DiseotrmicoMuchosaficionadoselectrnicoscarecendelosconocimientosnecesariosparagestionaradecuadamentelosproblemastrmicosdesusproyectos.Mitosurbanosestnalaorden,comolaedaddeedad,perototalmenteabsurdaregladiciendoque"sisepuedetocarsinmolestias,latemperaturaesseguro".Comoconsecuencia,susproyectosdedispositivosdeenergamsaltostiendenaserpocofiables,ycausarmuchodolorydaoavecescostoso,ascuandounafuentedealimentacinlinealsoplasustransistoresdepasoyaplicaunasobretensinenelequipoconectadoal.

Enesteartculo,voyatratardeensearlelosconceptosbsicosacercadecmohacerlascosasbien,ymantenerloscircuitosenfren.

Calificacionesdecomponentes

Muchosaficionadoscreenerrneamentequeuntransistorclasificadopara100vatiosenrealidadsepuedeutilizara100vatios.Apesardelaapariencialgicadeverdaddeestaidea,pordesgracia,noescierto!Bueno,podraserverdad,situvierasalgunamaneramgicaparamantenerelcuerpodeltransistoraunatemperaturadenomsde25C,queeslacondicinparalaqueseaplicalacalificacinde100vatios!Enlaprctica,lanicamanerademantenereltransistorqueenfreestaraviviendoenelrticoenunacasasincalefaccin,omedianterefrigeracincriognicaoPeltier.Todosestosmtodossonbastantepocoprcticoparaelequipoelectrnicocomn,yasnuestrostransistoresseejecutarnmscalienteque25C,loquesignificaquenovanasercapazdedisiparsupotencianominalcompleta.

Otroerrorcomnhechoestsuponiendoquelapotenciadeunapequeaparte,noheatsinkedaplicasloparalapartesola.Enverdad,undiodorectificadornominalde3Aenrealidadvaasobreviviresacorrienteslosiseheatsinkedatravsdesusterminales,queestnhechasdealambredecobregruesoparaexactamenteesepropsito!Siconectaquediodoparaalambresfinosenvezdeunapartegrandeheatsinkingdemetal,novaavivirmuchotiempo.Hablandoderectificadores,muchaspersonaserrneamentecalcularlaprdidadepotenciaenundiodobasadoenunacadadetensinde0,7Vparadiodosdeunindesilicioy0.4VparaSchottkies.Enverdad,ensuvaloracinactualcompleta,lacadadetensindediodosdesilicioseparecemsa1.2V,yeldeSchottkieses0,6a1V!

Porlotanto,valelapenaleerlasespecificacionesdetalladasdeunaparte,entender,yextraerlainformacinrealmenteimportanteparasuproyecto.

Cmoelcalorsemueve

Hayunatendencianaturalenlanaturalezadelascosasparaequilibrarybuscarunestadodeuniformidad.Unadelasconsecuenciasesqueelcalorlegustadeambulardemscaloralaszonasmsfras.Lohacemediantedosmecanismos:conduccinyradiacin.Conduccinconfluidostambinesayudadoporconveccin.

Laconduccineselmssimpledeentender.Aligualquelaelectricidadfluyeatravsdeunconductorelctrico,laresistenciaelctricadelconductorprovocandounacadadetensinproporcionalalaresistenciaylacorriente,elcalorpuedefluiratravsdeunconductortrmico,consuresistenciatrmicaprovocandounacadadetemperaturaproporcionalalaresistenciatrmicayflujodecalor.LaresistenciatrmicaseespecificaenKelvinporvatio,loquesignificaqueunconductortrmicode,porejemplo,2,5K/Wcausarunacadadetemperaturade5K(queeslamismaqueunagotade5C)cuandounapotenciatrmicade2Westfluyendoatravsdel.

Cuandosellevaacabodecalorenunfluido,talcomoaguaoaire,yluegoconveccin(movimientodelfluido)ayudaalmovimientodecalor.Muypocaspalabras,cuandoellquidosealejadelazonacaliente,llevaalolargodelcaloracabaabsorbido.Porlotanto,laconduccintrmicaatravsdelfluidoesayudadomuysignificativamenteporelmovimientofsicodelamisma.

Estaconveccinpuedeserforzado,porunventiladorporejemplo,opuedesernatural,basadoenelhechodequelamayoradefluidosseexpandencuandoelcalentamiento,lareduccindesupesoespecficoyporlotantoselevantan,provocandounflujoverticalatravsoalrededordeldispositivocaliente.

