Cálculo básico de disipadores para amplificadores AB Con cada amplificador Si ya tenemos uno Un disipador chico hará Uno demasiado grande más caro.
aparece la típica pregunta: ¿Qué disipador le pongo? la cuestión cambia, ahora es: ¿Este me alcanza? que, en el mejor de los casos, salte la protección térmica. será incómodo de montar en el gabinete, además de ser
¿Cómo se calculan entonces? Para empezar, veamos qué es la potencia que tienen que disipar. Pongamos un caso simple con un regulador de voltaje. Un conocido 7805 con 12V en la entrada y una carga que consume 0,5A. Es fácil ver que en el 7 V y circulará una corriente de 0,5A. regulador habrá una caída de 7V Entonces, la potencia que deberá disipar será de 7V*0,5A=3,5W. Nada raro, nuevo, ni difícil de entender. Lo interesante del asunto empieza ahora. Vamos al datasheet y buscamos la Resistencia Térmica Juntura-Carcasa (Thermal Resistence Junction-Case, Rth o Rjc). Este parámetro depende principalmente del encapsulado y representa la oposición al paso de calor desde la pastilla de silicio (juntura) hacia la carcasa. Se expresa en ºC/W. En este regulador es de 5ºC/W, esto quiere decir que por cada Watt que haya que disipar, el pedacito de silicio (la juntura) que “hace la magia” se calienta 5ºC con respecto a la carcasa. Si inicialmente todo el conjunto (carcasa y juntura) está a la misma temperatura, al disipar un Watt la juntura estará 5ºC más caliente que la carcasa. El parámetro siguiente (estoy leyendo el datasheet de la serie 78XX de Fairchild) es la Resistencia Térmica Juntura-Ambiente/Aire (Thermal Resistence Case Ambient o Case-Air, Rja). Pasándolo Pasándolo a palabras más comunes: La juntura le pasa calor a la carcasa, y la carcasa al aire que la rodea. Como no todo el calor que llega a la carcasa se disipa, todo aumenta de temperatura. En el caso de este regulador, el valor es de 65ºC/W. Entonces, con un Watt de disipación la juntura elevará su temperatura 65ºC sobre la temperatura ambiente . Si son 25ºC, la juntura ya trabaja a 90ºC (y la carcasa está a 85ºC). Este dato sirve para saber qué tanta potencia pueden disipar sin la ayuda de un disipador y en general no se usa ni suministra en los transistores de potencia porque están pensados para trabajar con uno.
Lo siguiente a mirar es la temperatura máxima a la que puede trabajar la juntura (Tmax, Tjmax, Topr –por operación- o simplemente Tj). En general es de 150 a 200ºC en los transistores de silicio, y en muchos casos se ven valores de "apenas" 125ºC de máxima. El regulador este es de los segundos. Esto quiere decir que, en un ambiente a 25ºC (Tamb=25ºC), el regulador podrá disipar (125ºC 25ºC)/65ºC/W. Esto es poco más de 1,5W: Pasada esa potencia, se cocina. Llevemos los cálculos a los números del ejemplo: Potencia a Disipar: 3,5W. Rjc: 5ºC/W (este dato no lo voy a usar ahora, sino en el paso que sigue). Rja: 65ºC/W. Tamb: 25ºC. Entonces el regulador va a trabajar a 65ºC/W*3,5W+25ºC=252,5ºC >> Tj=125ºC. Definitivamente hace falta un disipador. La cuenta fue simple: Resistencia Juntura-Ambiente * Potencia a Disipar + Temperatura Ambiente. Eso tiene que ser menor que la temperatura máxima que soporta el dispositivo. Vamos a ponerle un disipador al asunto. Ahora sí me importa la Rjc para hacer las cuentas. El calor va a ir de la juntura a la carcasa (que igual va a seguir disipando un poco) y de ahí al disipador, que va a disiparlo al ambiente. Por ahora sólo consideremos estos factores, después agregamos uno más. Los disipadores tienen un parámetro llamado (vaya coincidencia) Resistencia Térmica, indicada por el