Dimensione un disipador con una ecuación: resistencia requerida a partir de vatios, temperatura ambiente y temperatura de la carcasa. Ejemplo práctico. BQUQ (ISO9001, Dongguan) cotiza en 12 h.
Dimensionado de Disipadores: Cálculo Térmico Práctico para su Presupuesto de Potencia
Dimensione un disipador trabajando hacia atrás desde un número: la resistencia térmica máxima permitida entre la carcasa del dispositivo y el aire ambiente. La resistencia requerida disipador-aire es igual a (temperatura máxima de la carcasa menos la temperatura ambiente en el peor caso) dividida por la potencia disipada, menos la resistencia de interfaz entre la carcasa y el disipador. Si su presupuesto resulta ser de 2,5 K/W, necesita un disipador clasificado para 2,5 K/W o mejor a su flujo de aire; cualquier otra cosa es adivinar disfrazado de ingeniería.
El cálculo es deliberadamente simple porque debe sobrevivir al contacto con la realidad: temperaturas ambiente reales, flujo de aire real, materiales de interfaz reales. Esta guía recorre un ejercicio de dimensionado desde los vatios hasta un número de pieza final, con los valores típicos que puede introducir en su propio presupuesto antes de enviar cualquier cosa a una fábrica.
La Ecuación Única Detrás de Cada Disipador
Cada problema de disipador es una serie de resistencias térmicas apiladas entre la fuente de calor y el aire. La unión a carcasa está fijada por el encapsulado del componente. La carcasa al disipador está fijada por su material de interfaz y montaje. Disipador-aire es el único término que puede comprar: es el disipador.
Resistencia requerida disipador-aire: Rth(sa) = (Tcarcasa,máx − Tamb,máx) / P − Rth(interfaz)
Explicado en palabras: tome la temperatura más alta que la carcasa del componente pueda alcanzar, reste el aire más caliente que el producto verá jamás, divida por la potencia en el peor caso, y lo que quede después de restar la interfaz es la mayor resistencia del disipador que puede tolerar.
| Enlace térmico | Valor típico | Notas |
|---|---|---|
| TO-220 unión→carcasa | 2,5–4 K/W | Encapsulado antiguo y robusto, necesita un buen disipador |
| TO-247 unión→carcasa | 0,3–0,6 K/W | Lengüeta grande, común para MOSFETs y diodos |
| LED de potencia unión→punto de soldadura | 1–3 K/W | Depende del tamaño del dado y del sustrato |
| Módulo IGBT unión→placa base | 0,1–0,3 K/W | El sustrato DBC ancho distribuye bien el calor |
| Grasa, interfaz de 25 × 25 mm | 0,1–0,3 K/W | Línea de unión delgada, mejor valor |
| Almohadilla de silicona, 25 × 25 mm | 0,4–1,0 K/W | Ensamblaje fácil, mayor resistencia |
| Sin TIM (contacto metálico seco) | 0,5–1,5 K/W | El espacio de aire domina; evítelo en producción |
Conclusión: la interfaz rara vez es gratuita. En un TO-247 que disipa 25 W, cada 0,1 K/W de interfaz le cuesta 2,5 °C de temperatura de carcasa, por lo que la parte más barata del sistema de refrigeración suele ser la más rentable de mejorar. Los antecedentes completos sobre resistencia térmica están en nuestra guía de resistencia térmica de disipadores.
Ejemplo Práctico: Dimensionado para un MOSFET de 25 W en Aire Libre
Tome un MOSFET TO-247 que disipa 25 W en el peor caso. El producto se coloca en interiores, por lo que la temperatura ambiente en el peor caso es de 50 °C. La hoja de datos permite una unión a 150 °C, y la resistencia unión-carcasa del encapsulado es de 0,4 K/W. Planea una interfaz de grasa de 0,3 K/W. Permita un margen de potencia del 20% para que el disipador no se dimensione exactamente al borde del precipicio.
Paso 1 — presupuesto de unión: (150 − 50) °C = 100 K permitidos en total desde la unión al aire. Paso 2 — potencia de diseño con margen: 25 W × 1,2 = 30 W. Paso 3 — resistencia total permitida: 100 K / 30 W = 3,33 K/W. Paso 4 — reste el encapsulado y la interfaz: 3,33 − 0,4 − 0,3 = 2,63 K/W para el disipador en convección natural.
| Elemento del presupuesto | Valor | Total restante para el disipador |
|---|---|---|
| Máx. unión − ambiente | 100 K | — |
| Potencia de diseño (25 W × 1,2 margen) | 30 W | — |
| Rth total unión→aire | 100/30 = 3,33 K/W | 3,33 K/W |
| Unión→carcasa (TO-247) | 0,40 K/W | 2,93 K/W |
| Interfaz de grasa | 0,30 K/W | 2,63 K/W |
| Rth requerida disipador→aire | ≤ 2,63 K/W | objetivo |
Conclusión: el disipador ahora tiene un número: 2,63 K/W en aire estático. Nada sobre la forma está decidido aún, pero cada conversación con un proveedor comienza a partir de esta cifra en lugar de "uno de tamaño decente".
