Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE. Granda, Rivadeneira, Rodríguez, Fonseca. Disipadores de Calor
DISIPADORES DE CALOR Granda, Juan Pablo 1; Rivadeneira, Diego 1; Rodríguez, Pedro 1; Fonseca, Milton 1 1 Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE
RESUMEN: Los disipadores de calor son parte importante de la electrónica de potencia ya que la mayoría de componentes disipan gran cantidad de energía en forma de calor para lo cual se ve necesaria la utilización de dispositivos que eviten los daños causados por el calor. Existen varios tipos de disipadores, los cuales se eligen en base al tipo de componente al que van a estar acoplados. Los parámetros para PALABRAS CLAVE: Disipadores, calor, Principio, tipos. Figura 1. Analogía eléctrica de la transferencia de calor (Fuente: (Rashid, 2009)) [2]
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INTRODUCCIÓN
De donde podemos determinar la siguiente ecuación:
Un disipador es un dispositivo que extrae el calor de un elemento electrónico logrando de esta manera disminuir su temperatura (Fundación Wikimedia Inc., 2013)[1], la forma más usual en la que los disipadores reducen la temperatura de elemento es por transferencia de calor por convección (Rashid, 2009)[2]. La transferencia de calor por convección se da a través de fluidos, comúnmente aire, agua o aceite (Rashid, 2009)[2]. 2
(1) Donde:
DISIPADORES DE CALOR
2.1
Existe una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio extruido en el comercio, y usan aletas de enfriamiento para aumentar la capacidad de transferencia de calor. Las características de resistencia térmica de un disipador de calor típico, con enfriamiento por convección natural y forzada, se pueden apreciar en la siguiente gráfica:
Funcionamiento
Debido a las pérdidas en estado activo y por conmutación, dentro del dispositivo de potencia se genera calor. Este calor se debe transferir del dispositivo a un medio de enfriamiento, para mantener la temperatura de operación en el dispositivo dentro del intervalo especificado por el fabricante. El calor debe pasar del dispositivo a su encapsulado y después al disipador o radiador de calor en el medio de enfriamiento (Rashid, 2009)[2]. Se puede realizar una analogía de transferencia de calor a un circuito eléctrico si consideramos una pérdida de potencia promedio y resistencias térmicas de la unión al encapsulado y del encapsulado al disipador, estas son proporcionadas por el fabricante, y una resistencia térmica del disipador al medio en el que se encuentra este, que está determinada por las condiciones de la aplicación que se esté realizando. A continuación se muestra un gráfico con esta analogía:
Figura 2. Características de resistencia térmica (Fuente: (Rashid, 2009)) [2]
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Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE. Granda, Rivadeneira, Rodríguez, Fonseca. Disipadores de Calor suficiente para poder evacuar adecuadamente el calor disipado. Se recurre para ello a los radiadores (heatsinks), que proporcionan una superficie adicional para el flujo térmico.
En la figura 2 se puede apreciar claramente que la convección forzada es mejor que la convección natural, sin embargo, después de cierta velocidad el cambio en la resistencia térmica ya no es apreciable. Tiene importancia extrema el área de contacto entre el dispositivo y el radiador de calor, para minimizar la resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador. Las superficies deben ser, planas, lisas y sin polvo, corrosión ni óxidos superficiales (Rashid, 2009)[2].
1. Por convección natural: Radiadores de Extrusión La convección es un fenómeno que atañe a fluidos, tales como el aire o el agua. Favorece la propagación del calor en estos cuerpos, que son de por sí muy buenos aislantes térmicos. Un cuerpo caliente sumergido en aire, hace que las capas próximas al mismo se calienten, lo que a su vez ocasiona una disminución de su densidad, y por esto se desplazará esta masa de aire caliente hacia estratos más elevados dentro del recinto. Inmediatamente, el "hueco" que ha dejado este aire es ocupado por aire más frío, y así se repite el ciclo, generando corrientes convectivas que facilitan el flujo térmico. Este mismo fenómeno se da en el agua, o cualquier líquido o gas. (Electrónica Completa Inc., 2013.)[5] La transmisión por conducción se manifiesta más obviamente en cuerpos sólidos. En la disipación de calor de los semiconductores, solamente consideramos los dos últimos tipos de propagación: convección y conducción.