Laradiacinnorequiereunmedio,yportantoeslanicaformadetransferenciadecalorquefuncionainclusoenelvaco.Cadaobjetoirradiacalorycapturasirradiabacalor.Laradiacindependedelatemperaturaabsolutadelcuerpo,yensucolor!Cuantomayorsealareflectividad,menoreslaradiacin.As,uncuerpocompletamentenegroproduceunaradiacintrmicaquesepuedecalcularfcilmenteapartirdesutemperaturasolo,mientrasquelosobjetosmsbrillantesirradianmenosydebenserevaluadosdeacuerdoasusuperficie.Unespejoperfectonopuedeirradiarcalor,inclusocuandohacemuchocalor.Peroenlaprcticanohaymaneradehacerunespejoqueesperfectoentodoelespectroelectromagntico,desdeDCalosrayoscsmicos,porloqueenlaprctica,todoslosobjetosseirradianalgodecalor.Anas,entrepinturanegromateyaluminiopulidohayunaenormediferenciaenlaradiacintrmica!

Elcolordelasuperficietambininfluyeenlacantidaddecalorirradiabauncuerpopuedeabsorber.As,uncuerponegrotambinserunmejorreceptordecalor,porloquemuchaspersonasquevivenenclimasclidosprefierencochesblancosbrillantessobrelosmsoscuros.

Laecuacintrmica

Enlamayoradesituacionesqueinvolucrancomponenteselectrnicosdealtapotencia,tenemosunaconfiguracinmuysencillatrmica:Unapequeapiezadesilicioproduceunagrancantidaddecalor.Estecalorsellevaacaboatravsdelacarcasadelaparte,quetieneunaresistenciatrmica.Entoncesvadesdelacarcasaaundisipadordecalor,avecesatravsdeunacapadeaislamientoelctrico.Estesaltodelaparteparaeldisipadordecalortambintieneunaciertaresistenciatrmica,queesmayorcuandoseutilizaunaislamientoelctrico.Entonces,eldisipadordecalortieneunapequearesistenciatrmicainterna,demodoquesusaletassernligeramentemsfraquelasuperficiedemontaje.Finalmente,eldisipadordecalorensuconjuntotieneunaciertaresistenciatrmicaalairecircundante,quedependefuertementedeconveccin,aireforzado,laaltitudsobreelniveldelmar(airemsdelgadoesunconductordecalorpeorypuedellevarmenosdecalorporconveccin),laradiacin(elcolorylaproximidadaobjetoscalientesofrossonimportantes),yalgunosotrosfactores.

Aligualquelaresistenciaelctrica,laresistenciatrmicasepuedecolocarenserie,enparalelo,oencombinaciones,ylasmismasecuacionesseaplicancomoparalaresistenciaelctrica.

Haciendoundiseo

Enestaseccinvoyaasumiralgunosvaloresprcticosparaunproyectoficticioquemuchaspersonaslesgustaconstruir:unserviciocontinuo,13,8V,fuentedealimentacin20Aquetieneelpasetransistoresmontadosconaislamientoelctrico.

Ustedprimeronecesitasabercuntaenerganecesitaserdisipadaenformadecalor.Parasimplificarlascosas,vamosaconsiderarslolostransistoresdepasoporahora.Lapotenciadisipadasecalculalacorrientedesalidamultiplicadoporlacadadetensinenlostransistoresdepaso.Esteltimovalorcambiaconcondiciones,porloquedebenasumirlascondicionesdelpeorcasoparaestarseguro.Sisufuentedealimentacinestdiseadaparaunatensinsecundariafiltradademedia20Vplenacarga,loqueseratpico,puedetenerhasta22Vcuandoelvoltajedelalneaesdeaproximadamente10%porencimadelnominal.Porlotanto,usteddebeasumir22V.Elvoltajeaplicadoalostransistoresesesto,menoslatensindesalidade13,8V,porloquetieneunacadadevoltajede8.2V,quemultiplicapor20Aesde164vatios.

Tambinhayunapequeapotenciadisipadaporlaunidaddebase,peroestosueleserlosuficientementepequeocomoparaserignorado.Dependiendodeladisposicindecircuito,enrealidadlaunidaddebasepodraserlaadicinalacorrientedesalida,peroconunamenorcadadetensin,reduciendoasladisipacin

totaldeunpocodelvalorcalculado.Pero,denuevo,esteefectoeslosuficientementepequeoparaserignorado.Lastoleranciasdediseocomenparaarriba.

Ahoraloquenecesitasabercuntodescensodelatemperaturasepuedepermitir.Estaesladiferenciaentrelatemperaturapermisiblemsaltodelaunindesilicio,ylatemperaturaambiente.Siliciogeneralmentepuedetolerarhasta150C,porloquesielfabricantenoindicaunvalordiferente,utiliceste.Elotroextremodelaextensinnoestanfcildedecidirsobre:Enunahabitacinconaireacondicionado,coneldisipadordecalordepiealairelibre,esposiblealejarsesuponiendo25C,peroenmuchoscasosseencuentranlosambientesmsclidos.Porloquedebedecidirculserellmitedefuncionamientoadmisibledesuproyecto.Sieldiseode60C,debeserbastanteseguro,inclusoenlugaresmuycalientes,amenosqueustedestdiseandounsistemaquetendreldisipadordecalordentrodelacaja,dondeelairepodraseranmscaliente.

