Tema 1.5.1.Desbloqueado

8/16/2019 Tema 1.5.1.Desbloqueado

1/62

1Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Tema 1.5.1.- Disipación de temperaturaen semiconductores: Radiadores de calor

Desarrollo y Construcciónde Prototipos Electrónicos

U.D. 1.5.- Elementos complementarios de circuitos

IntroducciónEn un dispositivo semiconductor la circulación de corriente el!ctrica produce una perdida

de ener"#a $ue se trans%orma en calor. El calor produce un aumento de temperatura en el dispositivo

semiconductor y si este aumento es incontrolado inicialmente se pueden dar dos situaciones:1. Reducción de la vida &til del componente.'a vida media de un semiconductor se ci%ra en unas 1((.((( )oras *unos 1+ a,os de

%uncionamiento ininterrumpido y al"unos %aricantes lle"an a a%irmar $ue la vida &til de unsemiconductor se reduce a la mitad por cada 1( /C de elevación de temperatura sore la especi%icadaen sus valores m0imos asolutos.+. Destrucción del dispositivo.

2i el semiconductor se caliente )asta alcan3ar o superar la m0ima temperatura de la uniónespeci%icada por el %aricante provocar0 la destrucción irreversile del mismo.

Conclusiones:1 El estudio t!rmico de los dispositivos en potencias medias y elevadas resulta %undamental para unóptimo rendimiento de los mismos.+ En electrónica de potencia la re%ri"eración tiene un papel important#simo para optimi3ar el%uncionamiento y alar"ar lo m0s posile la vida &til del semiconductor.


2/62

+Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Es evidente $ue la capacidad de evacuación de calor al medio amiente variar0 se"&n el tipode c0psula pero en cual$uier caso ser0 demasiado pe$ue,a por lo $ue ser0 necesaria una ayudaadicional para trans%erir el calor mediante un dispositivo denominado re%ri"erador *)eatsin4sradiador o disipador de calor $ue presente un mayor volumen y super%icie actuando de puente entre lac0psula y el medio amiente para evacuar el calor.

En la tala se resumen las tres %ormas 0sicas de transmisión de calor desde un %ococalor#%ico al espacio $ue lo rodea.

C6DUCCI76

2e trata del principal medio de trans%erencia de calor y se asa en la trans%erencia de ener"#acin!tica entre mol!culas es decir se transmite por el interior del cuerpo mediante circulación decalor. 'a tendencia ser0 conse"uir una temperatura estale en todos los puntos del cuerpomomento en el $ue la cantidad de calor $ue atraviesa el cuerpo ser0 m0ima. En este tipo detransmisión de calor es %undamental tener en cuenta la conductividad t!rmica de cada sustancia.

C68ECCI76

Consiste en transmitir el calor de un sólido mediante la circulación de un %luido $ue lo transporte aotro lu"ar. 2i el proceso se reali3a de %orma natural se denomina convección natural y si lacirculación del %luido es provocada se denomina convección %or3ada.

R9DI9CI76

Cual$uier cuerpo $ue est! a una temperatura por encima de cero "rados elvin emite calor mediante emisiones electroma"n!ticas. 'a emisión depende del estado de la super%icie siendo lasmate m0s %avorales $ue las p0lidas y el color ne"ro tiene el mayor poder de radiación ra3ón $ue

;usti%ica el enne"recimiento de los radiadores de calor.

En lo re%erente a disipación de temperatura en semiconductores tan solo se tienen encuenta las dos primeras dado $ue la transmisión por radiación es despreciale a las temperaturasen $ue se va a traa;ar.


3/62


4/62Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

'a c0psula de un dispositivo semiconductor no es su%iciente para disipar el eceso de temperatura $uese "enera en la unión.Para $ue un semiconductor disipe la potencia "enerada es imprescindile mantener la temperatura dela unión por dea;o del valor m0imo dado por el %aricante por lo $ue si esta aumenta paramantenerla a un nivel se"uro deemos evacuar al eterior la ener"#a calor#%ica $ue se "enera en launión.2iempre $ue eista una di%erencia de temperatura entre dos puntos se producir0 un %lu;o de ener"#acalor#%ica del punto m0s caliente al m0s %r#o aun$ue eisten %actores $ue di%icultan el paso de ener"#a y$ue se denominan resistencias t!rmicas.aciendo un s#mil con la ley de )m podemos estalecer un circuito t!rmico en el $ue lastemperaturas las aseme;amos a las tensiones las resistencias el!ctricas a las resistencias t!rmicas yle %lu;o de ener"#a calor#%ica a una corriente el!ctrica. En la %i"ura vemos es$uemati3ado lo dic)oanteriormente.

Circuito t!rmico

FdaF ;c Fcd

Donde:T;GTemperatura de la unión del semiconductorH TaGTemperatura amienteHTcGTemperatura de la capsula del semiconductorH TdGTemperatura del disipadorHPDGPotencia disipada en el semiconductorH F;cGResistencia t!rmica entre la unión y lacapsulaH FcdGResistencia t!rmica entre capsula y disipadorH y FdaGResistencia t!rmica

entre el disipador y el amiente.



Por similitud con el circuito el!ctrico podemos decir $ue:Circuito t!rmico

T j−T a= P D⋅θ ja

2ustituyendo y despe;ando: P D= T j−T a

θ jcθ cd θ da

'a resistencia t!rmica se de%ine como elcociente entre la variación de temperatura entre dospuntos y la potencia $ue pasa entre ellos. 2e mide en/C= o = y como )emos indicado se representa conla letra "rie"a T)eta *F.

Para el estudio detallado de las resistencias

t!rmicas vamos a tomar como ase el e;emplo $ueaparece en el 9P'IC9TI6 JU''ETI6 2J9(+1 dea"osto de 1+ de la %irma JURR-JR6 reali3ado poruert Jia"i. 2e trata del circuito de la %i"ura en el $uese reali3a un estudio as0ndose en un modelo t!rmicopara encapsulado T(


6/62@Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Resistencias t!rmicas

Unidades K 9'T9 PTE6CI9 J9L9 PTE6CI9

Potencias M 1(( 1( 1( 1

T ; /C 1> .+ 15> +.+ 1 .

