Diseño de Disipadores Térmicos AUTOR Jessica Paola Barrionuevo Ponce E-mail:
[email protected]
RESUMEN Las potencias que se manejan en dispositivos semiconductores varían de acuerdo al tipo tipo y la utiliz utilizaci ación ón que se les dé, en alguno algunos s casos casos llegan llegan a valore valores s muy altos, altos, y debido al tamaño pequeño de los mismos se dificulta la disipación del calor producido durante su funcionamiento lo cual puede provoca perdida de energía y por ende afecta la aplicación que se desea. Para Para ser ser ms ms fci fcill ente entend nder er la aplic aplicac ació ión n de los los disi disipa pado dore res s térm térmic icos os se pued puede e establecer una correspondencia entre la Ley de !"m y la propagación térmica. Lo que nos permite realizar realizar de forma fcil y adecuada adecuada los clculos clculos necesarios necesarios para el diseño diseño de un disipador térmico que cumpla con las características deseadas. La asociación de resistencias térmicas es igual que la asociación de resistencias. #n seri serie, e, suma sumamo mos s los los valo valore res s de cada cada $, de mane manera ra que que la resi resist sten enci cia a térm térmic ica a equivalente es mayor que cada una de las resistencias por separado. Lógicamente, cuanto mayor es la resistencia térmica, mayor dificultad para el flujo de calor. Para el circuito de una fuente variable "asta %&' y (,)m* como el que se va a utilizar en este estudio se pueden emplear reguladores de voltaje de encapsulado de tipo +! --(, el seleccionar un disipador térmico adecuado ayudara al correcto funcionamiento de todo el circuito y a que las aplicaciones del mismo se den con una eficiencia del %((. Palabras clave: potencias, dispositivos semiconductores, disipación de calor, propagación térmica, disipador térmico, diseño, flujo de calor, resistencia térmica, reguladores de voltaje
ABSTRACT Powers involved in semiconductor devices vary according to type and use them, sometimes reaching very high values, due to the small size of these are difficult to heat dissipation during operation which can cause loss of energy and thus affects the application you want. Be easier to understand the application of heat sinks can be a correspondence between the Law of Ohm and thermal thermal spread. llowing us to make an easy and appropriat appropriatee the necessary necessary calculations calculations for the design of a heatsink that meets the desired characteristics. !he association association of thermal thermal resistance is e"ual to the association association of resistance. resistance. #eries, we add the values for each $, so that the e"uivalent thermal resistance is greater than each of the resistors individually. Logically, the higher the thermal resistance, greater difficulty in the heat flu%. &or the circuit of a source variable to '() and *.+ m as to be used in this study can be used voltage regulators encapsulation type !O--*, selecting a proper heat sink to assist the proper functioning of the entire circuit applications because it is given with an efficiency of '**. Key words: power, semiconductor devices, heat diss ipation, thermal propagation, heatsink design, heat flow, thermal resistance, voltage regulators
INTRODUCCIÓN Las potencias mane/adas por los dispositivos semiconductores como reguladores de volta/e es en muchos casos de una magnitud considerable. dem0s, el problema se agrava teniendo en cuenta "ue el tama1o de tales dispositivos es muy pe"ue1o, lo "ue dificulta la evacuaci2n del calor producido. 3n cuerpo "ue conduce una corriente el4ctrica pierde parte de energ5a en forma de calor por efecto Joule lo "ue ocasiona "ue no se obtengan los valores deseados del circuito. Los dispositivos de potencia reducida, disipan el calor a trav4s de su encapsulado hacia el ambiente, manteni manteniend endo o un flu/o flu/o t4rmic t4rmico o sufici suficient entee para para evacua evacuarr todo todo el calor calor y evitar evitar su destru destrucci cci2n. 2n. 6n los dispo disposit sitivo ivoss de m0s m0s poten potenci cia, a, la supe superf rfic icie ie del del enca encaps psul ulad ado o no es sufi suficie cient ntee para para pode poderr evac evacua uarr
adecuadamente el calor disipado. #e recurre para ello a los disipadores t4rmicos 7heatsinks8, "ue proporcionan una superficie adicional para el flu/o t4rmico. Para lograr escoger el tipo de disipador t4rmico "ue vaya de acorde con nuestro dispositivo y con las condiciones del circuito "ue se desea realizar, una fuente variable de '.( a '( ) a 9**m, se realizan un sin n:mero de c0lculos con los cuales y en base a catalogos de disipadores t4rmicos se elige el "ue se considere m0s adecuado. ;on el disipador elegido se realizan las simulaciones de la transferencia de calor utilizando la ayuda de solidworks y de su aplicaci2n cosmos para comprobar "ue tan eficiente es el dise1o.
