Cálculo básico de disipadores de calor

[xavirom]

Un aporte, una forma bastante aceptable para comprobar la resistencia térmica de un disipador, consiste en colocar sobre el mismo una resistencia del tipo cementada esas con cuerpo cuadrado firmemente al disipador, con grasa siliconada o mejor aún, un diodo a rosca solo que habría que hacer una perforación. Colocar el disipador en la forma correcta de operación (aletas en forma vertical) y medir su temperatura inicial, ahora hacer circular una corriente por la resistencia o el diodo de forma que cualquiera de ellos comiencen a disipar potencia, si el disipador es grande, convendrìa que la potencia disipada por el elemento elegido sea importante. Hecho esto, sabremos midiendo la tensión que cae en la resistencia o diodo y multiplicándola por la corriente que potencia estamos disipando. Obviamente, la temperatura del disipador irá subiendo hasta que se logrará una estabilización en la temperatura, en este momento tomaremos esta temperatura y le restamos el valor de temperatura inicial o temperatura ambiente, ese valor lo dividimos por la potencia entregada y nos darà el valor de resistencia térmica del disipador bajo prueba. Por ejemplo, si la temperatura ambiente fuera de 20 grados, y la temperatura final fuera de 50 grados con una potencia de 10W, entonces el diferencial de temperatura es de 30 grados (50-20), ahora lo dividimos por 10 y obtenemos que el disipador tiene una resistencia térmica de 3C/W.
No se fien de los datos de resistencia térmica que figuran en la página que mencionan por ahí, tiene datos erróneos en algunos modelos.

 

[MFK08]

Cacho despues de esperar bastante me llegaron los ZD21 por 5cm de alto compre dos, uno para cada canal espero en no mas de 1 mes poder probar el amplificador con la fuente SMPS y ver si trabajan correctamente

 

[Cacho]

Buenísimo.
Comentá cuando tengas novedades para ver cómo anda.

Saludos

 

[betoelectronico]

hola gente! me surgio una duda...que pasaria si a un determinado componente (transistor o triac)que calienta mucho..le pongo un disipador muy grande.muchos mas grende del calculado...funcionara mejor??

 

[Cacho]

...si a un determinado componente...le pongo un disipador muy grande...funcionara mejor??

No se calentará tanto. Si a menor temperatura funciona mejor, entonces sí: Anda mejor.


Saludos

 

[Dr. Zoidberg]

hola gente! me surgio una duda...que pasaria si a un determinado componente (transistor o triac)que calienta mucho..le pongo un disipador muy grande.muchos mas grende del calculado...funcionara mejor??

No necesariamente. Recordá que la resistencia térmica total no es solo la del disipador-ambiente, sino también se suma la juntura-capsula y la capsula-disipador, y estas últimas estan fijas, la primera por diseño del componente y la segunda por la técnica de montaje usada. La primera no la podés modificar, la segunda la podés reducir un poco haciendo el montaje sin aislador de mica o kapton (ni pensar en usar los sil-pads) y la del disipador ambiente la bajás aumentando el área (disipador grande). Si sacás la cuenta, vas a ver que la reducción final no es tan grande como pensarías y ya no se puede achicar mucho mas. Fijate:
Rth-total = Rth-jc + Rth-cd + Rth-da
si le ponés valores mas o menos normales para un componente de potencia, vas a tener:
Rth-jc=1.5 ºC/W (fija por diseño)
Rth-cd=0.2 ºC/W (montaje sin aislador pero con grasa siliconada)
Rth-da=1.5 ºC/W (este es un disipador grandecito)
lo que totaliza Rth-total=3.2 ºC/W
como las dos primeras ya no podés achicarlas más, solo podés tocar la última, y suponñe que la llevás a 0.75 ºC/W (un disipador GIGANTE), el resultado final es 2.45 ºC/W que es solo un 20% mas chica a un costo imposible con el tamaño, peso y precio de ese disipador...

Vos verás....yo te recomiendo cambiar el dispositivo o poner varios en paralelo (si es factible), así vas a bajar la Rth-jc efectiva y vas a ganar mas por menos plata...

 

[Luis1342]

Hola,buen tema Cacho,tengo unas dudas y es que quiero emplear estos calculos de disipador para unos TDA7294 en versión estereo,un integrado por canal alimentandolos a 18/0/18 y que cada uno consuma 2.5A,pienso usar un disipador de un up intel p4 de 470 pines a 1.3GHz ¿quedara bien?
saludos gracias!!!

 

[MFK08]

tienes que buscar los datos de dicho integrado en su hoja de datos..para poder hacer los calculos

 

[Cacho]

Y saber (o poder estimar) qué resistencia térmica tiene el disipador.

