Disipadores calculos

DISIPADORES DE CALORIntroduccin.- Las potencias manejadas por los dispositivos semiconductores, transistores, TRIAC, MOSFET, Reguladores de tensin, etc., es en muchos casos de una magnitud considerable. El tamao de tales dispositivos es muy pequeo y ello dificulta la adecuada disipacin de energa en forma de calor por efecto Joule.Si la temperatura aumenta puede alcanzar valores destructivos, producindose ruptura trmica, inutilizando el dispositivo permanentemente. Cuando la potencia a disipar es pequea los dispositivos disipan el calor directamente a travs de su encapsulado al ambiente. En los dispositivos de ms potencia, la superficie del encapsulado no es suficiente y se requiere la utilizacin de un adecuado DISIPADOR DE CALOR.

Propagacin de la energa calorfica.La propagacin se realiza de tres formas: radiacin, conveccin y conduccin. Radiacin: La radiacin puede propagarse a travs del vaco y no necesita de material slido como medio. Conveccin: Es un fenmeno que atae a fluidos, tales como el aire o el agua. Favorece la propagacin del calor en estos cuerpos, que son de por s muy buenos aislantes trmicos. Un cuerpo caliente sumergido en aire, hace que las capas prximas al mismo se calienten, lo que a su vez ocasiona una disminucin de su densidad, y por esto se desplazar esta masa de aire caliente hacia estratos ms elevados dentro del recinto. Inmediatamente, el "hueco" que ha dejado este aire es ocupado por aire ms fro, y as se repite el ciclo, generando corrientes convectivas que facilitan el flujo trmico. Este mismo fenmeno se da en el agua, o cualquier lquido o gas.

Conduccin: Se manifiesta principalmente en slidos. En general los buenos conductores elctricos son tambin buenos conductores trmicos, por ello la eleccin de aluminio como material para disipadores responde a este concepto y si bien tcnicamente podra utilizarse un mejor conductor como el cobre (oro, platino), las razones econmicas lo imposibilitan. En la disipacin de calor de los semiconductores observamos fenmenos principalmente asociados a la conveccin y conduccin.

Analoga trmica y elctrica: Se puede establecer una correspondencia entre la Ley de Ohm y la propagacin trmica mediante la siguiente tabla de equivalencias:analoga trmica - Ley de Ohm intensidad ( I ) Potencia Disipada Pd ( Watts ) tensin ( V ) temperatura T (C ) resistencia ( R ) Resistencia trmica R (C/W ) V = IR T = Pd.R Las unidades son W (Watts), T (C, grados Celsius o Centgrados) y R (C/W)

Profesor Eduardo Omar Buscarini

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Pd = Tj - Ta . (Rjc + Rcd + Rda)Tj Ta Rjc Rcd Rda = temperatura de la Juntura = temperatura ambiente = resistencia trmica Juntura-carcaza = resistencia trmica carcaza-disipador = resistencia trmica disipador-ambiente

La asociacin de resistencias trmicas es igual que la asociacin de resistencias. En serie, sumamos los valores de cada R, de manera que la resistencia trmica equivalente es mayor que cada una de las resistencias por separado. Lgicamente, cuanto mayor es la resistencia trmica, mayor dificultad para el flujo de calor.

Clculo del disipadorCalcular un disipador se resume a obtener el valor de Rda en (C/W) y para ello necesitamos despejarlo de la frmula anterior

Pd =

Tj - Ta . (Rjc + Rcd + Rda)

Queda

Rda = ( Tj - Ta) Rjc - Rcd Pd

Eduardo O. Buscarini

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Una vez despejada Rda necesitamos obtener los datos de los restantes parmetros de la frmula Tj= La provee el fabricante del Componente Si no disponemos de estos datos, podemos tomar como Tj = 135 Ta= La temperatura ambiente debe ser considerada en base a la realidad de uso del equipo, por ej no es lgico una Ta de 25 en un dispositivo que se utilizar dentro de un automvil. Rjc= La provee el fabricante del Componente, depende del encapsulado y tambin hay tablas bastantes aproximadas para determinarla Rcd= Se determina por la siguiente tabla

Con Grasa siliconada y Solo sin mica encapsulado N 1 2 3 4 5 6 7 8y9 10 11 12 y 13 14 15 Tipo de encapsulado TO39 Y TO5 TO126 TO220 TO202 TO152 TO90 TO3 PLSTICO TO59 TO117 SOT48 DIA4L TO66 TO3 Rca 1 1,4 0,8 0,8 0,8 0,5 0,4 1,2 2 1,8 1,1 1,1 0,25 Rcd 0,7 1 0,5 0,5 0,5 0,3 0,2 0,7 1,7 1,5 0,7 0,65 0,12

