Este importante artículo, que involucra más física que electrónica, es parte del libro Curso de Electrónica - Electrónica de Potencia. El artículo es una preparación para el análisis del funcionamiento de los disipadores de calor. En él analizamos cómo el calor es generado en los circuitos electrónicos y cómo puede ser calculado a través de la aplicación de la Ley de Joule. Los siguientes artículos complementan lo que hemos discutido aquí.
No siempre los disipadores térmicos son vistos con el debido cuidado en los proyectos que implican dispositivos de potencia e incluso aquellos que aparentemente no generan una cantidad preocupante de calor.
Sin embargo, los problemas relacionados con la disipación de calor son mucho más importantes de lo que muchos piensan, y debido a que no están relacionados con el propio circuito, no siempre son adecuadamente tratados por los desarrolladores.
En este tema de nuestro curso nos ocuparemos de este tema, centrándose en algunos puntos importantes que impliquen el modo de operación de los disipadores de calor, la forma más común de mantener la temperatura de un componente bajo control.
9.1 – Generación de calor
La mayoría de los componentes electrónicos convierten la energía eléctrica en calor, en mayor o menor cantidad, dependiendo de sus características o régimen de funcionamiento.
Si este calor no se transfiere correctamente al medio ambiente, el componente se calienta más allá de los límites previstos y puede "quemar".
Los radiadores o disipadores térmicos son los elementos que ayudan a realizar esta transferencia, por lo que es muy importante en las Asambleas electrónicas. Analicemos su función.
Cuando una corriente eléctrica debe superar una resistencia a su circulación, es decir, se encuentra con una oposición, el resultado del "esfuerzo" de su paso es la producción de calor. La energía eléctrica se convierte en calor y esto es válido para la mayoría de los componentes electrónicos comunes.
El calor liberado en este proceso tiende a calentar el componente y como resultado de la diferencia de temperatura que se establece entre él y el medio ambiente, comienza una transferencia de calor a este ambiente, como se muestra en la figura 1.
La diferencia de temperatura entre el componente y el entorno determina la velocidad a la que se transfiere el calor generado. Así que llega un momento en que el calor generado y la transferencia es igual, cuando entonces la temperatura del cuerpo que lo genera se estabiliza.
La transferencia de calor generado al medio ambiente depende de varios factores como la superficie de contacto del componente con el medio ambiente, La capacidad que tiene para impulsar el calor desde el punto en el que se genera hasta el punto de contacto con el medio ambiente y, finalmente, la diferencia de temperatura entre estos dos puntos.
Podemos comparar la diferencia de temperatura entre el punto donde se genera el calor (componente) y el ambiente (aire que lo rodea) como la diferencia de potencial eléctrico entre los dos puntos.
El flujo de calor entre los dos puntos es hecho por una ruta de una manera similar a una corriente. Así que tenemos un circuito "térmico" en el que hay una "resistencia" que debe ser superada por el calor para llegar al medio ambiente.
Si la resistencia es alta, es que hay dificultades para el calor generado en una pastilla de un componente, por ejemplo, un transistor o un circuito integrado, para llegar al medio ambiente, su temperatura aumenta, porque debería haber "mayor tensión" para que el calor salga, Ganando la oposición encontrada.
Vea que con el aumento de la "tensión" que en el caso es la temperatura, tenemos mayor "presión" y con esto aumenta el flujo de calor, por lo que viene un Instante se produce el equilibrio de la situación: la cantidad de calor generado es igual a la cantidad de calor transferido al medio ambiente.
En electrónica, debemos tener cuidado de que esto ocurra a una temperatura que no comprometa la integridad del componente.
Por ejemplo, el silicio utilizado en la mayoría de los dispositivos semiconductores como diodos, transistores y circuitos integrados no puede calentarse a una temperatura superior a 125 grados centígrados., llegando en algunos casos a 150 º C.
La mayoría de los componentes están equipados con recursos que facilitan la conducción del calor generado a su superficie y por lo tanto al medio ambiente.
Sin embargo, muchos componentes no tienen dimensiones suficientes para hacerlo solos, es decir, tienen una superficie de contacto insuficiente para que el calor generado pueda transferirse fácilmente.
Esto se debe a que uno de los factores que influyen en la transferencia de calor de un medio a otro es la superficie de contacto entre estos dos medios.
Los circuitos integrados de potencia consisten en ejemplos de esto.
Sus pequeñas dimensiones previenen más de unos pocos centenares de miliwatts y eventualmente algunos watts de potencia se convierten en calor y se transfieren (se disipan) al ambiente eficientemente.
¿Cómo obtener estos componentes para transferir al medio ambiente todo el calor generado para que su temperatura no suba más allá de los límites permitidos?
