ud11. disipaciÓn de calor....
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UD11. DISIPACIÓN DE CALOR. RADIADORES
Centro CFP/ES
ELECTRÓNICA DE POTENCIADisipación de calor
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ELECTRÓNICA DE POTENCIADisipación de calor
La potencia que cada componente disipa en un circuito viene dada por el producto de lacorriente eléctrica que circula en su interior por la diferencia de potencial en sus extremos.
Pd = V * I
Esta potencia se mide en vatios, y su correspondencia con las unidades caloríficas o caloríases:
1 vatio = 0,24 calorías / segundo
En todos los circuitos hay componentes que consumen una determinada potencia, la cuales constante una vez en funcionamiento (esto sucede en la mayor parte de los circuitosdigitales), pero hay otro gran número cuya potencia depende de las condiciones en las quele hagamos trabajar.
En estos casos, el fabricante del componente nos indica la máxima potencia que puedendisipar o la temperatura máxima de trabajo (Hojas de características).
Pero se puede conseguir que la potencia disipada aumente si de una manera artificialconseguimos hacer descender la temperatura de trabajo por debajo de su valor máximo.Es aquí donde realizan su papel los disipadores de calor.
ELECTRÓNICA DE POTENCIADisipación de calor
Esa resistencia térmica se mide en ºC/W, unidad que determina cuánto resiste al paso decalor una unión o contacto entre cuerpos. Cuanto menor sea esa magnitud, mejor seestablecerá el flujo de calor del cuerpo más caliente (componente semiconductor) haciael ambiente.
En radiadores, lo que determina este valor es, principalmente, la unidad de superficie queestá en contacto con el aire, el material y el calor. De esta manera, para igual calor ymaterial, cuanto más grande sea un radiador mejor trasladará el calor al ambiente. ¿Quéhacemos para determinar nuestro radiador ideal? ¿Qué resistencia térmica será necesariapara nuestra aplicación en concreto?
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ELECTRÓNICA DE POTENCIATransmisión de calor
Hay tres formas básicas de transmisión de calor desde un cuerpo que se encuentra a unadeterminada temperatura:
Radiación: La radiación de calor es una forma de transmisión a través de ondaselectromagnéticas, del mismo tipo de las que se emplean para realizar las emisiones deradiofrecuencia o de luz visible. Esta radiación se realiza a una frecuencia inferior a la del colordel rojo visible, y se la denomina radiación infrarroja.La mayor o menor capacidad de radiación está afectada por el color del cuerpo,obteniendose el mejor comportamiento en los cuerpos oscuros, siendo el negro el de mayorpoder de radiación.
Convección: En convección el cuerpo que tiene mayor temperatura transmite su calor a loscuerpos que le rodea, sobre todo a los líquidos y gases, ya que el efecto consiste en que laspartículas calientes del líquido o gas se mueven hacia arriba, al variar la densidad del mismopor aumento de la temperatura de las partículas que están próximas al cuerpo caliente. Elespacio dejado por las partículas calientes es ocupado por otras de temperatura menor.Al mismo tiempo, las partículas que han ascendido se enfrían, con lo que vuelven a descender,creando una corriente del fluido, normalmente aire, que rodea al cuerpo caliente que ayudaa disminuir su temperatura.Este proceso se puede efectuar de una manera natural si el cuerpo caliente permanecesumergido en el fluido, o artificial si de alguna manera se obliga a hacerle circular de maneramás dinámica, ya sea a través de un ventilador u otro proceso.
ELECTRÓNICA DE POTENCIATransmisión de calor
Conducción: Consiste en un movimiento del calor por el interior del cuerpo que lo genera,hacia todos los puntos del mismo. La máxima cantidad de calor que puede transmitirse esaquella para la que se consigue una estabilización de temperatura en todos sus puntos.
Un disipador emplea por lo general las tres formas de transmisión de calor simultáneamente, demanera que se produce una conducción desde el componente hasta el radiador y unaconvección y radiación de este al medio que lo rodea, que, en el caso de equiposelectrónicos, será siempre el aire.
La cantidad de potencia calorífica que puede evacuarse desde el disipador al ambientedepende de la diferencia de temperatura que exista entre ambos, siendo tanto mayor cuantomás elevada sea esta diferencia.
La disipación de potencia será nula si no existe diferencia de temperatura.
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ELECTRÓNICA DE POTENCIAResistencia térmica
Al igual que sucede con el paso de electrones por un cuerpo conductor en el que apareceuna cierta resistencia, en el trasvase de calor de un cuerpo a otro (unión semiconductor -superficie componente, componente - disipador y disipador - aire), aparece una ciertaresistencia a que se produzca dicho trasvase. A esta resistencia se le denomina “Resistenciatérmica”, se representa por las letras Rth y se expresa en las unidades de ºC/W.
