Cálculo de un disipador

Calculo de la potencia disipada

En primer lugar calculamos la potencia disipada en el componente en cuestión, en su regimen de funcinamiento.

Mosfet

\[ P = I^2 \cdot R_{DS(on)} \]

Triac

\[ P = V_T \cdot I_{RMS} \]

Regulador lineal

\[ P = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{out} \]

Regulador conmutado

\[ P_{diss} = P_{out} \cdot \left(\frac{1}{\eta} - 1\right) \]

$P_{diss}$ Potencia disipada

$\eta$ (eta) Eficiencia del regulador adimensional entre 0 y 1 (por ejemplo, 0.9 = 90%)

Cadena térmica

\[ T_j = T_a + P \cdot (R_{\theta SA} + R_{\theta CS} + R_{\theta JC}) \]

Donde:

$ T_j $ = temperatura de la unión (°C)
$ T_a $ = temperatura ambiente (°C)
$ P $ = Potencia disipada (W)
$ R_{\theta JC} $ = resistencia térmica de la unión al encapsulado
$ R_{\theta CS} $ = resistencia térmica encapsulado–disipador
$ R_{\theta SA} $ = resistencia térmica disipador–ambiente

Despeje para el disipador: $$ R_{\theta SA,req} = \frac{T_{j,max} - T_a}{P} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS} $$

Seleccionar un disipador con $ R_{\theta SA} \le R_{\theta SA,\text{req}} $.

Aplica un margen de seguridad del 20–30%.

Consideraciones térmicas

$ R_{\theta CS} $: depende del tipo de interfaz (mica, pasta térmica, pad).
Pasta térmica: 0.1–0.5 °C/W
Aislante + grasa: 0.5–1.5 °C/W
Si el disipador es compartido, usar: $$ P_{total} = \sum P_i $$
Flujo de aire forzado disminuye mucho $ R_{\theta SA} $.

Ejemplos prácticos

Mosfet

Datos:

$ I = 20 A $
$ R_{DS(on)} = 8 mΩ = 0.008 Ω $
$ T_{j,max} = 150 °C $
$ T_a = 40 °C $
$ R_{\theta JC} = 0.5 °C/W $
$ R_{\theta CS} = 0.2 °C/W $

Cálculos:

\[ P = I^2 \cdot R_{DS(on)} = 20^2 \cdot 0.008 = 3.2,W \]

\[ T_{j,max} - T_a = 150 - 40 = 110,°C \]

\[ \frac{110}{3.2} = 34.38,°C/W \]

\[ R_{\theta SA,req} = 34.38 - 0.5 - 0.2 = 33.68,°C/W \]

👉 Disipador requerido:
$$ R_{\theta SA} \le 33.7,°C/W $$
Con margen (25%): $$ R_{\theta SA} \approx 27,°C/W $$

Triac

Datos:

$ I_{RMS} = 10 A $
$ V_T = 1.5 V $
$ T_{j,max} = 125 °C $
$ T_a = 40 °C $
$ R_{\theta JC} = 1.5 °C/W $
$ R_{\theta CS} = 0.5 °C/W $

Cálculos:

\[ P = V_T \cdot I_{RMS} = 1.5 \cdot 10 = 15,W \]

\[ T_{j,max} - T_a = 125 - 40 = 85,°C \]

\[ \frac{85}{15} = 5.67,°C/W \]

\[ R_{\theta SA,req} = 5.67 - 1.5 - 0.5 = 3.67,°C/W \]

👉 Disipador requerido:
$$ R_{\theta SA} \le 3.67,°C/W $$
Con margen (25%): $$ R_{\theta SA} \approx 2.9,°C/W $$

Regulador Lineal (TO-220)

Datos:

$ V_{in} = 12 V $
$ V_{out} = 5 V $
$ I_{out} = 1.5 A $
$ T_{j,max} = 125 °C $
$ T_a = 40 °C $
$ R_{\theta JC} = 5 °C/W $
$ R_{\theta CS} = 0.5 °C/W $

Cálculos:

\[ P = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{out} = (12 - 5) \cdot 1.5 = 10.5,W \]

\[ T_{j,max} - T_a = 125 - 40 = 85,°C \]

\[ \frac{85}{10.5} = 8.10,°C/W \]

\[ R_{\theta SA,req} = 8.10 - 5 - 0.5 = 2.6,°C/W \]

👉 Disipador requerido:
$$ R_{\theta SA} \le 2.6,°C/W $$
Con margen (25%): $$ R_{\theta SA} \approx 2.1,°C/W $$

Selección y montaje

Buscar en el datasheet los valores $ R_{\theta JC} $, $ V_T $, $ R_{DS(on)} $, etc.
Calcular $ P_{diss} $.
Estimar $ T_a $.
Calcular $ R_{\theta SA,req} $ con la fórmula.
Añadir margen del 20–30%.
Elegir disipador con $ R_{\theta SA} $ menor o igual.
Verificar espacio físico y tipo de ventilación.
Montar con grasa térmica y aislar eléctricamente si es necesario.
Verificar temperatura en prototipo con termopar.

Si varios dispositivos comparten el mismo disipador:

\[ R_{\theta SA,req} = \frac{T_{j,max} - T_a}{\sum P_i} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS} \]