2.Diodos de potencia Ejemplo de hoja de datos (1/3): “

2.Diodos de potencia Ejemplo de hoja de datos (continuación 2/3):

2.Diodos de potencia Ejemplo de hoja de datos (continuación 3/3): Al aumentar la corriente ID aumenta la potencia disipada y el diodo comienza a recalentarse:

- Para el silicio debe garantizarse: Tjuntura < Tjmax = 200ºC

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Tj

Cálculo de disipadores

Juntura

Analogía térmico - eléctrica: Potdisipada·RTerm = T2-T1  I.R = ∆V

Modelo térmico equivalente:

Rjc Carcaza

Tc Rca

Regimenes máximos

Ta Ambiente

Las características térmicas del diodo se definen según: Forma típica (Tj=125ºC): Pdja @Ta=25ºC = 25W Rjc = 1,4 ºC/W

Alternativa (Tj=125ºC): Pdja @Ta=25ºC = 25W Pdjc @Tc=25ºC = 70W

Frecuentemente (Tj=125ºC) : Ocasionalmente (Tj=125ºC) : Pdjc @Tc=25ºC = 70W Rjc = 1,4 ºC/W derate = 0,25 W/ºC Rca = 2,6 ºC/W Estos cuatro casos son exactamente equivalentes (demostrarlo).

T ambiente

Pd

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Cálculo de disipadores Problema: Dado un diodo con máximos:

Pdja @ Tamb = 25 ºC : 25 W Pdjc @ Tcase = 25 ºC : 70 W y sabiendo que Pd = 4 W y Ta = 50 ºC, determine si debe usarse disipador. Solución: A partir del modelo térmico: Pdja. (Rjc + Rca) + Ta = Tjmax Pdjc . Rjc + Tcase = Tjmax Del enunciado: Rjc = Tjmax – Tc = 125 ºC – 25 ºC = 1,4 ºC/W Pdjc 70 W Rca = Tjmax – Ta - Rjc = 125 ºC – 25 ºC - 1,4 ºC/W = 2,6 ºC/W Pdja 25 W Entonces: Tj = 50 ºC + 4W ( 1,4 + 2,6 ºC/W) = 66ºC < 125ºC

Si no se cumple hay que usar disipador

El disipador quedaría en paralelo con Rca: Rca//Rd ~ Rd, Rd = Tj – Ta - Rjc Pd

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Ejercicio Un transistor 2N3055 se utiliza en una etapa de salida de potencia en un circuito de audio y disipa 30W. El circuito se encuentra en montado en el interior de un gabinete dónde el aire puede alcanzar una temperatura máxima de 50 ºC. El fabricante indica las especificaciones de la figura. a) Indicar si en necesario o no colocar un disipador al transistor. Si el disipador es necesario calcular su resistencia térmica. b) Si por fallas en la ventilación la temperatura dentro del gabinete aumenta a 75ºC, ¿Qué le ocurre al transistor?

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Ejercicio - Resolución Tj Tc Ta R jc Rca R ja = R jc + Rca

Temperatura de Juntura [ºC] Temperatura de carcasa [ºC] Temperatura ambiente [ºC] Resistencia térmica juntura-carcasa [ºC/W] Resistencia térmica carcasa-ambiente [ºC/W] Resistencia térmica juntura-ambiente [ºC/W]

Datos del fabricante extraídos de los regímenes máximos absolutos: Temperatura de juntura máxima: T máx j = 200ºC Disipación de potencia máxima: P máx = 6 W @ T a = 25 ºC

P máx = 117W @ T c = 25 ºC Por lo tanto:

R jc =

T máx j − Tc T

= c P @T máx máx j −Ta = a P @T máx

ºC 200− 25 ºC = 1.50 177 W W

ºC 200− 25 ºC = 29.17 6 W W ºC ºC Rca = R ja − R jc = ( 29.17 − 1.50 ) = 27.67 W W R ja=

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores ¿Puede el dispositivo sin disipador externo disipar 30W a Ta = 50ºC? NO!!

Rja = 1/34.2mW/ºC = 29.2 ºC/W Rjc = 1/668mW/ºC = 1.5 ºC/W

Verificación: Si P= 30 W T a = 50 ºC y

R, ja= 29.17

Entonces:

ºC W

⇒ T j = R ja P + Ta = 29.17 × 30º C + 50º C = 925º C

Resulta

T máx j

>> 125ºC

¿Qué hacemos?

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores

TO-92

TO-5

TO-220

TO-247

TO-218

TO-3

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores

Mayor disipador  menor resistencia

TO-220

TO-3

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Incidencia de la posición y la ventilación forzada

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Diferentes tipos de aislantes

Mantenimiento de disipadores • • • •

Limpieza Pulido Lubricado Ajuste

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Ejercicio (resolución - continuación) Un transistor 2N3055 se utiliza en una etapa de salida de potencia en un circuito de audio y disipa una potencia media de 30W. El circuito se encuentra en montado en el interior de un gabinete dónde el aire puede alcanzar una temperatura máxima de 50 ºC. El fabricante indica las especificaciones de la figura. a) Indicar si en necesario o no colocar un disipador al transistor. Si el disipador es necesario calcular su resistencia térmica. b) Si por fallas en la ventilación la temperatura dentro del gabinete aumenta a 75ºC, ¿Qué le ocurre al transistor? Dispositivo con disipador externo:

T j = 200 ºC

P= 30 W

T a = 50 ºC R jc = 1.50

máx T máx c = T j − P× R jc

ºC W

ºC R ja = 27.67 W

Tcmáx = 200º C − 30 × 1.5º C = 155º C

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Dispositivo con disipador externo: P= 30 W

R jc = 1.50

T a = 50 ºC

R ja = 27.67

Tc = 155º C

Despejando:

ºC W

ºC W

Tc − Ta = P ( Rca || Rdis )

Tc − Ta 155 − 50 º C ºC = = 3.5 P 30 W W 1 1 1 ºC − = ⇒ Rdis = 4 Rdis ºC Rca W 3.5 Rca || Rdis =

W

Verificando: T j = Ta + P × ( Rca || Rdis + R jc ) = 50º C + 30W ( 4 || 27.67 +1.5 ) º C = 199.8º C W ºC ¿Qué ocurre si Ta = 75ºC? T j = Ta + P × Rtotal = 75º C + 30W 5 = 225º C W

3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Dispositivo con disipador externo: Conviene tener un factor de seguridad en la elección del disipador. En general se elige un disipador con R 30% menor a la calculada. Si el cálculo da un disipador de R = 4 ºC/W, conviene colocar un disipador de R =0.7 x 4 ºC/W= 2.8 ºC/W. A modo de referencia, si queremos utilizar un disipador de aluminio se necesita una superficie de aletas aproximadamente de 156 cm2 de acuerdo a la siguiente fórmula empírica: 2 50 cmº C 50 ⎞ ⎛ Rdis = ⇒ A= ⎜ cm ⎟  156cm 2 W A ⎝ 4 ⎠

Para obtener 2.8 ºC/W el disipador tendría una superficie de aletas DOS veces mayor (318 cm2).