Fcd /C= (.1+ (.1+ (. (.

Td /C 55 +N 15

Fda /C= (.< (.< 1+ 1+Ta /C +5 +5 +5 +5

El c0lculo de un circuito como el anterior arro;a los datos de la tala $ue con posterioridad veremoscomo otenerlos.

Es$uema para un monta;econ encapsulado T++(.

R i t i t! i R i t i ió l F;


7/62>Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Resistencias t!rmicas: Resistencia unión-capsula F;c

Es la resistencia t!rmica entre la unión del cristal semiconductor y la c0psula en la $ue sealo;a el dispositivo. El calor "enerado en la unión dee pasar desde este punto al eterior.

Oeneralmente es un dato $ue suministra el %aricante y en cual$uier caso depende del tipo dec0psula empleada en su %aricación.

Eteriormente no se puede variar o in%luir en dic)o valor. Puesto $ue los semiconductores

tienen di%erentes encapsulados es posile otener di%erentes resistencias t!rmicas entre la unión y lac0psula. En la tala si"uiente y a titulo orientativo se muestran al"unas resistencias t!rmicas t#picas.

Encapsulado 2 ;c */C=

T(-5 a +((

T(++(................ 1> a 5

'os %aricantes suministran este dato de %orma eplicita o de %orma impl#cita con datos $uepermiten su calculo o ien de %orma indirecta mediante curvas.

En cual$uier caso los datos $ue suministran los %aricantes no son independientes y serelacionan entre s#.'os datos asociados son: A Potencia $ue puede disipar el dispositivo A 0ima T; permitida A Resistencia t!rmica A Temperatura para la $ue se especi%ican los datos anteriores.

R i t i t! i R i t i ió l F;


8/62NTema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor


E;emplo:8amos a utili3ar las )o;as de datos de distintos %aricantes de un mismo dispositivo

semiconductor para ver en $ue %orma nos suministran los datos antes citados. En concreto vamos aanali3ar los transistores JD1




En la )o;a de caracter#sticas de la %irma PI'IP2 2EIC6DUCTR2* dentro devalores l#mite leemos:

2ymol P9R9ETER C6DITI62 9S. U6IT

Ptot Total poer Dissipation *Tm ≤ >( /C N

T ; Luntion Temperature 15( /C

Este %aricante suministra los si"uientes datos t!rmicos:

Rt) ;-a

*Resistencia t!rmica unión - amiente G 1(( =

Rt) ;-m

*Resistencia t!rmica unión - ase de monta;e G 1( =

El %aricante 2T suministra los si"uientes datos:

2ymol Parameter 8alue Units

Ptot Total Dissipation at Tc ≤ +5 /C 1+5

Ptot Total Dissipation at Tam ≤ +5 /C 1+5

T ; a. peratin" Luntion Temperature 15( /C

Este %aricante suministra los si"uientes datos t!rmicos:R

t) ;-case *Resistencia t!rmica unión - capsula G 1( /C=

8amos a ver como todos los datos nos permiten lle"ar a las mismas conclusiones. 2i el circuitot!rmico lo %orman el encapsulado y la unión semiconductora aplicando la similitud con el circuitoel!ctrico podemos poner:

P D=T j−T c

θ jc

; P D=T j−T a

θ ja

Resistencias t!rmicas: Resistencia unión capsula F;c


10/621(Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor


B9JRIC96TE D9T2 2UI6I2TR9D2 D9T2 C9'CU'9D2

B9IRC'D Pc*T

cG+5 /C-1+5

Pc*T

aG+5 /C-1+5

T ;G15( /C

θ jc=T j−T c

P D=

150−2512.5

=10 ºC /W

θ ja=T j−T a

P D=

150−25

1.25

=100 ºC /W

6 2emiconductor PD*T

cG+5 /C-1+5

PD*T

9G+5 /C-1+5

T ;G15( /C

2 ;c

G1( /C=

2 ;a

G1(( /C=

2uministra todos los datos de %ormaeplicita

P)ilips Ptot

*Tm

≤>( /C - N

T ;G15( /C

2 ;c

G1( =

2 ;a

G1(( =

P D=T j−T c

θ jc=

150−7010

=8W

P D=T j−T a

θ ja=

150−70

100=0.8W

2T Ptot

*Tc≤+5 /C - 1+5

Ptot

*Ta≤+5 /C - 1+5

T ;G15( /C

2 ;c

G1( /C=

θ ja=T j−T a

P D=

150−251,25

=100 ºC /W

Resistencias t!rmicas: Resistencia unión-c0psula F;c



Resistencias t!rmicas: Resistencia unión-c0psula F;c

8emos $ue P)ilips suministra los datos en dos escalas de temperatura. 8amos a reali3ar losc0lculos pertinentes para ver la potencia disipada a +5 /C de temperatura de c0psula y amiente.

Para poder e%ectuar el c0lculo y tener unidades con"ruentes deemos pasar las temperaturasa la escala elvin.

15( /C G 15( - +>


12/621+Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Resistencias t!rmicas: Resistencia unión-c0psula F ;c

20.0

P

(W),POW

ERDISSIPATION

10.0

T (°C), CASE TEMPERATURE

125

C 2.5

00.0

25

C

5.0

7.5

7550 100 150 175

17.5

12.5

15.0Powe De!"#$%

En al"unas ocasiones los %aricantes nos dar0n este dato en%orma anal#tica indicando el %actor de reducción de potenciapara temperaturas superiores a la indicada para los datossuministrados.En el e;emplo $ue nos ocupa 6 2emiconductor nos indica$ue el mar"en de reducción *Derate 9ove es de 1( m=/Cpara una PD G 1+5 dado a una Ta G +5 /C y de 1(( m=/Cpara una PD G 1+5 dado a una Tc G +5 /C.Este dato nos va a permitir otener la potencia $ue puededisipar nuestro semiconductor a una temperatura di%erente ala especi%icada.E;emplo: Calcular la potencia $ue puede disipar el transistordel e;emplo anterior a una temperatura de >( /C en la

c0psula a partir de los datos indicados de un %actor dereducción de 1(( m=/C.Podemos decir $ue la potencia se va a reducir en un valordado por:

