aun falta algo importantsimo; los parmetros trmicos.

Sabemos que los transistores de salida deben montarse sobre un disipador con un aislador de mica y grasa siliconada pero no sabemos cual debe ser la superficie del disipador y su espesor. Inclusive no sabemos cual debe ser su color.

Los parmetros trmicos de los componentes son tan importantes o ms que los elctricos. Inclusive tienen leyes equivalentes a las elctricas que nos permiten realizar clculos precisos. Pero luego del clculo vienen las mediciones y all fallan hasta los ingenieros mas fogueados. Basta con decir que la temperatura mas importante es la del chip de los transistores de salida y aunque parezca imposible en esta leccinle vamos a ensear a medirla sin ningn otro instrumento mas que un simple tester de aguja, los propios transistores de salida y mucho ingenio.

Y porque la temperatura del chip es tan importante? Porque los transistores estn fabricados con cristal de silicio y este elemento qumico pierde su porpiadad como cristal a unos 200C destruyndose el transistor. Pero aun antes de llegar a esas temperaturas la vida de los transistores de potencia depende de la temperatura del chip. En efecto el chip est pegado sobre una lamina de cobre para transferirle su temperatura; y esta lmina se la transfiere al disipador externo. Si el chip llega a temperaturas muy altas se dilata mucho; lo mismo ocurre con la lmina de cobre; pero el coeficiente de dilatacin de ambos materiales es muy diferente y se produce un fenmeno de dilatacin diferencial que termina despegando progresivamente el chip del cobre con cada calentamiento y enfriamiento. Finalmente el chip se despega por completo y su calor no puede transferirse al exterior; se calienta por arriba de 200C y el transistor se destruye.

Por eso la primer premisa es mejorar el rendimiento del amplificador y la segunda es disiparlo adecuadamente. Lo primero implica una medicin elctrica que ya sabemos hacer y lo segundo una medicin trmica.

Los disipadores de calor

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

El calor que produce un dispositivo electrnico no se transfiere con facilidad al exterior del mismo. En incontables ocasiones esto produce daos 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 algn 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 mximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente elctrica 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 energa calorfica generada en el chip. Para que se produzca un flujo de energa calorfica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasar del punto ms caliente al ms fro, pero diferentes factores dificultan dicho paso. A estos factores se les denomina, resistencias trmicas para asimilarlas a las resistencias elctricas.

Algunos transistores son de plstico y otros son metlicos. 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 pequea que puede alcanzar fcilmente los 150C, lo que suele llevar al transistor a su destruccin. De modo que es muy importante mantener la unin mecnica entre el chip y la cpsula (caja o carcasa del transistor) por debajo del mximo y en lo posible con un muy buen margen. La resistencia trmica entre el chip y la cpsula la suministra el fabricante y depender del tipo de cpsula del dispositivo.

Cuando un circuito integrado o un transistor funcionan con una corriente apreciable, su temperatura de unin es elevada. Es importante cuantificar sus lmites trmicos, para alcanzar un funcionamiento aceptable en cuanto a confiabilidad. Este lmite es determinado por la suma de las partes individuales que consisten en una serie de subidas de temperatura de la unin del semiconductor con relacin a la temperatura ambiente. La figura 1 muestra la arquitectura de un circuito integrado y sus componentes resistivos trmicos descritos.

Fig.1 Transistor o CI con encapsulado plstico para montaje superficial

Los componentes que son metlicos, transfieren con ms facilidad el calor que genera el chip, debido a que disponen de una superficie mejor conductora del calor y por conveccin dicho calor se transfiere al aire que los rodea (Conveccin: enfriamiento debido al movimiento ascendente del aire caliente y la reposicin de aire frio). Al mismo tiempo estos dispositivos nos permiten realizar un mejor acoplamiento con otros elementos metlicos que a su vez absorben calor y adems permiten una mayor superficie de contacto con el aire que es el modo ms econmico de disipar calor.