Paraelusonormalenelhogar,porlogeneraldediseoparaunatemperaturaambientemximade40C.Cuandoesmscalientequeeso,yoprobablementenoestarusandocualquierequipoelectrnico,sinomsbienestaratratandodesobreviviralaoladecalorenlapiscinaoladucha!

As,entreel150C,elsiliciopuedesobrevivir,yla40Cdelaambiente,quetienenunavidade110C,o110K,queeselmismo.Puestoquenecesitamosparadisipar164W,necesitamosunaresistenciatrmicatotaldenomsde0.67K/W.Ahoravamosavercmopodemoslograrlo.

Megustaeltransistor2N3055.Esbaratosuciedad,hechapormuchasfbricas,disponiblesentodaspartesenelmundo,ymuycapaz.Estclasificadopara115Wa25C,loquesignificaquesuresistenciainternaesdeaproximadamente1.1k/W(115Whacerqueelchipdesilicioparaestara150Ccuandoelcasoesa25C).EltransistorvieneenunacajaA3,queesbastantegrandeyporlotantotienerazonablementebajaresistenciatrmicaparaeldisipadordecalor.

Cuandoseusagrasaconductoradecalorentrelassuperficies,uncasoA3paracalentarconexinfregaderotieneunaresistenciatrmicadeaproximadamente0,4k/W.Perocuandoseutilizaunaisladordemicaentrelosdos,haydosinterfacesdegrasa,ademsdelamica,porloquelaresistenciatrmicatotaldelaconexinsubeaaproximadamente1K/W!Malasnoticias...

Enresumen,laresistenciatrmicadelchipdesiliciodeuntransistor2N3055,aldisipadordecalor,incluyendoelaislamiento,serdeaproximadamente2.1K/W.

Ahoratenemosqueequilibrarelnmerodetransistoresdeutilizar,enfuncindeltamaodeldisipadordecalor.Ponertransistoresenparaleloreducelaresistenciatrmicatotal.Elnmeromnimoabsolutodetransistoressera4,yaqueinclusocontrestodavatenemosmsresistenciatrmicaenlostransistoresyelcalordemontajequeeltotaladmisibledefregadero.Perocon4transistores,laresistenciatotaldechipadisipadortrmicoser0.525K/W.Yaquepodemostoleraruntotalde0.67K/W,estodeja0.145K/Wparaeldisipadordecalor.Ahora,elproblemaesqueundisipadordecalordeestaresistenciatrmicabajaseraenorme,pesadoymuycaro!

Usandomstransistores

Ahoravamosaverqupasasiusamos6transistoresenlugarde4.Suresistenciatrmicaparalela,incluyendomontaje,habr0.35K/W.Estodeja0.32K/Wparaeldisipadordecalor.Yaves,acambiodeutilizardostransistoresmssepuedeutilizarundisipadordecalormuypequea!Estopuedeserunagranventajadecostos,yaquelostransistores2N3055sonbaratos,ymuygrandesdisipadoresdecalorsoncaros!

Sitegusteste,esposiblequedeseeutilizarundisipadordecaloranmspequeo.Supongamosqueustedtieneundisipadordecalornominalde0,5K/W.Estodejara0.17K/Wparalostransistores.En2.1K/Wcadauno,ustednecesitaraunos12deellos.Probablementeestoyanoesrentable,ylamejorsolucindecompromisopuedeestarusandounos8transistores,conundisipadordecalor0,4k/W.

Elusodetransistoresmspotentes

Mesalemuchocorreoelectrnicodelaspersonasqueproponenlagranideadeutilizarunmenornmerodetransistoresdealtapotenciaenlugardems2N3055s.Porejemplo,el2N5886serauncandidato.Estclasificadoen250vatios,msdeldobledel2N3055.As,lagentederaznquepuedenutilizarlamitaddelacantidaddeellos.Pordesgracia,esoesincorrecto!

Untransistor250Wtendraunaresistenciatrmicade0,5K/W.Perolaresistenciatrmicadesumontajeparaeldisipadordecalorseraexactamenteelmismoqueparael2N3055,dadoqueutilizanelmismocasoA3!Porlotanto,laresistenciatrmicatotalparacadatransistorademsmontarseran1.5K/Wparaeltransistor250vatios,frente2.1K/Wparael2N3055.Ustedobtienesloel40%deventaja,noelesperado117%!Comoresultado,enlugarde82N3055ustedpodrautilizar62N5886,queserenormementemscaro!Siutilizaslo4deellos,coneldisipadordecalor0,4k/W,vanaquemar.