MATERIALES Y/O MÉTODOS Para empezar el dise1o primero se debe saber lo "ue se desea realizar, se debe tener conocimientos de c2mo se da la propagaci2n de calor. 6l calor se transmite mediante tres formas conocidas< radiaci2n, convecci2n y conducci2n. Por radiaci2n recibimos los rayos del #ol. La radiaci2n no necesita un medio material para propagarse, puede hacerlo a trav4s del vac5o. !odo cuerpo con una temperatura superior a los cero grados absolutos 7kelvin8 produce una emisi2n t4rmica por radiaci2n, pero en el caso "ue nos ocupa es de una magnitud despreciable, y por tanto no se tiene en cuenta la emisi2n por radiaci2n. La convecci2n es un fen2meno "ue ata1e a fluidos, tales como el aire o el agua. &avorece la propagaci2n del calor en estos cuerpos, "ue son de por s5 muy buenos aislantes t4rmicos. 3n cuerpo caliente sumergido en aire, hace "ue las capas pr2%imas al mismo se calienten, lo "ue a su vez ocasiona una disminuci2n de su densidad, y por esto se desplazar0 esta masa de aire caliente hacia estratos m0s elevados dentro del recinto. =nmediantamente, el >hueco> "ue ha de/ ado este aire es ocupado por aire m0s fr5o, y as5 se repite el ciclo, generando corrientes convectivas "ue facilitan el flu/o t4rmico. 6ste mismo fen2meno se da en el agua, o cual"uier l5"uido o gas. La transmisi2n por conducci2n se manifiesta m0s obviamente en cuerpos s 2lidos. ;uriosamente los cuerpos "ue son buenos conductores el4ctricos, tambi4n lo son t4rmicos, y se e%plica a nivel subat2mico. 6l cobre, la plata, n5"uel, aluminio, oro, etc., son e%celentes conductores. #i aplicamos una llama a una barra de cobre, enseguida notaremos el calor por el e%tremo "ue lo agarramos. 6ste calor se ha propagado por conducci2n. 6n la disipaci2n de calor de los semiconductores, solamente consideramos los dos :ltimos tipos de propagaci2n< convecci2n y conducci2n. Aa!o"#a e!éc$rica%& #e puede establecer una correspondencia entre la Ley de Ohm y la propagaci2n t4rmica mediante la siguiente tabla de e"uivalencias<
aa!o"#a $érmica & Le' de O(m intensidad 7 = 8 tensi2n 7 ) 8 resistencia 7 $ 8 ) @ =$
calor 7 ? 8 temperatura 7 ! 8 resist. t4rmica 7 $ 8 ! @ ?$
Las unidades son ? 7watios8, ! 7A;, grados cent5grados8 y $ 7A;?8
! @ !/!a @ ? 7$/c C $cd C $da8
!/ @ temperatura de la uni2n !a @ temperatura ambiente $/c @ resistencia t4rmica uni2nc0psula $cd @ resistencia t4rmica c0psuladisipador $da @ resistencia t4rmica disipadorambiente La asociaci2n de resistencias t4rmicas es igual "ue la asociaci2n de resistencias. 6n serie, sumamos los valores de cada $, de manera "ue la resistencia t4rmica e"uivalente es mayor "ue cada una de las resistencias por separado. L2gicamente, cuanto mayor es la resistencia t4rmica, mayor dificultad para el flu/o de calor.