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

La ley de Ohm trmica

Se puede afirmar que, extrapolando los trminos, estamos ante una revisin de la Ley de Ohm para parmetros trmicos. En este caso la similitud son los trminos como temperaturas por tensiones, resistencias trmicas por resistencias hmicas y flujo de calor por corriente elctrica. La ley de Ohm trmica 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 trmica entre la juntura y el ambiente. En la formula [1] Rja corresponde a la suma aritmtica

Rja = Rjc + Rcd + Rda es decir que la resistencia trmica entre la juntura y el ambiente es igual a la resistencia trmica entre la juntura y la carcaza mas la resistencia trmica entre la carcaza y el disipador, mas la resistencia trmica entre el disipador y el ambiente.

En realidad nos interesa saber cual es la potencia mxima 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 frmula nos indica que la potencia que puede disipar un dispositivo electrnico es funcin directa de la temperatura mxima adoptada para la juntura (150C como mximo) y de la mxima temperatura ambiente e inversa de la resistencia trmica desde la juntura al ambiente (recordando que la resistencia juntura ambiente est fijada por las tres resistencias indicadas anteriormente).

En la figura 2 se muestra el llamado grafico de reduccin de potencia que como ya se ha mencionado lo suministra el fabricante, adems de las caractersticas trmicas.

Fig.2 Curva de reduccin de potencia

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

Y que importancia tiene esto, por ejemplo para el tcnico o el diseador 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 caractersticas de un disipador no solo dependen de su tamao:

Un determinado perfil de estruccin puede generar bajas resistencias trmicas disipador ambiente sin utilizar mucho aluminio. La resistencia trmica es en realidad funcin de la superficie del disipador y no de la masa de aluminio. Y la forma afecta enormemente a la relacin entre la masa y la superficie exterior. De all que los disipadores tengan aletas.

Pero no es el nico factor a tener en cuenta ya que un disipador disipa no solo por conveccin. Tambin existe la radiacin trmica (ya que el calor puede considerarse como una onda electromagntica infrarroja) y el color de la superficie afecta la radiacin. De all que los disipadores siempre son de aluminio anodizado negro.

Cundo se debe usar disipador?

Utilizando la formula [2] se puede conocer cual es la potencia mxima TJ que puede disipar nuestro dispositivo sin disipador. Cuando la potencia que va disipar el dispositivo es igual o mayor a sta, entonces es preciso utilizar un disipador. Por supuesto todo depende de la temperatura ambiente mxima 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 caractersticas o especificacin del semiconductor. Por ejemplo:

La temperatura mxima de la unin que, depende del dispositivo Tj mxima, 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 trmica entre la unin y el aire ambiente Rjc, que tambin depende del dispositivo.

La resistencia trmica entre la cpsula y el disipador Rcd. Recordando que si se usa aislador de mica o plstico se debe incrementar en un 20% aun usando grasa siliconada.

La incgnita del problema es hallar el coeficiente trmico entre el disipador y el aire Rda.Si el dispositivo de nuestro ejemplo debe disipar 25W, los datos que hemos obtenido son:

Pd = 25W

TJ = 100 C

TA = 25 C

RJC = 1,52 c/w

RCD = 0,12c/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 C/W A continuacin solo basta con buscar en catlogos de fabricantes de disipadores algn disipador que tenga una resistencia trmica con el valor que acabamos de calcular. No se debe elegir nunca un disipador que tenga una resistencia trmica mayor, ya que esto implicara aumentar gravemente la temperatura de trabajo de la juntura, con consecuencias perjudiciales. Segn todo lo aprendido hasta ahora la simple medicin 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 alcanzar la unin del componente Tj ; despejaremos Tj en la formula [1] de la siguiente forma:

Tj = (Pd x Rja)+ Ta De aqu deducimos que cuanto mayor sea la Tj resultante del calculo con ms seguridad debe ponerse un disipador mas grande o con mejor geometra. Por tanto, deberemos calcular el disipador que ayude a evacuar el excedente de calor.

