Qué es un disipador de calor y su importancia

Todos los componentes eléctricos y electrónicos de un circuito generan cierta cantidad de calor mientras el circuito se ejecuta proporcionando alimentación. Normalmente, los dispositivos semiconductores de alta potencia, como los transistores de potencia, y los optoelectrónicos, como los diodos emisores de luz, los láseres, generan calor en cantidades considerables y estos componentes son inadecuados para disipar el calor, ya que su capacidad de disipación es significativamente baja.

Debido a esto, el calentamiento de los componentes conduce a un fallo prematuro y puede causar un fallo en el rendimiento de todo el circuito o sistema. Así que, para vencer estos aspectos negativos, hay que proporcionar disipadores de calor para la refrigeración.

¿Qué es un disipador de calor?

Disipador de calor

El disipador de calor es un componente electrónico o un dispositivo de un circuito electrónico que dispersa el calor de otros componentes (principalmente de los transistores de potencia) de un circuito en el medio circundante y los enfría para mejorar su rendimiento, fiabilidad y también evita el fallo prematuro de los componentes. Para la refrigeración, incorpora un ventilador o dispositivo de refrigeración.

Principio del disipador de calor

La ley de Fourier de la conducción del calor establece que si hay un gradiente de temperatura en un cuerpo, el calor se transferirá de una región de alta temperatura a una región de temperatura permitida.Y, esto se puede conseguir de tres maneras diferentes, como la convención, la radiación y la conducción.

Principio del disipador de calor
Principio del disipador de calor

Siempre que dos objetos con diferente temperatura entran en contacto, se produce una conducción que hace que las moléculas de movimiento rápido del objeto más caliente choquen con las moléculas de movimiento lento de los objetos más fríos, y por tanto, se transfiere energía térmica al objeto más frío, lo que se denomina conductividad térmica.

Del mismo modo, el disipador de calor transfiere el calor o la energía térmica de un componente de alta temperatura a un medio de baja temperatura como el aire, el agua, el aceite, etc. Normalmente se utiliza el aire como medio de baja temperatura; y si se utiliza el agua como medio, se denomina placa fría.

Tipos de disipadores de calor

Los disipadores de calor se clasifican en diferentes categorías en función de distintos criterios. Consideremos los principales tipos, a saber, los disipadores de calor activos y los disipadores de calor pasivos.

Tipos de disipadores de calor
Tipos de disipadores de calor

Disipadores de calor activos

Generalmente son de tipo ventilador y utilizan la energía para la refrigeración, pero también pueden denominarse disipadores de calor o ventiladores. Los ventiladores se clasifican a su vez en los de cojinete de bolas y los de cojinete de manguito. Se prefieren los ventiladores con cojinete de bolas porque su vida útil es más larga y son más baratos cuando se trata de un uso prolongado.

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Disipadores térmicos pasivos

No poseen ningún componente mecánico y están formados por radiadores con aletas de aluminio. Disipan la energía térmica o el calor mediante el proceso de convección. Son más fiables que los disipadores de calor activos; y, para un funcionamiento eficaz de los disipadores de calor pasivos, se recomienda mantener un flujo de aire continuo a través de sus aletas.

Disipador térmico de aluminio

Los disipadores de calor suelen estar hechos de metales, y el aluminio es el metal más utilizado en los disipadores de calor. Por tanto, si la conductividad térmica del metal aumenta, el
capacidad de transferencia de calor del disipador también aumentará.

Disipador de calor de aluminio
Disipador de calor de aluminio

La conductividad térmica del aluminio es de 235 W/mK; es el metal más barato y ligero. Los disipadores de calor de aluminio también se denominan disipadores de calor extruidos, ya que pueden fabricarse mediante extrusión.

Disipadores térmicos estampados

Están hechos de metales que se estampan para darles una forma determinada. Este estampado crea los disipadores de calor cada vez que el metal se mueve a través de la máquina de estampación. Son más baratos que los disipadores de calor extruidos.
Se utilizan para aplicaciones de baja potencia, por lo que su rendimiento es bajo.

Mecanizado de disipadores de calor

Se fabrican mediante un proceso de mecanizado; a menudo se utiliza una sierra de calar para eliminar un bloque de material y hacer las interaletas con una separación precisa. Son caros, ya que se puede desperdiciar mucho metal en el proceso de fabricación.

Disipadores de calor con aletas adheridas

Se utilizan con frecuencia para aplicaciones físicamente grandes que requieren un rendimiento sensible, como la soldadura eléctrica y las aplicaciones de ladrillos DC-DC. Se fabrican pegando aletas individuales de un metal a la base de un disipador de calor. Esto se puede hacer por dos métodos: el epoxi térmico, que es económico, y el otro es por soldadura fuerte, que es caro.

Disipadores de calor de aletas plegadas

Estos disipadores de calor de aleta plegada tienen una gran superficie, y poseen material de disipación de calor plegado, por lo que tienen un rendimiento muy alto y una densidad de flujo de calor muy alta. En estos disipadores, el aire es dirigido para que fluya directamente hacia los disipadores de calor a través de algún tipo de conducto. Esto encarece el conjunto, ya que el coste de fabricación y de canalización está incluido en el coste global del disipador.

