AMPLIFICADORES DE POTENCIA
DE BAJA FRECUENCIA
Disipadores Térmicos
Las potencias que se manejan en los dispositivos
semiconductores varían de acuerdo al tipo y la utilización , en
algunos casos llegan a valores muy altos y debido al tamaño
pequeño de los mismos se dificulta la disipación de calor
producido durante su funcionamiento lo cual puede provocar
pérdida de energía y afecta a su aplicación.
La potencia máxima manejada por un dispositivo particular y la
temperatura en las uniones de un transistor están relacionadas,
puesto que la potencia disipada por el dispositivo incrementa
la temperatura en la unión de éste.
El seleccionar un disipador térmico adecuado ayudará al
correcto funcionamiento de el circuito y a que las aplicaciones
del mismo se den con una mejor eficiencia
Un transistor de 100 W tendrá más capacidad de potencia que
uno de 10 W. Por otra parte, las técnicas correctas de disipación
de calor permitirán operar un dispositivo a casi la mitad de su
valor nominal de potencia máximo.
De los dos tipos de transistores bipolares (germanio y silicio) los
de silicio proporcionan mayores valores nominales de
temperatura máximos.
En general, la temperatura máxima de unión de estos tipos de
transistores de potencia es como sigue:
•Silicio 150 – 200° C.
•Germanio 100 – 110° C.
Para muchas aplicaciones la potencia disipada promedio se
puede representar de forma aproximada como:
PD = VCEIC
La disipación de potencia, se permite sólo hasta una
temperatura máxima.
Por arriba de esta temperatura, la capacidad de disipación del
dispositivo de potencia debe reducirse de modo que a más
altas temperaturas de la cápsula, la capacidad de manejo de
potencia se reduce a 0 W a la temperatura máxima de la
cápsula del dispositivo.
Cuanto más grande sea la potencia manejada por el transistor,
más alta será la temperatura de la cápsula.
En realidad, el factor limitante del manejo de potencia de un
transistor particular es la temperatura de la unión del colector
del dispositivo
Disipador de Calor
Un
disipador
es
un
componente metálico que
se utilizan para evitar que
algunos
dispositivos
electrónicos se calienten y
se dañen
Un disipador extrae el
calor del componente
que refrigera y lo
evacúa al exterior,
normalmente al aire
El peso es importante ya
que la tecnología avanza y
por lo tanto se requieren
disipadores más ligeros y
con eficiencia suficiente
para la transferencia de
calor hacia el exterior.
Se suelen fabricar de
aluminio por su
ligereza,
pero
también de cobre,
mejor conductor del
calor
Cuando se utiliza un disipador de calor:
• El calor producido por el
transistor que disipa la
potencia tiene un área
mayor para irradiar
(transferir) el calor al aire,
• Mantiene la temperatura
de la cápsula a un valor
mucho más bajo del que
resultaría sin el disipador
de calor.
Aun con un disipador de calor infinito con el cual la temperatura de la cápsula se mantiene a la
temperatura ambiente (del aire), la unión se calentará muy por arriba de la temperatura de la
cápsula y se debe considerar un valor nominal de potencia máxima.
Como incluso un buen disipador de calor no se puede mantener la
temperatura de la cápsula de un transistor a la temperatura
ambiente, se requiere reducir la capacidad de disipación de
potencia nominal máxima permitida para un transistor particular
como una función de la temperatura de la cápsula incrementada.
el fabricante especificará un
punto de alta temperatura
(no necesariamente de
25°C), después de la cual
ocurre una reducción lineal
de
la
capacidad
de
disipación de potencia.
Curva de reducción de la capacidad de disipación de potencia típica
para transistores de silicio.
Generalmente no se requiere una curva de reducción puesto que la
misma información podría darse simplemente como un factor de
devaluación en la hoja de especificaciones del dispositivo.
De manera matemática, se expresa como
Donde:
• Temp0 es la temperatura a la cual debe iniciar la reducción de la capacidad de disipación de
potencia.
• Temp1 es la temperatura particular de interés (sobre el valor Temp0),
• PD(temp0) y PD(temp1) son las disipaciones de potencia máximas a las temperaturas
especificadas.
• El factor de reducción de la capacidad de disipación de potencia es el factor dado por el
fabricante en watts (o miliwatts) por grado de temperatura.
EJEMPLO
Determine qué disipación máxima se permitirá para un transistor de
silicio de 80 W (valuado a 25°C) si se requiere que se reduzca la
capacidad de disipación de potencia sobre 25°C por un factor de
reducción de 0,5 W/°C a una temperatura de la cápsula de 125°C.