La especificacin proporcionara Rjc, tambin proporciona la Pd o potencia mxima disipable por el dispositivo, normalmente a 25C. La Rja resistencia unin 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 parmetros se conoce por el tipo de dispositivo y el clculo de la potencia que deber disipar dicho componente; o mas modernamente una simulacin del circuito. As, despejando en la Ley de Ohm trmica, el valor de Rda tendremos que:

Rda = Tj-Ta/Pda (Rjc + Rcd) El valor de Rcd suele estar entre 0,5 y 1,0 C/W, considerando que la cpsula est unida al disipador con una capa de silicona trmica y no con mica aislante, lo que aumentara la resistencia alrededor de 2 C/W.

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

La especificacin como la mostrada arriba, nos dice que la Rjc es de 1,52 C/W, con una Tc mxima de 200 C que por seguridad reduciremos a 150 C y una Rcd directa con grasa siliconada en 1 C/W. Por lo tanto ya podemos hacer el clculo pedido.

Rda = (150-35)/30 (1,52 + 1) = 1,3 C/W [C/W] = [C]/[W] [C/W] [C/W] Ahora podemos calcular la cada de temperatura Tjc (unin carcaza), la Tcd cpsula disipador, la Tc cpsula y el Td disipador.

La diferencia de temperatura Tjc juntura carcaza:

Tj Ta = Pd x Rjc = 30 W x 1,52 C/W = 45,6 C La temperatura Tcd cpsula disipador, por deduccin ser:

Tc Td = Pd x Rcd = 30 W x 1 C/W = 30 C La temperatura Tc de la carcaza del dispositivo:

Tc = Tj 45 C = 105 C Y la temperatura Td del disipador:

Td = Tc 30 C = 105 C 30 C = 75 CDisipadores trmicos 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 C/W. Uno de los fabricantes de disipadores mas grandes se llama Burr Brown y resume los diferentes tipos en su nota de aplicacin: sboa021.pdf que puede bajarse con un buscador como el Google. De este lugar se extrajo la tabla de la figura 3.

Fig.3 Tabla de resistencias trmicas

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 0.8C/W es para el disipador OPA512 que funciona en condiciones de seal de corriente alterna. Para condiciones de seal de corriente continua, RJC es de 1.4C/W.

El circuito trmico, permite estimar con clculos simples la temperatura de juntura. La subida de temperaturas a travs de cada interfaz es igual a la potencia total disipada en los varios dispositivos, la resistencia trmica. Una estimacin de la temperatura de unin puede ser calculada usando el frmula siguiente:

TJ = TA + PD * RJA en donde PD es la potencia disipada y

RJA = RJC + RCD + RDAEn cuanto a los trminos de la tabla las explicaciones son las siguientes:

TJ (C) Temperatura mxima en la Unin (dato suministrado por el fabricante).

TC (C) Temperatura en la carcasa que depende de la potencia que vaya a disipar el dispositivo, el tamao 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 trmica entre la Unin y la carcasa

RCD (C/Watt) Resistencia trmica entre Carcasa y Disipador (incluye el efecto de la mica y la grasa siliconada, si es que se utiliza).

RDA (C/Watt) Resistencia trmica entre el Disipador y el Aire (Resistencia trmica del disipador RD)

RJA (C/Watt) Resistencia trmica entre la Unin y el aire.

Los clculos asumen una temperatura ambiente de 25C en estos ejemplos. Cada componente de resistencia trmica produce una subida de temperaturas igual al producto de la potencia disipada y la resistencia trmica. La temperatura de la unin es igual al producto de potencia disipada y la resistencia trmica

T = PD * JADisipadores especiales

Un disipador clsico es una pieza de estruccin 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 disipacin de calor por mtodos menos ortodoxos que a priori parecen caros pero terminan resultando mas econmicos que los disipadores clsicos cuando se trata de disipar grandes potencias.