Lo que te dice MFK y esto último es indispensable para hablar con una mínima certeza.
Cualquier otra cosa sería hacer un comentario sobre la estética del conjunto y no mucho más.

Saludos

 

[MFK08]

TDA7294 Datos extraido de su hoja de datos...

Tj = 150 ºC
Rth = 1.5 ºC/W

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXqwvzw.pdf

 

[Luis1342]

Cacho,MKF08 agradezco sus respuestas,bueno con esos datos a empezar a calcularle aqui andaré postenado
Gracias!
saludos

 

[Syd]

Hola!

Llevo un par de meses pegandome con el montaje del amplificador que envio en la primera imagen (dibujo.jpg). Estoy intentando diseñar el disipador adecuado a las especificaciones que tengo, y ando un poco liado. A ver si me podeis echar un cable.

Bien, la potencia del amplificador es de 120 Wrms sobre 8 ohms. Esto nos da una caida maxima de potencia en el transistor de 60 Wrms con carga resistiva. Para guardar un margen de seguridad supondremos que la carga tendra una parte reactiva y que el angulo de desfase maximo sera de 45º, siendo entonces la potencia maxima sobre el transistor igual a 120 W.

Como hablamos de potencias maximas, luego hice un ajuste dividiendo /3 la potencia maxima , para sacar una potencia media que es la que tendre en cuenta para hacer los calculos del disipador. 120 W / 3 = 40 W --> esta sera la potencia media que tendre en cada transistor.

En el esquema del ampli se observa que hay 4 transistores (MOSFETs) formando el OPS (output stage) montados en paralelo dos a dos, para rebajar la potencia a disipar en cada uno.
sabiendo que si tuvieramos dos transistores cada uno disiparia los 40 W anteriormente calculados, tenemos ahora que esta potencia se reparte entre dos transistores (dos funcionando en semiciclo positivo y otros dos en negativo). Tendremos entonces en que cada transistor disipa unos 20 W.

Aqui es donde empieza mi problema (suponiendo que haya hecho bien todas las suposiciones anteriores jeje). Estos son los calculos que yo hice, decirme si me he equivocado en algun punto.

Para calcular la Rth del dispador he tenido en cuenta la temperatura a la cual quiero que llegue el disipador, en mi caso a unos 80ºC.

bien, decidi que voy a montar dos disipadores, y en cada uno dos transistores.
calculo la Rth = 80ºC / 40 W (montando dos transistores, 20W cada uno) = 2 ºC/W.

Calculo la temperatura de la union para ver si con la temperatura que tenga me va a poder disipar esa potencia el transistor,
Tj = Pd x (Rth union + Rth mica + Rth disipador) = 20 x (1,25 + 0,8 + 2) = 105 ºC.

Miro las hojas del fabricante y con esa temperatura podre disipar perfectamente los 20 W que requiere el transistor.

Como he calculado teniendo en cuenta 2 transistores montados sobre el (la resistencia termica multiplicada x2) entonces la Rth final de mi disipador deberia ser Rth = 1ºC/W.

Bien, espero que perdoneis mis posibles meteduras de pata, ya que esta es la primera vez que me meto a calcular un disipador para un amplificador de potencia jeje.

Otra cosa mas sobre el diseño del esquema. No se como podria calcular cual es la potencia que disiparian los transistores Q11 y Q12, ya que tengo que montarlos en el mismo disipador junto con el Qbias para el thermal tracking.

Uff, espero haberme explicado bien. Muchas gracias por vuestra ayuda

un saludo!

 

[Cacho]

Te estás haciendo un lío con los pasos.

Primero, la potencia de pico a disipar. Esta es la que quema los transistores generalmente.
Si hay un desfasaje de 45º, tenés la mitad de la alimentación (55V/2=27,5V) cayendo en los transistores de salida y la corriente es la máxima (55V/8r=6,875A). La potencia de pico a disipar será de ~190W. Ese es el peor escenario posible en este ampli.

Cada transistor (de lo que figuran en el esquema) tiene una disipación máxima de 100W => 200W entre los dos (es realmente poco). Estamos muy en el límite. Por suerte no es frecuente encontrar semejantes desfasajes, pero un tercer MOSFET daría más margen. Sólo para no tener que ponerlos, asumamos que el pico de disipación será de 150W (unos 75W por transistor).
El gráfico del Power Derating (PD) muestra que eso limita la temperatura máxima a alrededor de 65º.