70−25 ºC ⋅100 mW

1 ºC = 4500 mW = 4.5 W T c=70 ºC P 70=12.5−4.5=8W

La potencia P D indicada en los casos anteriores es la dada por el fabricante (normalmente a una temperatura

de 25ºC de cápsula o ambiental ! no es la potencia "ue disipará el dispositi#o semiconductor en un circuitoconcreto$

E;emplos propuestostener los datos de m0ima disipación de potencia T; y t!rmicos de las )o;as de datos de distintos%aricantes para los transistores +6


13/621



Resistencias t!rmicas: Resistencia c0psula disipador Fcd

En el monta;e del componente la m#nima %uer3a re$uerida para un uen contacto t!rmico var#a se"&n eltipo de enc0psulado. 'a resistencia t!rmica de contacto se reduce al incrementar la %uer3a de contactopero no si"ue una %unción proporcional como vemos en la %i"ura.

1&0

Co$"!'"o 'o$ !#!$"e e*'"#'o (+#'!)

Co$"!'"o 'o$ %!! "*+#'! (##'o$!)

Co$"!'"o e$ e'o

Re

#

"e$'

#!"*+#'!,

e'

o$"!'"o(°C

-W)

120100

1

2

.0&0200

0

/e! ,e 'o$"!'"o (N)

80

7

.

8

5

&

3

2001.0 180

Resistencias t!rmicas: Resistencia c0psula - disipador Fd




Entre las dos super%icies eisten muc)os puntos de contacto pero no una super%icie de contactocomo vemos en la %i"ura de manera $ue es conveniente considerar:

W El uso de silicona $ue rellene los intersticios de aireW 'a limpie3a de las super%icies.

C!2( 0) !

D # (# 2! ,o

P!" #' 0)! ,e( 0 '# e,! ,

I$" e( "#' #o ,e! #e

Deemos procurar $ue la resistencia entre la c0psula y el disipador sea lo m0s reducida posile a %inde %acilitar la circulación del calor. Para conse"uir este %in adem0s de reali3ar una correcta selección

del monta;e adecuado deemos tener en cuenta los si"uientes %actores:a. antener las super%icies tan lisas y planas como sea posile.. antener la 3ona de contacto entre amas tan "rande como sea posile.c. 'os pasadores tornillos o pernos usados para su;etar el semiconductor al re%ri"erador se deen

apretar adecuadamente tanto como sea posile sin deteriorar los elementos y se"&n el par de aprieterecomendado por el %aricante.

Resistencias t!rmicas: Resistencia c0psula - disipador Fd


16/62

1@Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor


En la tala se dan los valores t#picos de resistencia t!rmica c0psula-disipador para los principalesencapsulados se"&n los elementos empleados en el monta;e.

Bormas de contacto

C0psula DirectoDirecto m0s

siliconaDirecto m0s mica

Directo m0s micam0s silicona

T(< (+5 /C= (1+ /C= (N( /C= (( /C=

T(

( /C= A A

T(( /C= +.( /C= 15( /C=

Resistencias t!rmicas: Resistencia c0psula - disipador Fcd


17/62

1>Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

p p cdBormas de contacto

C0psula DirectoDirecto m0s

siliconaDirecto m0s mica

Directo m0s micam0s silicona

T(5 1+( /C= (>( /C= A A

T(@@ 11( /C= (@5 /C= A A

T(1+@ 1( /C= 1.( /C= 1( /C= 1


18/62

1NTema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

p p cd

En las talas podemos apreciar $ue el menor valor de resistencia t!rmica entre lac0psula y el disipador se da cuando eiste un contacto directo con pasta de silicona.

Este tipo de monta;e ser0 el ele"ido si no se re$uiere aislamiento el!ctrico entre lac0psula y el disipador.

En estas mismas circunstancias y si no es posile el uso de silicona lo m0sapropiado es el monta;e con contacto directo.

En el caso de ser imprescindile el aislamiento el!ctrico el monta;e m0s apropiadoes el $ue emplea mica y silicona.

El monta;e con solo mica solamente se emplea si se re$uiere poca disipación de

calor y un uen aislamiento el!ctrico.

Todos estos aspectos son decisivos a la )ora de seleccionar el sistema de monta;epuesto $ue cuanto m0s pe$ue,a sea la F

cd menor ser0 la super%icie de aleta re%ri"eradora

necesaria.

Resistencias t!rmicas: Resistencia del re%ri"erador Fdo Fda


19/62


" d daRepresenta el paso por convección al aire del %lu;o de calor a trav!s del re%ri"erador. Este

dato una ve3 calculado nos suministra el valor incó"nita del re%ri"erador a emplear. 'os principales%actores de los $ue depende son:

a. Coe%iciente de trans%erencia por convección. Este par0metro depende de la cantidad de aire $uese mueva por la super%icie del disipador. 2e puede epulsar m0s calor si se %uer3a $ue el aire se mueva

por encima de la super%icie del radiador ya sea de %orma natural por su colocación vertical o de %orma%or3ada mediante el empleo de ventiladores.. tro %actor $ue a%ecta a esta resistencia es la emisividad. Un cuerpo ne"ro asore y emite calor

me;or $ue cual$uier otra sustancia. Es ló"ico entonces $ue los disipadores se construyan conmateriales $ue ten"an uena emisividad. 'a emisividad del cuerpo ne"ro est0ndar es 1. Por e;emplo laemisividad de la laca de cual$uier color est0 entre (N y (5 y la da la pintura "rasa de cual$uier colorentre (+ y (@. T!n"ase en cuenta $ue el t!rmino cuerpo ne"ro tiene poco $ue ver con el color ópticode un material. Cuerpos de cual$uier color pueden tener altas emisividades y ser considerados comocuerpos ne"ros. Por e;emplo el aluminio anodi3ado tiene una emisividad de (N independientementede su color óptico.

c. Un &ltimo %actor $ue determina esta resistencia es el 0rea del disipador y la proimidad alsemiconductor. Este motivo ori"ina la construcción de los disipadores a ase de aletas.