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Disipadores de calor con rejilla

Para la fabricación de estos disipadores se utiliza el proceso de skiving, que consiste en hacer bloques muy finos de metales, generalmente de cobre. De ahí que se denominen disipadores térmicos rebajados. Son disipadores de calor de rendimiento medio a alto.

Disipadores térmicos forjados

Los metales como el cobre y el aluminio se utilizan para formar disipadores de calor utilizando fuerzas de compresión. Este proceso se denomina proceso de forjado. De ahí que se denominen disipadores térmicos forjados.

Disipadores de calor de conjunto de una aleta

Son ligeros y pueden instalarse en espacios reducidos. También poseen una capacidad de rendimiento de baja a alta, y pueden utilizarse para muchas aplicaciones. Pero el mayor inconveniente es que son un poco caros.

Disipadores térmicos ensamblados

El estampado es un proceso de forjado en frío, pero a veces puede hacerse incluso como proceso de trabajo en caliente en el que se modifican las dimensiones de un elemento en una matriz. Son baratos, de rendimiento medio y están limitados en la gestión del flujo de aire.

Importancia de los disipadores de calor en los circuitos electrónicos

  • Un disipador de calor es un intercambiador de calor pasivo, y está diseñado para tener una gran superficie en contacto con el medio circundante (de refrigeración), como el aire. Los componentes o partes electrónicas o dispositivos que no son suficientes para moderar su temperatura, requieren disipadores de calor para su refrigeración. El calor generado por cada elemento o componente del circuito electrónico debe disiparse para mejorar su fiabilidad y evitar el fallo prematuro del componente.
  • Mantiene la estabilidad térmica en los límites de cada componente eléctrico y electrónico de cualquier circuito o pieza electrónica de cualquier sistema. El rendimiento del disipador de calor depende de factores como la elección de un material, el diseño del saliente, el tratamiento de la superficie y la velocidad del aire.
  • Las unidades centrales de procesamiento y los procesadores gráficos de un ordenador también se refrigeran utilizando los disipadores de calor. Los disipadores de calor también se denominan «Heat spreaders», que se utilizan frecuentemente como cubiertas de la memoria de un ordenador para disipar su calor.
  • Si los circuitos electrónicos no disponen de disipadores de calor, existe la posibilidad de que fallen componentes como los transistores, los reguladores de tensión, los circuitos integrados, los LED y los transistores de potencia. Incluso al soldar un circuito electrónico, se recomienda utilizar un disipador de calor para evitar el sobrecalentamiento de los elementos.
  • Los disipadores de calor no sólo sirven para disipar el calor, sino que también se utilizan para la gestión de la energía térmica, disipando el calor cuando éste es mayor. En caso de bajas temperaturas, los disipadores de calor están destinados a proporcionar calor liberando energía térmica para el correcto funcionamiento del circuito.
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Selección del disipador de calor

Para la selección del disipador de calor debemos tener en cuenta los siguientes cálculos matemáticos:

Considera

P: Tasa de disipación de calor en vatios

T_j: Temperatura máxima de la unión del dispositivo en 0C

T_c: Temperatura de la carcasa del dispositivo en 0C

T_a: Temperatura del aire ambiente a 0C

T_s: Temperatura máxima del disipador de calor situado lo más cerca posible del dispositivo en 0C

La resistencia térmica puede venir dada por

R=∆T/Q

La resistencia eléctrica viene dada por

R_e=∆V/I

La resistencia térmica entre la unión y la carcasa del dispositivo viene dada por

R_jc=(∆T_jc)/Q

La resistencia del caso al sumidero viene dada por

R_cs=(∆T_cs)/Q

La resistencia del sumidero al ambiente viene dada por

R_sa=(∆T_sa)/Q

Así, la resistencia de la unión al ambiente viene dada por

R_ja= R_jc+R_cs+R_sa=(T_j-T_a)/Q

Ahora, la resistencia térmica necesaria del disipador de calor es

R_sa=(T_j-T_a)/Q-R_jc-R_cs

En la ecuación anterior, los valores de T_j,Q y R_jc son fijados por el fabricante y los valores de T_a y R_cs son definidos por el usuario.

Por tanto, la resistencia térmica del disipador de calor para su aplicación debe ser menor o igual que la R_sa calculada anteriormente.

Al seleccionar el disipador de calor, hay que tener en cuenta varios parámetros, como el presupuesto térmico permitido para los disipadores de calor, la condición del flujo de aire (flujo natural, flujo bajo mixto, flujo alto de convección forzada).

El volumen del disipador de calor puede determinarse dividiendo la resistencia térmica volumétrica por la resistencia térmica necesaria. El rango de la resistencia térmica volumétrica es el siguiente en la tabla que se muestra a continuación.

Rango de la resistencia térmica volumétrica

El siguiente gráfico muestra la variación del tamaño del disipador de calor de aluminio y la resistencia térmica como ejemplo de elección del disipador de calor en función de la resistencia térmica.

Área frente a la resistencia térmica del disipador de calor
Área frente a la resistencia térmica del disipador de calor

Este artículo trata sobre el disipador de calor, los diferentes tipos de disipadores de calor y la importancia del disipador de calor en los circuitos electrónicos en resumen. Para saber más información sobre los disipadores de calor, envía tus preguntas a comentando a continuación.

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Javired
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