Bueno, terminada la disquisición, tomemos el mismo divisor (3) que vos y asumamos los 150W de pico. Eso da 50W continuos de disipación. La temperatura ambiente estimémosla en 50ºC (nada difícil de encontrar adentro de un gabinete) y aproximemos la resistencia térmica del transistor este en 1,5ºC/W. Veamos:

Rda < (65ºC-50ºC)/50W - 1,5ºC/W – 2ºC/W

Eso es la temperatura máxima de la juntura que le permite manejar el pico de disipación, menos la temperatura ambiente, dividido por la disipación "constante", menos la resistencia térmica del transistor, menos la de la mica.

Como tenés dos transistores, tenés el doble de capacidad de disipación (eso te da los 87,5ºC de máxima), y a la vez tenés la mitad de resistencia térmica entre la juntura (claro, tenés dos, pero las considerás como una sola) y el disipador.
Rda < 0,3ºC/W - 0,75ºC/W - 2ºC/W.

Para que eso sea factible, necesitás un disipador refrigerado. Y necesitás uno de esos para cada rama (ya que los vasa montar en dos separados). Lo mejor sería montar los 4 transistores en un solo disipador.

Habrá que disminuir la potencia constante que se disipará (los 50W que se me hacen muchos), o la temperatura ambiente (los 50ºC), o lograr aumentar la temperatura máxima de trabajo (los casi 90ºC) poniendo más transistores o asumiendo que el pico de disipación será menor. Eso hará que los márgenes de seguridad sean menores

La otra opción es buscar MOSFETs con mayor disipación o temperatura de operación. Hay modelos que disipan alrededor 200W y no son ni caros ni difíciles de conseguir.

Saludos

 

[Syd]

hola Cacho,

muchas gracias por la ayuda ;-)

un par de cosas. Sobre la potencia pico de disipacion yo creo que estas calculando de más. La tension es +55 V, pero esta sobredimensionada para preveer las perdidas que tendra en los MOSFETs y demas componentes del circuito. Si calculas la tension eficaz que se tendra para 120 Wrms tienes unos 30,9 V, y el valor maximo te sale unos 43,6 V y ese sera el valor maximo que realmente podra alcanzar la onda. Luego sacas la corriente maxima con esos 43,6 V -->5,46 A. Luego la potencia maxima teniendo en cuenta el angulo de desfase de 45º sera P = Vmax*Imax/2--> aprox. 120 W. entonces la potencia continua a disipar ya es la que yo tenia calculada unos 20 W (haciendo la division /3 en este caso, aunque no se si es una buena aproximacion o deberia dividir entre un numero mas pequeño...).

Lo que no entiendo es porque en este caso sale una Rda negativa :-s, esto como se interpreta??

Tampoco entiendo porque usas los 50 W en tu caso, ya que al estar calculando la disipacion para un solo transistor no deberias usar 25 W al tener dos en paralelo??

muchas gracias de nuevo Cacho.

un saludo!

 

[Cacho]

Sobre la potencia pico de disipacion yo creo que estas calculando de más. La tension es +55 V, pero esta sobredimensionada para preveer las perdidas que tendra en los MOSFETs y demas componentes del circuito. Si calculas la tension eficaz que se tendra para 120 Wrms tienes unos 30,9 V, y el valor maximo te sale unos 43,6 V...

¿Y los 12V que faltan? Tené por seguro que no desaparecen y nada más.
La disipación en los transistores no se calcula sobre "lo que sale" de ellos, sino sobre la diferencia entre "lo que entra" y "lo que sale". Eso es lo que se disipa en el transistor, eso es lo que genera calor en el ampli.
El resto genera calor (y sonido) en el parlante.

La corriente que circule a través de la etapa de salida y los parlantes, será la misma, de eso no hay dudas. El punto está en las tensiones, más exactamente, en sus caídas y dónde se producen..

Lo que no entiendo es porque en este caso sale una Rda negativa :-s, esto como se interpreta??

Se interpreta como que necesitás un disipador refrigerado. No ventilado, sino refrigerado.

Tampoco entiendo porque usas los 50 W en tu caso, ya que al estar calculando la disipacion para un solo transistor no deberias usar 25 W al tener dos en paralelo?

Se calcula la disipación de una rama de la etapa de salida. Si fueras a usar cuatro disipadores, uno para cada transistor, entonces sí se usan esos 25W. Como vas a montar (según decías) dos transistores por disipador...
Ojo, que como la disipación se va a dar alternativamente en una rama y la otra (casi que no disipan las dos al mismo tiempo), no vas a tener un gran beneficio (si es que alguno) en ahorro de tamaño ni peso, pero te va a costar el doble.
Lo mejor que podés hacer es usar uno solo para montar los cuatro (la resistencia térmica no va a cambiar).