Resistencias t!rmicas: Resistencia unión - amiente F ;a


20/62

+(Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

;

Esta resistencia t!rmica va a depender de la presencia o no de dispositivo re%ri"erador y de latemperatura amiental.

Cuando )alamos de resistencia t!rmica unión amiente sin disipador nos re%erimos a lasuma de resistencia entre la unión y la c0psula y la resistencia entre la c0psula y el amiente.

2e trata de un par0metro $ue especi%ican impl#cita o epl#citamente los %aricantes.

θ ja = θ jc θ caCuando )alamos de resistencia unión amiente con disipador nos re%erimos a la suma de

resistencias unión c0psula m0s c0psula disipador m0s la propia resistencia del disipador.

2e trata de un valor dependiente del tipo de disipador $ue usemos $ue ser0 un valor adeterminar y de la resistencia entre la c0psula y el disipador $ue depender0 del tipo de monta;e y delos par0metros anteriormente descritos.

θ ja = θ jc θ cd θ d

Bi;0ndonos en todos los %actores dados )asta a)ora es %0cil determinar el circuito e$uivalentede la %i"ura $ue aparece en el 9P'IC9TI6 JU''ETI6 2J9(+1 $ue vamos a simpli%icar al de la %i"ura

si"uiente $ue nos permite estalecer la ley de )m t!rmica y escriir la ecuación ad;unta.

'ey de )m t!rmica

FdaGFdF ;c Fcd

θ equivalente = θ ja = θ jc θ cd θ d

'ey de )m t!rmica


21/62

+1Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

'a trans%erencia de calor en un sistema como el anterior vendr0 dada por:

P D = T j − T a

θ ja=

T j − T aθ jc θ cd θ d

6aturalmente la ecuación se estalece para el circuito t!rmico completo deiendo adaptarsela misma a las condiciones particulares en caso de %altar al"&n elemento.'a potencia $ue puede disipar un dispositivo en %unción de la temperatura de la c0psula ser0

la dada por la ecuación si"uiente $ue nos permitir0 calcular la Tc conocidas la potencia $ue dee

disipar y la F ;c cuando el dispositivo se monta sin disipador.

P D

= T j − T c

θ jc⇒ T

c = T

j− P

D⋅θ

jc [ sin disipador ]

2i le montamos un disipador podemos poner:

P D = T c − T a

θ cd θ d ⇒ T c = P D⋅θ cd θ d T a [CON disipador ]

De %orma similar a la anterior podemos otener la temperatura del disipador a partir deal"una de las ecuaciones si"uientes:

T d = P D⋅θ d T aT d = T c− P D⋅θ cd

Temperaturas e im0"enes t!rmicas


22/62

++Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

En nuestro circuito t!rmico intervienen cuatro temperaturas caracter#sticas se"&n los puntosdestacales del circuito y $ue anali3amos se"uidamente.

Temperaturas e im0"enes t!rmicas: Temperatura de la unión T ;

El valor m0imo de temperatura de la unión es un dato $ue deen suministrar los %aricantes

y es a$uel valor al $ue no deemos lle"ar o sorepasar para no deteriorar el dispositivo. 2uelenespeci%icarlo como T ;ma o ien con el mar"en de temperatura de traa;o *operatin" temperature ran"e.

2i por cual$uier motivo no tenemos accesiilidad a este dato nos resultar0 &til la talasi"uiente en la $ue se dan los valores t#picos de distintos dispositivos semiconductores %i"urandoresaltado el valor a emplear.

Dispositivo semiconductor Ran"o de T; en valores m0imos

Unión de Oermanio 1(( a 1+5 /CUnión de 2ilicio 15( a +(( /C

LBET 15( a 1>5 /C

2BET 1>5 a +(( /C

Diodos Xener 15( a 1>5 /C

Diodos Unión 15( a +(( /C

ULT 1(( a 1+5 /C

Tiristores 1(( a 1+5 /C

Deemos distin"uir entre la temperatura m0ima de unión permitida para un determinaddispositivo semiconductor y la temperatura de unión a la $ue pretendemos $ue traa;e dic)o dispositivy $ue ló"icamente siempre deer0 ser menor.



23/62

+(Z de la m0ima.

'e asi"naremos valores a [4[ se"&n el mar"en de se"uridad $ue pretendamos y lascondiciones $ue estale3camos.

8alor de 4 Condiciones de %uncionamiento

(5

\ 0imo mar"en de se"uridad.

\ Dise,os normales a temperaturas moderadas poco caliente.

\ ayor tama,o de re%ri"erador.

(@

\ Dise,os en los $ue se puede traa;ar con temperaturas medias.

\ Permite economi3ar con el tama,o y precio del re%ri"erador.

(>

\ 0imo ries"o para el semiconductor.

\ 0imo econom#a en disipador.

\ Ei"e $ue el re%ri"erador se sit&e en el eterior del e$uipo y en posiciónvertical. 2e puede me;orar la disipación si se emplean ca;as met0licas comoveremos se"uidamente.

Por tanto en nuestros c0lculos deemos modi%icar la temperatura de unión se"&n la ecuación:

T j = k ⋅T jma



24/62


2i su;etamos el semiconductor al c)asis del e$uipo y este es met0lico puede proporcionaruna disipación adicional. Para tenerlo en cuenta en los c0lculos necesitamos conocer la resistenciat!rmica de las c)apas.

En el 0aco de la %i"ura vemos las curvas$ue nos permiten determinar la resistencia t!rmicade c)apas de aluminio montadas verticalmente en%unción de su espesor.

'os valores para c)apas de core sonentre un 1( y un 15 Z menores y para c)apas de)ierro o acero entre un 1( y un 15 Z mayores.