fabricante, e igual que antes se mide en ºC/W y representa la cantidad de grados que se calienta por cada Watt que tiene que disipar (similar a lo que pasaba con Rja…). Llamémosla Rda, por Resistencia Disipador-Ambiente. Ahora la temperatura de la juntura será Rda* Pdis (esto da la temperatura del disipador), más Rjc * Pdis (esto indica cuánto más caliente está la juntura que el conjunto carcasa-disipador), más la temperatura ambiente. Esta suma tiene que ser menor a la temperatura máxima de operación (125ºC en este caso). Puesto en una fórmula: Rda*Pdis+Rjc*Pdis+Tamb
En este caso del ejemplo, asumiendo una Tamb de 25ºC y redondeando: Rda < (125 - 25)ºC/3,5W - 5ºC/W ≈ 28,6ºC/W - 5ºC/W ≈ 23ºC/W (siempre redondear hacia abajo en estos cálculos). El disipador tendrá que tener una resistencia térmica menor a esos 23ºC/W para que el integrado no se queme por sobre temperatura. Cuanto menor sea la Rda, más baja será la temperatura del semiconductor, o sea que es mejor (salvo en algunos casos más que muy particulares donde se busque una determinada temperatura, arbitrariamente alta). Si vamos a la página de un fabricante de disipadores y buscamos las resistencias térmicas de sus productos, vemos que con una “U” de 20*20*20 mm, con 1,5mm y 20ºC/W ya tenemos suficiente.
Imagen del 5235FD, ubicado entre los de Baja Potencia de la lista. Claro, con uno así de chico la temperatura de operación será casi la máxima. Es mejor calcular todo con un margen de seguridad decente. Un poco más arriba había dicho que faltaba otro ingrediente en el cálculo: La mica aislante. Es obvio que el calor pasa de la carcasa a la mica y de ahí al disipador. Este paso intermedio agrega cierta resistencia térmica (Rmica). Acá es donde
entran a jugar de nuestro lado la famosa grasa térmica y algunos otros compuestos más caros y difíciles de conseguir a veces. Una superficie nunca es perfectamente plana, así que los picos de una (la del transistor), combinados con los de la otra (la del disipador) dan pocos puntos de buen contacto térmico. Eso quiere decir que la carcasa no pasará todo su calor al disipador y esto lleva a un aumento de temperatura de la primera y esto a que se caliente aún más la juntura. Además de las imperfecciones hay un aislante entre ambas superficies: más temperatura. La grasa térmica ayuda a rellenar los huecos de ambos lados y así favorece el paso del calor. Rmica varía según el encapsulado y los materiales que se usen, pero para fines prácticos se puede aproximar con un valor de entre 0,5 y 1,5ºC/W extra de resistencia térmica en el cálculo. Así, la fórmula de antes queda Rda < (Tj - Tamb)/Pdis - Rjc - Rmica. Rehaciendo la misma cuenta que antes y agregando este factor, el disipador tendrá que ser ya no menor de 23ºC/W sino de 21,5ºC/W. Hasta acá la introducción al tema con el ejemplo del regulador, con corriente y voltaje constantes. Ahora sigue lo divertido: Amplificadores de audio. No podemos simplemente calcular un disipador sin tener unas cuestiones en mente sobre estos amplificador. A saber: 1) El valor de la potencia a disipar no es constante. Las variaciones de la música hacen que el volumen (voltaje de salida en realidad) varíe bastante, y con él la disipación. 2) Habrá que tener en cuenta la variable “Power Derating”. 3)
La
temperatura
ambiente
en
la
que
trabajará
el
aparato.
La primera cuestión nos lleva a buscar el punto de máxima disipación y su valor. Tomemos como ejemplo “la mitad de arriba” de un amplificador Clase AB, con los transistores que conectan +V con la salida. El caso del semiciclo negativo (“la mitad de abajo”) es igual.
