8.5: Uso del disipador de calor

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Siempre que cantidades apreciables de energía son disipadas por los dispositivos semiconductores, es necesario considerar alguna forma de elemento de enfriamiento. Los circuitos de regulación de fuente de alimentación no son la excepción. Los transistores de paso utilizados tanto en reguladores lineales como en reguladores de conmutación pueden ser forzados a disipar grandes cantidades de energía. El resultado de esto es la producción de calor. Generalmente, la vida útil de los semiconductores disminuye a medida que aumenta la temperatura de operación. La mayoría de los dispositivos a base de silicio exhiben temperaturas de unión máximas permitidas en el rango de 150\(^{\circ}\) C. Aunque los transistores de potencia utilizan cajas metálicas más pesadas, generalmente no son adecuados para aplicaciones de alta disipación por sí mismos.

Para aumentar la eficiencia térmica del dispositivo, se utiliza un disipador de calor externo. Los disipadores de calor normalmente están hechos de aluminio y aparecen como una serie de aletas. Las aletas producen una gran superficie, lo que mejora el proceso de convección de calor. En otras palabras, el disipador de calor puede transferir calor a la atmósfera circundante más rápido que el transistor de potencia. Al atornillar el transistor al disipador de calor, el dispositivo podrá disipar más potencia a una temperatura de funcionamiento dada. Algunos disipadores de calor típicos se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\).

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Figura\(\PageIndex{1}\): Disipadores térmicos típicos. Reimpreso cortesía de Thermalloy, Inc.

8.5.1: Requerimientos Físicos

Los disipadores de calor están diseñados para funcionar con estilos específicos de cajas de dispositivos. Los estilos de caja más comunes para los reguladores son el TO-220 “power tab” y el TO-3 “can”. Los disipadores de calor están disponibles para estos estilos específicos, incluyendo el hardware de montaje y los espaciadores de aislamiento necesarios. Algunos de los reguladores de menor potencia utilizan casos TO-5 “mini can” o DIP. Los disipadores de calor también están disponibles para estos tipos de paquetes, pero no son tan comunes.

Hay un par de reglas generales que deben seguirse al usar disipadores de calor:

Siempre use algún tipo de grasa para disipadores de calor o almohadilla térmicamente conductora entre el disipador de calor y el dispositivo. Esto incrementará la transferencia térmica entre las dos partes. Tenga en cuenta que cantidades excesivas de grasa disipadora de calor en realidad disminuirán} rendimiento.
Monte las aletas en el plano vertical para un enfriamiento convectivo natural óptimo.
No abarrote ni obstruya los dispositivos que utilizan disipadores de calor.
No bloquee el flujo de aire alrededor de los disipadores de calor, particularmente directamente encima y debajo de los elementos que dependen de la convección natural.
Si las demandas térmicas son particularmente altas, considere usar convección forzada (por ejemplo, ventiladores).

8.5.2: Resistencia térmica

Para especificar un disipador de calor particular para una aplicación determinada, se encuentra en orden una explicación más técnica. Lo que vamos a hacer es crear un circuito térmico equivalente. En este modelo se emplea el concepto de resistencia térmica. La resistencia térmica denota lo fácil que es transferir energía térmica de una parte mecánica a otra. El símbolo de resistencia térmica es\(\theta \), y las unidades son grados centígrados por vatio. En este modelo, la temperatura es análoga a la tensión, y la disipación de potencia térmica es análoga a la corriente. Una ecuación útil es,

\[ P_D = \frac{\Delta T}{\theta _{total}} \label{8.4} \]

Dónde\(P_D\) está la potencia disipada por el dispositivo semiconductor en vatios,\(\Delta T\) es el diferencial de temperatura, y\(\theta _{total}\) es la suma de las resistencias térmicas. Básicamente, esta es una versión térmica de la Ley de Ohm.

Para construir nuestro modelo, echemos un vistazo más de cerca a la combinación de dispositivo-potencia/disipador de calor. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). \(T_j\)es la temperatura de unión de semiconductores. Esta fuente de energía térmica calienta la carcasa del dispositivo a\(T_c\). La resistencia térmica entre las dos entidades es\(\theta _{jc}\). El estuche, a su vez, calienta el disipador de calor a través de la interconexión. Esta resistencia térmica es\(\theta _{cs}\), y la temperatura resultante es\(T_s\).