Consideraciones
Algunos transistores son de plástico y otros son metálicos.
La juntura es el lugar donde se genera el calor y se
encuentra localizada en la propia pastilla o “chip”.
(zona pequeña y puede alcanzar 150°)
Disipación de
potencia adecuada
es muy importante mantener la unión mecánica entre
el “chip” y la cápsula (caja o carcasa del transistor) por
debajo del máximo.
La resistencia térmica entre el chip y la cápsula la suministra
el fabricante y dependerá del tipo de cápsula.
Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener
la temperatura de la juntura (chip) por debajo del máximo indicado por el
fabricante.
El paso de la corriente eléctrica
por un semiconductor, produce
un aumento de la temperatura del
chip que llamaremos TJ.
A estos factores se les denomina,
resistencias térmicas para asimilarlas a
las resistencias eléctricas.
Si se quiere mantener la temperatura
en un nivel seguro, deberemos
evacuar al exterior la energía
calorífica generada en el chip.
Para que se produzca un flujo de
energía calorífica de un punto a
otro, debe existir una diferencia de
temperatura. El calor pasará del
punto más caliente al más frío, pero
diferentes factores dificultan dicho
paso.
Clasificación
En la imagen se puede apreciar como la temperatura de la unión TJ, la
temperatura de la cápsula TC y la temperatura ambiente TA están
relacionadas por la capacidad de manejo de calor del dispositivo (un
coeficiente de temperatura normalmente llamado resistencia térmica).
Clasificación
En la analogía térmica a eléctrica, se utiliza el término resistencia térmica
para describir los efectos del calor mediante un término eléctrico. Los
términos que aparecen en la figura definen como sigue:
ѲJA = resistencia térmica total (entre la unión y el medio ambiente).
ѲJC = resistencia térmica del transistor (entre la unión y la cápsula).
ѲCS = resistencia térmica del aislante (entre la cápsula y el disipador de calor).
ѲSA = resistencia térmica del disipador de calor (entre el disipador de calor y el medio
ambiente).
Con la analogía eléctrica para las resistencias térmicas, podemos escribir:
También podemos utilizar la analogía con la ley de voltajes de Kirchhoff
para obtener:
La última relación muestra que la temperatura de la unión “flota” en la temperatura
ambiente, y cuanto más alta es la temperatura ambiente, más bajo es el valor de
disipación de potencia permitido del dispositivo.
El factor térmico Ѳ informa sobre qué tanta reducción (o elevación) de la temperatura
resulta con una cantidad dada de disipación de potencia.
Por ejemplo, el valor de ѲJC (resistencia térmica del transistor) suele ser
de alrededor de 0.5°C W. Esto significa que con una disipación de 50 W, la
diferencia de temperatura entre la temperatura de la cápsula (medida
con un termopar) y la temperatura interna de la unión es de sólo:
Así, si el disipador de calor puede mantener la cápsula a, digamos, 50°C,
entonces la unión está a sólo 75°C.
Ésta es una diferencia de temperatura relativamente pequeña, sobre
todo a niveles bajos de disipación de potencia.
El valor de la resistencia térmica de la unión al aire libre (sin disipador de
calor) por lo general es de:
Para esta resistencia térmica, sólo 1 W de potencia disipada origina una temperatura de la unión
40°C más alta que la temperatura ambiente.
Un disipador de calor genera una baja resistencia térmica entre la
cápsula y el aire, mucho menor que el valor de la cápsula del transistor
sola. Por ejemplo con un disipador de calor que tiene:
y con una resistencia térmica aislante (entre la cápsula y disipador de
calor) de
y por último, para el transistor,
Así que, con un disipador de calor, la resistencia térmica entre el aire y la
unión es de sólo 3.3°C/W, comparada con 40°C/W para el transistor que
opera directamente al aire libre.
Con el valor de ѲJA anterior para un transistor operado a, por ejemplo, 2
W, se tiene que:
el uso de un disipador de calor en este ejemplo permite un incremento de sólo
6.6°C de la temperatura de la unión comparado con el incremento de 80°C sin
un disipador de calor.
EJEMPLO
Se utiliza un transistor de potencia de silicio sin disipador de calor (ѲSA
= 1.5°C/W). El transistor, de 150 W (25°C), tiene ѲJC = 0.5°C/W, y el
aislante de montaje tiene ѲCS = 0.6°C/W. ¿Qué potencia máxima se
puede disipar si la temperatura ambiente es de 40°C y la Tjmáx = 200°C?