Una fuente inagotable de disipadores son los cooler para PC. All se pueden encontrar disipadores de menos de 0,5 C/W a precios realmente bajos debido a la enorme escala de fabricacin. 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 impulsin directa de los videograbadores o de algunos DVD de marca. Adems 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 qued sin refrigeracin por aire forzado. En este curso veremos este tipo de detector cuando analicemos los servomecanismos de proteccin de un equipo.

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

Peltier utiliz el efecto inverso descubierto por un fsico Alemn 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 0C. Coloque la otra punta en una pava de agua hirviendo (para garantizar una temperatura de 100 C). Cuando las soldaduras tomen la temperatura del medio en que estn sumergidas, por los alambres circulara una corriente proporcional a la diferencia de temperatura. Este efecto se utiliza en electrnica en las llamadas termocuplas que conectadas a un tester lo transforman en un termmetro.

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

Fig.4 Celda Peltier

Poco despus, el francs Jean Charles Peltier descubri en 1834 el fenmeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a travs de un circuito de dos metales soldados, una de las soldaduras se enfra mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una bomba de calor.

Medicin de la temperatura de juntura

Suponga que tiene que medir la temperatura del chip de un transistor de potencia de un amplificador de simetra 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 C. Pero esa barrera no es fija; vara a razn de -2,5 mV/C aproximadamente. Si Ud. conmuta el circuito de base de y emisor de un transistor con dos llaves de modo de conectarlo en la disposicin normal o de conectarlo a un tester de aguja como para medir una barrera, podr medir la barrera en fro y luego en caliente y de la diferencia obtener la temperatura del cristal aplicando el coeficiente de -2,5 mV/C.

Fig.5 Circuito del amplificador modificado para medir sobrecalentamiento

Si analiza el circuito ver que es el mismo de siempre pero con el agregado de una llave inversora de dos vas que desconecta el transistor a medir y lo conecta como para medir la tensin de barrera o como est originalmente en el circuito.

1. La idea es medir la tensin de barrera en fro (llaves hacia arriba).

2. Luego llevar las llaves hacia abajo y llevar el amplificador a mxima 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 tensin de barrera.

Es decir que tenemos dos valores de tensin de barrera (tmelos en mV) el correspondiente a temperatura ambiente y el correspondiente a transistor a mxima potencia de salida. Haciendo la diferencia de ambos valores y dividiendo por 2,5 obtenemos la sobreelevacin de temperatura entre el cristal del transistor y la temperatura ambiente en C.

Por ejemplo si la primer medicin es de 700 mV y la segunda es de 600 mV obtenemos 100 mV de diferencia que divididos por 2,5 da 40 C. Esto significa que cuando la temperatura ambiente en el lugar donde esta el disipador llegue por ejemplo a 60C (caso clsico en un automvil por ejemplo) la temperatura del cristal estar a 100C y el disipador es adecuado. Si diera un valor peligroso habra que colocar un disipador de menor resistencia trmica.

Suponemos que el alumno tendr varias preguntas para hacer. La primera es la razn 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 estn para que el tester analgico no indique 6V al poner las llaves hacia abajo. Y porque un tester analgico y no el digital que es mas preciso? Porque no hay que darle tiempo a que se enfre el cristal y en los primeros instantes se enfra muy rpidamente, generando un error de medicin. Un tester analgico es mas rpido que uno digital que requiere un segundo por lo menos para hacer la medicin.

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

1. 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 tensin de juntura con las llaves del circuito hacia arriba. Este valor es la juntura a cero grado.

2. Luego caliente agua en una pava y cuando comience a hervir sumerja el transistor a medir y mida la tensin de juntura. Esta ser la tensin de barrera a 100 C. No se preocupe por el contacto de los terminales del transistor y el agua porque el circuito trabaja con bajas resistencias.

3. El coeficiente preciso de ese transistor ser el valor de la tensin a 100 C menos el valor de la tensin a 0C dividido por 100, medido en mV/C. Ahora la medicin es muy precisa si se toma la precaucin de medir rpidamente.