Sin entrar en demasiados detalles matemáticos, la disipación máxima con una carga resistiva pura se da en el punto medio de la onda, donde la caída de tensión en el transistor es de apenas un poco menos que V/2 (redondeemos en V/2) y la corriente que por él circula es Imax/2 (el valor de I dependerá del de la carga). Por lo tanto el valor del pico de la potencia a disipar será Ppdis=V/2*Imax/2=V*I/4. Como V*Imax es la potencia de pico del amplificador (Pp), la expresión anterior se puede expresar como Ppdis=Pp/4 y con un poco de matemática, es Ppdis=Prms/2. Pero eso es el cálculo para cargas resistivas puras, y un parlante tiene una componente inductiva. Eso empeora las cosas al hacer que la corriente no sea necesariamente I/2 cuando la caída en el transistor es V/2. En el peor de los casos posibles (desfasaje de 45º) se da que cuando la caída es V/2, circula Imax y con eso queda Ppdis=V/2*Imax=Pp/2=Prms. Este último caso no es imposible de encontrar en un amplificador real así que es conveniente tenerlo en cuenta, como hay que tener en cuenta que estas potencias son valores de pico. Estos números a los que se llega son horribles y harían necesaria la utilización de disipadores tremendamente grandes. Por suerte la segunda parte del enunciado viene al rescate. El rango dinámico de la música juega a nuestro favor. Según qué tipo de música se esté escuchando habrá una mayor o menor diferencia de amplitud (y potencia) entre los picos y el valor RMS entregado por el amplificador. Es como ir en auto, acelerar hasta 100km/h, mantener la velocidad por 100m y bajarla a 20km/h por los siguientes 10km, donde se vuelve a acelerar y se repite el ciclo. El auto tendrá que estar preparado para andar a 20km/h y soportar 100km/h por breves periodos. En el caso de los distintos tipos de música pasa lo mismo. En la clásica hay hasta 12dB de diferencia, de 6 a 9dB en muchos otros estilos y apenas de 3 a 6dB en casos extremos de música electrónica y algunos otros estilos similares, que suelen estar muy comprimidos. En el primer caso, la potencia RMS a disipar (Pdis) será de sólo 1/16 de la máxima calculada: El pico estará a 100W (por ejemplo) y todo el "cuerpo" de la música a alrededor de 6 a 10W; tomando 6dB para el segundo, 1/4 (picos a 100W, resto a unos 25W); y con los 3dB del último, 1/2 (mucho calor).
En general se usan valores de alrededor de 1/10 de Prms, llegando hasta 1/4 para los cálculos. Esto contribuye a achicar el tamaño del disipador y el gasto en materiales. A tener en cuenta: Más chica la fracción, más chico el disipador y menor margen de seguridad. Para quien pensaba que eso era todo, aparece el Power Derating. En un datasheet medianamente completo ya se puede encontrar este dato que indica la potencia máxima que el transistor puede disipar en función de la temperatura a la que está trabajando. Cálculos mediante habremos llegado ya a saber qué potencia deberá disipar cada transistor, así que consultando este gráfico (o haciendo la cuenta con el valor) sabremos cuál es la temperatura máxima a la que podrá operar sin riesgos este aparato. Lo último en la lista es la temperatura ambiente. Como los amplificador trabajan en un gabinete, es esperable que la temperatura del interior sea mayor que la del exterior, dando muchas veces como resultado 20 o 30ºC más. Dato nada despreciable Con esto dicho, vamos a un ejemplo de nuevo: Un amplificador Clase AB, alimentado con +-20V, con un 2N3055 y un MJ2955 en la etapa de salida y una carga de 4Ω. Entonces: V=20V Imax=20V/4Ω=5A (Ley de Ohm). Ppdis (desfasaje=45º)=10V*5A=50W (esta es la máxima). Pdis=Ppdis/8=6,25W (esta es la estimación de la RMS disipada). Ta=50ºC (estimada). Rmica=2ºC/W (para estar más seguros…). Datos del datasheet de On sobre los transistores:
Rjc=1,52ºC/W. Tj=200ºC. Tj (ajustada por el Power Derating)=120ºC. Para dejar un margen de seguridad usemos 100ºC.
