Disipador de Calor (2)

DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 AUTORA Anglica Quito Carrin 1. RESUMEN En el siguiente artculo se encontrara el proceso de seleccin de un disipador de calor y el anlisis que se realiza para un circuito de un motor. Este circuito permite alterar la velocidad desde detenido hasta el mximo posible del motor por medio de un potencimetro. Gracias a que funciona por modulacin de ancho de pulso la fuerza del motor se ve poco afectada incluso a velocidades mnimas. El anlisis por elementos finitos fue realizado en el programa ALGOR 23.1 2. PALABRAS CLAVES Disipadores de calor, potencia a disipar, transistores de potencia, control de motores. 3. INTRODUCCION 3.1 Objetivos Lograr realizar una correcta seleccin del disipador de calor para que el clculo en ALGOR sea el correcto Combinar los conocimientos adquiridos en Sistemas dinmicos, electrnica bsica y termodinmica. 3.2 Introduccin El estudio trmico de los dispositivos de potencia es fundamental para un rendimiento ptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente elctrica produce una prdida de energa que se transforma en calor. El calor produce un incremento de la temperatura del dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocar una reduccin de la vida til del elemento y en el peor de los casos lo destruir. En Electrnica de Potencia la REFRIGERACIN juega un papel muy importante en la optimizacin del funcionamiento y vida til del semiconductor de potencia. 3.3 Marco terico 3.3.1 Propagacin del calor En todo semiconductor el flujo de la corriente elctrica produce una prdida de energa que se transforma en calor. Esto es debido al movimiento desordenado en la estructura interna de la unin. El calor elevar la energa cintica de las molculas dando lugar a un aumento de temperatura en el dispositivo; si este aumento es excesivo e incontrolado provocar una reduccin de la vida til del dispositivo y en el peor de los casos su destruccin. Es por ello que la evacuacin del calor generado en el semiconductor es una cuestin de gran importancia para asegurar el correcto funcionamiento y duracin del dispositivo. La capacidad de evacuacin del calor al medio ambiente podr variar segn el tipo de cpsula pero en cualquier caso ser demasiado pequea, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido ESCUELA POLITECNICA DEL EJRCITO INGENIERIA MECATRONICA SISTEMAS DINAMICOS SEXTO MECATRONICA B [email protected]

DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cpsula al medio ambiente. 3.3.2 Formas de transmisin del calor La transmisin del calor puede producirse de tres formas:

CONDUCCIN: Es el principal medio de transferencia de calor. Se realiza por la transferencia de energa cintica entre molculas, es decir, se transmite por el interior del cuerpo establecindose una circulacin de calor. La mxima cantidad de calor que atravesar dicho cuerpo ser aquella para la cual se consigue una temperatura estable en todos los puntos del cuerpo. En este tipo de transmisin se debe tener en cuenta la conductividad trmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura).

Figura 1. Transferencia de calor por conduccin CONVECCIN: El calor de un slido se transmite mediante la circulacin de un fluido que le rodea y este lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama conveccin natural. Si la circulacin del fluido est provocada por un medio externo se denomina conveccin forzada.

Figura 2. Transferencia de calor por conveccin RADIACIN: El calor se transfiere mediante emisiones electromagnticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a cero grados Kelvin. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las superficies mates son ms favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de mayor poder de radiacin, por este motivo se ESCUELA POLITECNICA DEL EJRCITO INGENIERIA MECATRONICA SISTEMAS DINAMICOS

DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 efecta un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiacin no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a que se trabaja sta es despreciable.

Figura 3. Transferencia de calor por radiacin 3.3.3 Parmetros que intervienen en el clculo Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unin por debajo del mximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente elctrica produce un aumento de la temperatura de la unin (Tj). Si sta se quiere mantener a un nivel seguro, debemos evacuar al exterior la energa calorfica generada por la unin. Para que se produzca un flujo de energa calorfica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasar del punto ms caliente al ms fro, pero aparecen factores que dificultan este paso. A estos factores se les denomina resistencias trmicas.

Figura 4. Relacion de resistencias trmicas y temperaturas

De la figura se obtiene la expresin:

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DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 3.3.4 Resistencias trmicas

Rjc = Resistencia unincontenedor Rcd = Resistencia contenedordisipador Rd = Resistencia del disipador Tj = Temperatura de la unin Tc = Temperatura del contenedor Td = Temperatura del disipador Ta = Temperatura ambiente

Figura 5. Igualdad entre el circuito equivalente de resistencias trmicas y los elementos en un montaje real 3.3.4.1 Resistencia Unin - Contenedor (Rjc) En este caso el foco calorfico se genera en la unin del propio cristal semiconductor, de tal forma que el calor debe pasar desde este punto al exterior del encapsulado. Generalmente este dato lo suministra el fabricante, y depender del tipo de cpsula del dispositivo. Aparecer bien directamente o indirectamente en forma de curva de reduccin de potencia.