Temperaturas e im0"enes t!rmicas: Temperatura de la c0psula Tc


25/62

+5Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

6o es un dato $ue se pueda suministrar en los manuales ya $ue depende de la potencia $ue deedisipar el dispositivo en un circuito concreto de las caracter#sticas y tipo de monta;e del disipador y de latemperatura amiente. 2er0 por tanto un %actor a calcular cuando cono3camos los datos citados.

Temperaturas e im0"enes t!rmicas: Temperatura del disipador Td6o va a resultar un dato relevante y lo podemos otener a partir de las ecuaciones

correspondientes. tendremos un valor de temperatura in%erior a la otenida para la c0psula.En condiciones normales y si )emos ele"ido convenientemente el %actor 4 la temperatura $ue

alcan3ar0n tanto la c0psula como el disipador ser0 tan elevada como para no poder tocarlos con las manos.Pero este etremo no es motivo de preocupación ya $ue )emos tomado las medidas necesarias para noalcan3ar el valor m0imo de T ;.

6o ostante si $ueremos disminuir la temperatura deemos recalcular una aleta de re%ri"eraciónm0s "rande.

Temperaturas e im0"enes t!rmicas: Temperatura amiente TaCuando )alamos de temperatura amiente re%erida a c0lculos t!rmicos sore un dispositivo

semiconductor no nos re%erimos a condiciones amientales del ser )umano o temperatura del medioamiente sino a la temperatura eistente en el entorno m0s cercano al disipador. Pensemos $ue eldispositivo va a ir montado en una ca;a $ue puede ser o no ser met0lica $ue puede disponer de m0s omenos ori%icios de re%ri"eración $ue el disipador se puede situar en el interior o en el eterior dele$uipo etc. De una %orma ló"ica deemos pensar $ue la temperatura en el entorno del dispositivo va a

depender de la temperatura amiental de la 3ona "eo"r0%ica donde se sit&e el e$uipo. 6os podemosencontrar con temperaturas etremas si )alamos de 3onas "eo"r0%icas como 9ndaluc#a u otra re"ióndel norte de 9lemania. El e$uipo se puede situar o no ;unto a una ventana un radiador de calorcual$uier m0$uina $ue "enere calor amiente poco ventilado etc.

Diremos como conclusión $ue a la )ora de ele"ir la temperatura amiente de c0lculo deemos ser"enerosos sore todo si no est0n per%ectamente claras las condiciones amientales donde va a

traa;ar el dispositivo etremo $ue suele ser el m0s normal.

Im0"enes t!rmicas6 l t l did d t t % t& d d t


26/62

+@Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

6ormalmente las medidas de temperaturas se e%ect&an con sondas de pruea o termoparespero )oy d#a $ue los dispositivos son muc)o m0s pe$ue,os y comple;os disipando m0s potencia=cm+$ue las "eneraciones previas los re$uerimientos de los %aricantes a los in"enieros de dise,o )anllevado a estos a utili3ar las t!cnicas de im0"enes t!rmicas otenidas por in%rarro;os. Esta t!cnica demedida sin contacto permite medir la temperatura de cual$uier super%icie.

'as im0"enes t!rmicas son instrumentos $ue permiten otener con los instrumentosadecuados datos de temperatura en cada piel de la ima"en sin m0s $ue situar el cursor del ratónsore el piel correspondiente. 'as im0"enes pueden ser di"itali3adas almacenadas procesadasmanipuladas y ló"icamente impresas.

En la %i"ura vemos una ima"en t!rmica de una placa de circuito impreso donde se aprecianlas variaciones de la temperatura en distintas 3onas de la placa. 2e puede interpretar la temperatura en %unción de la "ama de colores y puede ser medida conla aparamenta correspondiente.

Im0"enes t!rmicasEl d ll d l t l # d d t ió i % ; it l l did d


27/62

+>Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

El desarrollo de la tecnolo"#a de detección por in%rarro;os permite su empleo en la medida detemperatura tra3ado de mapas detección de incendios %orestales vi"ilancia de la tierra etc. Estatecnolo"#a se asa en la propiedad $ue tiene cual$uier cuerpo de irradiar ener"#a in%rarro;a cuando sutemperatura es superior a los ( /. 'a cantidad de ener"#a irradiada viene dada por:

! = e⋅ "⋅T 4 #atios⋅cm−2 Donde $

! = ener%ia irradiadae = emisividad

" = constante de "olt&man 5.67⋅10−12⋅W ⋅cm−2⋅ºK −4

En la %i"ura vemos la ima"en t!rmica reali3ada por la empresa Compi de unsemiconductor con encapsulado T(< y una mala disipación.

]rea de operación se"ura 29 *2a%e peratin" 9rea'a m0ima capacidad de traa;o de un transistor viene determinado por su ]rea de peración


28/62

+NTema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

'a m0ima capacidad de traa;o de un transistor viene determinado por su ]rea de peración2e"ura *29. Esta caracter#stica la suministran los %aricantes en %orma "r0%ica re%le;ando la corrientede colector Ic como una %unción de la tensión 8CE Ic G % *8CE. En las %i"uras vemos las curvas 29 devarios transistores ipolares.

29 JD1


29/62


29 +6


30/62


31/62


32/62


33/62

/C=.

29P+5

C0lculo del disipador Procedemos a)ora al calculo de temperaturas oteniendo:


34/62

para monta;e )ori3ontal como el de la %i"ura con

Fd G @N /C= y una lon"itud de


35/62

5 mm y una Fd G + /C=. 'astemperaturas ser0n:

29P+-1

T c= P D⋅θ cd θ d T a= 5⋅0.5225=37.5 ºC

T d = P D⋅θ d T a= 5⋅225=35 ºC

T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 5⋅50.5225=62.5 ºC

Para k =0.6 θ d = 0.6⋅125−25

5 −50.5=4.5 ºC /W

2i uscamos en el aneo 9 no encontramos un disipador $ue ten"a esta resistencia t!rmica por lo $uetenemos dos posiilidades:1 2eleccionar un disipador $ue se adapte al valor de resistencia t!rmica calculada de otro catalo"o

teniendo en cuenta las posiilidades de disponiilidad material del mismo si el %in &ltimo es montarel circuito y no solo e%ectuar c0lculos de pruea.

