Disipadores

DISIPADORES DE CALOR
Los elementos de circuitos de potencia, por ejemplo, algunos transistores y en nuestro caso, reguladores de voltaje, requieren conducir corrientes del orden de amperes y disipar potencias de varios Watts, y difieren en su estructura física, paquetes y especificaciones con respecto a los elementos de pequeña señal. Un cuerpo que conduce una corriente eléctrica pierde parte deenergía en forma de calor por efecto Joule. En el caso de semiconductores, esto se presenta principalmente en las uniones PN. En nuestro caso de la fuente de poder, utilizaremos reguladores de voltajes lineales, que si bien, son muy simples de usar, no son muy eficientes en el manejo de potencia, por lo que especial interés tendremos en diseñar mecánicamente nuestra fuente para podercontrarrestar esta ineficiencia del regulador.

Temperatura de Unión Los elementos de circuitos de potencia disipan grandes cantidades de ésta en sus uniones (entre colector y base por ejemplo entre el caso de un transistor). Esta potencia disipada en un espacio muy reducido se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unión de los semiconductores. Sin embargo, no debe permitirse que estatemperatura Tj supere el máximo especificado Tjmax, ya que de otra forma, el elemento podría sufrir daños estructurales permanentes. Entre estos daños podemos mencionar cambios a nivel de estructura atómica del semiconductor (fusión térmica de la unión), como también rompimiento de los contactos internos en el elemento, que por lo general son de oro. Para dispositivos de silicio, esta temperatura Tjmaxestá entre 150ºC y 200ºC, y se puede obtener en cada caso en las hojas de datos de los fabricantes (datasheets). Disipación de potencia y resistencia térmica Consideremos el caso de un regulador que opera al aire libre, es decir, sin dispositivos especiales para enfriamiento. El calor disipador internamente será retirado de las uniones hacia la caja del regulador, y de ésta hacia el ambiente. En unestado estable en que el regulador disipa PD watts, el calentamiento de la unión con respecto al ambiente está dado por la siguiente ecuación:

Donde θJA es la resistencia térmica entre la unión y el ambiente. Por la ecuación vemos que ésta resistencia tiene unidades de ºC/W. Este valor θJA está siempre especificado en las hojas de datos de los elementos de potencia y por lo general, también seespecifica en aquellos que son de señal, incluso en algunos chips con paquetes DIP. Podemos ver que mientras más chico el valor de la resistencia térmica, mayor puede ser la potencia que disipa el elemento con la misma diferencia de temperatura entre unión y ambiente. Este proceso de conducción térmica es similar al de conducción eléctrica dado por la ley de ohm V=R*I. (se deja al lectoridentificar y relacionar los términos).

Circuito eléctrico equivalente del proceso de conducción térmica

EJEMPLO: Consideremos el siguiente circuito con un regulador de voltaje

Bajo el supuesto de que no circula corriente por el pin 2 del regulador (por lo general es una corriente del orden de 5mA), tenemos que en la entrada de éste hay un voltaje de 12 V y a la salida 5 V, y una corriente de 1 Acirculando entre el pin 1 y el 3. Esto significa que el regulador tiene que disipar una potencia de:

Según la hoja de dato, la resistencia térmica del regulador 7805 para un paquete TO-220, es de θJA =50ºC/W. Por lo tanto, considerando una temperatura ambiente de 25ºC, la temperatura en la unión está dada por:

Lo cual es mortal para el regulador. Debemos por lo tanto, reducir la resistenciatérmica de alguna forma para evitar que la temperatura de unión alcance su temperatura máxima de150ºC. Diferentes paquetes y disipadores de calor Vimos que en un elemento, la resistencia térmica entre la unión y el ambiente es de vital importancia, y que el diseñador se debe preocupar de reducirla de alguna forma. Esta resistencia se puede expresar como:

Donde θJC es la resistencia térmica...