Figura 3. Disipador de calor de aluminio extruido (Fuente: (Fundación Wikimedia Inc., 2013)) [1]
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TIPOS DE DISIPADORES TÉRMICOS
Las potencias manejadas por los dispositivos semiconductores, transistores, TRIAC, MOSFET, Reguladores de tensión, etc., es en muchos casos de una magnitud considerable. Además, el problema se agrava teniendo en cuenta que el tamaño de tales dispositivos es muy pequeño, lo que dificulta la evacuación del calor producido. Un cuerpo que conduce una corriente eléctrica pierde parte de energía en forma de calor por efecto Joule. En el caso de los semiconductores, se manifiesta principalmente en la unión PN, y si la temperatura aumenta lo suficiente, se produce la fusión térmica de la unión, inutilizando el dispositivo. Los dispositivos de potencia reducida, disipan el calor a través de su encapsulado hacia el ambiente, manteniendo un flujo térmico suficiente para evacuar todo el calor y evitar su destrucción. En los dispositivos de más potencia, la superficie del encapsulado no es
Figura 4. Disipador de Calor Acoplado a un SCR (Fuente: (Rashid, 2009))[2]
Un disipador clásico es una pieza de extrusión de aluminio o una chapa doblada de aluminio con las perforaciones de montaje para el transistor o circuito integrado. Pero actualmente el costo del aluminio invita a resolver el problema de la disipación de calor por métodos menos ortodoxos que a priori parecen caros pero terminan resultando más económicos que los disipadores clásicos cuando se trata de disipar grandes potencias. (Electrónica Completa Inc., 2013.)[5] En el mercado se presentan diferentes tipos de disipadores o radiadores comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la Rda resistencia disipador ambiente (Rth en las especificaciones),
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Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE. Granda, Rivadeneira, Rodríguez, Fonseca. Disipadores de Calor algunos para grandes potencias de 0,5 ºC/W. Uno de los fabricantes de disipadores más grandes Burr Brown resume los diferentes tipos en su nota de aplicación:
micrones. Es particularmente eficaz durante el funcionamiento a baja velocidad y en la parada y el encendido. Esta pieza opcional está colocada detrás de la banda móvil, en lugar del disipador enfriado por aire estándar. Ambos tipos de disipadores se deslizan sobre rieles para permitir una fácil remoción para su mantenimiento. El agua refrigerante puede provenir de una alimentación existente en fábrica o de un enfriador independiente.
Figura 5. Relación de Resistencias Térmicas entre un SCR y un disipador de Aluminio (Electrónica Completa Inc. (10 de 10 de 2013))[5]
2. Por Convección Forzada En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. Figura 6. Cooler enfriado por Agua (GEW engineering UV (10 de 10
3. Enfriadores por Aire
de 2013))[3]
Cuando un fluido cede calor sus moléculas se desaceleran por lo cual su temperatura disminuye y su densidad aumenta siendo atraída sus moléculas por la gravedad de la tierra.
5. Enfriadores Extremos Hielo seco: Con este método se pueden lograr temperaturas de hasta -70 grados, siendo su uso muy extendido en el mundo del overclock. Es básicamente Dióxido de Carbono en estado sólido, el cual es usado para enfriar. (Wordpress Corp., 2013.) [4]
Cuando el fluido absorbe calor sus moléculas se aceleran por lo cual su temperatura aumenta y su densidad disminuye haciéndolo más liviano. (GEW engineering UV, 2013.) La transferencia térmica convectiva consiste en el contacto del fluido con una temperatura inicial con otro elemento o material con una temperatura diferente, en función de la variación de las temperaturas van a variar las cargas energéticas moleculares del fluido y los elementos interactuantes del sistema realizarán un trabajo, donde el que tiene mayor energía o temperatura se la cederá al que tiene menos temperatura. Esta transferencia térmica se realizará hasta que los dos tengan igual temperatura, mientras se realiza el proceso las moléculas con menor densidad tenderán a subir y las de mayor densidad bajarán de nivel. Las moléculas que se encuentran en las capas inferiores aumentan su temperatura.
