Disipadores

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. En este documento se va a explicar todo usando un circuito integrado (CI) pero sería lo mismo en cualquiér otro componente electrónico.

El funcionamiento del disipador se basa en la Segunda ley de la termodinámica, «La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo», transfiriendo el calor de la parte caliente que se desea disipar al aire. Este proceso se propicia aumentando la superficie de contacto con el aire permitiendo una eliminación más rápida del calor excedente.

La mica se utiliza como conductor de calor y como aislante eléctrico. En otros casos no se utiliza mica, pero se reemplaza su función por la llamada pasta térmica.

Cálculo de disipadores

Pero para poder explicar los pasos para el cálculo se deben conocer los siguientes elementos:

• Tj: temperatura máxima de la unión (junction) o lo que es lo mismo temperatura de la oblea de silicio.
• Tc: temperatura de la cápsula ( case )
• Ta: temperatura del ambiente
• Rthjc: resistencia térmica unión-cápsula ( junction-case )
• Rthca: resistencia térmica cápsula-ambiente ( case-ambient )
• 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.
• 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.
• 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:

Valor 1:

¤ Potencia disipada media:

Si v (t) = cte = V ; i (t) = cte = I    entonces   Pdismedia = V x I

Valor 2:

¤ Potencia disipada máxima: Es el valor máximo de la potencia disipada y el fabricante lo especifica en el componente. (25ºC generalmente).

Cuando ya conocemos que es cada cosa, sin confundir resistencias térmicas con temperaturas se pueden hacer los cálculos correspondientes.  El cálculo siguiente sirve para saber si se necesitaría de un disipador para el circuito integrado.

Si conocemos Rth j-amb podemos estimar la temperatura que alcanzaría la unión (o uniones) del componente, Tj estimada, de la siguiente forma:

Tj estimada-Ta = P x Rth j-amb   ——->        Tj estimada =P x Rth j-amb + Ta

Así, si Tj estimada > Tj; o Tj estimada = Tj; o Tj estimada < Tj; pero está peligrosamente cerca de esta última, debe de colocarse un disipador que ayude al componente a evacuar el calor.

En este caso se toma como referencia el resultado de Tj estimada y se sabe si es necesario o no un disipador térmico, pero no hay que olvidarse que Tj estimada, como su nombre lo indica es un valor estimado, y es solo para guiarnos.

¿Qué ocurre si el fabricante proporciona Rth j-c en lugar de Rth j-amb en la información?

En ese caso el fabricante proporcionará también la potencia máxima disipable por el componente, normalmente a 25ºC.

Entonces Rth j-amb se puede hallar mediante un simple cálculo:

Tj-Ta=Pmax (Rth j-c + Rth c-amb)    ——->     Rth c-amb= [(Tj-Ta):Pmax]-Rth j-c

Donde Ta es en este caso la temperatura para la que el fabricante especifica la potencia máxima, Pmáx. Entonces, Rth j-amb se obtendría de la siguiente forma:

Rth j-amb = Rth j-c + Rth c-amb

Una vez que ya tenemos este dato se va a poder calcular Tj estimada  y se podrá saber si es necesario el uso de un disipador o no.

En caso de no hacer falta ningún tipo de disipador térmico se solucionó todo y no hay que buscar mas nada. Pero en caso contrario si hace falta seguir haciendo cálculos para poder saber que tipo de disipador térmico hay que utilizar, de que forma, de que tamaño, etcétera.

Para calcular el tamaño del disipador deberemos buscar Rthra (Resistencia térmica disipador ambiente)

Este cálculo no se hace complicado ya que se basa en las fórmulas anteriormente usadas. El Rthra aparece de la formula anterior:

T=Tj-Ta = Pmax (Rthjc + Rthcr + Rthra)

Pero se le agrega un coeficiente K por seguridad:

• k = 0.5 para un diseño normal con temperatura moderada.
• k = 0.6 para economizar en tamaño de disipador.
• k = 0.7 cuando el disipador permanezca en posición vertical y en el exterior.

Entonces en la formula anterior se despeja Rthra y se le agrega la constante k. Por lo tanto se tendría:

Rthra= [(k Tj-Ta)/Pmax]-Rthjc-Rthcr

Una vez calculado el Rthra se obtendrá un numero en ºC/W. Este número va a ser la cantidad de ºC/W que tendrá que disipar el disipador térmico a poner.  Ahora queda sólo buscar el disipador necesario en las tablas de disipación (Aqui un ejemplo de tabla de disipación de microprocesadores). En caso de encontrar uno que nos de igual numero de ºC/W no hay problema porque se tomó una constante k de seguridad.

Uso de coolers/ventiladores (Disipación Activa)

Por lo general los coolers en las PCs de escritorio están continuamente encendidos, en cambio en las computadoras portátiles suelen prenderse y apagarse automáticamente dependiendo de las necesidades de refrigeración (por una cuestión de ahorro energético). En las portátiles más nuevas aparte de utilizarse el cooler/disipador se emplea también el uso de heatpipes.
Actualmente las computadoras incluyen detección y aviso de funcionamiento de coolers. Antiguamente los coolers podían estropearse y dejar de funcionar sin que el usuario lo note, ocasionando que la computadora aumente su temperatura y produciendo errores de todo tipo.
Los coolers nunca deben ser obstruidos con ningún objeto, pues esto puede causar un sobrecalentamiento en la computadora.

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