Evitarelaislamientoelctrico

Volvamosalenfoqueutilizando2N3055transistores.Perovamosasaltarelaislamientodemica!Estosepuedehacermedianteelaislamientodeldisipadordecalordelacaja,odiseandoelcircuitodetalmaneraqueloscoleccionistasdetransistoresestnaniveldelsuelo,queesloquehiceparami13.8V,fuentedealimentacin20A.

Omitiendoelaislamientoahorramosaproximadamente0.6K/Wenlatrayectoriatotaldesiliciodedisipadordecalor.Porlotanto,elmontadodirectamente2N3055terminaconaproximadamente1.5K/Wtanbuenocomoel2N5886muchomscarocuandosemontaconelaislamiento!As,6montadodirectamente2N3055enundisipadordecalor0,4k/Wfuncionara.

Ustedpuedepreguntarseporquheutilizadoslo4transistoresenelproyectoseacabademencionar?Bueno,queutilizaundiseodereguladordecadamuybajayuncondensadordefiltrogrande,quepermitenreducirlamediafiltradatensinsecundariaaaproximadamentenominalde18Vo20Vpeordeloscasos.Esoledaacercadeladisipacinde120Wparalostransistoresdepaso,quepuedensermanejadasporslo4deellos.Peroentoncesusteddebeagregarelcalorproducidoporelconductoryelpuenterectificador,elcualtraeacolacineltotalaunos200W.Porlotanto,todavasenecesitaunmuygrandisipadordecalor,siquieresserviciocontinuoa20A!

Ustedpuedeinclusopreguntarseporquempresasderenombrehacen13.8V,fuentesde20Asuministrosquetienenslodostransistoresdepasoenunlugarpequeodisipadordecalor.Esoesmuysencillodeexplicar:Estasfuentesdealimentacinestnnodiseadosparaelserviciocontinuoa20A!SesuelenutilizarparatransceptoresdeSSB,yporloqueestnclasificadospara20Apicoactual,mientrasqueelpromedioactualnosersuperiora56A!Esopuedeserfcilmenteadministradocondosotres2N5886s2N3055s.

Resumiendo:

Nolucharporlabajacantidaddetransistores.Elusodemsdeellospermitedisipadoresdecalormuchomspequeos,ycomounbonodarhefectivamayorFE.Tratedeevitarelaislamientoentrelostransistoresydisipadordecalor.Utilicesiempregrasadetransferenciadecalor.Transistoresmspotentesayudan,peronolosuficienteparajustificarsucostomuchomsalto.Hagausodetransistoresconcasosgrandeslosmspequeostienenunamayorresistenciaacasoporeldisipadordecalor!Y,sobretodo,asegresedecalcularcorrectamentetodoloqueimplica.

Materialdeldisipadordecalor

Lamayoradelosdisipadoresdecalorestnhechosdealuminio.Perohaygrandesdiferenciasentrelosdiferentestiposdealuminio!Yelcobreesmejorparalaresistenciatrmicaporvolumen,peroelaluminioesmejorparalaresistenciatrmicaporpeso(yprecio).Avecesesmejorpintarlonegro,yavecesno.Confundido?:)

LaconductividadtrmicasemideenW/(m*K).Esaeslacantidaddeenergadecalor,medidaenvatios,fluiratravsdeunbloquecbicode1metroencadalado,cuandoladiferenciadetemperaturaentredossuperficiesopuestases1K.stossonalgunosdelosvalores:

Laplatapura:418.7cobrepuro:372.1aluminiopuro:209.3duraluminio(eltipocomnmenteutilizadoparaextrusionesytubos):129,1Latn:Aproximadamente100,dependiendodelaexactaaleacindeacero:Aproximadamenteel50,dependiendodelaaleacindeMica:0,35Grasa:0,21Materialaislantetalescomolanamineral:Normalmente0.03Anaire:0.022(peroconveccinhacequeestairrelevanteenlamayoradeloscasos)

Estatablamuestralaenormevariedaddeconductividadtrmicaquepuedeencontrar.Mientrasquelaplataeselganador,suconductividadnoeslosuficientementebuenocomoparajustificarsuusoparalosdisipadoresdecalor,yaqueelcobreescasitanbuenoymuchomsbarato.Peroentreelcobreyelaluminiounotieneunaeleccin:Elcobreesmuchomejor,perotambinmuchomspesadoymscaro.Laeleccingeneralesutilizarelaluminioparalaspartesgrandesdeundisipadordecalor,yunpequeocobre"spreader"entreeldisipadordecalorycomponentesfsicamentepequeasqueproducenmuchocalor,talescomotransistoresdepotenciadeRF.Loscasosdetransistoresporlogeneralestnhechosdecobretambin.

Estclaroqueduraluminioesunamalaopcin,dadoquepuroaluminio,blandoesmsbaratoytienemuchomejorconductividaddecalor!Desafortunadamente,muchosdisipadoresdecalordisponiblescomercialmenteestnhechosdeduraluminio.Avecestenemosquevivirconellos.Perotodoslosdemsmetalesdebenserevitados.