Saludos

 

[Syd]

Buenas Cacho,
Te dejo aqui como te comentaba, el nuevo calculo que hice junto con el esquema, a ver si le puedes echar un vistacillo

Bien, en el esquema estan montados los 4 transistores sobre el mismo disipador.

Voy a tomar como potencia disipada en el peor de los casos en cada semiciclo los 120 W de potencia maxima. Lo ajusto a una potencia media de 120/3 = 40.

Los transistores estan montados en paralelo dos a dos, luego cada transistor tendra una disipacion de unos 20 W.

Miro en la grafica del Power Derating que temperatura maxima puedo alcanzar para poder disipar esos 20 W y tengo unos 115ºC.

Del esquema equivalente se obtiene lo siguiente:

Tj = (Pd x Rjc + Pd x Rcd + 4 x Pd x Rda) + Tamb.

Tj = Pd (Rjc + Rcd + 4 x Rda) + Tamb.

Despejo Rda:

Rda < [{(Tj - Tamb)/Pd} - Rjc - Rcd]/4

Sustituyendo datos:

Rda < [{(115º-30º)/20 W} - 1,25 - 0,8]/4 < 0,55ºC/W

Luego Rda debe ser < 0,55ºC/W.

Ya he mirado un disipador de una Rda de 0,320 ºC/W, asi que supongo que con eso sera mas que suficiente.

bueno, espero tener los calculos bien esta vez.

gracias y un saludo

 

[Cacho]

Voy a tomar como potencia disipada en el peor de los casos en cada semiciclo los 120 W de potencia maxima. Lo ajusto a una potencia media de 120/3 = 40.

Ok.

Los transistores estan montados en paralelo dos a dos, luego cada transistor tendra una disipacion promedio de unos 20 W.

Ese agregado es la clave del error que cometías y seguís cometiendo.
Lo que quema los transistores es el pico de disipación, no la disipación promedio.

Esos picos son de 60W en cada uno de tus transistores (120W en total) y eso es lo que tenés que considerar a la hora de calcular la máxima temperatura que pueden alcanzar tus junturas (va a ser menor que la que tomaste).

Otro dato es que la disipación promedio que calculás es bastante alta (apostaría por una división por 6 en lugar de por 3). Estarías escuchando música muy comprimida (unos 4dB de rango). Te aconsejo cambiar el denominador

Siguiendo, como tenés 4 transistores parece que te estás complicando la cuenta. Hay sólo 2 disipando potencia al mismo tiempo. Los de la otra rama no van a conducir (ni disipar) en ese momento. Con eso claro, al calcular en la fórmula tendrás que considerar que la resistencia térmica equivalente de la juntura será de la mitad. Si fueran 3 transistores, sería de la tercera parte y con 5 por rama, la quinta.
En definitiva, hay una mejor transferencia de calor desde los transistores al disipador al poner más transistores de salida.

También, al manejar picos de disipación menores por transistor, al poner más la temperatura puede subir más.

Esas dos cosas implican que el disipador puede ser más chico.
La fórmula será entonces:
Rda < (Tj - Tamb)/Pd - Rjc/2 - Rcd

Asumiendo TJmax en 100ºC (sólo para el ejemplo, vos mirá el datasheet) y Pd como 120W/6=20W,
Rda < (100ºC-50ºC)/20W - 1,25ºC/W /2 - 0,8ºC/W
Rda < 2,5ºC/W - 0,625ºC/W - 0,8ºC/W
Rda < 1,075ºC/W

Aproximémoslo a 1ºC/W.


Ahora dejame hacerte pensar un poco: Una lamparita común, incandescente, de 40W tiene un rendimiento de alrededor del 30%. O sea, sólo el 30% de la energía que toma de la red se transforma en luz y el resto, en calor.
Eso quiere decir que el calor de un foco así de chiquito equivale a 28W de disipación (o sea, calor). Te reto a agarrarlo con la mano desnuda (no lo tomes en serio).
¿Vas entendiendo de las cantidades de calor de las que hablamos al decir alegremente que un ampli disipa 30W o 40W?
Parece poco al decirlo, pero los Watt no son cosas tan inofensivas

Saludos

 

[Syd]

Hola Cacho,

madre mia, me vas a tener que perdonar, pero es que sigo sin ver de donde sacas algunas cosas :-s.
Si puedes hacerme el esquema que estas usando para sacar la formula con la que calculas Rda, me seria ultil para saber exactamente porque divides la Rjc entre 2. No lo acabo de ver...

¿el esquema y las formulas que saque de él en el anterior post no estan bien?

