PROBLEMA DE LA DISIPACIÓN TÉRMICA EN COMPONENTES

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1 TEMA 7 PROBLEMA E LA ISIPACIÓN TÉRMICA EN COMPONENTES 1. GENERALIAES EVACUACIÓN EL CALOR PROUCIO Evolución de la T j con el tiempo Ley de Ohm térmica Circuitos térmicos en dispositivos de unión Limitaciones térmicas de componentes OPTIMIZACIÓN. 6

2 Componentes Electrónicos- 1º I. T. Industrial 2/7 1. GENERALIAES. La circulación de corriente por un componente provoca un aumento de la temperatura del cuerpo del mismo que hay que evacuar para evitar dañarlo. V Tras un tiempo de funcionamiento, el componente I empieza a calentarse, es decir, aumenta su energía X térmica, la cual debe salir del interior del componente hacia el ambiente. Cuando la potencia es demasiado alta lo que ocurre es que el componente no es capaz de expulsar tanta energía, y el componente se destruye. Con ese criterio de signos, la potencia puesta en juego en el componente X, será PV I donde consideraremos dos posibles casos: a) V e I son constantes (caso continuo). La potencia disipada será: P V I Si P >0, el componente disipa la potencia que le suministran otros componentes. Si P <0,el componente entrega potencia al circuito (generadores). b) V e I varían en función del tiempo y son periódicas (caso variable). En este caso podemos hablar de potencia instantánea P i y potencia media P m. P ( t) v( t) i( t) i T 1 Pm Pi t dt T ( ) 0 Las potencias manejadas por los dispositivos semiconductores (BJTs, TRIACs, MOSFETs, 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. En la unión PN, si la temperatura aumenta lo suficiente, se produce la fusión térmica, inutilizando el dispositivo. La temperatura en el cristal de silicio no puede superar un valor máximo que puede estar entre 125ºC y 150ºC (algunos componentes hasta 200ºC), (para este ejemplo max125ºc), ya que: Empeoran las características funcionales del dispositivo. La vida media esperada disminuye al aumentar la temperatura. epartamento de Electrónica- U.A.

3 Problema de la disipación térmica en componentes 3/7 Puede observarse que un dispositivo funcionando a 75ºC durará unas cuatro veces más que si trabaja a su temperatura máxima, por tanto es muy importante mantener la temperatura del cristal controlada, aún en las condiciones más desfavorables (Máximas disipación de potencia y temperatura ambiente). 2. EVACUACIÓN EL CALOR PROUCIO. La energía calorífica puesta en juego en un componente X como el del apartado 1, viene dada por E P t (Julios) o bien E 0, 24 P t (Calorías) La temperatura del cuerpo permanece constante cuando la cantidad de calor generada se equipara con la cantidad de calor evacuada. I V temperatura del cuerpo (temperatura de la unión en semiconductores) temperatura ambiente La temperatura en el cuerpo evoluciona con el tiempo según la ecuación diferencial siguiente: d P + C R dt El primer sumando refleja el calor que está siendo transmitido del interior al ambiente. icho calor es proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a R. R es la resistencia térmica del componente, es decir, la oposición que el calor encuentra para pasar desde el cuerpo del componente hasta el ambiente. Se mide en ºC/W. Si R es pequeña, será grande, el calor es evacuado bien hacia el ambiente, el componente R puede disipar mucha potencia sin deteriorarse. El segundo sumando representa la cantidad de calor que el componente va almacenando y por eso varía su temperatura interna. C es la capacidad térmica del componente, es decir, indica la capacidad para almacenar calor. Se mide en W s C 2.1. Evolución de la T j con el tiempo. La solución de la ecuación diferencial indica como evoluciona la temperatura del cuerpo con la temperatura. + ( ) f i f e t τ

4 Componentes Electrónicos- 1º I. T. Industrial 4/7 f Valor final i Valor inicial τ R C constante de tiempo térmica (segundos) T j (ºC) T jf T a 3τ t La temperatura final que adquiere el cuerpo alcanzado el régimen permanente es: P R + T final a 2.2. Ley de Ohm térmica. Interesándonos solo el régimen permanente, la potencia disipada por el componente viene dada por la expresión conocida como ley de Ohm térmica : P R Se establece una semejanza con la ley de Ohm eléctrica (P como I, T como V, y R como R). cuerpo P P - R ambiente Para pasar del cuerpo al ambiente, el calor se encuentra con la resistencia térmica Circuitos térmicos en dispositivos de unión. En componentes basados en uniones PN, la resistencia térmica que se va a encontrar el calor, va a manifestarse en los distintos elementos de los que se componen dichos dispositivos. epartamento de Electrónica- U.A.