Micaesunconductordecalorrealmentehorrible!Elproblemaesqueunosaisladoreselctricossonbuenosconductorestrmicos.Entreellos,algunosxidos,comoelxidodealuminioyberilio,sondecentes.Peroellossonfrgiles,bastantecaroparahacerutilizablesenaisladores,yenelcasodeberilia,altamentetxico.Elcauchosintticoseutilizahoyendaenellugardelamica,peroesanpeor.Suventajaesquenonecesitagrasatrmicaparaelmontaje,porloqueelefectofinalessimilaraunaislantedemicamontadocongrasa,peromslimpio.

Hablandosobrelagrasa,elnmerodadoaquesparalagrasapura.Elqueseutilizaparalaunintrmicaestcargadoconpolvodexido,loquehacequeseaalgomejorparalatransferenciadecalor,peroestodavamuylejosdelaconductividadtrmicadelmetal!Aunas,esmuchomejorqueelaireenorme.Estodefinelaformacorrectadeusarlo:Usteddebeaplicarsuficienteparallenartodoslosespaciosdejadosporlasimperfeccionesdelassuperficiesmetlicas,quedeotromodoatraparelaire,peronounpocoms!Usardemasiadograsatrmicapuedeserpeorqueelusodeningunoenabsoluto!Ylagrasadebeserlosuficientementefluidaparaserfcilmenteexpulsadosalapretarmoderadamentelostornillosdemontaje,yelpolvodexidodebesermolidamuyfinamente.

Elcolordeldisipadordecalor

Sieldisipadordecalorfuncionarenelflujodeairedeunventilador,lacontribucindelaradiacinserextremadamentepequea,encomparacinconelefectodelaconduccin.Porlotanto,lomejoresdejarelaluminiodesnudo,comocualquiercapadepinturanegro,consumenorconductividadtrmica,obstaculizarlaconduccindecalorapartirdealuminioalairemsdeloquepuedeayudarmedianteelaumentodelaradiacin.

Porotrolado,sielcerrojoasustransistoresparaelpanelposteriordeunacaja,portodoslosmediospintaresepanelnegroplano!Unpanelplanosedisipamscalorporradiacinqueporconduccin,yaquunasuperficieplananegroayudamucho!Peroayudaslosisemiraaotrosobjetosquesonoscuras,ymsfroqueelpanel,osiseveenelespaciolibre.Sicolocaundisipadordecalortalesnegroenelsol,absorbercalorenlugarderadiante,yhacermuchocalor!Delmismomodo,lacolocacindeundisipadordecalornegrodentrodeunacajadealuminiobrillanteesintil,porquesucalorirradiadoreflejardenuevoensmismo.Poresarazn,pintarelinteriordecajasdealuminioplanasnegrodemasiado,demodoquelasparteselectrnicasdentrodelacajapuedenenfriarasmismosporlaradiacinenlacajadealuminio!

Quieresotramesa?Bueno...aquesunosobrelaconstantederadiacindediferentesmateriales.Estoseexpresaen(108)W/(m2K2),a20C.

Perfectcuerponegro:5,675.4:Aceroenmaraadozincenmaraado:5.3(!poresotechosdezincseponentancalienteenelsol)oxidadodecobre:3,6cobrepulido:0,28dealuminioenmaraado:0.4(poresotechosdealuminiosonmuchomsfrescoenveranoqueelzincunos)!aluminiopulido:0.23platapulido:0.17

Hayunpatrnsimple:Brillante,superficiesdeluzemitenycaptanmuypocaradiacin,mientrasquelassuperficiesrazonablementeoscuros,especialmentesienmaraado,sonradiadorescasiperfectasycaptores.

Tamaodeldisipadordecalor

Eltamaodeundisipadordecalor,obviamente,esunfactordeterminanteparasuresistenciatrmica.Asquelapreguntamstpicadeundiseadortieneenestaetapaes:Qutamaodedisipadordecalornecesito?Pordesgracia,larespuestanoessencilla,porquelaresistenciatrmicatambinseveafectadaporlaformadeladisipadordecalor,porlaformalibrementeelairepuedacircularatravsdel,yporladiferenciadetemperaturaparaelairealaquesetendrquetrabajar.

Tepuedodarunaecuacinempricaqueestsobreladerechaparaundisipadordecalorenformaptimaenelairecompletamentelibre,corriendoa50Cporencimadelairecircundante:

Disipadorvolumen(litros)=0,8/resistenciatrmica1,47

Amododeejemplo,siustednecesitaunaresistenciatrmicade1C/W,loqueequivaldraaunvolumendisipadorde0,8litros,mientrasqueundisipadordecalordelamitaddelaresistenciatrmicarequeriraunvolumende2,2litros,muchomsqueeldobledelavolumendelaotra!Loquenosllevaalaconclusindequevariosdisipadorespequeospuedensermsconvenientequeunsologrande.Porsupuesto,estoesciertoslosisecolocanlosuficientementelejoselunodelotro,demodoqueelairefropuedacircularlibrementeatravsdecadaunodeellos.