El ejemplo que pones sobre la lampara es muy interesante, ya que como bien dices, siempre se habla de X watios disipados sin saber realmente que a lo mejor los que estas diciendo son muchisimos watios que calentarian el transistor hasta freirlo sirve para hacerse una idea entre watios a disipar y el calor que se generara en el transistor

gracias de nuevo. un saludo!

 

[Cacho]

Si puedes hacerme el esquema que estas usando para sacar la formula con la que calculas Rda

Eso es lo que está explicado en el primer post.

...exactamente porque divides la Rjc entre 2. No lo acabo de ver...

Lo que se calienta en el transistor es la juntura (el pedacito de silicio) que está pegada a la espalda metálica del transistor (del lado de adentro, claro).
Eso se calienta y le pasa calor al metal a cierta velocidad, y como no pasa todo el calor en el instante en que se genera (es físicamente imposible), la juntura se va calentando con el tiempo.

Esta parte metálica le pasa al disipador el calor que recibe, pero de nuevo, no le pasa todo el calor inmediatamente. La física dice, de nuevo, que no se puede.

Entonces, la juntura (J) le pasa calor al metal (M) y este al disipador (D).
El principal y casi único factor en el paso de calor de J a M es la superficie de contacto. Junto con eso, el principal factor en la transferencia siguiente (M->D) es de nuevo la superficie de contacto.
Si tenés una juntura de superficie X, tenés una superficie X de contacto juntura-metal y una superficie Y de contacto metal-disipador. Eso dice cuánto se va a calentar, o sea, determina la resistencia térmica.

Si tenés una juntura (de nuevo una sola) pero su superficie es 2X, va a pasar más eficientemente (el doble) el calor a la espalda del transistor, y ahora esa espalda va a recibir el doble de calor, pero podrá pasar la misma cantidad por unidad de tiempo al disipador (su superficie es la misma). Conclusión: El transistor se va a calentar más, pero no el disipador, que va a mantenerse más o menos estable en temperatura.

Si tenemos dos transistores, la superficie de contacto J->M será 2X, y la superficie M->D será 2Y. Si tiene el doble de superficie en todo el sistema, el calor pasará al doble de velocidad, o lo que es lo mismo, la resistencia térmica será la mitad.

Si así no lo ves, pensalo como un pasamanos de tres personas, donde la primera le pasa una cosa (digamos que son baldes llenos de tierra) a la segunda y ésta a la tercera que es el destinatario final.
La analogía no es perfecta, ni mucho menos, pero allá vamos: Si ahora en lugar de tener una sola persona en la posición uno tenés a dos pasando baldes con tierra al segundo... De repente te vas a encontrar con que se te acumulan los baldes (calor) en torno al segundo, que no da abasto para pasárselos al tercero.

Si ponemos dos en la primera y dos en la segunda posición, los baldes irán mucho más rápido (se transfiere más calor).
Hasta ahí la analogía. El tercero no juega más, que no sirve para hacer la analogía con los disipadores .

¿Ahora sí?

 

[Syd]

Con ese ejemplo que me pusiste ya entendi mucho mejor el proque de dividir la Rjc entre dos.

muchas gracias cacho!

pero, una cosa, creo que los dos estamos exponiendo lo mismo con diferentes razonamientos.

Te expongo otra vez la formula que yo saque en mi post,

Rda < [{(Tj-Tamb)/Pd} - Rjc -Rcd]/4

En mi caso debia dividir todo entre 4 ya que la Rda estaba multiplicada por cuatro al estar montados 4 transistores.
Si lo cambio por un 2 como tu comentas, debido a que en cada semiciclo solo un par de transistores esta conduciendo, tenemos esto

Rda < [{(Tj-Tamb)/Pd} - Rjc -Rcd]/2

que desarrollandolo queda

Rda < {(Tj-Tamb)/2 x Pd} - Rjc/2 -Rcd/2

Que es practicamente lo mismo que tu haces.
Tu en Pd pones la potencia que deben disipar el par de transistores, y para mi Pd era la potencia que disipaba cada transistor, luego 2 x Pd es lo mismo que tu llamas en tu formula Pd.

Lo siguiente es que la Rjc aparece tambien dividida entre dos igual que en tu formula.

Lo unico que creo que podrias tener mal calculado es que te faltaria el dos dividiendo a la Rcd.
Yo he sacado todo esto de un libro de electroncia de potencia y del high power amplifier de randy slone, ¿podria ser que se te hubiese pasado el dividir entre dos Rcd?

Por cierto, me encantan tus analogias, son muy pedagogicas y visuales jeje ;-)