A calcular:
Rda < (100ºC-50ºC)/6,25W - 1,52ºC/W – 2ºC/W Rda < 8ºC/W – 1,52ºC/W – 2ºC/W = 4,48ºC/W Tengamos en cuenta que estamos despreciando la cantidad de calor generada por el breve periodo en que ambos transistores conducen juntos (el famoso Bias). Si lo tomamos en cuenta, habrá un extra de potencia a disipar según el caso particular de cada diseño. Si suponemos que habrá una zona de 1V en la que conducirán los dos transistores, entonces habrá una caída de 19V en el transistor del lado positivo y otra igual en el del negativo. Con 40mA de corriente de reposo ese voltaje genera una potencia continua de (redondeando) 0,75W que deben ser disipados. Como los dos conducen al mismo tiempo, son 1,5W en total sin señal (y esta será toda la potencia que disipará el amplificador en este caso). Con señal se puede considerar que es sólo uno el que conduce. Entonces Pdis aumenta en 0,75W y el resultado del cálculo anterior se transforma en 3,62ºC/W. En caso de redondear, siempre hay que hacerlo hacia abajo. Yendo de nuevo a la misma página que antes buscamos un disipador con esta resistencia térmica o inferior. El ZD1, con una Rda de 3,5ºC/W cada 75mm de largo es el ganador. Su base es de 58mm y su altura de 29mm. Ahí habrán de acomodarse los dos transistores.
Sólo restan tres consideraciones por hacer: - Una protección térmica siempre es algo útil en estos aparatos, y su temperatura máxima de activación será igual o menor al valor de Tj usado para calcular el disipador.
- Los disipadores deberán montarse de manera que sus aletas queden en posición vertical siempre que se pueda. De no hacerlo su resistencia térmica aumentará hasta en un 50 o 60%, dependiendo del diseño y la posición elegida. - En caso de usar un ventilador (fan) siempre apuntarlo de manera que sople hacia el disipador, no que tome aire desde él. La resistencia térmica disminuirá (puede ser que mucho) dependiendo de la velocidad y el caudal del aire. Para más información: este artículo tiene datos útiles, y en este hay otro tanto. Naveguen esa página que está llena de información, hasta hay un calculador de resistencias térmicas de disipadores. emanuel23 dijo:
...voy a usar un amplificador que lleva 2 TDA7294 que reforzandose llegan a 100W...
Supongo que estás armando la versión que leva dos de esos en puente, alimentada con +-21V, ¿me equivoco?. El cálculo es un poco distinto en caso de integrados, pero el número al que llegaste no es descabellado, siempre teniendo en cuenta que tomaste una Tj de 100ºC y este bichito disipa 50W como máximo si llega a los 70ºC, y es todo el dato que tenés (no hay un Power Derating) así que no te pases de esa temperatura porque ya es adivinar nomás. Bajá Tj a 70ºC, considerá una temperatura ambiente de unos 40ºC por lo menos y la potencia total a disipar será de unos 22W. ¿Cómo cuernos llego a ese número? Hay que mirar el gráfico de Power Dissipation vs. Output Power, en 4Ω -o el de 8Ω por dos- y estimar la curva para una alimentación de +-21V. Claro que se estima el punto máximo de la curva (o sea, donde es menos eficiente el circuito). Esos 22W divididos entre 4 dan 5,5W. Ahora estás alrededor de 2,75ºC/W y a eso le falta el calor del bias. Estimando nomás, andarás por 2,5ºC/W o un poco menos. Si entrás a la página mencionada en el primer post, el ZD16 tiene una resistencia térmica de 2,2ºC/W cada 75mm.
Base: 116mm*75mm. Altura: 17mm.
Algo así tendría que dejar contentos a tus integrados, y si se te ocurre acomodar un cooler, más felices todavía van a quedar. Aclaración: Estos números están calculados para un amplificador con dos de estos integrados en puente y trabajando bastante calientes.
Aver cacho si me podes tirar una soga.. realizo los siguientes cálculos Amplificador con un tr 2SC2922 y un 2SA1216 R=4ohm V=45 simetricos V=45 Imax= 45v/4ohm = 11.28A Ppdis= 22.5v x 11.25A =253.13w Pdis=Ppdis/8 = 31.7w Ta= 50ºC Rmica=2ºC Rjc = ? Tj = 150ºC Tj = (ajustada por el Power Derating) ?