Recuerdequeestaecuacinempricaesrazonablementeexactaslosieldisipadordecalortienesuficientesaletaseficientementeusandosuvolumen,sielairepuedacircularlibremente,silaconductividadtrmicadelmaterialestanbuenoquenohaycadadetemperaturainsignificantealolargodeldisipadordecalor,ytambinesvlidasloenladiferenciade50gradosentreeldisipadordecaloryelaire.As,eldisipadordecalor0,8litrossecalentarahasta50gradossobreel

Textooriginal

Thiseffect iseasy toexplain: If the temperaturedifference is twiceashigh,eachquantityofairabsorbstwicetheheat,butalsotheairwill flow twiceas fast,so that itwill takeaway four timesasmuchheat.

Sugiereunatraduccinmejor

ambientecuandoseaplica50vatiosaella,perosiseaplica25vatios,quesecalentarmsde25gradossobreelambiente,ysiseaplica100vatios,quesernollegara100Cporencimadelambiente!Expresadoenpalabras,laresistenciatrmicadisminuyeamedidaqueaumentaladiferenciadetemperatura,debidoaquelamayordiferenciadetemperaturaaceleralaconveccin.Yestecambioesbastantegrande:Larelacinentreelectricidadaumentodelatemperaturaalaleyescasicuadrada,esdecir,coneldobledeladiferenciadetemperaturadeundisipadordecalordadapuededisiparcuatrovecesmspoder!

Podemoscombinarlarelacincuadrticaconlaecuacinquerelacionaelvolumenalaresistenciatrmicaa50gradossuben.Lossiguientesresultados:

TempRise[C]=10*(0.8/Vol[litros])0,68*Potencia[W]0,5

Porlotanto,undisipadordecalorquetieneunvolumendemediolitroyquellevauntransistorqueproduce50vatiosdecaloraumentarasutemperaturadeaproximadamente97Cporencimadeladelairecircundante.Lomsprobableesqueestoseraunatemperaturademasiadoalta,porloquetenemosqueutilizarundisipadordecalormsgrandeoaadirunventilador.

Peronotomeestocomounacienciaexacta.Aaltasvelocidades,laprdidaporfriccinnuevodoblalaecuacin,ylosefectosderadiacintambindistorsionan.Porlotanto,misecuacionespuedendarleunabaseapartirdelcualsepuedeempezar,peroenmuchoscasossetendrnqueajustarlosresultadosatravsdeexperimentos.

Aficionados

Obligaraunflujodeairerpidoatravsdeundisipadordecalor,medianteelusodeunventilador,esmuyeficazenlareduccindesuresistenciatrmicaeficaz.ConelbajocostodelosaficionadosdehoydeCCsinescobillas,impulsadaporlaindustriadelacomputacin,porlogeneralesmsbaratoutilizarunpequeodisipadordecalorconunventilador,enlugardeunagrande,sinventiladorunaproduccindelamismaresistenciatrmica.Perolaeconomanodebeserlanicaconsideracin:Losaficionadosnecesitanenerga(residuos),causarruido,lavibracinypuedenfallar.Undiseosinventiladorhacecorrectamentesuelesermscaroymspesado,peromsfiable,eficienteenergticamenteymuchomscmodo.Cadadiseadordebesopesarlosmritosrelativosdeambosenfoques.

Cuntofanreducirlaresistenciatrmica,ustedpuedepedir?Paraaveriguarlo,construundisipadordepruebadecobrepuro,delvolumendedoslitros,yconcasiunmetrocuadradodesuperficiedealeta.Estomediounaresistenciatrmicadeaproximadamente0,5C/Wa50Cdediferencia.Luegoheaadidounpequeoventilador12V,1Waella.Laresistenciatrmicasedesploma0,13C/W!Ahoramsseviolimitadaporlaconduccinalolargodelaplacabase,queporlascapacidadesdedisipacindelasaletas.Loquesignificaqueundisipadordecalorconaletasgruesas,diseadoparaserutilizadoconunventilador,beneficiaramsdeunoconaletasdelgadas,diseadasparalaconveccinnatural.Tengaencuentaqueparaobtenerlamismaresistenciatrmica0,13C/Wconundisipadordecalorsinventilador,necesitaraunvolumencalculadodealrededorde16litros,siendoporlotanto8vecesmsgrandequeeldefan!

Conunventilador,elflujodeaireesbsicamenteconstante,porloquelacombinacindedisipadordecalor/ventiladortieneunaresistenciatrmicabastanteconstante,independientementedeladiferenciadetemperatura.