+ 2eleccionar un disipador con una resistencia t!rmica lo m0s parecida posile a la de calculoteniendo en cuenta $ue a menor resistencia de disipador menores ser0n las temperaturas. 2iesco"emos un disipador 29P


36/62

1 /C=. Tenemos las si"uientes temperaturas:

21>T c= P D⋅θ cd θ d T a= 5⋅0.57.125=62.5 ºC

T d = P D⋅θ d T a=5⋅7.1

25

=60.5

ºC T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 5⋅50.57.125=88 ºC

onta;e directo m0s micaDe las talas vistas otenemos F

cd G 1. /C=.

Para k =0.5 θ d = 0.5⋅125−25

5

−51.4=1.1 ºC /W

De nuevo nos encontramos con la situación de no encontrar el per%il eactoal calculado. 2i seleccionamos el per%il 29P1-+ del aneo 9 $ue vemos enla %i"ura con una lon"itud de aleta de 1(( mm y F

d G 1 /C= tenemos las

temperaturas si"uientes:

29P1-+

T c= P D⋅θ cd θ d T a= 5⋅1.4125=37 ºC C0lculo del disipador


37/62

Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

c D cd d a

T d = P D⋅θ d T a= 5⋅125=30 ºC

T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 5⋅51.4125=62 ºC

Para k =0.6 θ d = 0.6⋅125−255 −51.4=3.6 ºC /W

Podemos seleccionar en el aneo 9 un radiador 29P5 mm y una F

d G


38/62

5 mm y Fd G 1< /C=. 'as temperaturas son:

29P++

T c= P D⋅θ cd θ d T a= 5⋅1.23.525=48.5 ºC

T d = P D⋅θ d T a= 5⋅3.525=42.5 ºC

T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 5⋅51.23.525=73.5 ºC

Para k =0.6 θ d = 0.6⋅125−25

5 −51.2=3.8 ºC /W

En el aneo 9 encontramos el per%il 29P


39/62


40/62

(Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Tipo de montaje → θcd (ºC/W)2d Tc Td T j 2d Tc Td T j 2d Tc Td T j

DI!CT" → 0,# $,7 %7,5 %%,5 6&,5 ',& 50 '6 75 6,# 6% 5 ##

DI!CT" *I+IC"- → 0,5 & %7,5 %5 6&,5 ',& '#,5 '6 7%,5 7,$ 6&,5 60,5 ##

DI!CT" .IC- → $,' $ %7 %0 6& %,5 ',5 '&,5 7',5 5,5 5,5 5&,5 #',5DI!CT" .IC- *I+IC"- → $,& $,% %7,5 %$,5 6&,5 %,5 '#,5 '&,5 7%,5 5,5 5#,5 5&,5 #%,5

nidade ºC/W ºC ºC/W ºC ºC/W ºC

Conclusiones:2i no re$uerimos aislamiento el!ctrico el monta;e m0s %avorale resulta el directo con

silicona esco"iendo el valor de Fd en %unción de las ei"encias de temperatura.

2i se re$uiere aislamiento el!ctrico el monta;e m0s %avorale es el directo con mica ysilicona esco"iendo de nuevo el re%ri"erador en %unción de las ei"encias de temperatura.'os otros dos sistemas de monta;e arro;an datos de temperatura similares a los

anteriores pero con re%ri"eradores de menor resistencia t!rmica con lo $ue resultar0n m0scostosos.

En cual$uier caso deemos considerar $ue la potencia a disipar es a;a y $ue latemperatura considerada es la de especi%icación de datos de %aricante.

'a elección del per%il de disipador lo )emos e%ectuado sore cat0lo"o pero en lapr0ctica mandar0n los criterios de econom#a sin olvidar la se"uridad y disponiilidad del per%ilconcreto. emos seleccionado per%iles lo m0s cortos posile pero pr0cticamente los criteriosdepender0n tami!n del tama,o de la ca;a $ue va a contener el e$uipo y si se puede o no montarel re%ri"erador en el eterior del e$uipo. T!n"ase en cuenta $ue si el disipador va en el interior dela ca;a podemos considerar como temperatura amiente 5( /C sin ser demasiado ei"entes.

E;emplo +:fectuar los cálculos de las temperaturas de uni&n T ambiente T ! de capsula T para la

C0lculo del disipador


41/62


fectuar los cálculos de las temperaturas de uni&n, T / , ambiente, T

d ! de capsula, T

c para la

tabla del 3PL4C3T40 67LLT4 .603+2) asumiendo "ue se monta un dispositi#o con

una 8 /c

9 +,: ºC;- en encapsulado T+ ! considerando una T a 9 25 ºC$ Para las aplicaciones

de alta potencia consideramos el sistema de monta/e directo < silicona ! para las

aplicaciones de ba/a potencia el monta/e directo < mica < silicona$ Para alta potencia seesco%e un radiador con 8

d 9 +, ºC;- ! para ba/a potencia 8

d 9 )2 ºC;- $

'(T' POT)NC*'$ 100W

T c= P D⋅θ cd θ d T a= 100⋅0.120.325= 67 ºC T d = P D⋅θ d T a= 100⋅0.325=55 ºC

T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 100⋅0.80.120.325=147 ºC

'(T' POT)NC*' $ 10W T c= P D⋅θ cd θ d T a= 10⋅0.120.325= 29.2 ºC

T d = P D⋅θ d T a= 10⋅0.325=28 ºC

T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 10⋅0.80.120.325=37.2 ºC

C0lculo del disipador "'+' POT)NC*'$ 10W

T = P ⋅θ θ T = 10⋅0 41225= 149 ºC


42/62


T c= P D⋅θ cd θ d T a= 10⋅0.41225= 149 C

T d = P D⋅θ d T a= 10⋅1225=145 ºC

T j= P D⋅θ jcθ cd θ d T a= 10⋅0.80.41225=157 ºC

"'+' POT)NC*'$ 1W T c= P D⋅θ cd θ d T a= 1⋅0.41225= 37.4 ºC

T d = P D⋅θ d T a= 1⋅1225=37 ºC


Unidades K 9'T9 PTE6CI9 J9L9 PTE6CI9

Potencias M 1(( 1( 1( 1

T ; /C 1> .+ 15> +.+ 1 .