Finalmente, el disipador de calor pasa la energía térmica al aire circundante, en el que se encuentra sentado\(T_a\). La resistencia térmica del disipador de calor es\(\theta _{sa}\). El modelo térmico equivalente se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). (Aunque esto no tiene una correspondencia perfecta con el análisis normal del circuito, sí ilustra los puntos principales).

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Figura\(\PageIndex{2}\): Dispositivo y disipador térmico.

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Figura\(\PageIndex{3}\): Modelo térmico equivalente de la Figura\(\PageIndex{2}\).

En este modelo, el suelo representa una temperatura de cero absoluto. El circuito está sentado a temperatura ambiente\(T_a\), por lo que una fuente de voltaje de\(T_a\) está conectada a tierra y al disipador de calor. Las tres resistencias térmicas están en serie y son impulsadas por una fuente de corriente que es establecida por la actual disipación de potencia del dispositivo. Tenga en cuenta que si la disipación de potencia es alta, las “caídas de voltaje” resultantes a través de las resistencias térmicas son altas. El voltaje es análogo a la temperatura en este modelo, por lo que esto indica que se crea una temperatura alta. Debido a que hay un límite máximo a\(T_j\), las disipaciones de potencia más altas requieren resistencias térmicas más bajas. Como\(\theta _{jc}\) establece el fabricante del dispositivo, no tienes control sobre ese elemento. Sin embargo,\(\theta _{cs}\) es una función del estilo de la caja y del material aislante utilizado, por lo que sí tienes cierto control (pero no mucho) sobre eso. Por otro lado, como la persona que especifica el disipador de calor, tienes mucho control sobre\(\theta _{sa}\). Los valores para\(\theta _{sa}\) son dados por los fabricantes de disipadores de calor. Una variación útil de la ecuación\ ref {8.4} es

\[ P_D = \frac{T_j−T_a}{\theta _{jc} + \theta _{cs} + \theta _{sa}} \label{8.5} \]

Normalmente, la disipación de potencia, la unión y las temperaturas ambiente,\(\theta _{jc}\) y\(\theta _{cs}\) son conocidas. La idea es determinar un disipador de calor apropiado. Ambos\(T_j\) y\(\theta _{jc}\) son dados por el fabricante del dispositivo semiconductor. La temperatura ambiente,\(T_a\), puede determinarse experimentalmente. Debido al calentamiento localizado, tiende a ser mayor que la “temperatura ambiente” real. Las gráficas estándar, como las que se encuentran en la Figura\(\PageIndex{4}\), pueden ser utilizadas para determinar\(\theta _c\).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Determine la clasificación de disipador de calor apropiada para un dispositivo de potencia nominal de la siguiente manera:\(T_{j(max)}\) = 150\(^{\circ}\) C, estilo de caja TO-220,\(\theta _{jc}\) = 3.0 C\(^{\circ}\) /W. El dispositivo se disipará un máximo de 6 W en una temperatura ambiente de 40\(^{\circ}\) C. Supongamos que el disipador de calor se montará con disipador de calor grasa y un aislante de mica 0.002.

Primero, encuentra\(\theta _{cs}\) de la gráfica TO-220. Se utiliza la curva 3. El valor aproximado (conservador) es 1.6\(^{\circ}\) C/W.

\[ P_D = \frac{T_j − T_a}{\theta _{jc} + \theta _{cs} + \theta _{sa}} \nonumber \]

\[ \theta _{sa} = \frac{T_j − T_a}{P_D} − \theta _{jc} − \theta _{cs} \nonumber \]

\[ \theta _{sa} = \frac{150^{\circ}C−40^{\circ}C}{6W} − 3.0C^{\circ}/W−1.6C^{\circ}/W \nonumber \]

\[ \theta _{sa} = 13.73C^{\circ}/W \nonumber \]

Este es el valor máximo aceptable para la resistencia térmica del disipador de calor. Tenga en cuenta que el uso de grasa disipadora de calor nos da un extra de 2\(^{\circ}\) C/W más o menos. También, tenga en cuenta los valores generalmente más bajos de\(\theta _{sa}\) para el caso TO-3 en relación con el TO-220. Esta es una de las razones por las que las cajas TO-3 se utilizan para dispositivos de mayor potencia. Este estuche también hace que sea más fácil para el fabricante reducir\(\theta _{jc}\).

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Figura\(\PageIndex{4}\):\(\theta_{CS}\) para TO-3 y TO-220. Reimpreso cortesía de Thermalloy, Inc.