Disipadores térmicos

Disipadores térmicos: una guía paso a paso para quitar el calor de su
diseño
¡Los disipadores térmicos son importantes! Constituyen un aspecto importante del
diseño del circuito, dado que brindan una ruta efectiva para que el calor se transfiera
desde los dispositivos electrónicos hacia afuera (piense en los BJT, MOSFET y
reguladores lineales), y hacia el aire ambiente.
Su función es crear un área de superficie más grande en un dispositivo productor
de calor, y al hacerlo permiten una transferencia más eficiente del calor hacia afuera
y hacia sus alrededores. Un mejor recorrido térmico hacia afuera del dispositivo
reduce cualquier aumento de temperatura en la conexión del componente.
Este artículo tiene la intención de presentar una introducción avanzada a la elección
de un disipador térmico, sobre la base de los datos térmicos de la aplicación del
dispositivo, junto con las especificaciones proporcionadas por el proveedor del
disipador térmico.
¿Se necesita un disipador térmico?
A los efectos de este artículo, supondremos que la aplicación en cuestión tiene un
transistor alojado en un paquete TO-220, donde las pérdidas de conducción e
interrupción equivalen a una disipación de potencia de 2.78 W. Además, la
temperatura ambiente de funcionamiento no superará los 50 °C. ¿Es necesario un
disipador térmico para este transistor?
Figura 1: Vista frontal y lateral de un paquete TO-220 típico con un disipador térmico
(fuente de la imagen: CUI Devices)
En primer lugar, se deben reunir y analizar las características de todas las
impedancias térmicas que puedan evitar que los 2.78 W se disipen en el aire
ambiente. Si no pueden dispersarse eficientemente, la temperatura de la conexión
dentro del paquete TO-220 aumentará por encima de la temperatura de
funcionamiento máxima deseada, que, para esta aplicación, será de 125 °C.
En general, los proveedores de transistores registran cualquier impedancia térmica
de la conexión al ambiente, que se muestra con el símbolo R θ J-A y se mide en
unidades de °C/W. La unidad muestra cuánto se espera que la temperatura de la
conexión aumente por encima de la temperatura ambiente alrededor del paquete
TO-220 por cada unidad de potencia (vatio) disipada dentro del dispositivo.
Para poner esto en contexto, cuando un proveedor de transistores documenta que
la impedancia térmica de la conexión al ambiente es de 62 °C/W, los 2.78 W de
disipación dentro del paquete TO-220 harán que la temperatura de la conexión
aumente a 172 °C por encima la temperatura ambiente, calculado como
2.78 W x 62 °C/W. Si se asume que la temperatura ambiente en el peor de los casos
para este dispositivo es de 50 °C, entonces la temperatura de la conexión alcanzará
los 222 °C, calculada como 50 °C + 172 °C. Dado que supera ampliamente la
temperatura máxima de 125 ºC del silicio, se necesita un disipador térmico.
La conexión de un disipador térmico a la aplicación reducirá significativamente la
impedancia térmica de la conexión al ambiente. En la siguiente etapa, decida qué
tan baja debe ser la vía de impedancia térmica para ofrecer una operación segura
y confiable.
Establecimiento de vías de impedancia térmica
Para determinar la vía de impedancia térmica, comience con el mayor aumento
tolerable de la temperatura. Si la temperatura ambiente de funcionamiento más alta
del dispositivo es de 50 °C, y ya hemos establecido que la conexión de silicio debe
permanecer a 125 °C o menos, entonces el aumento de temperatura máximo
permitido es de 75 °C, calculado como 125 °C − 50 °C.
El siguiente paso es calcular la mayor impedancia térmica tolerable entre la
conexión en sí y el aire ambiente. Si el aumento de temperatura máximo permitido
es de 75 °C y los vatios disipados dentro del paquete TO-220 se miden a 2.78 W,
entonces la mayor impedancia térmica admisible es de 27 °C/W; calculada como
75 °C ÷ 2.78 W.
Por último, cuente todas las vías de impedancia térmica, desde la conexión de silicio
hasta el aire ambiente, y confirme que su suma sea menor que la impedancia
térmica máxima permitida; que es de 27 °C/W como se calculó arriba.
Figura 2: Ilustración gráfica de las impedancias térmicas que se deben calcular y
sumar entre la conexión y el aire ambiente en una aplicación TO-220 típica (fuente
de la imagen: CUI Devices)
En el gráfico de la Figura 2, se puede ver que la primera impedancia térmica
necesaria es la de la conexión a la caja, representada con el símbolo Rθ J-C. Esto
denota lo fácil que es que el calor se transfiera desde la conexión donde se genera
el calor y hacia la superficie del dispositivo, que se indica como TO-220 en este
ejemplo. En general, las hojas de datos de los proveedores enumeran esta
impedancia, junto con el valor de la conexión al ambiente. Aquí, la supuesta
impedancia térmica de la conexión a la caja se clasifica a 0.5 °C/W.
La segunda impedancia térmica necesaria, representada por el símbolo R θ C-S, es la
de la caja al disipador, un indicador de la facilidad con que se puede transferir el
calor desde la caja exterior del dispositivo a la superficie del disipador térmico. Como
a veces hay irregularidades en las dos superficies, normalmente se recomienda
aplicar un material de interfaz térmica (TIM o 'compuesto térmico') entre las
superficies de la caja del TO-220 y la base del disipador térmico para asegurarse,
desde un punto de vista térmico, de que ambos están conectados por completo. La
aplicación de un TIM mejorará significativamente la transferencia de calor desde la
superficie del TO-220 al disipador térmico, aunque debe considerarse su
impedancia térmica asociada.