Fcd /C= (.1+ (.1+ (. (.

Td /C 55 +N 15

Fda /C= (.< (.< 1+ 1+

Ta /C +5 +5 +5 +5

servese la di%erenciade temperatura en launión para la mismapotencia y distintas

condiciones de monta;e.

Evidentemente la eleccióndel disipador para la

aplicación de 1( ena;a potencia no )a sido

la adecuada.

Reproducimos la tala con los datos otenidos $ue coincide eactamente con vista.

E;emplo


43/62

? ncapsulado T+ 22+ con monta/e directo < silicona sin aislamiento el@ctrico$

? P D 9 5 -

? 8 /c

9 ºC;-

? T / máA

9 )5+ ºC

? T a máA

9 5+ ºC

8amos a ele"ir un valor de 4G(@ puesto $ue )emos determinado una Ta elevada y asumiendo $ue

vamos a traa;ar con temperatura elevadas para una potencia a disipar de 5 .De las talas otenemos F

cd G (5 /C= lue"o la resistencia t!rmica del disipador vendr0 dada por:

θ d = k ⋅T j−T a

P D−θ jcθ cd { Para k =0.6} θ d = 0.6⋅150−50

5 −30.5=4.5 ºC /W

T c= P D⋅θ cd θ d T a= 5⋅0.54.250=73.5 ºC

T d = P D⋅θ d T a= 5⋅4.250=71 ºC


Ele"imos un disipador 29P


44/62


Bamos a /ustificar mediante un e/emplo sencillo por "ue debemos de #alorar analticamente la

necesidad de refri%erador$

.upon%amos "ue de un transistor dado conocemos "ue puede disipar un máAimo de )) - para una

T c 925 ºC, T

/ maA 92++ ºC ! 8

/a95 ºC;-$ l transistor lo montamos en un circuito donde debe disipar E+ -

con un disipador de +, ºC;-, con 8 /c

9 ),5 ºC;- ! 8 cd

9 +,)2 ºC;-$

9 primera vista podr#amos pensar $ue con el mar"en de potencia disponile el transistor no correnin"&n ries"o pero la realidad es astante di%erente.'a potencia m0ima $ue puede disipar el transistor sin disipador viene dada por:

P D sin disipador =T j−T a

θ ja=

200−25

35 = 5W

Este valor $ueda muy por dea;o del indicado por el %aricante.'a potencia m0ima $ue podr0 disipar el monta;e propuesto ser0:

P D con disipador = T j−T a

θ jcθ cd θ d =

200−25

1.50.120.6 = 78.8W

2i )acemos disipar al transistor ( provocaremos la destrucción del mismo.

2i consideramos el %actor de corrección de temperatura la potencia m0ima ser0 a&n menores decir:

P D con disipador = k ⋅T j−T aθ jcθ cd θ d

= 0.7⋅200−25

1.50.120.6 = 51.8W

C0lculo del disipador 2i )acemos disipar al transistor ( provocaremos la destrucción del mismo.

Dónde nos estamos e$ i ocando` E identemente en la interpretación de los datos de


45/62


θ d =k ⋅T j−T a

P D−θ jcθ cd { Para k =0.7} θ d =

0.7⋅200−25

90

−1.50.12=−0.34 ºC /W

8eamos el error $ue cometemos calculando el disipador $ue necesitamos $ue ser0:

tenemos un valor ne"ativo lo $ue nos indica $ue el dispositivo no puede %uncionar a;o esascondiciones puesto $ue no eiste disipador $ue lo )a"a posile.

_Dónde nos estamos e$uivocando`. Evidentemente en la interpretación de los datos de%aricante $ue nos indica $ue el dispositivo puede suministrar la potencia indicada siempre $ue semanten"a la temperatura de la c0psula a una temperatura i"ual o menor $ue +5 /C lo $ue en la pr0cticaresulta astante complicado.

P D=T jma−T c

θ jc= 200−25

1.5 = 116.7W

'a m0ima potencia disipale en valor asoluto ser0:

k ⋅T j−T a

P D

θ jcθ cd ⇒ P Dk ⋅T j−T a

θ jcθ cd ⇒ P D

0.7⋅200−251.5

0.12

=70.99 W

Una primera aproimación nos conducir0a decir $ue si tenemos un determinado

tras consideraciones de dise,o: 8ariación de la resistencia t!rmica con la lon"itud


46/62

@Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

radiador con una resistencia t!rmica Fd y

lo dividimos en dos partes i"ualesotendremos dos radiadores cuyaresistencia t!rmica *F

dY sea ;usto el dole

de Fd. 6ada m0s le;os de la realidad puesdepender0 de la "eometr#a ycaracter#sticas propias del %aricante. Enestos casos no )ay m0s remedio $ueconsultar las )o;as de datos de%aricantes $ue en el caso de "randesradiadores de etrusión incluyen "r0%icas

de variación de resistencia en %unción dela lon"itud.El t!rmino etrusión indica lacon%ormación de aletas por moldeado delmetal de;ando espacios entre ellas pordonde pueda circular el aire y %acilitar laevacuación del calor.

Para comprender me;or lo dic)oanteriormente vamos a anali3ar unradiador especi%ico como el modelo P


47/62

>Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Por e;emplo para una lon"itud de 1(( mm de aleta de etrusión las resistencias $ue otenemos son:F

>5 G (5 /C=

F1((

G (@ /C=

F15(

G (1 /C=

F+((G (


48/62

NTema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

c0lculo notale.Disponemos de semiconductores con encapsulado T(< $ue tienen una T

; ma G +(( /C una

F ;c

G 15 /C= y los montamos con mica y aisladores en los tonillos de su;eción para

otener aislamiento el!ctrico entre la c0psula y el disipador. Consultando la talacorrespondiente vemos $ue Fcd

G (N /C=.

