Carga electrónica (Parte 4): Disipación térmica

En este apartado explicaré como he calculado la disipación necesaria para los mosfets y como elegir el disipador adecuado.

Para el cálculo me he basado en el siguiente vídeo (en inglés).

Cada componente electrónico, así como disipador, pasta térmica, etc..., tiene una resistencia térmica determinada en su hoja de datos (datasheet). Esto nos indica su capacidad para transmitir el calor, a número más bajo, más transmite y por lo tanto menos se calienta.

En la siguiente foto podéis ver el cálculo para el mosfet del proyecto.

Cálculos de resistencia térmica

La hoja está dividida en tres partes:

• Fórmula de la resistencia térmica: en esta primera parte se puede ver la fórmula que se utiliza y su símbolo, formado por una R y el símbolo griego theta (resistencia térmica). La fórmula consiste básicamente en sumar las resistencias de los diferentes elementos y posteriormente multiplicar la resistencia total por la potencia a disipar.

Fórmula de resistencia térmica

Junto al símbolo theta, se añaden las iniciales que indican la parte a la que corresponde dicha resistencia. Las principales que se ven en los datasheet son las siguientes:

• jc (junction to case): Es la resistencia térmica entre la juntura o unión del silicio y la carcasa del encapsulado. En el caso del mosfet IXTH110N10L2 es de 0.21 grados por vatio disipado. Esto quiere decir que la temperatura aumenta 0.21 ℃ por encima de la ambiente por cada vatio.
• cs (case to sink): Es la resistencia térmica entre la carcasa del encapsulado y el disipador. Se utiliza la resistencia del aislador de silicona o normalmente el de la pasta térmica. En este caso 0.12 ℃ por vatio.
• sa (sink to air): Es la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente. Esto nos indica lo bien o mal que un disipador pasa calor al aire ambiente que lo rodea. En este caso es de 0.5 ℃ por vatio, pero en su datasheet nos indica que esta cifra la consigue si tiene unos ventiladores moviendo aire a una velocidad de 5m/s.

Compré un par de ventiladores que movían el aire a esta velocidad (es bastante aire, y son ruidosos al ponerlos al 100%).

Estos datos son de los primeros disipadores, después veremos porque los sustituí por otros.

Más abajo tenemos diferentes formas de calcular la temperatura de juntura/unión del integrado, que no debemos de sobrepasar si no queremos que falle.

• Tj (junction temperature): Es la suma de las tres resistencias térmicas indicadas anteriormente multiplicada por la potencia, más la temperatura ambiente. Notar que en algunos libros viene solamente con el símbolo theta. Tj también se puede calcular como Tja por la potencia, más la temperatura ambiente.
• Tja (juntion to ambient temperature): Es la resistencia térmica entre la juntura/unión del integrado y el ambiente. Se usa este valor cuando el integrado no dispone de disipador. En los datasheet suelen indicar la Tjc, la Tja o ambas. 

Por lo que se utiliza la primera fórmula multiplicándolo por la potencia a disipar si utilizamos disipador, o la tercera si no utilizamos disipador.

Vamos ha ver un ejemplo del cálculo para los primeros disipadores del proyecto.

Cálculo de temperatura de los mosfets

Cálculo para los mosfets

Lo primero que tenemos que tener claro es la temperatura máxima que soporta el integrado, en este caso 150 ℃.

Se puede reorganizar las fórmulas para calcular un parámetro en concreto, yo simplemente utilizo la anteriormente comentada y pruebo con diferentes potencias para ver a que temperatura se pondría el integrado.

Como se ve en la foto, lo calculo para 115W y utilizo la temperatura ambiente máxima a la que va ha trabajar. Simplemente la temperatura que alcanza el cuarto donde está en verano, más cinco grados que le he añadido por estar dentro de la caja. Y nos da una temperatura de 130.4 ℃, que esta a 20 ℃ del máximo, eso me parece razonable.

Posteriormente en las pruebas compruebo que los disipadores se ponen ardiendo, me quemo nada más tocarlos. Por lo que decido calcular la temperatura a la que se ponen los disipadores, para ello hay que multiplicar la potencia disipada por la resistencia térmica del disipador y sumarle la temperatura ambiente.

Y como se ve, alcanzaría en verano una temperatura de 92.5 ℃, inaceptable. Si hubiera tenido esto en cuenta antes, no habría comprado esos disipadores.

Cálculo de Rsa de los nuevos disipadores

La verdad es que me costo encontrar unos disipadores que disiparan bastante más, pero que cupieran en la caja. Al final compré los que se ven en la imagen.

Disipadores nuevos

Si los comparamos con los anteriores, que he utilizado para reparar la fuente de alimentación que quemé al probar la carga electrónica.

Disipadores viejos

Vemos que hay una diferencia considerable, son mucho más anchos, el primer centímetro es aluminio macizo y tiene muchas más aletas de refrigeración.

Ahora tendría que calcular la potencia máxima que disiparían y limitar la carga electrónicamente para no sobrepasarla.

Resistencia térmica de los nuevos disipadores

El fabricante nos da un valor de resistencia térmica de 0.08 ℃/W pero utilizando sus ventiladores, cosa que no tengo, por lo que se tiene que calcular el valor de resistencia térmica con mis ventiladores y montado todo dentro de la caja.

Para ello apunto primero la temperatura ambiente, 22 ℃, pongo la carga a funcionar al valor máximo que me ofrece una fuente de PC que tengo, 176.9W. Al estar en paralelo cada mosfet disipa 88.45W.

Se espera a que la temperatura se estabilice, una media hora en la que la temperatura no sube, quedado estabilizada entonces a 42 ℃, por lo tanto para calcular la resistencia térmica se divide la diferencia de temperatura (el aumento) con los vatios disipados y da un valor de unos 0.23 ℃/W, mucho mejor que los anteriores disipadores.

Ahora hay que volver a calcular la potencia máxima, la temperatura del integrado y la de los disipadores.

Cálculos de temperatura y potencia máxima

Como se puede observar, se tiene la resistencia de los mosfets 0.21 ℃/W, la de la pasta térmica 0.12 ℃/W y la del disipador calculada anteriormente 0.23 ℃/W.

Después de probar varios valores decido que 150 W es lo máximo que voy a disipar por mosfet, esto nos da una temperatura de 119 ℃, con una margen razonable hasta la máxima, y los disipadores llegarían a 69.5 ℃, cosa aceptable.

Con ello se define la potencia máxima de la carga electrónica en 300 W, se limita a la misma y se configura un limite de temperatura entre los 70-75 ℃ para que se apague automáticamente al superarlo.