No logro ver los datos que e faltan en el datasheet si serias tan amable de darme una manito.. yo sigo con los calculos...
MFK08 dijo:
Rjc = ? Tj = 150ºC Tj = (ajustada por el Power Derating) ?
Bien, Rjc y el derating dependen principal y casi exclusivamente del encapsulado. Si es TO3P son de 0,625ºC/W y 1,6W/ºC respectivamente. Si son MT200, 0,5ºC/W y 1,6W/ºC. Están trabajando cerca del límite (el pico en las peores condiciones supera el máximo de disipación) así que tratá de que no pasen de unos 80ºC como máximo. Calculá bien el valor del derating para tu caso y como consejo no dividas por 8, sino por 5 o 6 la potencia de pico. Eso es sólo para darle un margen mayor de seguridad. Saludos Aver ahora si mejora y me dices si esta bien...el encapsulado es el MT200 Amplificador con un tr 2SC2922 y un 2SA1216 R=4ohm V=45 simetricos V=45 Imax= 45v/4ohm = 11.28A Ppdis= 22.5v x 11.25A =253.13w Pdis=Ppdis/5 = 50.6w (/5 como me recomendaste) Ta= 50ºC Rmica=2ºC Rjc = 0.5 ºC/W(Me lo facilistaste vos) Tj = 150ºC Tj(ajustado) = Leo y re leo pero no la termino de entender pero alrededor de 120º por como interpreto el grafico corregime si me equiboco. Rda= (120ºC-50ºC)/(50.6W - 0.5 ºC/W - 2ºC/w) Rda= 1.45 ºC/W Eligiendo el disipador puede que sirva un ZD42 ó ZD21? Por favor corrígeme si hice algo mal. Otra duda este cálculo es para un solo tr? debo comprar dos iguales para los 2tr ? o con un solo disipador basta? mil gracias.
Hola MFK Vas bien. En lo que no acertaste justo es en el valor de Tj(ajustado), pero el gráfico lo interpretaste bien, a juzgar por los resutados. Tj=150º es la temperatura a la que el transistor se quema. Nunca debe llegar a esa temperatura. En esa temperatura, la disipación de potencia (mirá la curva) es cero. En tu caso, tenés que disipar 50,6W (lo calculaste vos), con eso tenés que de los 200W originales (a 25ºC) podés "perder" 149,4W. Teniendo en cuenta el Power Derating de 1,6W/ºC y regla de tres mediante, la temperatura máxima por encima de 25ºC que podrán alcanzar los transistores (sus junturas en realidad) será de 93,375ºC. Eso da 118,375ºC de temperatura máxima. Decir 120ºC habla de una buena interpretación del gráfico y es buen número para el cálculo. Sólo no tuviste en cuenta la disipación que genera la corriente de polarización, aunque agregaría alrededor de 1,7/2W a la potencia total, lo que te dejaría en 1,4/1,35ºC/W en el disipador. Una diferencia poco importante en este caso. Hasta acá, todos de acuerdo. MFK08 dijo:
Eligiendo el disipador puede que sirva un ZD42 ó ZD21?
Van a andar bien los dos. Si están disponibles, elegí el que tenga la menor resistencia térmica. Como dice la canción de La Trinca (acá la canta Fontova) "Más vale que sobre y no que falte". Y con respecto a si es para cada uno... Fíjate que sólo uno de los dos va a conducir corriente (y por lo tanto, calentar) por cada semiciclo. No van a conducir los dos juntos nunca, salvo en un entorno muy chico alrededor de 0V (corriente de bias), así que no hace falta poner un disipador para cada uno. Los dos al mismo y santo remedio. Saludos
Perfecto, si interprete bien el grafico ahora me quedó un poco más claro.. pero me sigue costando interpretar el calculo que realizaste... en cuanto al disipador averiguare cual consigo.. De nuevo muchas gracias..
