¿Cómo elegir el disipador de calor para dispositivos de potencia (transistor, LED, regulador)?

Es posible determinar la resistencia térmica de un disipador térmico que está a la mano, pero para el cual no hay una hoja de datos. Esto se puede hacer de manera relativamente simple y sin iteración. Primero, pese el disipador de calor, luego caliéntelo a una temperatura uniforme y constante en un horno, finalmente retírelo y déjelo enfriar. El tiempo de enfriamiento estará relacionado con la resistencia térmica general y la masa del disipador térmico.

Para ver cómo el cambio de temperatura del disipador térmico está relacionado con la masa y la resistencia térmica al ambiente, use un circuito eléctrico RC análogo. El circuito menos complicado que es útil es un RC paralelo con una condición de voltaje inicial (\ $ V_o \ $) en el capacitor. En el análogo térmico del circuito RC, la resistencia se convierte en resistencia térmica entre el sumidero y el ambiente (\ $ \ Theta _ {\ text {SA}} \ $) en \ $ \ frac {\ text {$ {} ^ {\ circ } $ C}} {W} \ $. El calor almacenado en el disipador de calor puede asignarse a la capacitancia como \ $ m \ $ \ $ C_p \ $, donde \ $ m \ $ es la masa del disipador de calor y \ $ C_p \ $ es la capacidad de calor específica del material (~ 0.9 \ $ J \ $ / \ $ g \ $ / \ $ \ text {$ {} ^ {\ circ} $ C} \ $ para el aluminio). Una ecuación para la temperatura del disipador de calor (\ $ T _ {\ text {hs}} \ $) se puede escribir para el circuito térmico como:

\ $ T _ {\ text {hs}} \ $ = \ $ \ left (T _ {\ text {hso}} - T _ {\ text {amb}} \ right) e ^ {- \ frac {t} {m C_p \ Theta _ {\ text {SA}}}} + T _ {\ text {amb}} \ $

Reorganización, la resistencia térmica es:

\ $ \ Theta _ {\ text {SA}} \ $ = \ $ \ frac {t} {m C_p \ text {Ln} \ left (\ frac {T _ {\ text {amb}} - T_ { \ text {hso}}} {T _ {\ text {amb}} - T _ {\ text {hsf}}} \ right)} \ $

La constante de tiempo térmica para el disipador térmico es:

\ $ \ tau \ $ = \ $ m C_p \ Theta _ {\ text {SA}} \ $

Es conveniente usar \ $ \ tau \ $ para establecer la temperatura de disipador de calor objetivo (\ $ T _ {\ text {hsf}} \ $) para terminar la medición, porque con el tiempo medido lo único que se desconoce es \ $ \ Theta _ {\ text {SA}} \ $ que ahora se puede calcular.

Método con más detalles y números de ejemplo

• pesar el disipador de calor. Digamos que obtienes 100 g.
• Instale la sonda térmica. Conecte la sonda donde se montaría un dispositivo.
• Coloque el disipador de calor en el aislante térmico (como un trozo de madera), en el horno y caliéntelo a temperatura elevada. Mientras espera que se estabilicen las lecturas, calcule la temperatura de enfriamiento objetivo \ $ T _ {\ text {hsf}} \ $ configurando \ $ t \ $ a \ $ \ tau \ $ in \ $ T _ {\ text {hs}} \ $ ecuación. Por ejemplo, usando \ $ T _ {\ text {hso}} \ $ = 100 \ $ \ text {$ {} ^ {\ circ} $ C} \ $ y \ $ T _ {\ text {amb}} \ $ = 25 \ $ \ text {$ {} ^ {\ circ} $ C} \ $, \ $ T _ {\ text {hsf}} \ $ será de 52.6 \ $ \ text {$ {} ^ {\ circ} $ C PS
• Cuando la temperatura del disipador térmico se estabilice, retire el aislante y el disipador térmico del horno (no se queme) y colóquelo en un entorno ambiental. Tiempo récord cuando el disipador alcanza la temperatura deseada. Para este ejemplo, 52.6 \ $ \ text {$ {} ^ {\ circ} $ C} \ $ y \ $ \ tau \ $ serían 225 Sec.
• Utilice el tiempo y la ecuación registrados para \ $ \ Theta _ {\ text {SA}} \ $ (o incluso \ $ \ tau \ $) para calcular la resistencia térmica del disipador de calor. Para este ejemplo \ $ \ Theta _ {\ text {SA}} \ $ = 2.5 \ $ \ frac {\ text {$ {} ^ {\ circ} $ C}} {W} \ $.

Al decidir qué tan alta es la temperatura para usar como condición inicial del disipador, use una temperatura que tenga sentido para la aplicación. 100 \ $ \ text {$ {} ^ {\ circ} $ C} \ $ es probablemente lo más alto que debería llegar (significaría que la unión de cualquier dispositivo que se haya montado en el disipador térmico sería de 110 \ $ \ texto {$ {} ^ {\ circ} $ C} \ $ o más, y eso es bueno).

El proceso de selección de un disipador de calor adecuado es bastante sencillo.

1. Determine la disipación de potencia máxima, \ $ P_ {MAX} \ $, del transistor o IC.

2. Determine la temperatura máxima de la unión (o die ) del transistor / IC. Esto se suele dar en la hoja de datos como máximo \ $ T_J \ $. Este valor puede variar desde 70 C hasta más de 125 C.

3. Determine la temperatura ambiente máxima, \ $ T_A \ $, donde se utilizará el dispositivo.

4. Calcule el aumento de temperatura máximo del dispositivo desde ambiente, \ $ T_J - T_A \ $

5. Divida el cambio de temperatura máximo por el consumo máximo de energía. Esta será la resistencia térmica máxima permitida, \ $ \ Theta_ {MAX} \ $, desde la unión hasta la temperatura ambiente, en C / W (o el equivalente en K / W). En otras palabras, \ $ \ Theta_ {MAX} = (T_J - T_A) / P_ {MAX} \ $

6. En la hoja de datos del dispositivo, encuentre el valor de la resistencia térmica del dispositivo desde la unión a la superficie exterior de la caja del dispositivo (es decir, el paquete). Esto generalmente se llama \ $ \ Theta_ {JC} \ $

7. Resta \ $ \ Theta_ {JC} \ $ from \ $ \ Theta_ {MAX} \ $. El resultado es la resistencia térmica máxima permitida \ $ \ Theta_ {SA} \ $ del disipador al ambiente para el disipador térmico seleccionado. También es posible que deba restar la resistencia térmica entre la caja del dispositivo y el disipador térmico, \ $ \ Theta_ {CS} \ $, para dispositivos de alta potencia. Puede reducir en gran medida \ $ \ Theta_ {CS} \ $ usando grasa conductora térmicamente o una almohadilla térmicamente conductora entre el dispositivo y el fregadero, pero 1.0 C / W es una estimación razonable para \ $ \ Theta_ {CS} \ $.