Teniendo en cuenta que el calor generado puede ser transferido al medio ambiente de tres maneras, irradiación, contacto y convección, tenemos las siguientes posibilidades:
a) contacto
Los metales son buenos conductores de calor. Así, el montaje de componentes electrónicos en contacto con superficies metálicas más grandes, siempre y cuando no haya contacto eléctrico, pero sólo térmico, ayuda en la transferencia de calor.
Por lo tanto, para los transistores de tamaño pequeño, de potencia media, MOSFETs, SCRs y los mismos circuitos integrados, una solución al problema de la transferencia de calor es montarlos contra una superficie metálica más grande, capaz de ayudar a absorber y transferir al medio ambiente el calor generado.
En la figura 4 tenemos una solución equipada para el caso de transistores de potencia media como el BD135 y TIP31 cuando no operan con su potencia máxima.
En este caso, ensamblamos el transistor en contacto con un área cubierta más grande de la placa de circuito impreso, que ayuda a absorber el calor generado, y como tiene una superficie más grande del contacto con el aire que transfiere este calor al ambiente.
Podemos decir que la placa de circuito impreso se puede utilizar como radiador de calor en este caso.
b) convección
El componente caliente transfiere calor al aire ambiente que luego se calienta.
El aire caliente es más ligero que el aire frío que te rodea y por lo tanto tiende a subir. Luego hay una corriente de aire caliente elevándose sobre el componente que "toma el calor" hacia arriba.
En aparatos de alta potencia es importante dejar los orificios de ventilación para que este aire caliente sea expulsado. A continuación, tenemos agujeros por debajo de donde el aire frío y los agujeros entran a través del aire caliente.
Podemos aumentar la capacidad de transferir calor al ambiente forzando la ventilación, que se puede hacer con la ayuda de un ventilador.
Esta característica es ampliamente utilizada en los equipos de alta potencia y fuentes de alimentación, o incluso en microprocesadores y microcontroladores que tienen ventiladores de enfriamiento que fuerzan la circulación de aire a través de los componentes de calefacción.
Incluso hay "micro ventiladores" (fans )que se pueden instalar sobre circuitos integrados y componentes especiales para ayudar a disipar el calor que genera, como vamos a vea más.
c) Irradiación
Parte del calor generado por cualquier cuerpo se irradia en forma de ondas electromagnéticas. Una buena parte de esta radiación está en la gama infrarroja y para su propagación no hay necesidad de un medio material.
Resulta que los cuerpos negros irradian mucho mejor calor que los cuerpos de otros colores.
Por esta razón, los componentes pintados en negro tienen una mayor capacidad de irradiación de calor que los equivalentes con cubiertas de color más claras, como se sugiere en la figura 6.
Ley de Joule
Cada dispositivo electrónico, que no presenta una resistencia cero, genera una cierta cantidad de calor cuando es atravesado por una corriente eléctrica.
En el caso de una resistencia, la energía eléctrica desarrollada que se convierte en calor es determinada por la Ley de Joule.
Lo que establece esta ley es que la cantidad de calor generado, o potencia disipada (medida en watts), es proporcional al producto de la corriente por la tensión en la resistencia, según la fórmula:
P = V x I (1)
Donde:
P es la potencia en watts (W)
V es tensión en volts (V)
I es la corriente en ampères (A)
Teniendo en cuenta que por Ley de Ohm que la corriente en un resistor es proporcional a la tensión en sus terminales o R = V/I, también podemos escribir a la Ley de Joule que:
P = R x I2 (2)
P = V2/r (3)
Muestra del Cálculo:
Calcule la potencia disipada por una resistencia de 10 ohm cuando está conectada con un generador de 12 volts.
Resolución: como tenemos la tensión y la resistencia, usamos la fórmula (3).
P = (12 x 12) /10
P= 144/10 = 14,4 watts
Puesto que el dispositivo de la resistencia es nula e ideal, no existiendo en la práctica, podemos decir que todos los dispositivos atravesados por la corriente en un circuito verdaderamente generan calor.
Así, los semiconductores de la potencia tales como transistores bipolares, MOSFETs, IGBTs, SCRs, triac, etc., en el estado de conducción generan calor.
Dado que no son perfectos, siempre presentando una cierta resistencia, la cantidad de calor generado dependerá de la intensidad de la corriente y de esa resistencia.
Como esta resistencia causa una caída de tensión en el dispositivo, podemos decir que la potencia generada es dada por el producto de esta caída de tensión por la intensidad de la corriente del LED.
El calor generado por los dispositivos debe disiparse de manera que no provoquen elevaciones de temperatura capaces de dañarlos.
A medida que estudiamos en los capítulos anteriores, todos los componentes semiconductores tienen límites de disipación y temperaturas máximas en las que pueden operar.
Esto significa que estos dispositivos, en condiciones normales de funcionamiento, no disipan el calor máximo que el fabricante prevé para una aplicación típica.
En tales casos, el dispositivo debe depender de recursos adicionales para disipar el calor generado, es decir, con disipadores térmicos.