Introducción
Un disipador de calor es una estructura de la cual se destaca como característica principal su alta conductividad térmica. En el campo de la electrónica se utiliza para que los componentes puedan disipar el calor y, consecuentemente, pueda dicho componente mejorar su eficiencia para controlar corrientes o tensiones eléctricas.
Cuando un componente electrónico controla una tensión o corriente, éste tiene pérdidas de calor que ocasionan un aumento considerable de la temperatura. El disipador sirve para que ese calor sea trasladado desde la juntura hacia el ambiente que le rodea, logrando que el componente tenga una temperatura máxima que pueda soportar en condiciones de operación, según lo especificado por el fabricante en su hoja técnica.
Si no se coloca un disipador de calor, puede ocurrir alguno de los siguientes escenarios.
El componente electrónico se deteriora, aislando algunos de sus terminales o cortocircuitándolos[1].
Las condiciones de operación del componente le llevan a una temperatura tal que no puede controlar la máxima potencia a la cual ha sido diseñado; por ejemplo, un transistor bipolar supone que puede conducir una corriente máxima de 10A, para lo cual debe utilizarse el disipador adecuado. Sin disipador, podría suceder que a la corriente de 6A, la temperatura a la cual opera dicho transistor es la máxima especificada por el fabricante, quedando 4A sin aprovechar.
La importancia de instalar disipadores de calor en los componentes electrónicos que lo ameritan radica en la necesidad de controlar la mayor potencia posible y prolongar su vida útil.
Los disipadores de calor suelen fabricarse con aluminio por ser livianos y tener un bajo costo, aunque algunos se construyen con cobre [2] siendo estos últimos más pesados y más caros para lograr una mejor conducción térmica.
Una muestra de estos disipadores puede verse en la figura 1, las cuales incluyen diversas formas para componentes también diversos[3]
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| Fig.1 Muestra de disipadores de calor. |
También es necesario aclarar que no todos los componentes electrónicos requieren de disipadores. En los componentes mostrados en la figura 2, el FET, el IGBT, el SCR, el GTO y el TRIAC poseen una sección metálica para transferir el calor desde su juntura, mientras que el diodo y el BJT no tienen esa sección a la vista y de requerir un disipador, será necesario adaptarle uno con forma especial para que rodee dicho componente [4].
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| Fig.2 Muestra de componentes. La mayoría con disipadores de calor. |
La operación que tiene un disipador de calor se basa en la Ley de Fourier para el calor[5] y especifica que, cada vez que se tiene un gradiente de temperatura en un cuerpo, el calor se transfiere desde las secciones de alta temperatura a las de menor temperatura.
Nótese que calor y temperatura son diferentes[6], mientras que la temperatura mide la cantidad de energía que poseen las moléculas de un material, el calor es la transferencia de energía de un cuerpo a otro.
La conducción térmica ocurre cada vez que dos objetos con diferente temperatura entran en contacto, lo cual involucra la colisión entre las moléculas rápidas del objeto más caliente y las moléculas más lentas presentes en el objeto más frío[7]. De esta manera, se transfiere el calor de un cuerpo a otro.
La figura 3 brinda una idea de cómo el aire fresco entra a las rejillas del disipador. Dado que el disipador está caliente, le transfiere ese calor al aire haciendo que eleve su temperatura. Finalmente, el aire caliente que sale, se dirige al aire del ambiente.
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| Fig.3 Enfriamiento de un disipador de calor |
Clasificación de disipadores atendiendo al método de manufactura.
En función del material y de su forma, los disipadores pueden fabricarse con varios métodos, siendo los más económicos los de extrusión, forjado, fundición y estampado, mientras que otros más caros incluyen el maquinado con CNC, biselado e impreso con los cuales se puede lograr una forma muy particular que no puede ser lograda con los métodos económicos mencionados anteriormente[8]. El maquinado por CNC es un método de manufactura muy versátil que permite obtener complejas estructuras geométricas, además se construyen rápidamente para entregas urgentes.
En la figura 4 se muestran diferentes tipos de disipadores según su método de fabricación[9] .