8amos a suponer $ue necesitamos montar dos semiconductores de este tipo y $ue losvamos a montar en un mismo disipador deiendo disipar cada transistor


49/62


" $

'a resistencia t!rmica e$uivalente es de 115 /C= en lu"ar de los +< /C= $ue supusimos en el

c0lculo anterior. 'a resistencia t!rmica entre la unión y el disipador se )a reducido a la mitad por el usode dos semiconductores deido al estalecimiento de dos caminos para el %lu;o de calor. El c0lculo deldisipador ser0:

θ d =T j−T a

P D−θ jcθ cd =

200−3060

−1.15=1.68 ºC /W

2iendo la di%erencia otenida notale en tama,o y precio

En convección natural la posición del radiador es %undamental para %acilitar la circulaciónde aire. Como saemos el aire caliente pesa menos $ue el aire %r#o por lo $ue un radiador

tras consideraciones de dise,o: Bactores de reducción por posición


50/62

5(Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

situado verticalmente evacuar0 me;or el calor $ue si lo situamos )ori3ontalmente.Una ve3 calculada la resistencia t!rmica del disipador podemos adaptar su valor se"&n loscoe%icientes de posición $ue vemos en la %i"ura y otendremos una resistencia de

disipador dada por:

θ d posici,n = F p⋅θ d

Calculada la resistencia t!rmica del disipador procedemos a calcular un nuevo valor $ueresultar0 de aplicar a dic)o disipador un %lu;o de aire a una velocidad determinada.

Calculo de radiadores de calor por convección %or3ada


51/62


Denominaremos Fd * c n

a la resistencia t!rmica del disipador en convección natural y Fd * c %

a

la resistencia t!rmica del disipador con convección %or3ada.8amos a e%ectuar el c0lculo en ase a dos %actores $ue modi%ican el valor de F

d * c n y $ue

son:Bactor de %orma B%. Dee ser un valor indicado por el %aricante para los disipadoresespecialmente dise,ados para convección %or3ada aun$ue si no disponemos del mismopodemos e%ectuar su calculo de %orma simple mediante la relación entre la super%icie de lasección transversal del 0rea aarcada por las aletas y la super%icie total aarcada por el%lu;o de aire. En la %i"ura es$uemati3amos el valor del %actor de %orma.

F - =. aletas

. aire

8alor m0imo: 18alor m#nimo: (.58alores in%eriores a (.5 nocompensan la convección %or3ada

Bactor de velocidad Bv. Es un %actor $ue va a depender de la velocidad del aire yló"icamente ser0 menor cuanto mayor sea la velocidad. El Bv lo otenemos del "r0%ico de

Calculo de radiadores de calor por convección %or3ada


52/62

5+Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

la %i"ura.

Con estas condiciones la resistencia t!rmica del disipador ser0:

'os c0lculos as# reali3ados tienen valide3 cuando la circulación de aire se estalece en el

sentido de las aletas de etrusión.Tan solo nos $ueda esco"er un ventilador $ue se adapte a las condiciones $ue )emosdise,ado para lo $ue deemos recurrir a cat0lo"os de %aricante.6o )aremos m0s )incapi! en el tema por salirse del propósito de este tema $ue no )a sidootro $ue dar una visión "enerali3ada de los prolemas de disipación de temperatura ensemiconductores.

θ d c- =θ d cn⋅ F v⋅ F -

P t d ili

ateriales auiliares


53/62

5


54/62


9d)esivo acr#lico de endurecimiento r0pido pensado para "enerar un camino t!rmico entreun disipador de calor y un componente o PCJ. El material un l#$uido viscoso %luye a;oprensión para crear una uena unión con ecelente disipación de calor.El o;etivo del ad)esivo es sustituir las cintas las pin3as mec0nicas y epois y por lo tanto

tami!n es &til en el monta;e de sensores de temperatura.Para lo"rar una uena unión )ay $ue aplicar el activador a una de las super%icies decontacto curir la otra con una %ina capa de ad)esivo y lue"o unirlas a presión.

Conductividad t!rmica (N+ =m C a


55/62


la "rasa rellena de silicona para usos en los $ue se re$uiere conductividad el!ctrica ;unto a unaecelente transmisión de calor. El comportamiento t!rmico es comparale al de la "rasa rellena desilicona pero no se producen los prolemas derivados de la contracción o secado en lar"os per#odosde tiempo.

Resistencia t!rmica: T


56/62

5@Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

Cuiertas para transistoresCuiertas de nylon para transistores tipo T


57/62

5>Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

sistema de monta;e directo m0s mica aislante m0s pasta de silicona. En la %i"ura vemos losmateriales necesarios y su empleo

E;emplo de monta;e de un disipador Utili3amos el v0sta"o del destornillador plano para dar una capa uni%orme de silicona sorela parte plana del semiconductor y situamos la mica sore el dispositivo y damos otra capad ili


58/62

5NTema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

de silicona.

1

2

3

E;emplo de monta;e de un disipador 2ituamos el con;unto montado sore el disipador procurando centrar los a"u;eros*podemos ayudarnos del destornillador plano e insertamos los aislador en la posición $uevemos ayudandonos de los alicates


59/62


vemos ayudandonos de los alicates.

1 +

En uno de los a"u;eros montamos en el si"uiente orden: eltornillo la arandela "rover el terminal de soldadura *)ace la%unción de arandela plana y la tuerca.En el otro a"u;ero montamos en el si"uiente orden: eltornillo la arandela "rover la arandela plana y la tuerca.

E;emplo de monta;e de un disipador Procedemos al apriete de las tuercas con ayuda de la llave y el destornillador teniendoespecial cuidado de $ue el dispositivo $uede centrado en los a"u;eros del disipador.


60/62

@(Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

E;emplo de monta;e de un disipador 9specto %inal del monta;e desde di%erentes puntos de vista


61/62

@1Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor


62/62

@+Tema 1.5.1.- Disipación de temperatura en semiconductores: Radiadores de calor

F i n d e

l a p r e s e n t

a c i ó n

Documents

Tema 1.5.1.Desbloqueado