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Thermal

Calculadora de Selección de Disipador

Determina la resistencia térmica máxima del disipador requerida para mantener una temperatura de unión segura.

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Fórmula

θSA=TJ(max)−TAPD−θJC−θCS\theta_{SA} = \frac{T_{J(max)} - T_A}{P_D} - \theta_{JC} - \theta_{CS}
θ_SA— Resistencia térmica requerida del disipador (°C/W)
T_J(max)— 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 selección de disipadores térmicos determina la resistencia térmica requerida y recomienda el tamaño del disipador térmico, algo esencial para la confiabilidad de la electrónica de potencia, la administración térmica de los LED y el diseño de refrigeración de la CPU/GPU. Los ingenieros térmicos, los diseñadores de PCB y los ingenieros de productos la utilizan para garantizar que los componentes funcionen dentro de los límites de temperatura seguros. Según el JEDEC JESD51-14, el proceso de selección implica: (1) calcular la disipación de energía Pd, (2) determinar el máximo permitido θJa a partir de Tj (máx.), Ta (máx.) y el margen de diseño, (3) restar θJc y θCS para encontrar el θsA requerido, (4) seleccionar un disipador térmico que cumpla con los requisitos de θsA. Los disipadores térmicos estándar van desde θSa = 20 °C/W (pequeño enganche, 15 × 15 × 10 mm) hasta θSa = 0,5 °C/W (aletas grandes con ventilador, 100 × 100 × 50 mm). Una reducción del 10% en θSa explica las variaciones en la fabricación y el envejecimiento, según las directrices de diseño térmico.

Ejemplo Resuelto

Seleccione un disipador térmico para el controlador MOSFET que disipa 15 W en el paquete TO-247. Requisitos: Tj (máx.) = 150 °C, Ta (máx.) = 55 °C, objetivo Tj = Tj (máx.) - 25 °C = 125 °C para obtener un margen de confiabilidad. De la hoja de datos del MOSFET: θJc = 0,4 °C/W (TO-247AC). Calcula los θJa requeridos: θJa (máx.) = (125°C - 55°C) /15 W = 4,67 °C/W. Con la almohadilla térmica Bergquist Sil-Pad 2000 (θCS = 0,3 °C/W): θSa (máx.) = 4,67 - 0,4 - 0,3 = 3,97 °C/W. Aplica una reducción del 10%: θSa (diseño) = 3,97 × 0,9 = 3,57 °C/W. Selecciona Aavid 62700 (60 mm extruido, θA = 3,2 °C/W). Verifique con aire forzado: si el ventilador proporciona un flujo de aire de 2 m/s, θSA cae a 1,2 °C/W, lo que permite una disipación de 40 W al mismo Tj, lo que resulta útil en condiciones de sobrecarga.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice las herramientas de selección de disipadores térmicos en línea (Aavid, Wakefield-Vette): potencia de entrada, Tj (máx.), Ta, tipo de paquete; la herramienta recomienda productos compatibles con curvas θSA
  • ✓Para espacios reducidos, considere la posibilidad de utilizar tubos de calor o cámaras de vapor: consiga una temperatura inferior a 0,5 °C/W en 5 mm de altura, lo que permite diseños delgados para dispositivos móviles
  • ✓Las almohadillas térmicas simplifican el montaje en comparación con la grasa térmica, pero tienen entre 2 y 3 veces más de θCs. Para aplicaciones críticas, utilice grasa térmica dosificada con un grosor de línea de unión controlado

Errores Comunes

  • ✗Ignorar la variación de la temperatura ambiente: el diseño para condiciones de laboratorio de 25 °C falla en entornos industriales de 50 °C; utilice siempre el Ta más desfavorable de las especificaciones del producto
  • ✗Sin tener en cuenta la resistencia térmica específica de los componentes: θJC varía 10 veces entre paquetes (TO-220:1 °C/W frente a SOIC-8:40 °C/W); compruébalo en la hoja de datos del dispositivo
  • ✗No se aplica el factor de reducción: la θSA publicada presupone un montaje y un flujo de aire ideales; aplique una reducción del 10 al 20% para obtener un margen real según MIL-HDBK-251

Preguntas Frecuentes

La resistencia térmica θ (°C/W o K/W) mide la oposición al flujo de calor: Tj = Ta + Pd × θJa. Un θ más bajo significa una mejor refrigeración. La ruta térmica desde la unión hasta la temperatura ambiente está formada por θJC (paquete, 0,4-40 °C/W), θCs (interfaz, 0,1-1°C/W) y θA (disipador térmico, 0,5-20 °C/W). Estos se suman en serie: θJa = θJC + θCS + θSA.
La θSA publicada presupone: presión de montaje óptima (50-100 psi), interfaz térmica limpia, flujo de aire especificado y orientación vertical. Las instalaciones reales presentan variaciones: tornillos sueltos (+10% θSa), acumulación de polvo (+5-15%), montaje horizontal (+20-30% en caso de convección natural). La reducción del 10% proporciona un margen mínimo; utilice entre un 20 y un 30% para entornos hostiles, según la norma IPC-9592B.
Cuando la convección natural no puede alcanzar los θA requeridos, normalmente por encima de 5-10 W por dispositivo. El aire forzado a una velocidad de 2 a 3 m/s mejora la θA entre 3 y 5 veces en los disipadores térmicos con aletas. Tamaño del ventilador: 1 CFM por cada 5-10 W de disipación total en la carcasa. Para densidades de potencia superiores a 10 W/cm², la refrigeración líquida proporciona un rendimiento 10 veces mayor que el aire. Compensación de costos: un disipador de calor más grande (entre 5 y 20 dólares) frente a un ventilador (entre 3 y 10 dólares) y un disipador de calor más pequeño.
Regla empírica para extrusiones de aluminio por convección natural: θSa ≈ 50/√ (área_cm²). Para θSa = 5 °C/W: área = (50/5) ² = 100 cm² = 10 × 10 cm de superficie. Agregue aletas para duplicar el área efectiva en el mismo espacio. El aire forzado permite un disipador de calor de 3 a 5 veces más pequeño para la misma θA. Un dimensionamiento preciso requiere curvas térmicas del fabricante o una simulación por CFD.

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