Figura 6. Tc vs Pd

Esta muestra la potencia en funcin de la temperatura del contenedor. En ella la pendiente de la recta dada es la resistencia unin contenedora. La frmula que se utiliza para el clculo de esta resistencia es: Donde estos datos se obtienen de la curva de reduccin de potencia, que ser propia de cada dispositivo. Deberemos de tener en cuenta que Pd es la dada por el fabricante y no la que disipar el dispositivo en el circuito. Normalmente Tc vale 25 C.


DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 3.3.4.2 Resistencia Contenedor - Disipador (Rcd) Es la resistencia trmica entre el semiconductor y el disipador. Este valor depende del sistema de fijacin del disipador y el componente, y del estado de planitud y paralelismo de las superficies de contacto, puesto que a nivel microscpico, solo contactan por unos puntos, quedando huecos de aire que entorpecen la transmisin del calor. Tambin depende del tipo de material que se interponga entre ambas superficies de contacto. Los elementos que se sitan entre la cpsula y el disipador pueden ser de dos tipos: a. Pastas conductoras de calor, que pueden ser o no ser conductoras de la electricidad. b. Lminas aislantes elctricas que se pueden emplear conjuntamente con siliconas conductoras de calor como mica, kelafilm, etc. Tambin las hay conductoras de calor que no precisan pasta de silicona. El tipo de contacto entre cpsula y disipador podr ser: Directo. Directo ms pasta de silicona. Directo ms mica aislante. Directo ms mica aislante ms pasta de silicona. El valor de esta resistencia trmica influye notablemente en el clculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que aplicaremos al dispositivo a refrigerar. Cuanto ms baja es Rcd menor ser la longitud y superficie de la aleta requerida.

Figura 7. Resistencia trmica contenedor disipador

3.3.4.3 Resistencia del disipador (Rd) Representa el paso por conveccin al aire del flujo calorfico a travs del elemento disipador. Este dato ser, en la prctica, la incgnita principal de nuestro problema, puesto que segn el valor que nos d el clculo, as ser el tipo de aleta a emplear. Depende de muchos factores: potencia a disipar, condiciones de la superficie, posicin de montaje y en el caso de disipadores planos factores como el grosor del material y el tipo de encapsulado. Para el clculo de la resistencia se pueden utilizar las siguientes frmulas:


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Este valor de Rja no es el que da el fabricante ya que ste la suministra sin disipador, y la que hay que utilizar es con disipador. El fabricante la facilita como suma de Rjc y Rca puesto que ignora el tipo de disipador que utilizaremos. Una vez calculada la Rd se pasa a elegir la aleta refrigeradora. Para la eleccin de la aleta, habr que tener en cuenta que el tipo de encapsulado del dispositivo a refrigerar sea el adecuado para su montaje en la aleta disipadora que se haya elegido. Despus de cumplir la condicin anterior hay que calcular la longitud o la superficie del disipador elegido. Para ello es necesario disponer de uno de los dos tipos de grficas que ofrecen los fabricantes de disipadores, la Rd - longitud y la Rd - superficie. Segn la grfica de que se disponga se obtendr un valor de longitud o un valor de superficie de disipador que hay que montar para refrigerar adecuadamente el dispositivo semiconductor. 3.3.4.4 Resistencia Unin - Ambiente (Rja) Como su nombre indica es la resistencia que existe entre la unin del semiconductor y el ambiente. Con esta resistencia deberemos de distinguir dos casos, el de resistencia unin ambiente con disipador y sin disipador. Cuando se habla de resistencia unin ambiente sin disipador, nos referimos a la resistencia unin contenedor junto con la contenedor ambiente:

Este valor lo suministra el fabricante en funcin del tipo de contenedor. Cuando se habla de la resistencia unin ambiente con disipador nos referimos a la suma de la resistencia unin contenedor (Rjc), la resistencia contenedor disipador (Rcd) y la resistencia disipador ambiente (Rd):

Este valor no es conocido ya que vara segn el tipo de disipador que se utilice. El valor de Rja depender de los valores de Rd y de Rcd. Como no es un valor fijo, no existe una tabla de valores tpicos. 3.3.5 TEMPERATURAS 3.3.5.1 Temperatura de la unin (Tj) La temperatura mxima de la unin es el lmite superior de temperatura a la que no se debe llegar y menos sobrepasar si queremos evitar la destruccin de la unin. Este dato es un valor que se suele suministrar, normalmente, en los manuales de los fabricantes de semiconductores. Si este valor no se refleja en dichos manuales o, simplemente, no se encuentra, podremos adoptar unos valores tpicos en funcin del dispositivo a refrigerar como los mostrados en la tabla que se expone a continuacin: DISPOSITIVO de unin de Germanio RANGO DE Tjmx Entre 100 y 125 C


DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 de unin de Silicio Entre 150 y 200 C JFET Entre 150 y 175 C MOSFET Entre 175 y 200 C Tiristores Entre 100 y 125 C Transistores Uniunin Entre 100 y 125 C Diodos de Silicio Entre 150 y 200 C Diodos Zener Entre 150 y 175 C Tabla 1. Rangos de Tj mximos Se debe distinguir entre la temperatura mxima de la unin permitida para un dispositivo y la temperatura real de la unin a la que se pretende que trabaje dicho elemento o dispositivo que, lgicamente, siempre ser menor que la mxima permitida. El objetivo del que disea ser mantener la temperatura de la unin por debajo de la mxima. Para ello se utiliza un coeficiente ( K ) de seguridad cuyo valor dar una temperatura de la unin comprendida entre el 50% y el 70% de la mxima. Por lo tanto k estar comprendido entre 0,5 y 0,7. Le asignamos el valor segn el margen de seguridad que queremos que tenga el dispositivo. La temperatura de la unin que se utilizar en los clculos ser: Las condiciones de funcionamiento en funcin de k sern: Para valores de k=0,5. Dispositivo poco caliente. Mximo margen de seguridad, pero el tamao de la aleta refrigeradora ser mayor. Para valores de k=0,6. Dimensin menor de la aleta refrigeradora sin que el dispositivo se caliente demasiado. Para valores de k=0,7. Mximo riesgo para el dispositivo, mxima economa en el tamao de la aleta refrigeradora. Este coeficiente de seguridad exige que la aleta se site en el exterior. 3.3.5.2 Temperatura de la Cpsula (Tc) Este dato no se suministra en los manuales ya que depende del valor de la potencia que disipa el dispositivo, de la resistencia del disipador y de la temperatura ambiente. Por lo tanto solo podemos calcularla cuando conozcamos todos los datos reflejados en alguna de las siguientes expresiones:

3.3.5.3 Temperatura del disipador (Td) Este valor se obtiene a partir de la potencia disipada Pd, de la resistencia trmica de la aleta Rd y finalmente de la temperatura ambiente Ta. Se calcular con cualquiera de estas expresiones:


DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 La temperatura obtenida ser siempre inferior a la temperatura de la cpsula aunque ser lo suficientemente alta en la mayora de los casos como para no poder tocar el disipador con las manos. Esto no es motivo de preocupacin ya que se han tomado las medidas necesarias como para que la temperatura de la unin disponga de un margen de seguridad dentro de los mrgenes ya explicados. Puede suceder que la temperatura de la aleta es bastante elevada, tanto que si se toca con un dedo notaramos que quema. Pero en todo momento la temperatura de la unin entrar con amplio margen dentro de los lmites permitidos. No obstante, si se quiere disminuir esta temperatura, solo hay que calcular de nuevo la resistencia trmica Rd de la aleta, poniendo esta vez 0,5 como factor ( k ) necesario para determinar Tj. Ello llevar a adoptar una aleta ms grande, pero tanto la Tc, como la Td disminuirn como se desea. 3.3.5.4 Temperatura ambiente (Ta) En la interpretacin de este dato puede haber alguna confusin ya que se puede tomar su valor como la temperatura del medio ambiente cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde est ubicado el disipador. 3.3.6 POTENCIAS 3.3.6.1 Potencia disipada La potencia mxima es un dato que nos dar el fabricante. Este dato es para las mejores condiciones de funcionamiento del dispositivo, es decir, para una temperatura del contenedor de 25 C y un disipador adecuado.

Esta es la mxima potencia disipable sin disipador. Se puede ver que este valor se queda muy por debajo del indicado por el fabricante.

Si hiciramos disipar 90 W como pretendamos se destruira la unin. Como se puede observar la potencia obtenida es superior a la disipable sin disipador e inferior a la que nos suministra el fabricante. Ello es debido a que el fabricante ha calculado la Pdmx manteniendo la temperatura del contenedor a 25 C, cosa que en la prctica es imposible:

Es importante saber interpretar adecuadamente los datos suministrados por el fabricante, de lo contrario pueden aparecer sorpresas desagradables. Sabemos que la mxima potencia que se puede hacer disipar a un semiconductor sin disipador viene dada por el cociente entre el incremento de la temperatura y la resistencia trmica unin ambiente: ESCUELA POLITECNICA DEL EJRCITO INGENIERIA MECATRONICA SISTEMAS DINAMICOS