Redondeando, necesitás tener 50W de capacidad de disipación en tus transistores. A 25ºC, según el datasheet, tenés 200W y por cada grado por encima de esa temperatura(*) perdés 1,6W de capacidad de disipación. En total podés desprenderte de 150W (los 200W originales menos los 50W que efectivamente necesitás), y planteás la regla de tres: 1,6W----------1ºC 150W---------X Donde X es la temperatura a la que el transistor sólo podrá disipar los 50W que necesitás. Esto sucede a los 93,75ºC en este planteo de acá. Por (*) la temperatura que acabás de calcular es la que excede a 25ºC, entonces la temperatura con respecto a 0ºC será de 93,75ºC+25ºC=118,75ºC. Espero que esto te haya aclarado un poco el asunto. Si no es así, preguntá nomás de nuevo. Saludos
Un aporte, una forma bastante aceptable para comprobar la resistencia térmica de un disipador, consiste en colocar sobre el mismo una resistencia del tipo cementada esas con cuerpo cuadrado firmemente al disipador, con grasa siliconada o mejor aún, un diodo a rosca solo que habría que hacer una perforación. Colocar el disipador en la forma correcta de operación (aletas en forma vertical) y medir su temperatura inicial, ahora hacer circular una corriente por la resistencia o el diodo de forma que cualquiera de ellos comiencen a disipar potencia, si el disipador es grande, convendrìa que la potencia disipada por el elemento elegido sea importante. Hecho esto, sabremos midiendo la tensión que cae en la resistencia o diodo y multiplicándola por la corriente que potencia estamos disipando. Obviamente, la temperatura del disipador irá subiendo hasta que se logrará una estabilización en la temperatura, en este momento tomaremos esta temperatura y le restamos el valor de temperatura inicial o temperatura ambiente, ese valor lo dividimos por la potencia entregada y nos darà el valor de resistencia térmica del disipador bajo prueba. Por ejemplo, si la temperatura ambiente fuera de 20 grados, y la temperatura final fuera de 50 grados con una potencia de 10W,
entonces el diferencial de temperatura es de 30 grados (50-20), ahora lo dividimos por 10 y obtenemos que el disipador tiene una resistencia térmica de 3C/W. No se fien de los datos de resistencia térmica que figuran en la página que mencionan por ahí, tiene datos erróneos en algunos modelos.
betoelectronico dijo:
hola gente! me surgio una duda...que pasaria si a un determinado componente (transistor o triac)que calienta mucho..le pongo un disipador muy grande.muchos mas grende del calculado...funcionara mejor??
No necesariamente. Recordá que la resistencia térmica total no es solo la del disipador-ambiente, sino también se suma la juntura-capsula y la capsula-disipador, y estas últimas estan fijas, la primera por diseño del componente y la segunda por la técnica de montaje usada. La primera no la podés modificar, la segunda la podés reducir un poco haciendo el montaje sin aislador de mica o kapton (ni pensar en usar los sil-pads) y la del disipador ambiente la bajás aumentando el área (disipador grande). Si sacás la cuenta, vas a ver que la reducción final no es tan grande como pensarías y ya no se puede achicar mucho mas. Fijate: Rth-total = Rth-jc + Rth-cd + Rth-da si le ponés valores mas o menos normales para un componente de potencia, vas a tener: Rth-jc=1.5 ºC/W (fija por diseño) Rth-cd=0.2 ºC/W (montaje sin aislador pero con grasa siliconada) Rth-da=1.5 ºC/W (este es un disipador grandecito) lo que totaliza Rth-total=3.2 ºC/W como las dos primeras ya no podés achicarlas más, solo podés tocar la última, y suponñe que la llevás a 0.75 ºC/W (un disipador GIGANTE), el resultado final es 2.45 ºC/W que es solo un 20% mas chica a un costo imposible con el tamaño, peso y precio de ese disipador... Vos verás....yo te recomiendo cambiar el dispositivo o poner varios en paralelo (si es factible), así vas a bajar la Rth-jc efectiva y vas a ganar mas por menos plata...
