La característica más importante del disipador es la Resistencia Térmica, que viene expresada en ºC/W, lo demás son datos relevantes como las dimensiones.
Los integrados normalmente están hechos de semiconductores, entonces estos semiconductores se queman por una temperatura excesiva en su unión, que destruye las propiedades del silicio. Para poder calcular un disipador debemos tener en cuenta las siguientes cosas:
1º Potencia que va a disipar el integrado. (P=V*I)
2º Temperatura de la unión. (Tj, Top en algunos datasheets, yo le llamaré Tj)
3º Temperatura ambiente de trabajo.(Ta) (Si esta en el exterior 25ºC, dentro de la caja de una fuente de alimentación pues cogeríamos 35-40º)
4º Resistencia térmica entre unión-encapsulado. (Rth,JC)
5º Resistencia térmica entre encapsulado-radiador. (Rth,CH)
6º Resistencia térmica entre radiador-ambiente. (Rth,HA)
7º Resistencia térmica total (Rth,JA= Rth,JC+Rth,CH+Rth,HA)
Si no tenemos ningún disipador, deberemos eliminar Rth,HA (resistencia térmica entre disipador y ambiente) y buscar el valor de Rth,CA (resistencia térmica entre encapsulado y ambiente)
Para hacer el cálculo de Radiadores se utiliza la "LEY de OHM TÉRMICA" dónde la POTENCIA representaría la intensidad, la variación de TEMPERATURA entre unión y ambiente representaría la diferencia de voltaje y las RESISTENCIAS TÉRMICAS representarían las resistencias.
Supongamos que tenemos un circuito con un 7805. Primero buscamos su hoja de características.
La ecuación de la ley de ohm térmica es:
P= \frac{\triangle T}{Rth,ja} = \frac{Tj-Ta}{Rth,jc+Rth,ch+Rth,ha}
Primero, antes de calcular el disipador, debemos comprobar si el propio integrado aguantará la potencia que le estamos aplicando y podrá disipar ese calor.
Tj = Ta+ Rth,ja \cdot P
Supongamos que queremos regular una tensión de 12V, a 5V y una corriente máxima de 1A.
P = \triangle V \cdot I = (12-5)V \cdot 1A = 7W
La temperatura máxima de la unión de un 7805 es de 125ºC-150ºC (Dependiendo del fabricante). Ahora comprobamos que con 7W, no superemos la temperatura máxima de la unión.
Buscamos los datos que anteriormente expuse.
1º P = 7W.
2º Tj (es lo que vamos a buscar).
3º Ta = 25ºC (suponemos que tenemos el integrado en el exterior).
4º En la hoja de características del integrado podemos observar 2 cosas Rth,jc = 5ºC/w y Rth,ja = 65ºC/W. Nuestro objetivo siempre es saber la resistencia térmica que hay entre la unión y el ambiente. Como en la hoja de características ya nos dice cuánto vale esta resistencia térmica, no hace falta que busquemos cuanto vale Rth,jc y Rth,ca, ya que Rth,ja = Rth,jc+Rth,ca.
Cómo ya tenemos todos los datos procedemos a calcular si sobrepasamos la Temperatura máxima de la unión, para saber si tenemos que poner un disipador o no.
Tj = Ta+ Rth,ja \cdot P = 25 C + 65 C/W \cdot 7W = 480 C
En la unión tendríamos 480ºC y destruiríamos el integrado, por lo tanto nos hace falta un disipador.
1º P = 7W.
2º Tj = Tjmax = 125ºC
3º Ta = 25ºC (suponemos que tenemos el integrado en el exterior).
4º Ahora ya no nos sirve coger Rth,ja ya que esta resistencia térmica es la resistencia térmica que nos da el fabricante entre la unión y el ambiente cuando no hay disipador. Para calcular la Rth,ja con disipador tenemos que hacer la suma de Rth,jc+Rth,ch+Rth,ha
5º Rth,jc = 5ºC/W (Lo encontramos en la hoja de características)
6º Al buscar Rth,ch en la hoja de características no encontramos nada, entonces lo que hace falta es saber exactamente que significa Rth,ch "RESISTENCIA TÉRMICA ENTRE ENCAPSULADO Y DISIPADOR", nos ponemos a pensar y deducimos que esta característica debe ser común en todas las capsulas TO-220 (ya sea un transistor, un regulador, está característica es común entre ellos).
Efectivamente hemos acertado, buscando Rth,ch para un TO-220 encontramos lo siguiente:
Rth,ch para TO-220:
contacto directo sin mica: 0,8 ºC/W
contacto directo con mica: 1.4 ºC/W
contacto directo con silicona (sin mica): 0,5 ºC/W
contacto directo con silicona y mica: 1,2 ºC
Aclaración: La mica es un elemento para separar el contacto eléctrico del integrado y el disipador.
Cojemos Rth,ch con mica y sin silicona así hacemos una dimensión un poco mas grande del disipador y nos aseguramos que funcione bien.
7º Rth,ha (Resistencia térmica entre disipador y ambiente, es lo que tenemos que buscar)
P= \frac{\triangle T}{Rth,ja} = \frac{Tj-Ta}{Rth,jc+Rth,ch+Rth,ha}
Rth,ha = \frac{\triangle T}{P} - Rth,jc - Rth,ch = \frac{125 C-25 C}{7W} - (5+1.4) C/W = 7.88C/W
Rth,ha = 7.88 ºC/W
Con este resultado sabemos que nuestro disipador tendrá que tener una resistencia térmica menor de 7.88ºC/W
