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  Apéndice A. DISIPADORES DE CALOR PARA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

- Introducción
- Elementos fundamentales
- Método de cálculo
- Circuitos termoeléctricos

   
ARRIBA INTRODUCCIÓN
  - Todo componente electrónico real sometido a una determinada diferencia de tensión ( V ) y por el que circula una determinada intensidad de corriente eléctrica ( I ) disipa una determinada potencia ( P ). En la mayor parte de los casos esta potencia disipada se manifiesta en forma de calor provocando un aumento de la temperatura.
- Una condición importante, muchas veces prioritaria, en el diseño de dispositivos electrónicos es la temperatura que pueden alcanzar los componentes que los constituyen, en particular los semiconductores ( diodos, transistores, tiristores, etc ). Por ejemplo, el silicio pierde sus propiedades semiconductoras por encima de los 150º C.
   
ARRIBA ELEMENTOS FUNDAMENTALES
 

- Los elementos fundamentales a considerar en el cálculo de disipadores de calor para componentes electrónicos son los siguientes:
1) Tj : temperatura de la unión ( junction ) o lo que es lo mismo temperatura de la oblea de silicio.
2) Tc: temperatura de la cápsula ( case )
3) Ta : temperatura del ambiente



4) Rthjc: resistencia térmica unión-cápsula ( junction-case )
5) Rthca: resistencia térmica cápsula-ambiente ( case-ambient )
6) Rthcr: resistencia térmica cápsula-radiador ( radiador o disipador en inglés "heat sink" ). Este valor está tabulado en función del tipo de encapsulado y de la junta de unión cápsula-radiador ( ver resistencia térmica por contacto en el apéndice 3.1 ) .
7) Rthra: resistencia térmica radiador-ambiente. Este valor está tabulado en función de diferentes parámetros entre ellos están la forma geométrica del disipador, su disposición ( horizontal, vertical ) y si se utiliza o no un ventilador para forzar la convección.

8) Potencia disipada ( Pdis ). En general la potencia será una función periódica de periodo T, siendo muy habitual que sea una función cuadrada positiva . Se utilizan dos valores:

-- a) Potencia disipada media cuya expresión es ; si v (t) = cte = V; i (t) = cte = I => Pdismedia = V I

-- b) Potencia disipada máxima, el valor máximo de la potencia
   
ARRIBA MÉTODO DE CÁLCULO
  - 1 ) Se calcula la temperatura de la unión ( Tj ) sin disipador. Si Tj es menor que la temperatura máxima admisible , Tj < Tjmax , no es necesario colocar un disipador. Si Tj > Tjmax es necesario colocar un disipador.
- 2 ) Si es necesario colocar un disipador ( también llamado radiador ) el objetivo es calcular cual tiene que ser su resistencia cápsula-radiador y su resistencia radiador-ambiente. Para ello se fija Tj = Tjmax y se resuelve el correspondiente circuito termoeléctrico. Tjmax viene dada por los fabricantes de componentes electrónicos.
- 3 ) Con los valores de las resistencias térmicas obtenidos se selecciona el disipador adecuado adecuado.
ARRIBA CIRCUITOS TERMOELÉCTRICOS
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- A ) Componente eléctrónico sin disipador

- A.1 ) Cálculo estático ( Pdis constante )




-- Tanto Rthjc como Rthca son proporcionadas por el fabricante del componente electrónico. También es posible que dé la resistencia térmica unión-ambiente ( "jucntion to ambient", Rthja, o lo que es igual Rthjc + Rthca ) en vez de Rthca.
-- Rthjc es muy pequeña en relación a Rthca por lo que, en el circuito anterior, se puede despreciar para realizar los cálculos y Tj = Tc.

- A.2 ) Cálculo dinámico ( Pdis periódica )




-- Tanto Rthjc como Rthca son proporcionadas por el fabricante del componente electrónico. También es posible que dé la resistencia térmica unión-ambiente ( "jucntion to ambient", Rthja, o lo que es igual Rthjc + Rthca ) en vez de Rthca.
-- Zthjc recibe el nombre de impedancia térmica transitoria y también es facilitada por los fabricantes de componentes electrónicos.
-- En el cálculo dinámico no se puede considerar que Tj = Tc puesto que al ser la masa de la cápsula mucho mayor que la de la unión tienen inercia térmica diferente. La unión se enfría y se calienta a distinto ritmo ( más rápidamente ) que la cápsula.
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ARRIBA

- B ) Componente eléctrónico con disipador.

- Al incorporar el disipador se pretende crear un camino alternativo, con menor resistencia térmica, para la evacuación del calor.


- B.1 ) Cálculo estático ( Pdis constante )



- En un diseño correcto Rthca es mucho mayor que Rthcr + Rthca ( Rthca >> Rthcr + Rthca ) y la resistencia equivalente al paralelo Rthca y ( Rthcr + Rthra ) se puede aproximar por ( Rthcr + Rthra ) .

- B.2 ) Cálculo dinámico ( Pdis periódica )


- En un diseño correcto Rthca es mucho mayor que Rthcr + Rthca ( Rthca >> Rthcr + Rthca ) y la resistencia equivalente al paralelo Rthca y ( Rthcr + Rthra ) se puede aproximar por ( Rthcr + Rthra ).
-- Tanto Rthjc como Rthca son proporcionadas por el fabricante del componente electrónico. También es posible que dé la resistencia térmica unión-ambiente ( "jucntion to ambient", Rthja, o lo que es igual Rthjc + Rthca ) en vez de Rthca.
-- Zthjc recibe el nombre de impedancia térmica transitoria y también es facilitada por los fabricantes de componentes electrónicos.
-- En el cálculo dinámico no se puede considerar que Tj = Tc puesto que al ser la masa de la cápsula mucho mayor que la de la unión tienen inercia térmica diferente. La unión se enfría y se calienta a distinto ritmo ( más rápidamente ) que la cápsula.
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