Convirtiendo el Presupuesto en un Disipador Real
La resistencia disipador-aire está determinada por el área expuesta, el coeficiente convectivo y la eficiencia de las aletas. Una verificación rápida de la realidad usa Q = h × A × ΔT: para 30 W con un aumento de 50 K, necesita aproximadamente h × A = 0,6 W/K. Con un coeficiente efectivo cercano a 10 W/m²·K (típico para una matriz de aletas verticales anodizadas en negro en aire libre, radiación incluida), eso significa alrededor de 0,06 m² de superficie de aleta mojada: una base de 100 × 75 mm con 8–10 aletas de unos 35 mm de alto le lleva allí.
| Modo de refrigeración | Coeficiente convectivo típico | Tamaño práctico del disipador para ~30 W a 50 K de aumento |
|---|---|---|
| Convección natural, aluminio desnudo | 5–8 W/m²·K | Grande: 150 × 100 × 40 mm y más |
| Convección natural, anodizado negro | 9–14 W/m²·K | Moderado: clase 100 × 75 × 40 mm |
| Aire forzado 1–2 m/s | 15–40 W/m²·K | Pequeño: 75 × 60 × 25 mm con un ventilador de 40–60 mm |
| Aire forzado 3–5 m/s, canalizado | 40–90 W/m²·K | Compacto: 60 × 50 × 20 mm de aletas tipo pin |
Conclusión: la radiación no es decoración en diseños pasivos: el anodizado negro vale aproximadamente un 30–50% más de área efectiva equivalente en aire libre, razón por la cual casi todos los disipadores pasivos son oscuros. Si el disipador de convección natural no cabe en su carcasa, las opciones honestas son un pequeño ventilador o un rediseño de la etapa de potencia, no una pila de aletas más alta que ya no cabe.
Factores de Reducción que la Mayoría de los Cálculos Omiten
La ecuación supone aletas verticales limpias, nivel del mar, un disipador sin obstrucciones y una fuente de calor que cubre la base. Los productos reales violan los cuatro supuestos, así que aplique multiplicadores antes de finalizar el número de pieza.
| Condición | Penalización típica | Solución |
|---|---|---|
| Aletas horizontales en lugar de verticales | −20–30% convección natural | Rote el disipador o el producto |
| Fuente de calor más pequeña que ~25% del área de la base | −10–30% debido a la dispersión | Engrose la base o añada un difusor de calor |
| Altitud 1.500 m | −5–10% efecto de densidad del aire | Sobredimensione el disipador |
| Altitud 3.000 m | −10–20% efecto de densidad del aire | Sobredimensione o añada flujo de aire |
| Disipador a menos de 10 mm de una pared de la carcasa | −10–25% flujo de aire estrangulado | Mantenga una separación ≥ un paso de aleta |
| Flujo de aire canalizado, ventilador sin cubierta | −10–25% recirculación | Añada una cubierta o conducto |
Conclusión: añada las penalizaciones que se aplican a su producto, no todas a cada producto. Una carcasa exterior sellada con un driver LED montado horizontalmente recibe tres penalizaciones a la vez; una unidad interior ventilada con una placa vertical no recibe ninguna. En caso de duda, ejecute la peor combinación y luego verifíquela con un termopar en el primer prototipo.
Del Cálculo al Número de Pieza
Una vez que el presupuesto y la reducción están fijados, la selección de geometría es un ejercicio de catálogo: elija un perfil cuya resistencia de convección natural publicada o medida cumpla el objetivo, luego confirme que la base puede cortarse a medida, fresarse plana, taladrarse y acabarse según su dibujo. Ahí es donde una fábrica fuente que opera tanto disipadores extruidos como disipadores mecanizados por CNC ayuda: la extrusión gana en volumen con perfiles estándar, el mecanizado gana cuando la base necesita bolsillos, salientes de montaje o planitud estricta que ningún troquel puede dar. Envíe vatios, rango de temperatura ambiente, límite de temperatura de carcasa, flujo de aire (o "aire estático") y restricciones de espacio juntos; con esas cinco entradas, una fábrica puede dimensionar y cotizar el disipador en una sola pasada. Nuestro flujo de trabajo de selección de disipadores en 8 pasos cubre el resto del viaje desde este cálculo hasta un número de pieza liberado.
Preguntas Frecuentes
P: ¿Qué fórmula uso para dimensionar un disipador?
R: La resistencia requerida disipador-aire es igual a (Tcarcasa,máx − Tamb,máx) dividido por la potencia disipada, menos la resistencia de interfaz. Luego seleccione un disipador cuya resistencia clasificada a su flujo de aire sea igual o menor que ese presupuesto. Toda la disciplina es mantener esa desigualdad verdadera en el peor caso.
P: ¿Cuál es una buena resistencia térmica para un disipador de convección natural?
R: Un disipador de aluminio extruido mediano de alrededor de 100 × 75 × 40 mm típicamente alcanza 2–3 K/W en aire estático cuando está anodizado en negro, y los perfiles más grandes o con más aletas alcanzan 1–1,5 K/W. Por debajo de aproximadamente 1 K/W sin ventilador, el disipador se vuelve impracticablemente grande: ese es el punto de cruce al aire forzado.
P: ¿Cuánto margen de potencia debo añadir al dimensionar?
R: Use 15–30% sobre la disipación medida en el peor caso, más la reducción por orientación, altitud o bloqueo de la carcasa. El margen es barato en la etapa de dibujo y muy caro después de que la carcasa, el PCB y la solución térmica estén todos bloqueados.
P: ¿Realmente necesito incluir el material de interfaz en el cálculo?
R: Sí. Una junta metálica seca puede añadir 0,5–1,5 K/W, lo que en un dispositivo de 25 W es 12–37 °C de temperatura de carcasa. La grasa o una almohadilla de cambio de fase típicamente cuesta 0,1–0,5 K/W y es la mejora de rendimiento de menor costo en toda la cadena térmica.
P: ¿Por qué mi prototipo funciona más caliente de lo que predijo el cálculo?
R: Generalmente una de cuatro causas: la fuente de calor es pequeña y la base está dispersando el calor pobremente, las aletas no están verticales, el disipador está demasiado cerca de una pared de la carcasa, o la temperatura ambiente real es más alta de lo asumido. Mida la temperatura de la carcasa con un termopar en varias cargas y compárela contra el presupuesto elemento por elemento.
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