Con Mica Rcd NO 2 1,4 1,4 1,4 1,2 1 2,1 NO NO NO 1,8 0,8

Con Mica y grasa siliconada Rcd NO 1,5 1,2 1,2 1,2 0,9 0,7 1,5 NO NO NO 1,4 0,4

Pd= La potencia disipada por el dispositivo se determina de acuerdo a la aplicacin que se realice en el circuito, por ej . en un regulador LM317 cuya entrada de tensin es Vi=22 V y la salida es variable entre Vo=1,2 V y 18 Volts se considera el PEOR CASO que sera que el


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regulador entregue su mnima tensin o est en cortocircuito . Si este peor caso se da rara vez y de manera muy instantnea , se puede considerar un caso mas favorable y que requiera de un disipador mas pequeo, como el caso que el circuito entregue su mxima corriente ILmx (1,5 A) con 5 Volts de salida . En este ltimo caso tendramos que la potencia disipada mxima del LM317 es :

Vi - Vo ILmx Pd = 22V - 5V 1,5A Pd =11,3 Watts

Pd =

. .

Si utilizamos un LM317T con encapsulado TO-220 y cuyos datos son los siguientes: De la hoja de datos (datasheet) sacamos estos datos: Tj = 125 C Rjc = 5 C/w De nuestro montaje y las tablas, deducimos:

Rcd = 1.2 C/w (mica y grasa siliconada) Ta = 30 C (tomamos este valor)

Rda = ( Tj - Ta) - Rjc - Rcd Pd Rda = ( 125C - 30C) - 5C/W 1,2 C/W 11,3 W Rda = 8,4 C/W - 5C/W 1,2 C/W =2,2 C/WBuscamos en catlogo y encontramos las siguientes opciones de Disipador: Para una Longitud de disipador de 75 mm

ZD-8 Dimensiones: Base 100mm - Altura 35mm - Espesor ncleo central 32mm Resistencia trmica: 2.20 C/W para 75mm Superficie: 1019 mm/mm

O si se desea plano de un lado

ZD-27 Dimensiones: Base 104mm - Altura 37mm - Espesor ncleo central 6.2mm Resistencia trmica: 2.2 C/W para 75mm Superficie: 1259 mm/mm

Para una Longitud de disipador de 10 mm


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Este no dara , pero e e a est muy cerca de la especif ficacin y se trata de un disipador de precio aceptab r ble ZD-7 7 Dime ensiones: Base 120 0mm - Al ltura 35m - Espe mm esor ncle central 32mm eo Resistencia t trmica: 2.30 C/W para 10mm C a erficie: 12 200,9 mm m/mm Supe

Conside C eraciones para grand a des potencias Cuando tengamos que disipar poten t s ncias

de d ms de 50 Watt los tam e ts, maos de disipador se vue el elven muy grandes y tambin ineficientes. y s Entonces s E surgen so oluciones prcticas como ec s conmicas: por eje emplo dis sponer en el circuit de n to dispositivo en paralelo, don d os nde se reparta la d disipacin y a su vez se logra achicar n v considerab c blemente el disipador Por P ej: debemos disipar 60 Watts con transist n tores con los siguie entes dat tos Tj T = 200 C Rjc R = 1.5 C/w Rcd R = 0.8 C/w (pa este e ara ejemplo solo usam mica sola y sin grasa - cpsula TO-3) s mos n Ta= 30 gr T rados Con 1 Tra C ansistor: :

Resulta un disipado R n or: ZD-23 Base 120m - Altu 120mm - Espesor ncleo mm ura e Dimensiones: B central 18mm encia trm mica: 0.48 C/W para 150 m p mm Resiste Superf ficie: 4689 mm/m 9 mm Un U disipad de importante tamao y precio dor Con 2 Tra C ansistore en paralelo: es Examinem deten E mos nidamente la situac e cin, dibu ujando un diagram de analoga elc n ma ctrica:

Fig. 1

Fig 2 g.

Fig. 3

Eduardo O. Buscarini E

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La L asociac cin de re esistencias trmica se trata igual q as an que las elctricas, asociando series y paralelos llegamos al resulta p ado de la Fig.3. La resistencia trmic total d los tran a ca de nsistores (Rjd) es e de 1.15 5C/w en lugar de los 2.3C C/w que e establecim con uno. O se hemos reducido a la mos u ea, s o mitad la R por el mero hec m Rjd cho de ut tilizar dos transisto s ores. Calc culando d nuevo nuestro de disipador: d

La L diferencia entre un disipa ador de 0.53C/w y otro de 1.68C/w es notable. 0 e a

ZD-53 nsiones: B Base 120m - Altu 66mm - Espes ncleo mm ura m sor o Dimen central 32mm tencia t rmica: 1 1.50 C/W para 7 75mm Resist Superf ficie: 124 mm/m 40 mm

Un U disipad de un modelo ms econ dor nmico y la mitad de largo Cuatro Tr C ransistor res: Si S en lugar de dos transistor res, pusi ramos cu uatro, la nueva Rjd valdra 0.575C/w y el nuevo d / u disipador que necesitaramo tendra una R de 2.26C/ d os a e /w.

