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Thermal

Calculadora de Disipador de Calor

Calcula la resistencia térmica máxima del disipador necesario para mantener la temperatura de unión bajo control.

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Fórmula

θSA=(TJmax−TA)/PD−θJC−θCSθ_SA = (T_Jmax - T_A) / P_D - θ_JC - θ_CS

Referencia: JEDEC JESD51 thermal measurement standard

θ_SA— Resistencia térmica entre el disipador y el ambiente (°C/W)
T_Jmax— Temperatura máxima de unión (°C)
T_A— Temperatura ambiente (°C)
P_D— Disipación de potencia (W)
θ_JC— Resistencia térmica entre la unión y la caja (°C/W)
θ_CS— Resistencia térmica entre la carcasa y el disipador (°C/W)

Cómo Funciona

La calculadora de resistencia térmica del disipador térmico calcula los requisitos de θSA para un funcionamiento seguro de la temperatura de las uniones, algo esencial para el diseño de la fuente de alimentación, los accionamientos de los motores y la gestión térmica de los amplificadores de alta potencia. Los ingenieros térmicos, los diseñadores de electrónica de potencia y los ingenieros de confiabilidad de productos la utilizan para dimensionar los disipadores térmicos y verificar los márgenes térmicos. Según JEDEC JESD51-12, la resistencia térmica total θJa = θJC + θCS + θSA, donde el fabricante de semiconductores especifica θJC (TO-220:1-2 °C/W, D²PAK: 0,5-1 °C/W según JEDEC), θCS depende del material de la interfaz (grasa térmica: 0,1 °C/W, contacto seco: 0,5 °C/W, almohadilla térmica: 0,2-0,5 °C/W) y θSA es el rendimiento del disipador térmico. Los disipadores térmicos de convección natural alcanzan θsA = 3-20°C/W según el tamaño; el aire forzado a 2 m/s mejora la θsA entre 3 y 5 veces según los datos de la aplicación AAVID.

Ejemplo Resuelto

Seleccione el disipador térmico para el regulador LM7805 que convierte 12 V a 5 V con una carga de 1 A. Disipación de potencia: Pd = (12 V - 5 V) × 1 A = 7 W. De la hoja de datos del LM7805: θJC = 4 °C/W (TO-220), Tj (máx.) = 125 °C. Objetivo de diseño: Tj = 100 °C con Ta = 50 °C (entorno industrial). Total requerido θJa: θJa = (Tj - Ta) /Pd = (100 - 50) /7 = 7,14 °C/W. Con pasta térmica θCS = 0,2 °C/W: θSa (máx.) = 7,14 - 4 - 0,2 = 2,94 °C/W. Selecciona Aavid 531202B02500G (θSa = 2,5 °C/W, 50 mm × 50 mm × 25 mm). Verifique: Tj = 50 + 7 × (4 + 0,2 + 2,5) = 50 + 46,9 = 96,9 °C, dentro del objetivo de 100 °C con un margen de 3 °C. Para aplicaciones en exteriores (Ta = 70 °C), cámbialo por un disipador de calor más grande o añade un ventilador.

Consejos Prácticos

  • ✓Para la convección natural, deje un espacio mínimo de 10 mm alrededor de las aletas del disipador térmico; el flujo de aire bloqueado aumenta θA entre un 50 y un 100% según las pautas de diseño térmico
  • ✓Los disipadores térmicos anodizados negros tienen entre un 10 y un 15% menos de θA que el aluminio puro debido a la mejora de la radiación, significativa solo a ΔT > 40 °C por encima de la temperatura ambiente
  • ✓El aire forzado a 2 m/s normalmente reduce la θA entre 3 y 5 veces; consulte las curvas del fabricante para conocer el disipador térmico específico. Selección de ventiladores: 1 CFM por cada 5 W para gabinetes pequeños, según el manual térmico de la AAVID

Errores Comunes

  • ✗Utilizar el disipador térmico θSA sin tener en cuenta la orientación de montaje: las aletas verticales con convección natural tienen entre un 20 y un 30% menos de θSA que las horizontales; las especificaciones del fabricante presuponen una orientación óptima
  • ✗Ignorar la resistencia de la interfaz térmica: omitir θCs = 0,5 °C/W (contacto seco) subestima la Tj entre 3 y 5 °C a los niveles de potencia típicos; utilice siempre un compuesto térmico
  • ✗Suponiendo un escalado lineal con la potencia: a una densidad de potencia alta (>1 W/cm²), la superficie del disipador térmico se satura térmicamente; utilice la simulación CFD o reduzca la θSA publicada entre un 20 y un 30%

Preguntas Frecuentes

La resistencia térmica θ (°C/W) es análoga a la resistencia eléctrica: ΔT = θ × P (compárese con V = R × I). Cuantifica cuánto aumento de temperatura se produce por vatio de potencia disipada. Un θ más bajo significa una mejor transferencia de calor. Valores típicos: TO-220 θJC = 1-2 °C/W, grasa térmica θCS = 0,1-0,2 °C/W, disipador térmico pequeño con clip θSa = 10-20 °C/W, disipador térmico extruido grande θSa = 1-3 °C/W.
θJC se fija mediante el diseño del paquete y el usuario no puede mejorarlo; representa el cuello de botella térmico fundamental. Los paquetes de alimentación (D²PAK, TO-247) alcanzan θJC < 1 °C/W; los paquetes de montaje en superficie (SOIC, QFP) tienen θJC = 20-100 °C/W. Para aplicaciones de alta potencia, la selección del paquete es fundamental: un dispositivo de 10 W en SOIC-8 (θJC = 40 °C/W) tiene un aumento de 400 °C incluso antes de llegar a la caja.
La temperatura ambiente Ta establece la línea base: todos los aumentos de temperatura se suman a Ta. Los diseños industriales utilizan Ta = 50-70 °C; los productos electrónicos de consumo utilizan Ta = 35-45 °C. Para aumentar el Ta de 25 °C a 50 °C, es necesario reducir la disipación de energía en 25 °C/θJa vatios o mejorar θJa proporcionalmente. Diseñe siempre para las condiciones ambientales más adversas, de acuerdo con las directrices de confiabilidad del IPC-9592B.
θJC: se fija por paquete (selecciona un paquete de JC inferior, como D²PAK en lugar de TO-220). θCS: usa grasa térmica (0,1 °C/W) en lugar de contacto seco (0,5 °C/W), o utiliza material de cambio de fase (0,05 °C/W). θsA: área de disipación térmica más grande, más aletas, aire forzado (mejora de 3 a 5 veces) o refrigeración líquida (mejora de 10 veces). El sistema total θJa se puede reducir de 50 °C/W (sin disipador térmico) a <2 °C/W (refrigeración líquida optimizada).
A corto plazo: aumento de Rds (encendido) para los MOSFET (1,5-2 veces a Tj (máximo)), reducción del hFE para los BJT, posible apagado térmico (función de protección en muchos circuitos integrados). A largo plazo: desgaste acelerado según los modelos de Arrhenius: cada 10 °C por encima del objetivo de diseño reduce a la mitad la vida útil esperada. Según el JEDEC JEP122H, operar a Tj (máximo) de forma continua da como resultado un tiempo medio entre 1000 y 10 000 horas; si se opera a Tj (máximo) - 50 °C, se alcanza un tiempo medio entre 100 000 y 100 000 horas.

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