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Si algo parece muy complicado, es que esta mal explicado.

¿Qué disipador pongo en mi chip?, Explicaciones y cálculos.

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Placa con disipador montado.

Recientemente he tenido en clase de electrónica una practica en la que hemos preparado un regulador de tensión basado en el regulador de Motorola MC7809 (pinchar el enlace para acceder al Datasheet), este regulador reduce la tensión de la entrada hasta 6 voltios desde 18 máximo o incluso 24 segun el tipo que hayamos adquirido, en este caso el que tengo es el modelo de hasta 18 V.

La practica ha estado muy interesante desde el punto de vista de la creación de la placa de circuito impreso en el software “prestado” OrCAD, y posteriormente pasarla a una placa PCB, revelarla y todo lo demás.

Pero como todo queda una cosa por explicar, estos reguladores necesitan casi siempre un disipador de calor, ya que para bajar la tensión necesita disipar una cantidad de calor importante, si lo ponemos y no le colocamos disipador casi seguro que se queme en cuanto comience a dar corriente a sus consumidores (consumidor es un equipo que use su tensión de salida).

Pues ya que la Junta de Andalucía me regala un regulador de tensión pues le voy a poner el disipador correspondiente y necesario para usarlo con todas las garantías.

Actualización: Vídeo de la prueba del regulador.

Primer paso: Obtención de datos desde el Datasheet

Pues como ya digo, vamos a obtener los datos necesarios del Datasheet del componente en si, lo podéis descargar de aquí 7809, si abrimos el Datasheet en la pagina 2 vemos unos datos referentes a la temperatura y tengo que admitir que cuando lo veo parece que este mirando un manual de chino mandarín o cantones.

Capacidad máxima del regulador 7806

En esta tabla hay una serie de datos, que tenemos que comprender para usar el regulador y otros para ponerle un disipador acorde al uso.

  • Input Voltage: Pues nos indica el voltaje máximo a el que podemos someter el IC, como se aprecia nos da dos casos:
    • Caso 1: El regulador acepta una entrada de 5 a 18 voltios, pues nos indica que su máximo sin romperse es de 35 Voltios.
    • Caso2: El regulador acepta una entrada de 24 Voltios, pues su máximo sin romperse es de 40 Voltios.
  • Power Dissipation: Aquí se encuentra la información relativa a la temperatura de trabajo y la potencia disipada en forma de calor del integrado, nos da a elegir entre los dos tipos de encapsulados en los que se encuentra el regulador disponible, en nuestro caso nos centraremos en el encapsulado TO- 221A, y encontramos los siguientes datos.
    • TA: Se refiere a la temperatura ambiente a la cual se refieren los otros datos, de momento no nos interesa mucho esto.
    • Thermal Resistance, Junction-to-Ambient, (Resistencia térmica entre  unión y ambiente): Este dato nos dice la diferencia de temperatura entre la unión ( el centro del integrado ) y el aire, este caso es cuando usamos el chip sin ponerle ningún disipador, cuando lo tenemos al aire.
    • Thermal Resistance, Junction-to-Case, (Resistencia térmica entre unión y carcasa): Este dato indica la diferencia de temperatura entre la unión y la carcasa.
  • Operating Junction Temperature, (Temperatura de funcionamiento de la unión): Este dato es muy importante y nos esta diciendo que la unión ( recordad el centro del chip ) se quemara superado los 150º, así de fácil si supera 150 º se quema y toca comprar otro, no hay más opciones.

Segundo paso: Formula y datos necesarios.

Es en este segundo punto donde debemos comprender como usar los datos que nos proporciona el Datasheet y que ya están arriba explicados.

Antes de nada tenemos que entender que es la resistencia termica:

Resistencia Termica: Segun Wikipedia, ( enlace aquí )

“La resistencia térmica de un material representa la capacidad del material de oponerse al flujo del calor.”

Entonces la resistencia térmica es lo difícil o fácil que le resulta al calor atravesar un material, a más resistencia térmica más difícil resulta atravesar el calor, esto puede ser bueno para unos guantes del horno pero no para nosotros.

Formula para calcular la temperatura que alcanzara la unión (junction): En muchos sitios he leído como comparan la formula esta con la “Ley de Ohm térmica”, cada cual que le ponga el nombre que quiera pero al final la formula es la siguiente:

Tj – Ta = P x Rtt

Donde las siglas son:

Tj = Temperatura que va a alcanzar la unión (centro del chip, parte activa del mismo, lo que no se debe quemar).

Ta = Temperatura del aire que rodea al integrado.

P = Potencia en Watt que disipa el integrado.