Figura 7. MainBoard enfriada por hielo seco (Wordpress Corp. (10 de 10 de 2013))[4]
Nitrógeno líquido:
Aquí nos metemos con un componente químico capas de lograr temperaturas de hasta -180 grados. El nitrógeno líquido es quizás el extremo del extremo en sistemas de enfriamiento. Para que tengan una idea de lo que ocasiona este tipo de
4. Enfriadores por Agua Este disipador de calor está diseñado para proteger los sustratos sensibles al calor de hasta 30
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Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE. Granda, Rivadeneira, Rodríguez, Fonseca. Disipadores de Calor disipación, es que el uso de ella implica el coldboot que es prácticamente el problema del procesador de no prender debido a temperaturas tan bajas, obligándonos a subir la temperatura para permitirle al procesador encender. (Wordpress Corp., 2013.)[4]
Un disipador puede tener diferentes ángulos y formas, ser metálico y liso. Lo único que hace es transferir el calor hacia el exterior. Su eficacia en esa transferencia de calor vendrá determinada principalmente por la superficie en contacto con el exterior, lo que se conoce como resistencia térmica (RDA). Un disipador con una gran superficie tendrá un área mayor de contacto con el exterior, por lo que su resistencia o impedancia térmica será menor que la de un disipador con una superficie más pequeña. La resistencia (impedancia) de un disipador se mide en ºC/W y especifica el aumento de temperatura de la fuente de calor en función de la potencia disipada. En la figura 9 podemos ubicar dos disipadores con un diseño similar. Ambos de aluminio con una longitud de 150 mm. El perfil del primer disipador tiene unas medidas de 50 mm x 20 mm y una resistencia térmica de 2,37 ºC/W. El segundo es mucho mayor (66 mm x 40 mm) por lo que su resistencia térmica es menor (1,33 ºC/W).
Figura 8. MainBoard enfriada por nitrógeno líquido (Wordpress Corp. (10 de 10 de 2013))[4]
Celda Peltier: Peltier utilizó el efecto inverso descubierto por un físico Alemán llamado Seebek: Tome dos alambres de distintos metales, de por ejemplo 1 metro de largo. Realice una soldadura de punto en cada punta del par. Ponga una de las puntas en una mezcla de agua y hielo para garantizar una temperatura de 0ºC. Coloque la otra punta en una pava de agua hirviendo (para garantizar una temperatura de 100 ºC). Cuando las soldaduras tomen la temperatura del medio en que están sumergidas, por los alambres circulara una corriente proporcional a la diferencia de temperatura. Este efecto se utiliza en electrónica en las llamadas termocuplas que conectadas a un tester lo transforman en un termómetro. (Electrónica Completa Inc., 2013) Ahora saque los alambres de las fuentes de frío y de calor y haga circular una corriente eléctrica por el par. Una de las soldaduras se calentará y la otra se enfriará creando lo que se llama una bomba de calor. En la figura 4 se puede observar una celda comercial. Poco después, el francés Jean Charles Peltier descubrió en 1834 el fenómeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a través de un circuito de dos metales soldados, una de las soldaduras se enfría mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una “bomba de calor”. 4
COMO SELECCIONAR DISIPADOR DE CALOR
UN
La selección de un disipador adecuado puede ser a veces desalentadora, ya que por defecto pueden provocar fallos y por exceso, una ocupación de espacio innecesaria en el panel además del incremento de los costes. [6]
Figura 9. Disipadores para Ejemplo 1 y Ejemplo 2 [6 ]
El objetivo buscado es el de controlar la temperatura de un elemento de potencia en el cual la alta temperatura emanada por el dispositivo puede aturdir el funcionamiento de la aplicación que hemos desarrollado.
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Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE. Granda, Rivadeneira, Rodríguez, Fonseca. Disipadores de Calor Para determinar o controlar la temperatura a la que puede llegar ya con el disipador colocado recurrimos a la siguiente fórmula:
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DISIPADORES DE CALOR A BASE DE GRAFENO
Un nuevo hallazgo sobre el grafeno, el de que un conjunto de múltiples capas de este material conserva la magnífica capacidad de transmitir el calor que posee cada capa individual, constituye un importante paso hacia el recorte drástico del sobrecalentamiento que afecta cada vez más a los ordenadores portátiles y a otros dispositivos electrónicos. La investigación ha sido llevada a cabo por el profesor Alexander Balandin y un equipo de investigadores de la Universidad de California en Riverside que incluye a Chun Ning Lau[7]. Balandin ya demostró en el año 2008 que el grafeno, una capa de carbono con sólo un átomo de espesor, es un magnífico conductor del calor. El problema para las aplicaciones prácticas es que resulta difícil producir, en cantidades elevadas y con una buena calidad, capas extensas de tan finísimo material. El calor es un efecto inevitable del funcionamiento de