Chimeneas

Estemtodoparamejorarlarefrigeracin,muyconocidoenlosdasgloriososcuandoradiosutilizantecnologadevlvulas,hasidomuydescuidadoenlasltimasdcadas.Perosiguesiendounaopcinvlida!

Unachimeneaessimplementeuntubodeaislamientotrmicocolocadoporencimadeldisipadordecaloropartecaliente.Elairecalienteseeleva,llenalachimenea,ylaaltacolumnadeairecalienteproduceunafuerzaconvectivafuerte,fluyedemaneraquemuchomsaireatravsdeldisipadordecalor,quesinohabachimenea!Sinuno,sloelaireenelinteriorymuycercadeldisipadordecalorprovocaunafuerzaconvectiva.Conunachimenea,ustedpuedetenerunacolumnadeairecalientemuchomsaltoqueeltamaodeldisipadordecalor,ydeestemodoconseguirmuchorefrigeracinmejoradosinningnruido,elderrochedeenerga,niriesgodefallos!

Lanicadesventajadelaschimeneasesquenecesitansermsaltoparasermseficaces.Paraalcanzarrealmenteunaeficaciasimilaraladeunventilador,unachimeneapuedenecesitarsercasitanaltacomolahabitacinesalta!Esopuedeparecerextrao,perosquelagentetanhartosconelruidodelosaficionadosdesuequipo,quehanexpulsadoalosfanseinstaladoaltaschimeneasensusordenadores!Siustedtieneelespacioynolesimportaelaspectodivertido,unachimeneapuedesermuchomsatractivoqueunventilador,porlomenosparalosequiposquenosemovacondemasiadafrecuencia.

Unelementocalentadorcolocadobajoenlachimenea,justoporencimadelaparteaserenfriado,ayudaralaeficaciadelachimenea,sinningunapenalizacinenruido,peroconungrandesperdiciodeenerga.Enalgunoscasos,estemtodopuedesergarantizado!Elcalentadordebeserinstaladodetalmaneraquenoirradiacalorenlaparteaserenfriado.

Cuntoairequesenecesita?

Elairetieneunacapacidadtrmicadepocomsde1kJ/(kgK)atemperaturaambientehabitual,loquesignificaquelaaplicacindeunaenergadecalordepocomsde1000Joulea1kilogramodeairehacesuaumentodetemperaturapor1Kelvin.UnJouleesunovatiosduranteunsegundo.Porlotanto,paranuestroejemplodefuentedealimentacindisipar164W,sideseaqueelaireparasalirdeldisipadordecalorsinmscalienteque5Kporencimadelatemperaturaambiente,esnecesariosoplarunos32gramosdeaireatravsdeldisipadordecalor,encadasegundo.Aniveldelmar,elairepesa1.293gramosporlitro,porloquenecesitaunflujodeairede25litrosporsegundo,o1,5metroscbicosporminuto.Amayoraltitudquenecesitaunmayorvolumendeaire.Estosrequisitosprobablementeequivaldraaunventiladormoderadamenteruidoso.Siutilizaunamspequea,elaumentodelatemperaturadelairesermayor,loqueafectadirectamentealaresistenciatrmicaefectivadeldisipadordecalor.Sinunventilador,elflujodeairesermuchomenor,elaumentodelatemperaturamuchomsalta,ylaresistenciatrmicadeldisipadordecalorserbastantealto.

Refrigeracinporagua

Elaguatieneunacapacidadtrmicade4,183kJ/(kgK).Esoesnoslomsde4vecesmejorqueelaire,sinotambinelaguaes773vecesmsdensa,loquesignificaqueelvolumendeaguarequeridoparaenfriaralgoesmsde3000vecesmenorqueelvolumendeaire!Esporesoquecasitodoslosdispositivosquegeneranunagrancantidaddecalorenunespaciopequeo,comolosmotoresdeautomviles,utilizanrefrigeracinporagua.Elaguapuedesercanalizadodedistancia,ydansucalorfueraalaireenunintercambiadordecalor,errneamentellamado"radiador"enlajergadelcochedelmecnico.

Larefrigeracinporaguaesatractivotambinparalaelectrnicadealtapotencia.Nuestrafuentedealimentacindelamuestrapodraserconstruidoconlostransistoresmontadosaunpequeobloquedecobrehuecoalimentadoporunflujodesloalrededordeunmediolitrosdeaguaporminuto,paraelmismo5Ksubida!Unamuypequeabomba,hechaconunmotorbasculanteounsolenoideempujandocontraunamangueradesilicona,podrasuministrareseflujo.Elintercambiadordecalorpuedeserconstruidocomouncoche"radiador",ypuestoquesepuedehacergrandesinelproblemadelaresistenciatrmicaquedificultaelflujodecaloralolargodeella,unsistemaderefrigeracinmuysilenciosoyeficazpuedeserconstruida.Transmisoresdealtapotenciamuyamenudoutilizanrefrigeracinporagua.