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 fcil de determinar la resistencia trmica del disipador en funcin de la temperatura del mismo. Pero en muchos circuitos digitales en donde la potencia disipada depende de la velocidad de conmutacin (por ejemplo un transistor de salida horizontal) el clculo o simulacin es difcil de realizar. All esta medicin puede ser el nica 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 disear el disipador.

Caso prctico: amplificador para un auto y un parlante de 8 Ohms

En nuestro amplificador bsico para un auto y un parlante de 8 Ohms se requiere el uso de un disipador? Nuestro amplificador posee una potencia de 2,3W y un rendimiento del 60%; en el articulo anterior calculamos que cada transistor disipa 0,6W. En la especificacin del TIP41 o TIP42 se observa que tienen una resistencia trmica juntura ambiente de 62,5 C/W es decir que para 0,6W la sobreelevacin ser:

Sobreelevacin = 62,5 x 0,6 = 37,5C Como podemos observar si la temperatura ambiente mxima llega a 60C la juntura solo llegar a 60 + 37,5 = 97,5 C que puede considerarse aceptablemente buena.

De cualquier modo no consideramos que nuestro amplificador elemental tenga suficiente potencia as que le aconsejamos esperar hasta la prxima entrega para realizar un nuevo clculo de temperatura de juntura.

Conclusiones

En esta leccin nos dedicamos a las caractersticas trmicas de los semiconductores y a los dispositivos (disipadores) usados para modificarlas. Un transistor de potencia de audio como los que usamos en nuestro amplificador es prcticamente inservible si no se le agrega un disipador adecuado.

En la prxima leccin vamos a potenciar nuestro amplificador para hacerlo mas compatible con las circunstancias actuales. Vamos a construir un amplificador de 10 + 10W y otro de 20 + 20W que como siempre decimos son los mas baratos del mundo y sobre todo vamos a dar los datos prcticos para los disipadores. La idea es muy simple; queremos armar un amplificador estereofnico que se conecte a un personal player MP3 o un reproductor MP3 para que Ud. pueda escuchar msica en su auto sin infringir la ley utilizando los audfonos.

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INTRODUCCIN

- Todo componente electrnico real sometido a una determinada diferencia de tensin ( V ) y por el que circula una determinada intensidad de corriente elctrica ( I ) disipa una determinada potencia ( P ). En la mayor parte de los casos esta potencia disipada se manifiesta en forma de calor provocando un aumento de la temperatura.- Una condicin importante, muchas veces prioritaria, en el diseo de dispositivos electrnicos es la temperatura que pueden alcanzar los componentes que los constituyen, en particular los semiconductores ( diodos, transistores, tiristores, etc ). Por ejemplo, el silicio pierde sus propiedades semiconductoras por encima de los 150 C.

ELEMENTOS FUNDAMENTALESLos elementos fundamentales a considerar en el clculo de disipadores de calor para componentes electrnicos son los siguientes: 1) Tj : temperatura de la unin ( junction ) o lo que es lo mismo temperatura de la oblea de silicio.2) Tc: temperatura de la cpsula ( case )3) Ta : temperatura del ambiente

4) Rthjc: resistencia trmica unin-cpsula ( junction-case )5) Rthca: resistencia trmica cpsula-ambiente ( case-ambient ) 6) Rthcr: resistencia trmica cpsula-radiador ( radiador o disipador en ingls "heat sink" ). Este valor est tabulado en funcin del tipo de encapsulado y de la junta de unin cpsula-radiador ( ver resistencia trmica por contacto en el apndice 3.1 ) .7) Rthra: resistencia trmica radiador-ambiente. Este valor est tabulado en funcin de diferentes parmetros entre ellos estn la forma geomtrica del disipador, su disposicin ( horizontal, vertical ) y si se utiliza o no un ventilador para forzar la conveccin.