dispositivos electrónicos. Los circuitos electrónicos contienen muchas fuentes de calor, incluyendo millones de transistores y sus interconexiones eléctricas. Hasta no hace mucho, la solución más común pasaba por emplear ventiladores cada vez más grandes para mantener fríos los chips de los ordenadores y lograr así mejorar su funcionamiento y alargar su vida útil. Sin embargo, a medida que los ordenadores han visto incrementada su velocidad y otros dispositivos electrónicos se han vuelto cada vez más pequeños, la solución de los ventiladores más grandes ya no resuelve el problema. Los nuevos métodos para controlar el calentamiento en la electrónica incluyen incorporar materiales con mejores propiedades térmicas, como el grafeno, en los chips de silicio de los ordenadores. Además, la futura electrónica tridimensional que tanto interés despierta, y que se basa en la integración vertical de chips además de en la horizontal, dependerá más aún de la extracción del calor. El silicio, el material más común en la electrónica, tiene buenas propiedades electrónicas. Pero no tan buenas propiedades térmicas, sobre todo cuando está estructurado a escala nanométrica. Como demuestra la investigación de Balandin, el grafeno tiene excelentes propiedades térmicas además de características electrónicas únicas. El grafeno no es un reemplazo para el silicio, pero en cambio podría usarse junto con éste. Actualmente, no hay aún ningún método fiable para fabricar cantidades grandes de grafeno. Sin embargo, se hacen progresos y eso podría ser posible dentro de un año o dos. Probablemente, al principio se usará el grafeno sólo en algunas aplicaciones especiales como materiales de interfaz térmica para encapsular chips o en electrodos transparentes de células solares fotovoltaicas. Pero
(2) Donde: TB = temperatura máxima de la base TA = temperatura ambiente Potencia = disipación del SSR (P - Vf x Corriente de carga) RD-A = Resistencia del disipador
Ejemplo 1: Vamos a suponer que deseamos tener una temperatura de 80 ˚C y que la temperatura ambiente es de 40 ˚C. La carga es un elemento calefactor de un horno con 20 A a 240 Vac (4,8 kW). La caída de tensión es de 0,9 Vrms. Aplicamos la formula y obtenemos que:
Por el resultado obtenido se observa que usando el disipador 1 obtenemos una temperatura mayor a la deseada debemos utilizar un disipador con un área mayor.
Ejemplo 2:
El segundo disipador consigue mantener la temperatura por debajo de la deseada (80 ˚C). Así, una resistencia térmica de 1,33 ºC/W sería la adecuada para el disipador que buscamos, ya que un valor menor de resistencia térmica supondría una superficie mayor por lo que ocuparía más espacio en panel y su coste sería también superior.
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Universidad de la Fuerzas Armadas - ESPE. Granda, Rivadeneira, Rodríguez, Fonseca. Disipadores de Calor dentro de cinco años podría ser usado junto con el silicio en los chips de ordenador, por ejemplo a modo de cableado para interconexión eléctrica o bien en disipadores de calor.
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CONCLUSIONES
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Los disipadores de calor ayudan a alargar la vida útil de los componentes electrónicos que trabajan con altas potencias. La corriente que circula por los diferentes componentes electrónicos genera calor que si llega a alcanzar altas temperaturas podría afectar el funcionamiento del componente o dejarlo completamente inservible. El material más común p ara estos materiales es el Aluminio. Existen varios tipos de disipadores dependiendo de su composición, funcionamiento o al componente al cual se encuentran acoplados. La nueva tecnología de disipadores de Grafeno busca recudir el tamaño de los mismo y de esta manera reducir el espacio utilizado y contribuir con la miniaturización de circuitos electrónicos.
REFERENCIAS
[1] Fundación Wikimedia Inc. (10 de 10 de 2013). es.Wikipedia.org. Recuperado el 16 de 10 de 2013, de es.Wikipedia.org: http://es.wikipedia.org/wiki/Disipador. [2] Rashid. (2009). Electrónica de potencia: circuitos, dispocitivos y aplicaciones. México D.F.: Pearson Education. [3] GEW engineering UV (10 de 10 de 2013). es.gewuv.org. Recuperado el 16 de 10 de 2013, de es.gewuv.org: http:// es.gewuv.org /wiki/Disipador. [4] Wordpress Corp. (10 de 10 de 2013). elendill.wordpress.com. Recuperado el 16 de 10 de 2013, de elendill.wordpress.com: http://elendill.wordpress.com/tag/disipacion-nitrogeno-liquido/ [5] Electrónica Completa Inc. (10 de 10 de 2013). es.electronicacompleta.org. Recuperado el 16 de 10 de 2013, de es.electronicacompleta.org: http:// es.electronicacompleta.org /wiki/Disipador. [6] Rs-Online (10 de 10 de 2013). Recuperado el 16 de 10 de 2013, de es.rs-online.com: http://es.rs-online.com/es/pdf/eleccion-deldisipador-adecuado.pdf [7] Amazings.com (10 de 10 de 2013). Recuperado el 16 de 10 de 2013, de es.rs-online.com: http:// www.amazings.com / ciencia /noticias/ 160610d.html
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