C)!c*!o de! disipador%& La mayor5a de fabricantes de semiconductores proporcionan los datos suficientes para poder calcular el disipador "ue necesitamos. Decesitamos como punto de partida, la temperatura m0%ima "ue puede alcanzar la uni2n del transistor. 6sta temperatura no se deber0 alcanzar en ning:n caso, para no destruir el componente. Dormalmente el fabricante proporciona el >operating temperature range> por e/emplo, +( to -** A; indica "ue la temperatura m0%ima es de -**A;. Dosotros podemos tomar unos coeficientes de seguridad k como sigue< k @ *.( para un dise1o normal con temperatura moderada. k @ *.+ para economizar en tama1o de disipador. k @ *.E cuando el disipador permanezca en posici2n vertical y en el e%terior 7me/ora de convecci2n8. ;on el coeficiente k, y tomando la temperatura m0%ima de funcionamiento como !/m0%, tenemos la e%presi2n< ! @ k !/ !a @ P 7$/c C $cd C $da8 donde P representa la potencia en watios 7calor8 "ue disipar0 el componente. #i no disponemos de estos datos, podemos tomar como !/ @ 'F( A; para transistores de silicio, y !/ @ 9*A; para transistores de germanio. 6l flu/o de calor, desde la uni2n PD hasta el ambiente tiene "ue atravesar varios medios, cada uno con diferente resistencia t4rmica. $esistencia uni2nc0psula 7$/c8. )iene dado en manuales y tablas, y depende de la construcci2n de la c0psula. $esistencia c0psuladisipador 7$cd8. Gepende del encapsulado y del aislamiento, si lo hay, entre el componente y el disipador. 6l aislante puede ser mica, pasta de silicona y otros medios. ;ada uno presenta diferente resistencia t4rmica. $esistencia disipadorambiente 7$da8. 6ste es el "ue tratamos de calcular. #e desea realizar una fuente de volta/e variable con un rango de '.( a '( voltios y "ue entregue *,+ , para lo cual se utilizara un regulador de volta/e LHF'E! con encapsulado tipo !O--* dispositivo para el cual se desea elegir el disipador t4rmico.
6ste dispositivo tiene pro$ecci+ debido a un corto circuito.
Lis$a de compoe$es Circ*i$os i$e"rados' $egulador de volta/e LHF'E!
co$ra so,recorrie$es "ue evita el integrado se "ueme accidentalmente
DiodosI diodos rectificadores 'DI**'
Resis$ores /resis$ecias-
' de --* 7ohmios8,' potenci2metro de (K 7kilohmios8
Capaci$ores-
' de I,E** u& 7microfaradios8 de -( )oltios, electrol5tico, ' de '** u& de '+ )oltios, electrol5tico, ' de *.' u&
O$ros-
' !ransformador '-* -I*). ; a '-.+). ; de '.( amperios en el secundario, ' &usible de '.( amperios si el primario est0 conectado a '-* )oltios, 2 ' am perio si es a -I* )oltios.
6l volta/e de salida depende de la posici2n "ue tenga la patilla variable del potenci2metro de ( K 7kilohmios8, patilla "ue se conecta a la patilla de J3#!6 del integrado. 7 COM8 6l transformador debe de tener un secundario con un volta/e lo suficientemente alto como para "ue la entrada al regulador IN se mantenga F voltios por encima de su salida OUT a plena carga, esto debido a re"uisitos de dise1o del circ*i$o i$e"rado. 6n este caso se espera obtener, a la salida, un m0%imo de '(.* voltios lo "ue significa "ue a la entrada del integrado debe de haber por lo menos '.* )oltios. Para obtener un volta/e de ' voltios en la entrada I se debe tener un transformador con un volta/e de< ' voltios '.I' @ '-.EE )oltios a.c.. Dormalmente se encuentran transformadores con un volta/e en el secundario de '-.+ voltios, lo "ue significa "ue el volta/e final m0%imo "ue se puede obtener con este regulador es el esperado. #e puede poner un diodo entre los terminales de salida y entrada para proteger al regulador de posibles volta/es en sentido opuesto. 6sto se hace debido a "ue cuando la .*e$e de o!$a0e se apaga, algunas veces el volta/e de salida se mantiene alto por m0s tiempo "ue el volta/e de entrada. #e pone el c0todo hacia la patita =D y el 0nodo hacia la patita O3! 3n capacitor electrol5tico de '** u& se coloca a la salida para me/orar la respuesta transitoria, y un capacitor de *.' u& se recomienda colocar en la entrada del regulador si 4ste no se encuentra cerca del capacitor electrol5tico de I,E** u&.
