Disipación térmica en componentes

La circulación de corriente por un componente provoca un aumento de la temperatura del cuerpo del mismo que hay que evacuar para evitar dañarlo. Tras un tiempo de funcionamiento, el componente empieza a calentarse, es decir, aumenta su energía térmica, la cual debe salir del interior del componente hacia el ambiente. Cuando la potencia es demasiado alta lo que ocurre es que el componente no es capaz de expulsar tanta energía, y el componente se destruye. Con ese criterio de signos, la potencia puesta en juego en el componente X, será P=V· I donde  consideraremos dos posibles casos:

a) V e I son constantes (caso continuo). La potencia disipada será:

PD = V * I

– Si PD >0 , el componente disipa la potencia que le suministran otros componentes.
– Si PD <0 ,el componente entrega potencia al circuito (generadores).

b) V e I varían en función del tiempo y son periódicas (caso variable). En este caso podemos
hablar de potencia instantánea Pi y potencia media Pm.

Pi(t)=v(t) * i(t)

potencia media

Las potencias manejadas por los dispositivos semiconductores (BJTs, TRIACs, MOSFETs, reguladores de tensión, etc…) es en muchos casos de una magnitud considerable. Además, el problema se agrava teniendo en cuenta que el tamaño de tales dispositivos es muy pequeño, lo que dificulta la evacuación del calor producido. En la unión PN, si la temperatura aumenta lo suficiente, se produce la fusión térmica, inutilizando el dispositivo.
La temperatura en el cristal de silicio no puede superar un valor máximo que puede estar entre 125ºC y 150ºC (algunos componentes hasta 200ºC), (para este ejemplo Tjmax=125ºC), ya que: 

-Empeoran las características funcionales del dispositivo.

-La vida media esperada disminuye al aumentar la temperatura.

grafito temp

Puede observarse que un dispositivo funcionando a 75ºC durará unas cuatro veces más que si trabaja a su temperatura máxima, por tanto es muy importante mantener la temperatura del cristal controlada, aún en las condiciones más desfavorables (Máximas disipación de potencia y temperatura ambiente).

Evacuación del calor producido

La energía calorífica puesta en juego en un componente X viene dada por:

ED = PD * t (Julios)

ED = 0.24 * PD * t (calorias)

La temperatura del cuerpo permanece constante cuando la cantidad de calor generada se equipara con la cantidad de calor evacuada.

disipadores

Tj = temperatura del cuerpo (temperatura de la unión en semiconductores)
Ta = temperatura ambiente

 

 

La temperatura en el cuerpo evoluciona con el tiempo según la ecuación diferencial siguiente:

potencia d

El primer sumando refleja el calor que está siendo transmitido del interior al ambiente. Dicho calor es proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a Rth. Rth es la resistencia térmica del componente, es decir, la oposición que el calor encuentra para pasar desde el cuerpo del componente hasta el ambiente. Se mide en ºC/W.
Si Rth es pequeña,  Sin título      será grande, el calor es evacuado bien hacia el ambiente, el componente puede disipar mucha potencia sin deteriorarse.

El segundo sumando representa la cantidad de calor que el componente va almacenando y por eso varía su temperatura interna. Cth es la capacidad térmica del componente, es decir, indica la capacidad para almacenar calor. Se mide en W * s/ °C.

Evolución de la Tj con el tiempo

La solución de la ecuación diferencial indica como evoluciona la temperatura del cuerpo con la temperatura.

tj

temp final

Ley de Ohm térmica

Interesándonos solo el régimen permanente, la potencia disipada por el componente viene dada por la expresión conocida como “ley de Ohm térmica”:

 Pd

Se establece una semejanza con la ley de Ohm eléctrica (P como I, T como V, y Rth como R).

circuito temp

Para pasar del cuerpo al ambiente, el calor se encuentra con la resistencia térmica.

Circuitos térmicos en dispositivos de unión

En componentes basados en uniones PN, la resistencia térmica que se va a encontrar el calor, va a manifestarse en los distintos elementos de los que se componen dichos dispositivos.

La potencia se genera en la unión o uniones del capsula
componente. El dispositivo se encuentra sobre un
soporte (S) y recubierto todo por una cápsula (C).
El calor pasa (se evacua) desde J hacia S y desde
ahí hacia la cápsula (C). Finalmente, desde la
cápsula al ambiente. Es decir, la Rth total del
componente será:

final disipacion

Limitaciones térmicas de componentes

La temperatura que puede alcanzar el cuerpo del componente tendrá un límite impuesto por consideraciones físico-químicas y de un valor que denominaremos Tjmax.

PdEn esta expresión se observa que si Tj tiene un límite máximo queno podemos superar, la potencia disipada tampoco podrá superar cierto valor máximo.

La expresión para obtener la potencia disipada máxima en función de la temperatura ambiente (sin que la unión supere la Tjmax), será: 

Pdmax

Y su representación gráfica es:

grafica dis

Los fabricantes además de indicar el valor Tjmax, proporcionan el valor de PN, que se define como la máxima potencia que puede disipar el componente de forma continuada, sin sufrir deterioro, a una temperatura dada.

curva desvataje

La potencia que disipe el componente en el circuito debe ser siempre inferior o igual a la indicada en la curva de desvataje.

Optimización

Ante la limitación de potencia con la que nos encontramos en componentes reales (vista en puntos anteriores), queremos mejorar la potencia máxima disipada. En la relación:

Pdmax

 vemos que para que la potencia aumente solo caben dos opciones:

– Disminuir la temperatura ambiente. Usando un ventilador podemos reducir la temperatura ambiente. Esta solución es habitual en componentes (dentro de su circuito) empaquetados dentro de una caja con rejillas (para expulsión de aire).

– Disminuir la resistencia térmica del componente. En este caso se acopla un “disipador de
calor” a la cápsula del componente. Un disipador está hecho con un material buen conductor del calor. El contacto entre cápsula y disipador puede ser directo, con una silicona, con mica, o con mica más pasta. Lo que hacemos por este sistema es poner una resistencia térmica más pequeña entre cápsula y ambiente, facilitando la evacuación de calor, es decir, no podemos mejorar Φjc pero sí Φca.

final dis

 Fuente: fnavarro

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