De esta manera podemos crear un circuito de circulación de calor semejante a un circuitoeléctrico donde cuando el calor atraviesa diferentes medios en su propagación, encuentradiferentes resistencias a su paso desde el punto más caliente al más frio, ya que la transmisiónde calor de un medio a otro no es ideal.
Las resistencias térmicas de cada zona se suman entre sí formando una resistencia térmicatotal. Por lo tanto, el circuito térmico está compuesto por tres parámetros:
La resistencia térmica de cada medio.
La diferencia de temperaturas entre los diferentes medios.
La potencia que disipa cada medio.
ELECTRÓNICA DE POTENCIAResistencia térmica
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ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
Por lo tanto, para poder elegir un tipo concreto de radiador se deben tener en cuenta lossiguientes datos:
Temperatura máxima de trabajo del disipador.Temperatura del aire que rodea al conjunto radiador - componente.Potencia que se desea evacuar.Forma de montaje del componente.
ELECTRÓNICA DE POTENCIAFlujo de calor
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ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
Por lo tanto, para poder elegir un tipo concreto de radiador se deben tener en cuenta lossiguientes datos:
Temperatura máxima de trabajo del disipador.Temperatura del aire que rodea al conjunto radiador - componente.Potencia que se desea evacuar.Forma de montaje del componente.
Para la determinación del refrigerador o disipador térmico hay que tener en cuenta algunos principios:
Calor producido = Calor disipadoQja = Tj - Ta / PQja = Qjc + Qcr + Qra
donde: Tj: Temperatura unión ºCTa: Temperatura ambiente ºCP: Potencia eléctrica transformada en calorQja: Resistencia térmica unión-ambiente dada por el fabricante.Qjc: Resistencia térmica unión-cápsula dada por el fabricante.Qcr: Resistencia térmica capsula-radiadorQra: Resistencia térmica radiador-ambiente
ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
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ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
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ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiador
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ELECTRÓNICA DE POTENCIACalculo del Radiador
Si observamos los catálogos de radiadores apropiados para cada semiconductor, vemos quela magnitud a la que se atiende para su selección es precisamente su resistencia térmica. Así,en función de la potencia a desarrollar y de la temperatura máxima soportable en la unión,calcularemos el radiador cuya resistencia térmica más nos solucione el problema. Si en loscatálogos no disponemos de ese valor en concreto, debemos elegir el de valor menor máscercano disponible.
Los cálculos son muy sencillos. Aplicamos una Ley de Ohm particular a nuestro circuito térmico,de modo que diferencias de temperatura (caídas de tensión) serán iguales a las resistenciastérmicas por potencia:
Tj-Tc = Rthj-c·W
Tr-Tamb = Rthr-a·W
Teniendo en cuenta que las diferencias de temperatura entre el radiador y la cápsula suelenfijarse en 2ºC, podemos seguir calculando hasta conseguir la Rthr-a.
ELECTRÓNICA DE POTENCIAEjemplo de cálculo
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ELECTRÓNICA DE POTENCIAEjemplo de cálculo
ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiadores estandar
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ELECTRÓNICA DE POTENCIARadiadores estandar
ELECTRÓNICA DE POTENCIACálculo del disipador
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ELECTRÓNICA DE POTENCIAOtros Radiadores
ELECTRÓNICA DE POTENCIAOtros Radiadores
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ELECTRÓNICA DE POTENCIAUso de catálogos
Se selecciona el radiador cuya Rth sea inferior a la calculada y se adapte a la cápsula delelemento utilizado.
El tamaño del radiador está en función del número de aletas, de modo que a mayor númerode éstas menor será el volumen, mientras que, por otra parte, se incrementa el costo delmismo.
A continuación se muestran los mecanizados que deben aparecer en los radiadores paraalgunos tipos de componentes como son TO3 y TO220.
ELECTRÓNICA DE POTENCIAUso de catálogos
SEMICONDUCTOR(CÁPSULA TO-3)
MICA(asegura el contacto
radiador-cápsula)
TORNILLO
Radiador con elmecanizado (agujero)adecuado
Tuerca deapriete y piezaaislante
Tubos aislantes para laspatillas del
semiconductor
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ELECTRÓNICA DE POTENCIAUso de catálogos
TORNILLO
SEMICONDUCTOR(CÁPSULA TO-220)
PARTE METÁLICA ENCONTACTO CON ELRADIADOR (CONDUCEEL CALOR)
MICA(Asegura el contacto
radiador-cápsula) Radiador con elmecanizado (agujero)adecuado
Circuito impreso delque forma parte elcomponente
Mecanizado enel circuitoimpreso
Mecanizado para laspatillas del semiconductor
Tuerca deapriete y piezaaislante
DISIPACIÓN DE CALOR Y RADIADORES