Esteefectoesfcildeexplicar:Siladiferenciadetemperaturaesdosvecesmsalto,cadacantidaddeaireabsorbeeldobledecalor,sinotambinelairecirculardosvecesmsrpido,porloquetomardistanciacuatrovecesmscalor.

Tubosdecalor

Otraformaderesolverelproblemadelaconduccindecaloresporelusodelosllamadostubosdecalor.Estossonsimplementeselladostubosdemetal,parcialmentellenosconunlquidoqueseevaporaaunatemperaturaconveniente.Cuandoeltransistorestmontadoenestetubo,elcalorseevaporaellquido.Elvaporfluyealolargodelatuberaysecondensaenelotroextremo,enelqueeldisipadordecalores.Ellquidofluyedevueltaalextremocaliente.Untubodecalordeestetipoesmuchomseficazeneltransportedecalor,queunabarradecobreodealuminiodepesosimilarpuedeser.Perotieneciertasrestriccionesenposicindetrabajo,yelrangodetemperatura.Ellossoncomnmenteutilizadosenlatecnologaespacial,yloshevistoutilizadoenalgunosamplificadoresdeaudiodegamaalta.Paraelaficionadoelectrnica,queprobablementesonunpocodemasiadoextico!

Loscomponentespequeos

Noesprcticoparaatornillarcadapequeocomponenteaundisipadordecalor.Ypartesmspequeasfuncionanaunapotenciaqueeslosuficientementebajocomoparaquesemantenganfrescossimplementeporconveccindeairealrededordeellos,laradiacindelaparteaotraspartesylacaja,ylaconduccinatravsdelospinesdeldispositivo.Peroconlaspartesseejecutaunpoderpocomsalto,porlogeneralunmedioaunospocosvatios,losaficionadossuelenejecutarenproblemasdediseotrmicoinadecuado!UnodeloserroresmsqueridosunacrecienteICsenloszcalos.Eviteloszcalos,comolapeste!!!NosloaislartrmicamenteelCIdelaplacadecircuitoimpreso,haciendocircuitosintegradosdepotenciamsaltossesobrecalienten,sinotambindequecausenproblemasdecontactointerminables,agreginductanciaqueconducealainestabilidad,ICssimplementecaerfueradeellos,yassucesivamente.

Uneficazinclusosielmtodofeoparamejorarlarefrigeracinespintarpartesbrillantesplananegro,yhacerlomismoconelcuadro'dentroyfuera!Elenfriamientoradiativoobtenidadeestamaneraesmuynotable!

Ungraveerrorcompartidoporlosaficionadosconmuchosdiseadores"profesionales",escolocarpequeoscondensadoreselectrolticoscercadelospuntoscalientes.Esciertoquelossemiconductoresnolesgustaelcalor,peroloscondensadoreselectrolticoscomoanmenos!A100C,uncrucedesiliciopuedevivirparasiempre.Alamismatemperatura,uncondensadorelectrolticopuedemorirencuestindehoras!Uncondensadorelectrolticotpicapuedevivirdurante30aosatemperaturaambiente,unaoa60C,unmesa85C,yunahoraa110C.Amenudoestnclasificadosparaunatemperaturadada,tpicamente85C,queeslatemperaturaalaquevanavivirdurante1000horas.Porsupuesto,1.000horasnoesunlapsolifqeaceptableparauncomponenteelectrnico,porloqueeldiseadordebeasegurarsedequeelcondensadorsemantendraunatemperaturamuchomsbajaqueesto!Esoimpidecolocndolocercaderesistenciaselctricas,diodosrectificadores,ysimilares.

Desafortunadamentemuchosdiseadoreselectrnicosenlaindustrianolosaben,nosepreocupanporella,otalvezinclusoequiposintencionadamentemisdesignparaquenoprontoyobligaalconsumidoracomprarunonuevo,manteniendoeldinerorodando.Heestadoreparandoequiposelectrnicosdurantedosdcadas,yenmiexperienciaelfracasomsrecurrenteessolopequeoscondensadoreselectrolticossecosdelcalorexcesivo,detelevisores,monitoresyfuentesdealimentacinconmutadasparatodotipodegadgets.Enalgunoscasosestoseveagravadoporlosdiseadoresquepermitendemasiadacorrientederizadofluyaenunpequeocondensador,quecalientadesdeelinterioryhacefracasarinclusoantes.ElcondensadordearranquedefuentesdealimentacinconmutadasutilizandoelomnipresenteUC3842ICesunavctimamuytpico,ylaspobresbestiasprensadasenTVyserviciodedeflexindelmonitorvieneensegundolugarenlalistadeloscondensadoreselectrolticosasesinadosporunmaldiseodelequipo.

Parecequeestoyvirarelcursoadecuado,quejndosedelamalaingenieraenlugardeensearletrucosheatsinking.Asquepuedesermejorsimedetengoaqu!

Volveraelectronicushomoludens.