C)!c*!o de !a po$ecia 1*e disipa e! LM234T. Ge datasheet sacamos estos datos< !/m0% @ '-( A; $/c @ ( A;w Ge nuestro monta/e y las tablas, deducimos<
$cd @ *,( A;w 7contacto directo y silicona8 !a @ -( A; 7tomamos este valor8 La potencia "ue disipa el regulador es el producto de la ) y la corriente "ue entrega el regulador. )amos a hacer los c0lculos con el volta/e m0%imo de '( voltios P
= V M
= '(V M *, + ! P = 9" P
Para el c0lculo de !/ utilizamos un valor de k@*,E
#j = $#jm%& #j = *,E7'-(8 #j = LE,( °' Partimos de la e%presi2n<
!
k!/− != a
=
P+ $/c
($cd
+
$da
)
!enemos "ue calcular el valor de disipador "ue necesitamos, $da. Gespe/amos y ponemos un k @ *,E por"ue vamos a poner el disipador en el e%terior y vertical.
$da = ( k!/ − !a ) B P − $/c − $cd $da = ( *, EM'-( − -() B 9 − ( − *, ( $da = I,-- °; B " ;omo el valor nos dio positivo podemos continuar con los c0lculos ya "ue de ser negativo se tienen "ue realizar iteraciones. Buscamos en cat0logos y encontramos el radiador siguiente<
Gisipador !O--* $th< F'N;? '9%'9%'*mm ;alculamos la temperatura del disipador
#d
= #j −
P7 (jc + (cd 8
#d = LE, ( − 97( + *,(8 #d
=
FL°'
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5roceso de *$i!i6aci+ de cosmos para !a sim*!aci+ de! .*cioamie$o de! disipador
Nom,re
Tipo
M#%
U,icaci+ M)7%
U,icaci+
F*.'+E9 7*.( mm, F 79.( mm, ;elsius ;elsius * mm, '* mm, !4rmico' !6HP< !emperatura Dodo< '(E '9 mm8 Dodo< ' 'I.+( mm8 Nº
Nombre de pieza
Material
Masa
Volumen
%
disipador
/012*leación %()(
(.((%)-3%- ).(5567e((6 4g m85
6l disipador utilizado si permite la disipaci 2n con lo cual se cumple lo deseado 6l tama1o del disipador puede ser una desventa/a si ocurre alg:n imprevisto y la temperatura a disipar aumenta, por lo cual se podr5a utilizar un modelo de forma similar pero con dimensiones mayores. La utilizaci2n de un disipador de aluminio es una gran venta/a ya "ue este material poseen grandes propiedades conductivas. 6l ligero peso del disipador t4rmico es una venta/a, ya "ue no se tendr0 un peso e%agerado a1adido al total del circuito completo facilitando el transporte e im plementaci2n del mismo
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La eficiencia de un disipador térmico depende de su forma y dimensiones. #9isten muc"os disipadores térmicos en el mercado que pueden cumplir con las mismas características de disipación, para decidir por uno prima muc"o la facilidad de encontrar sus datos técnicos y la e9periencia de trabajo con estos dispositivos. 0olid:or4s es una "erramienta muy ;til que facilita muc"o el trabajo, ya que como se dice vulgarmente el papel ??:::.electronicaembajadores.com?disipadores?otrosA"tml?BL6."tml