8) Potencia disipada ( Pdis ). En general la potencia ser una funcin peridica de periodo T, siendo muy habitual que sea una funcin cuadrada positiva . Se utilizan dos valores:

-- a) Potencia disipada media cuya expresin es ; si v (t) = cte = V; i (t) = cte = I => Pdismedia = V I

-- b) Potencia disipada mxima, el valor mximo de la potencia

MTODO DE CLCULO

- 1 ) Se calcula la temperatura de la unin ( Tj ) sin disipador. Si Tj es menor que la temperatura mxima admisible , Tj < Tjmax , no es necesario colocar un disipador. Si Tj > Tjmax es necesario colocar un disipador.- 2 ) Si es necesario colocar un disipador ( tambin llamado radiador ) el objetivo es calcular cual tiene que ser su resistencia cpsula-radiador y su resistencia radiador-ambiente. Para ello se fija Tj = Tjmax y se resuelve el correspondiente circuito termoelctrico. Tjmax viene dada por los fabricantes de componentes electrnicos. - 3 ) Con los valores de las resistencias trmicas obtenidos se selecciona el disipador adecuado adecuado.

CIRCUITOS TERMOELCTRICOS

- A ) Componente elctrnico sin disipador- A.1 ) Clculo esttico ( Pdis constante )

-- Tanto Rthjc como Rthca son proporcionadas por el fabricante del componente electrnico. Tambin es posible que d la resistencia trmica unin-ambiente ( "jucntion to ambient", Rthja, o lo que es igual Rthjc + Rthca ) en vez de Rthca.-- Rthjc es muy pequea en relacin a Rthca por lo que, en el circuito anterior, se puede despreciar para realizar los clculos y Tj = Tc.

- A.2 ) Clculo dinmico ( Pdis peridica )

-- Tanto Rthjc como Rthca son proporcionadas por el fabricante del componente electrnico. Tambin es posible que d la resistencia trmica unin-ambiente ( "jucntion to ambient", Rthja, o lo que es igual Rthjc + Rthca ) en vez de Rthca.-- Zthjc recibe el nombre de impedancia trmica transitoria y tambin es facilitada por los fabricantes de componentes electrnicos.-- En el clculo dinmico no se puede considerar que Tj = Tc puesto que al ser la masa de la cpsula mucho mayor que la de la unin tienen inercia trmica diferente. La unin se enfra y se calienta a distinto ritmo ( ms rpidamente ) que la cpsula.- B ) Componente elctrnico con disipador.

- Al incorporar el disipador se pretende crear un camino alternativo, con menor resistencia trmica, para la evacuacin del calor.

- B.1 ) Clculo esttico ( Pdis constante )

- En un diseo correcto Rthca es mucho mayor que Rthcr + Rthca ( Rthca >> Rthcr + Rthca ) y la resistencia equivalente al paralelo Rthca y ( Rthcr + Rthra ) se puede aproximar por ( Rthcr + Rthra ) .

- B.2 ) Clculo dinmico ( Pdis peridica )

- En un diseo correcto Rthca es mucho mayor que Rthcr + Rthca ( Rthca >> Rthcr + Rthca ) y la resistencia equivalente al paralelo Rthca y ( Rthcr + Rthra ) se puede aproximar por ( Rthcr + Rthra ).-- Tanto Rthjc como Rthca son proporcionadas por el fabricante del componente electrnico. Tambin es posible que d la resistencia trmica unin-ambiente ( "jucntion to ambient", Rthja, o lo que es igual Rthjc + Rthca ) en vez de Rthca.-- Zthjc recibe el nombre de impedancia trmica transitoria y tambin es facilitada por los fabricantes de componentes electrnicos.-- En el clculo dinmico no se puede considerar que Tj = Tc puesto que al ser la masa de la cpsula mucho mayor que la de la unin tienen inercia trmica diferente. La unin se enfra y se calienta a distinto ritmo ( ms rpidamente ) que la cpsula.