5 Problema de la disipación térmica en componentes 5/7 Cápsula (C) Unión (J) Soporte (S) La potencia se genera en la unión o uniones del componente. El dispositivo se encuentra sobre un soporte (S) y recubierto todo por una cápsula (C). El calor pasa (se evacua) desde J hacia S y desde ahí hacia la cápsula (C). Finalmente, desde la cápsula al ambiente. Es decir, la R total del componente será: R φ φ + φ + φ ja js sc ca (hemos representado las resistencias térmicas parcia les con la letra griega φ y los subíndices indican entre qué elementos se encuentra la oposición el calor evacuado). Todo esto se representa mediante el circuito equivalente siguiente: P J (unión) A (ambiente) φ js S φ sc C φ ca 2.4. Limitaciones térmicas de componentes. La temperatura que puede alcanzar el cuerpo del componente tendrá un límite impuesto por consideraciones físico-químicas y de un valor que denominaremos T jmax. P En esta expresión se observa que si tiene un límite máximo que no podemos R superar, la potencia disipada tampoco podrá superar cierto valor máximo. La expresión para obtener la potencia disipada máxima en función de la temperatura ambiente (sin que la unión supere la T jmax ), será: max P max R Y su representación gráfica es: P max Pendiente 1 R T a

6 Componentes Electrónicos- 1º I. T. Industrial 6/7 Los fabricantes además de indicar el valor T jmax, proporcionan el valor de P N, que se define como la máxima potencia que puede disipar el componente de forma continuada, sin sufrir deterioro, a una temperatura dada. La temperatura ambiente para la cual se indica P N, es T a0 : T T R P a0 jmax N P max 100% P N T a0 T jmax T a La potencia que disipe el componente en el circuito debe ser siempre inferior o igual a la indicada en la curva de desvataje. Hasta T a0 la potencia máxima que soporta el componente es P N. esde T a0 hasta T jmax la potencia máxima sigue la expresión P max A partir de T jmax, el componente se destruye incluso sin funcionar. T jmax R T a 3. OPTIMIZACIÓN. Ante la limitación de potencia con la que nos encontramos en componentes reales (vista en puntos max anteriores), queremos mejorar la potencia máxima disipada. En la relación P max vemos R que para que la potencia aumente solo caben dos opciones: - isminuir la temperatura ambiente. Usando un ventilador podemos reducir la temperatura ambiente. Esta solución es habitual en componentes (dentro de su circuito) empaquetados dentro de una caja con rejillas (para expulsión de aire). - isminuir la resistencia térmica del componente. En este caso se acopla un disipador de calor (heatsink) a la cápsula del componente. Un disipador está hecho con un material buen conductor del calor. El contacto entre cápsula y disipador puede ser directo, o con una silicona, o con mica, o con mica más pasta. Lo que hacemos por este sistema es poner una resistencia térmica más pequeña entre cápsula y ambiente, facilitando la evacuación de calor, es decir, no podemos mejorar φ jc pero sí φ ca. epartamento de Electrónica- U.A.

7 Problema de la disipación térmica en componentes 7/7 J (unión) P φ jc C A (ambiente) φ ca φ cd +φ d φ cd es la resistencia térmica del contacto entre cápsula y disipador. φ d es la resistencia térmica del disipador. φ ca es la resistencia térmica entre la superficie de la cápsula que no queda cubierta por el disipador y el ambiente. Se considera que esta resistencia térmica es mucho mayor que la suma de las otras dos y así podemos suponer que la nueva resistencia entre cápsula y ambiente es φ cd +φ d. iferentes R cápsula-disipador (φ cd ) dependiendo del contacto: Tipo de cápsula Para muchos componentes, los fabricantes proporcionan como datos las resistencias térmicas φ jc y φ ja. Sin embargo para otros solamente facilitan el valor de φ jc dejando clara la idea de que dicho componente está pensado para ser usado junto a un disipador. En los componentes cuya disipación de potencia debe ser apreciable (por las aplicaciones a las que se destina), los fabricantes intentan optimizar el diseño para conseguir una menor φ jc, así como para que el acoplamiento con el disipador sea más favorable. Por ejemplo, de la tabla anterior observamos que el encapsulado TO-3 es el que proporciona una menor resistencia térmica entre cápsula y disipador. El transistor 2N3055 tiene un encapsulado de este tipo. El terminal 1 es la base y el 2 es el emisor. El colector es la propia cápsula.