Cálculo de un disipador
Calculo de la potencia disipada
En primer lugar calculamos la potencia disipada en el componente en cuestión, en su regimen de funcionamiento.
Mosfet
\[
P = I^2 \cdot R_{DS(on)}
\]
Triac
\[
P = V_T \cdot I_{RMS}
\]
Regulador lineal
\[
P = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{out}
\]
Regulador conmutado
\[
P_{diss} = P_{out} \cdot \left(\frac{1}{\eta} - 1\right)
\]
(\(P_{diss}\)) Potencia disipada
(\({\eta}\)) Eficiencia del regulador adimensional entre 0 y 1 (por ejemplo, 0.9 = 90%)
Cadena térmica
\[
T_j = T_a + P \cdot (R_{\theta SA} + R_{\theta CS} + R_{\theta JC})
\]
Donde:
- ( T_j ) = temperatura de la unión (°C)
- ( T_a ) = temperatura ambiente (°C)
- ( P ) = Potencia disipada (W)
- ( \(R_{\theta JC}\) ) = resistencia térmica de la unión al encapsulado
- ( \(R_{\theta CS}\) ) = resistencia térmica encapsulado–disipador
- ( \(R_{\theta SA}\) ) = resistencia térmica disipador–ambiente
Despeje para el disipador:
\[
R_{\theta SA,req} = \frac{T_{j,max} - T_a}{P} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS}
\]
Seleccionar un disipador con ( \(R_{\theta SA} \le R_{\theta SA,\text{req}}\) ).
Aplica un margen de seguridad del 20–30%.
Consideraciones térmicas
- (\(R_{\theta CS}\) ): depende del tipo de interfaz (mica, pasta térmica, pad).
- Pasta térmica: 0.1–0.5 °C/W
- Aislante + grasa: 0.5–1.5 °C/W
- Si el disipador es compartido, usar:
$$ P_{total} = \sum P_i $$
- Flujo de aire forzado disminuye mucho ( \(R_{\theta SA}\) ).
Ejemplos prácticos
Mosfet
Datos:
- ( I = 20 A )
- ( \(R_{DS(on)}\) = 8 mΩ = 0.008 Ω )
- ( \(T_{j,max}\) = 150 °C )
- ( \(T_a\) = 40 °C )
- ( \(R_{\theta JC}\) = 0.5 °C/W )
- ( \(R_{\theta CS}\) = 0.2 °C/W )
Cálculos:
\[
P = I^2 \cdot R_{DS(on)} = 20^2 \cdot 0.008 = 3.2 W
\]
\[
T_{j,max} - T_a = 150 - 40 = 110 °C
\]
\[
\frac{110}{3.2} = 34.38 °C/W
\]
\[
R_{\theta SA,req} = 34.38 - 0.5 - 0.2 = 33.68 °C/W
\]
👉 Disipador requerido:
\[
R_{\theta SA} \le 33.7 °C/W
\]
Con margen (25%):
\[
R_{\theta SA} \approx 27 °C/W
\]
Triac
Datos:
- ( \(I_{RMS}\) = 10 A )
- ( \(V_T\) = 1.5 V )
- ( \(T_{j,max}\) = 125 °C )
- ( \(T_a\) = 40 °C )
- ( \(R_{\theta JC}\) = 1.5 °C/W )
- ( \(R_{\theta CS}\) = 0.5 °C/W )
Cálculos:
\[
P = V_T \cdot I_{RMS} = 1.5 \cdot 10 = 15,W
\]
\[
T_{j,max} - T_a = 125 - 40 = 85,°C
\]
\[
\frac{85}{15} = 5.67,°C/W
\]
\[
R_{\theta SA,req} = 5.67 - 1.5 - 0.5 = 3.67,°C/W
\]
👉 Disipador requerido:
\[
R_{\theta SA} \le 3.67 °C/W
\]
Con margen (25%):
\[
R_{\theta SA} \approx 2.9,°C/W
\]
Regulador Lineal (TO-220)
Datos:
- ( \(V_{in}\) = 12 V )
- ( \(V_{out}\) = 5 V )
- ( \(I_{out}\) = 1.5 A )
- ( \(T_{j,max}\) = 125 °C )
- ( \(T_a\) = 40 °C )
- ( \(R_{\theta JC}\) = 5 °C/W )
- ( \(R_{\theta CS}\) = 0.5 °C/W )
Cálculos:
\[
P = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{out} = (12 - 5) \cdot 1.5 = 10.5 W
\]
\[
T_{j,max} - T_a = 125 - 40 = 85 °C
\]
\[
\frac{85}{10.5} = 8.10 °C/W
\]
\[
R_{\theta SA,req} = 8.10 - 5 - 0.5 = 2.6 °C/W
\]
👉 Disipador requerido:
\[
R_{\theta SA} \le 2.6,°C/W
\]
Con margen (25%):
\[
R_{\theta SA} \approx 2.1,°C/W
\]
Selección y montaje
- Buscar en el datasheet los valores ( \(R_{\theta JC} ), ( V_T ), ( R_{DS(on)}\) ), etc.
- Calcular ( \(P_{diss}\) ).
- Estimar ( \(T_a\) ).
- Calcular ( \(R_{\theta SA,req}\) ) con la fórmula.
- Añadir margen del 20–30%.
- Elegir disipador con ( \(R_{\theta SA}\) ) menor o igual.
- Verificar espacio físico y tipo de ventilación.
- Montar con grasa térmica y aislar eléctricamente si es necesario.
- Verificar temperatura en prototipo con termopar.
Si varios dispositivos comparten el mismo disipador:
\[
R_{\theta SA,req} = \frac{T_{j,max} - T_a}{\sum P_i} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS}
\]