ZD-7 7 Dime ensiones: Base 120 0mm - Al ltura 35m - Espe mm esor ncle central 32mm eo Resistencia t trmica: 2.26 C/W para 10mm C a erficie: 12 200,9 mm m/mm Supe

Un U disipad clsico y de raz dor o zonable precio . p En E resume debe observar que la diferencia entre 1 transistor y 2 en paralelo es enorm en: rse a me, sin s embar rgo entre 2 y 4 no tanto (ad dems 4 T Transistores entran muy ajustados e un disipador en ZD7). Deb conside Z be erarse un punto de equilibr costo b n rio beneficio de este c criterio, e cada ca es en aso diferente. d

Disipadores co vent D on tilacin forzad utili n da, izando Cooler: Proceso de cl P o lculoDetermina D aremos la resistencia trmic Rda necesaria de acuerd con los clculos habituales de a ca do s disipacin natural. d

Primer planteo P oDado un v D valor Rda correspo ondiente a un disip pador conocido, hallar el nuevo valor Rda que r e resultar a aplicar a dicho d al disipador un flujo d aire a una velocidad det de terminada a. Rdaf = Rda Fv siendo Fv: Facto de velo or ocidad

Eduardo O. Buscarini E

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Anexo : Perfiles de disipadores nacionalesDISIPADOR ZD-1 Dimensiones: Base 58 mm - Altura 29mm - Espesor ncleo central 3.5mm Resistencia Trmica: 3.5 C/W para 75mm Superficie: 525,10 mm/mm ZD-3 Dimensiones: Base 50mm - Altura 14mm - Espesor ncleo central 2mm Resistencia trmica: 5 C/W para 75mm Superficie: 252 mm/mm ZD-9 Dimensiones: Base 57mm - Altura 23mm - Espesor ncleo central 27mm Resistencia trmica: 3.80 C/W para 75mm Superficie: 343mm/mm CARACTERISTICAS


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ZD-6 Dimensiones: Base 80mm - Altura 30mm - Espesor ncleo central 32mm Resistencia trmica: 2.90 C/W para 75mm Superficie: 626,5 mm/mm ZD-29 Dimensiones: Base 37mm - Altura 15mm - Espesor ncleo central 2mm Resistencia trmica: 10.8 C/W para 75mm Superficie: 156 mm/mm ZD-36 Dimensiones: Base 29mm - Altura 15mm - Espesor ncleo central 18mm Resistencia trmica: 8.80 C/W para 75mm Superficie: 112 mm/mm ZD-32 Dimensiones: Base 120mm - Altura 11mm - Espesor ncleo central 2.5mm Resistencia trmica: 4.2 C/W para 75mm Superficie: 305 mm/mm Articulo 6225M ZD-5 Dimensiones: Base 70mm - Altura 17mm - Espesor ncleo central 32mm Resistencia trmica: 5.10 C/W para 75mm Superficie: 296 mm/mm

ZD-2K Dimensiones: Base 145mm - Altura 50mm - Espesor ncleo central 4.5mm Resistencia trmica: 0.92 C/W para 75mm Superficie: 2000 mm/mm

ZD-2E Dimensiones: Base 138mm - Altura 40mm - Espesor ncleo central 5mm Resistencia trmica: 1.2 C/W para 75mm Superficie: 1273 mm/mm

ZD-7 Dimensiones: Base 120mm - Altura 35mm - Espesor ncleo central 32mm Resistencia trmica: 2.60 C/W para 75mm Superficie: 1200,9 mm/mm


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ZD-42 Dimensiones: Base 126mm - Altura 43mm - Espesor ncleo central 5mm Resistencia trmica: 1.4 C/W para 75mm Superficie: mm/mm

ZD-28 Dimensiones: Base 104mm - Altura 25.4mm - Espesor ncleo central 4.75mm Resistencia trmica: 2.9 C/W para 75mm Superficie: 5640 mm/mm

ZD 58

ZD-27 Dimensiones: Base 104mm - Altura 37mm - Espesor ncleo central 6.2mm Resistencia trmica: 2.2 C/W para 75mm Superficie: 1259 mm/mm



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ZD-43 Dimensiones: Base 144mm - Altura 88mm - Espesor ncleo central 24mm Resistencia trmica: 1.12 C/W para 75mm Superficie: mm/mm ZD-55 (con ranura) Dimensiones: Base 125mm - Altura 135mm Peso por metro: 14 kg Espacio entre ranura: 80 mm Resistencia trmica: 0.80 C/W/3 in. Superficie: 6088,5 mm/mm ZD-51 Dimensiones: Base 125mm - Altura 135mm Peso por metro: 14 kg Resistencia trmica: 0.80 C/W/3 in. Superficie: 6088,5 mm/mm


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