Donde Rja es la que nos suministra el fabricante que no incluye Rd. Cuando se utiliza un disipador, la resistencia trmica se divide en tres parmetros: la resistencia entre la unin y el contenedor (Rjc), entre el contenedor y el disipador (Rcd) y entre el disipador y el ambiente (Rd):

4. CALCULOS Para realizar nuestros clculos, primeramente se debi tomar en consideracin el circuito con el que se va a trabajar y la finalidad del circuito 4.1 DESCRIPCION GENERAL DEL CIRCUITO Control de velocidad PWM para motor de CC Este circuito permite alterar la velocidad desde detenido hasta el mximo posible del motor por medio de un potencimetro. Gracias a que funciona por modulacin de ancho de pulso la fuerza del motor se ve poco afectada incluso a velocidades mnimas.

FIGURA 8. CIRCUITO A UTILIZAR El circuito se basa en un integrado NE555 el cual genera el tren de impulsos necesario para controlar el transistor, el cual acciona por pulsos el motor de continua. El diodo en paralelo con el motor impide que, cuando se quita la corriente, el transistor se queme. Los componentes entre los terminales 2, 6 y 7 del integrado regulan la frecuencia de oscilacin del circuito y, por ende, la velocidad del motor. El transistor, con un buen disipador de calor, puede manejar hasta 75W de potencia.



FIGURA 9. Foto del mdulo montado.

FIGURA 10. Informacin del encapsulado del transistor. 4.2 DATOS OBTENIDOS DEL DATASHEET DEL TRANSISTOR IRF830

TABLA 2. Determinacin de Tj por el fabricante

Tabla 3. Determinacin de las Resistencias Rjc, Rja, Rcs.



Tabla 4. Medidas del transistor

figura 11. TRANSISTOR IRF830 ESCUELA POLITECNICA DEL EJRCITO INGENIERIA MECATRONICA SISTEMAS DINAMICOS

DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 4.3 SIMULACION DEL CIRCUITO

La simulacin del circuito fue realizada con el objetivo de obtener la potencia que existir en nuestro transistor MOSFET al ser utilizado en nuestro circuito, ya que su potencia mxima ser de 75 w con lo que su operacin estar en correcto funcionamiento. Con lo que tendremos una potencia de ms de 13 w a disiparse, tomaremos en consideracin una potencia de 15 w por seguridad. 4.4 Calculo De Temperaturas Ta: 40 oc ; ya que el considerar una temperatura de 25oC seria caer en un error de consideracin, puesto que la temperatura ambiente que debemos considerar es la temperatura del entorno en donde vamos a trabajar con nuestro disipador. Tj mx: obtenida del datasheet: 150 oC, pero considerando un factor de operacin k de 0,7, vamos a obtener el Tj=105 oC 4.5 Calculo De Resistencias


DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 4.6 Clculo de temperatura capsula y disipador 1. 2. De la primera ecuacin

Tc= 86,25oC Despejando en la segunda ecuacin

Td= 68,25oC 5. SELECCIN DEL DISCIPADOR Con la obtencin del Rd, se pudo seleccionar el disipador adecuado para nuestro circuito, mediante el manejo de la tabla Rj vs Longitud, misma tabla que es caracterstica de nuestro disipador.

Con esto, podemos observar que la longitud de nuestro disipador ser de 80 mm 6. DIBUJO DEL DISCIPADOR EN SOLIDWORKS 2009 VISTA FRONTAL


DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 VISTA SUPERIOR

DISEO EN 3D

7. ANALISIS POR ELEMENTOS FINITOS ALGOR 23.1 7.1 Caractersticas del material A continuacin se presenta una tabla de las caractersticas del material a utilizarse, el cual es aluminio, material caracterstico de los disipadores de calor.



7.2 Tipo de mallado


DISEO DE DISCIPADORES DE CALOR 2010 7.3 Colocacin de las cargas En este paso, se proceder a colocar tanto la temperatura de las caras que ser nuestra temperatura ambiente, como en nuestro lugar a colocar el transistor.

7.4 Calculo de H Este clculo ser indispensable al momento de realizar nuestra simulacin, ya que esto nos mostrara la conduccin que exista sobre nuestro disipador. Como primer paso debemos calcular las reas necesarias, tanto en nuestro disipador como en el lugar a colocarse el transistor. rea de las aletas: 25330,416 mm2 rea donde el transistor tendr contacto con nuestro disipador: 139,20 mm 2 Clculo de H aletas:

Clculo de H rea del transistor:



8. SIMULACION La simulacin fue realizada en el programa ALGOR 23.1 por inconvenientes tenidos con el programa COSMOS de solidworks. A continuacin se presentara la imagen del disipador con las cargas trmicas, mallado y simulacin de cmo estar distribuido el calor.

9. CONCLUSIONES


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