Cuando usar disipadores
Utilizando las fórmulas anteriores se puede conocer cual es la potencia
máxima TJ que puede disipar nuestro dispositivo sin disipador.
Cuando la potencia que va disipar el dispositivo es ≥ (igual o mayor)
que ésta, entonces es preciso utilizar un disipador.
Las características de un disipador
no solo dependen de un
determinado perfil y de la
superficie del mismo sino de la
forma, el material, el color de la
superficie y posición.
Empezaremos por buscar algunos datos en su hoja de características o
data sheet, tal como:
-La temperatura máxima de la unión que, depende del dispositivo Tj
máxima, sin embargo, siempre debemos trabajar con un margen de
seguridad del 50%.
- La resistencia térmica entre la unión y el aire ambiente ѲJC o Rjc,
también depende del dispositivo (data sheet).
- La resistencia térmica entre la cápsula y el disipador ѲCS o Rcd,
corresponde al contacto entre la cápsula del dispositivo y el disipador.
- La resistencia térmica entre el disipador y el aire ѲSA o Rda, es lo que
debemos encontrar. Es la incógnita.
EJEMPLO
El dispositivo de un circuito debe disipar 30W, los datos que
hemos obtenido son: Pd = 25W, TJ = 100 °C, TA = 25 °C, ѲJC = 1,52
°c/w, ѲCS = 0,12°c/w
Se buscará en catálogos de fabricantes de
disipadores algún disipador que tenga una
resistencia térmica con el valor que acabamos de
calcular. No se debe elegir nunca un disipador que
tenga una resistencia térmica mayor, ya que esto
implicaría aumentar gravemente la temperatura de
juntura de trabajo, con consecuencias perjudiciales.
Disipadores térmicos comerciales
En el mercado se presentan diferentes tipo de disipadores o radiadores
comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la ѲSA resistencia
disipador ambiente (Rda o Rth en las especificaciones), algunos para grandes
potencias de 0,5 °C/W:
Tablas de resistencias térmicas de encapsulados
Material
ALUMINIO
Los materiales más comunes del
disipador de calor son las
aleaciones de aluminio.
Los valores dependen del carácter de la
aleación.
La aleación de aluminio 1050A tiene
uno de los valores de conductividad
térmica superiores a 229 W/mK, pero
es mecánicamente suave.
Las aleaciones de aluminio 6061 y
6063 son de uso común, con valores
de conductividad térmica de 166 y
201 W/mK, respectivamente.
Material
COBRE
Tiene excelentes propiedades del
disipador de calor en términos de
su conductividad térmica,.
El cobre es tres veces más denso y más
caro que el aluminio, Disipadores de
calor de cobre se mecanizan y biselado
resistencia a la corrosión, resistencia a
la contaminación biológica, y la
resistencia a los antimicrobianos
El cobre tiene alrededor de dos veces
la conductividad térmica del aluminio
y más rápido, la absorción de calor
más eficiente
Material
Diamond
Su conductividad térmica de
2,000 W/mK cobre supera cinco
veces
Hoy en día diamante sintético se utiliza
como para circuitos integrados de alta
potencia y los diodos láser.
En contraste con los metales, donde el
calor se lleva a cabo por electrones
deslocalizados, vibraciones de la red
son responsables de muy alta
conductividad térmica del diamante
Para aplicaciones de gestión térmica,
la conductividad térmica excepcional y
difusividad de diamante es un
elemento esencial
Material
También materiales compuestos se pueden
utilizar.
Ejemplos de ello son:
• pseudoalloy cobre-tungsteno,
•AlSiC,
•Dymalloy
•E-material.
Tales materiales se utilizan a menudo como
sustratos para las virutas, ya que su coeficiente
de expansión térmica se puede adaptar a la
cerámica y semiconductores.
Colores
Las propiedades de la superficie pueden ser un importante factor de
diseño.
Superficies de color negro mate será mucho más eficiente
que el metal desnudo brillante en el espectro visible radiante.
Colores
Una superficie de metal brillante tiene una baja
emisividad efectiva debido a su baja superficie
Mientras que la emisividad de un material es tremendamente
dependiente de la energía, los metales nobles demuestran
muy baja emisividad en el espectro infrarrojo cercano
Bibliografía
[1] Boylestad R. y Nashelsky L., Electronic devices and circuit theory, 10ª.
Edición, Pearson Education, ISBN E-BOOK 978-607-442-329-7.
[2] García V., Los Disipadores de Calor, tutoriales, recuperado Mayo 2015,
http://www.hispavila.com/3ds/tutores/disipadores.html.