Figura 3:
Ilustración ampliada de superficie a superficie que muestra la necesidad de un
material de interfaz térmica (TIM) (fuente de la imagen: CUI Devices)
Explicación de los materiales de interfaz térmica
En términos generales, los TIM se caracterizan por su conductividad térmica, en
unidades de medida en vatios por metros-grados Celsius (W/(m °C)) o vatios por
metros-grados Kelvin (W/(m K)). En este ejemplo, Celsius y Kelvin son
intercambiables, ya que ambos usan el mismo aumento de medición de
temperatura, donde se calculan el aumento y la caída de la temperatura; por
ejemplo, un aumento de temperatura de 45 °C es igual a un aumento de
temperatura de 45 K.
La unidad de metros se incluye debido al hecho de que la impedancia del TIM se
basa en la relación de espesor (grosor del TIM en metros) en toda el área (el área
que el TIM cubre en metros2), lo que da como resultado 1/m (calculado como m/m2
= 1/m). En este ejemplo, se aplica una capa delgada de TIM sobre el área de la
pestaña metálica de la superficie de la caja del TO-220, con las propiedades
específicas y los detalles de la aplicación que se mencionan a continuación:
Usando las propiedades enumeradas anteriormente, la impedancia térmica del TIM
se puede calcular con la siguiente ecuación, usando metros para ser consistentes:
Elección de un disipador térmico
La última impedancia térmica necesaria es del disipador al ambiente, que se
representa con el símbolo Rθ S-A. Este cálculo revela la facilidad con que se puede
transferir el calor desde la base del disipador térmico hacia el aire ambiente
circundante. El fabricante de componentes electrónicos CUI Devices es un
proveedor de disipadores de calor que proporciona gráficos como el que se muestra
en la Figura 4 para demostrar la facilidad con que se puede transferir el calor del
disipador térmico al aire ambiente a través de diferentes cargas y condiciones de
flujo de aire.
Figura 4: Gráfico que muestra el aumento de la temperatura de la superficie de
montaje del disipador térmico por encima de la temperatura ambiente (fuente de la
imagen: CUI Devices)
En este ejemplo, se supone que el dispositivo funciona en condiciones de
convección natural sin ningún flujo de aire. El gráfico se puede utilizar para calcular
la impedancia térmica final, del disipador al ambiente, para este disipador térmico
específico. Lo que la temperatura de la superficie aumenta por encima de la
temperatura ambiente, dividido por el calor disipado, da como resultado la
impedancia térmica en esa condición de operación específica. Aquí, el calor
dispersado es de 2.78 W, lo que da como resultado un aumento de la temperatura
de la superficie por encima de la temperatura ambiente de 53 °C. La división de
53 °C por 2.78 W dará como resultado una impedancia térmica del disipador al
ambiente de 19.1 °C/W.
En cálculos anteriores, la impedancia máxima permitida entre la conexión y el aire
ambiente era de 27 °C/W. Al restar la impedancia de la conexión a la caja (0.5 °C/W)
y la impedancia de la caja al disipador (0.45 °C/W) se obtiene la tolerancia máxima
para el disipador térmico, calculada como 26.05 °C/W, resuelto como 27 °C/W −
0.5 °C/W − 0.45 °C/W.
Para los propósitos de este ejemplo, bajo estas condiciones supuestas, una
impedancia térmica de 19.1 °C/W para este disipador térmico cae muy por debajo
del cálculo previo de una tolerancia de 26.05 °C/W. Esto se convierte en una
temperatura de conexión de silicio más fría dentro del paquete TO-220, así como
en un margen térmico más amplio dentro del diseño. Además, la temperatura
máxima de la conexión puede calcularse aproximadamente sumando todas las
impedancias térmicas, luego multiplicándolas por el número de vatios disipados en
la conexión y, finalmente, sumando el resultado a la temperatura ambiente máxima,
de la siguiente manera:
El ejemplo que se muestra aquí revela cuán importantes son los disipadores de
calor en la gestión térmica de una aplicación. Si se hubiera omitido el disipador
térmico, la conexión de silicio dentro del paquete TO-220 habría excedido el límite
nominal de diseño de 125 °C por un amplio margen. El proceso utilizado aquí puede
modificarse y repetirse simplemente para ayudar a los diseñadores a seleccionar
los disipadores de calor adecuados que tengan el tamaño correcto para una gama
de aplicaciones diferentes.
Conclusión
Los disipadores de calor desempeñan un papel importante en el diseño de circuitos
debido a que ofrecen una vía eficiente para que el calor se transfiera al aire ambiente
y se aleje de los dispositivos electrónicos. Al identificar la temperatura máxima del
ambiente junto con la potencia disipada dentro del dispositivo, se puede lograr la
optimización de la selección del disipador térmico; ni demasiado pequeño como
para causar desgaste, ni demasiado grande como para implicar un derroche de
dinero. Además, tenga en cuenta el importante papel que desempeñan los TIM en
la transferencia eficiente y constante de calor entre dos superficies.
Finalmente, una vez que se hayan definido los parámetros de la aplicación (la
temperatura ambiente, la disipación de potencia y las vías de impedancia térmica),
revise el catálogo de disipadores de calor a nivel de placa de CUI Devices para
identificar el modelo adecuado para las necesidades de refrigeración del proyecto.
Fuente: https://www.digikey.com.mx/es/articles/heat-sinks-a-step-by-step-guide