UD11. DISIPACIÓN DE CALOR. RADIADORES Centro CFP/ES Disipación de calor 1
Disipación de calor La potencia que cada componente disipa en un circuito viene dada por el producto de la corriente 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 calorías es: 1 vatio = 0,24 calorías / segundo En todos los circuitos hay componentes que consumen una determinada potencia, la cual es constante una vez en funcionamiento (esto sucede en la mayor parte de los circuitos digitales), pero hay otro gran número cuya potencia depende de las condiciones en las que le hagamos trabajar. En estos casos, el fabricante del componente nos indica la máxima potencia que pueden disipar o la temperatura máxima de trabajo (Hojas de características). Pero se puede conseguir que la potencia disipada aumente si de una manera artificial conseguimos hacer descender la temperatura de trabajo por debajo de su valor máximo. Es aquí donde realizan su papel los disipadores de calor. Disipación de calor Esa resistencia térmica se mide en ºC/W, unidad que determina cuánto resiste al paso de calor una unión o contacto entre cuerpos. Cuanto menor sea esa magnitud, mejor se establecerá el flujo de calor del cuerpo más caliente (componente semiconductor) hacia el ambiente. En radiadores, lo que determina este valor es, principalmente, la unidad de superficie que está en contacto con el aire, el material y el calor. De esta manera, para igual calor y material, cuanto más grande sea un radiador mejor trasladará el calor al ambiente. Qué hacemos para determinar nuestro radiador ideal? Qué resistencia térmica será necesaria para nuestra aplicación en concreto? 2
Transmisión de calor Hay tres formas básicas de transmisión de calor desde un cuerpo que se encuentra a una determinada temperatura: Radiación: La radiación de calor es una forma de transmisión a través de ondas electromagnéticas, del mismo tipo de las que se emplean para realizar las emisiones de radiofrecuencia o de luz visible. Esta radiación se realiza a una frecuencia inferior a la del color del 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 mayor poder de radiación. Convección: En convección el cuerpo que tiene mayor temperatura transmite su calor a los cuerpos que le rodea, sobre todo a los líquidos y gases, ya que el efecto consiste en que las partículas calientes del líquido o gas se mueven hacia arriba, al variar la densidad del mismo por aumento de la temperatura de las partículas que están próximas al cuerpo caliente. El espacio 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 ayuda a disminuir su temperatura. Este proceso se puede efectuar de una manera natural si el cuerpo caliente permanece sumergido en el fluido, o artificial si de alguna manera se obliga a hacerle circular de manera más dinámica, ya sea a través de un ventilador u otro proceso. Transmisión 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 es aquella 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, de manera que se produce una conducción desde el componente hasta el radiador y una convección y radiación de este al medio que lo rodea, que, en el caso de equipos electrónicos, será siempre el aire. La cantidad de potencia calorífica que puede evacuarse desde el disipador al ambiente depende de la diferencia de temperatura que exista entre ambos, siendo tanto mayor cuanto más elevada sea esta diferencia. La disipación de potencia será nula si no existe diferencia de temperatura. 3
Resistencia térmica Al igual que sucede con el paso de electrones por un cuerpo conductor en el que aparece una cierta resistencia, en el trasvase de calor de un cuerpo a otro (unión semiconductor - superficie componente, componente - disipador y disipador - aire), aparece una cierta resistencia a que se produzca dicho trasvase. A esta resistencia se le denomina Resistencia térmica, 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 circuito eléctrico donde cuando el calor atraviesa diferentes medios en su propagación, encuentra diferentes resistencias a su paso desde el punto más caliente al más frio, ya que la transmisión de calor de un medio a otro no es ideal. Las resistencias térmicas de cada zona se suman entre sí formando una resistencia térmica total. 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. Resistencia térmica 4
Radiador Por lo tanto, para poder elegir un tipo concreto de radiador se deben tener en cuenta los siguientes 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. Flujo de calor 5
Radiador Por lo tanto, para poder elegir un tipo concreto de radiador se deben tener en cuenta los siguientes 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: Qja=Tj-Ta/P Qja = Qjc + Qcr + Qra Calor producido = Calor disipado donde: Tj: Temperatura unión ºC Ta: Temperatura ambiente ºC P: Potencia eléctrica transformada en calor Qja: Resistencia térmica unión-ambiente dada por el fabricante. Qjc: Resistencia térmica unión-cápsula dada por el fabricante. Qcr: Resistencia térmica capsula-radiador Qra: Resistencia térmica radiador-ambiente Radiador 6
Radiador Radiador 7
Radiador Radiador 8
Calculo del Radiador Si observamos los catálogos de radiadores apropiados para cada semiconductor, vemos que la 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 los catálogos no disponemos de ese valor en concreto, debemos elegir el de valor menor más cercano 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 resistencias térmicas por potencia: Tj-Tc = Rth j-c W Tr-Tamb = Rth r-a W Teniendo en cuenta que las diferencias de temperatura entre el radiador y la cápsula suelen fijarse en 2ºC, podemos seguir calculando hasta conseguir la Rth r-a. Ejemplo de cálculo 9
Ejemplo de cálculo Radiadores estandar 10
Radiadores estandar Cálculo del disipador 11
Otros Radiadores Otros Radiadores 12
Uso de catálogos Se selecciona el radiador cuya Rth sea inferior a la calculada y se adapte a la cápsula del elemento utilizado. El tamaño del radiador está en función del número de aletas, de modo que a mayor número de éstas menor será el volumen, mientras que, por otra parte, se incrementa el costo del mismo. A continuación se muestran los mecanizados que deben aparecer en los radiadores para algunos tipos de componentes como son TO3 y TO220. Uso de catálogos TORNILLO SEMICONDUCTOR (CÁPSULA TO-3) MICA (asegura el contacto radiador-cápsula) Radiador con el mecanizado (agujero) adecuado Tubos aislantes para las patillas del semiconductor Tuerca de apriete y pieza aislante 13
Uso de catálogos TORNILLO SEMICONDUCTOR (CÁPSULA TO-220) MICA (Asegura el contacto radiador-cápsula) PARTE METÁLICA EN CONTACTO CON EL RADIADOR (CONDUCE EL CALOR) Radiador con el mecanizado (agujero) adecuado Mecanizado en el circuito impreso Mecanizado para las patillas del semiconductor Tuerca de apriete y pieza aislante Circuito impreso del que forma parte el componente DISIPACIÓN DE CALOR Y RADIADORES 14