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| Fig. 4 Diferentes métodos para construcción de disipadores: a) Extrusión de aluminio, b) Biselado de precisión, c) Forjado en frío, d) Fundido, e) Estampado, f) Plegado, g) Soldado, h) Maquinado con CNC. |
Temperatura y transferencia de calor
El calor generado por un componente debe ser transmitido a travez de muchas capas para ser dispersada finalmente al medio ambiente. El diagrama de la figura 5 muestra la ruta que sigue el calor y las ecuaciones necesarias para calcular la tasa de transferencia de calor[10].
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| Fig. 5 Flujo de transferencia del calor, desde la juntura hasta el medio ambiente y ecuación para conocer la disipación del calor. |
a) R, Resistencia térmica que presenta un cuerpo a la transferencia de calor [°C/W].
b) P , Potencia disipada por el componente [W].
c) T, Temperatura [°C].
• Tj [°C] = Temperatura en la juntura. Podría decirse en la estructura interna del componente.
• Pd [W] = Potencia disipada en el componente. Debe ser la misma disipada a través de todas las capas en la que se realizar la transferencia del calor, desde la juntura del componente hasta el ambiente.
• Rjc, Rcs, Rsa [°C/W] = La resistencia térmica entre la juntura y el encapsulado (jc), el encapsulado y el disipador (cs) y finalmente entre el disipador y el ambinente (ca).
• Ta [°C] = Temperatura del medio ambiente.
Y lo que espresa el el cambio de temperatura que existe al medirla en el punto que une diferentes materiales, cada uno de ellos con su resistencia térmica y sin olvidar que la potencia debe tener el mismo valor.
Otro elemento importante a considerar empíricamente, es que un buen disipador de calor es aquel que más se calienta, ya que evidencia una mejor transferencia del calor.
Tansferencia de calor
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| Fig. 6 Ilustración de algunas características técnicas para disipadores de calor por el distribuidor Digikey en su página web. |
Ejemplo
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| Fig. 7 Algunas de las características técnicas del RFD15P05. |
A partir de la ecuación Tj = Pd * (Rjc+Rcs+Rsa)+Ta, se tienen algunos datos:
• Pd = 1.2 [W], conocida mediante el punto de operación del transistor.
• Rjc = 1.875 [°C/W], obtenido de la hoja técnica del MOSFET.
• Rcs = 62.5 [°C/W], obtenido de la hoja técnica del MOSFET.
• Rsa = 3.50 [°C/W], obtenida de las características térmicas del disipador.
Calculando Tj = 1.2 * (1.875+62.5+3.5) + 25 = 106.45 [°C]
La temperatura máxima de operación se obtiene de la misma hoja técnica, que resulta ser la misma que la de almacenamiento Tj = 175 [°C]
Dado que, la temperatura Tj calculada (106.45°C) es menor a la temperatura que puede soportar en operación el MOSFET (175°C), se concluye que el disipador es apropiado para ese punto de operación particular.
Nótese que la mayor resistencia térmica viene dada por Rcs; es decir, en el contacto entre el encapsulado del componente y el disipador. Por ello, debe utilizarse pasta térmica para reducir este factor y aprovechar más las características de manejo de potencia de dicho componente.
Preguntas motivadoras
¿Cuáles métodos para transmisión de calor se utilizan comúnmente?¿Puede enfriarse un componente electrónico en contacto directo con agua?
¿Tiene algún efecto en el cálculo del disipador de calor, que el circuito electrónico se sitúe a una altura mayor de 2000 metros sobre el nivel del mar?
Enlaces recomendados
Referencias
[2] https://www.gabrian.com/6-heat-sink-types/
[3] https://suhangmetal.en.made-in-china.com
[4] https://www.powerelectronicstalks.com/2018/09/power-electronics.html
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction
[6] https://www.diferenciador.com/diferencia-entre-calor-y-temperatura/
[7] https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-a-heat-sink/
[8] https://myheatsinks.com/learn/manufacturing/
[9] https://www.lorithermal.com/manufacturing
[10] https://www.re-innovation.co.uk/docs/heatsink-calculations/
Muy interesante el aporte, gracias doctor.
ReplyDeleteMe gusta mucho la estructura del articulo y los enlaces que propone, lo felicito.