Atención: Este dato en transistores se puede obtener del Datasheet pero en reguladores de tensión no viene dado de forma clara y concisa que podamos entender el común de los mortales pero no hay que desesperar, para saber la potencia que disipa el regulador usaremos la formula P = (Ventrada – Vsalida) x Intensidad de salida.

Rtt  = Resistencia total que encuentra el calor entre el centro del integrado y el aire que seria la suma de los siguientes datos:

La Resistencia térmica de la unión a la carcasa: Rjc

La Resistencia térmica de la carcasa al disipador: Rcd (Este dato lo proporciona el disipador)

La Resistencia térmica del disipador al aire: Rda (Este dato lo proporciona el disipador)

Tercer paso: Calcular la potencia disipada a pleno rendimiento, Ejemplo.

Ya teniendo la formula que hay que usar y una vez entendemos todos los datos necesarios vamos a calcular con datos reales el disipador que vamos a necesitar (o incluso si no va a ser necesario) para la aplicación que estamos dando a el integrado.

Ejemplo: Tenemos un regulador de tensión que a su entrada va a tener 13 Voltios y nos entrega a la salida una tensión regulada de 6 Voltios, la intensidad de salida máxima de este integrado es de según el Datasheet “Output current in excess of 1.0 A” traducido al idioma de Cervantes “Salida de más de 1 A”, bueno no es muy explicito pero vamos a tomar 1 Amperio como salida máxima para no sobrecargar demasiado el integrado.

Vamos a calcular si con estos datos el integrado necesita de un disipador o no y en caso de necesitarlo que resistencia térmica debe tener este disipador para garantizar que no se nos quema el integrado.

  • Primero, calcular si funcionario bien sin disipador.

Teniendo la formula Tj -Ta = P x Rtt y los datos del enunciado del ejemplo vamos a obtener Tj y si es mayor a la que soporta el integrado sabemos que no es posible usarlo sin disipador.

La potencia disipada en Watt no la tenemos pero si tenemos la caída de tensión y la intensidad de la salida en Amperios, así que:

P(disipada) = [Ventrada – Vsalida] x I  ≈ P = [ 12 – 6] *x 1 ≈ P = 6 Watt.

La Ta ( Temperatura ambiente ) la proporcionamos nosotros, por ejemplo podemos suponer que la máxima temperatura ambiente va a ser 45 º C así que Ta = 45 º C

La Rtt en este caso es solamente la resistencia térmica de la unión al aire, que segun el Datasheet es: Rja = 65

Finalmente ya podemos aplicar la formula:

Tj = Ta + Rja x P ≈ Tj = 45 + 65 * 6 ≈ Tj = 435 º C

Según los cálculos la unión del integrado ( el centro )  supera los 435 º C, lo que es muchos mucho más que 150 ªC que marca como máximo en el Datasheet, por lo que no se puede dejar el integrado al aire, se quemara rápidamente y sin solución.

  • Segundo, calcular el disipador que debemos usar.

En este caso somos nosotros los que debemos establecer la temperatura a la que queremos que funcione el integrado, dice el fabricante que puede trabajar hasta 150 ºC pero por mi tranquilidad lo voy a limitar a 120 ºC, así que la formula ahora seria la siguiente:

Tj – Ta = P x Rtt ≈ Tj – Ta = P x (Rjc + Rcd + Rda)

Tenemos Tj, Ta y Rjc, pero no tenemos Rcd ni Rda así que vamos a despejar para obtener el valor de la suma de estas dos variables:

Tj – Ta  / P = Rjc + Rcd + Rda ≈ (Tj – Ta / P) – Rjc = Rcd + Rda.

Ya hemos despejado ahora calculamos:

(120 – 45 / 6) – 5 = Rcd + Rda

Rda + Rcd = 7.5

Ya sabemos que la suma de estas dos variables debe dar como máximo una resistencia térmica de 7,5 ºC / W, sabiendo esto podemos seleccionar un disipador acorde en cualquier tienda de electrónica.

  • Selección de un disipador:

Aunque parezca obvio pero no es fácil saber que disipador poner pues no hay tampoco muchas tiendas donde pongan todos los datos completos, pero para una estimación de andar por casa deciros que la resistencia térmica de carcasa a disipador (Rcd) sin poner nada de nada, osea directamente el disipador a la carcasa del componente suele ser de 1,5 ºC / W, aunque si lo queréis hacer bien mejor buscar pasta térmica o mica.

Solo nos queda escoger un disipador con un Rda menor que 7,5 – 1,5 = 6, mirando en Farnell que es de los pocos que te da todos los datos obtenemos el siguiente :

Disipador que hemos encontrado con una resistencia térmica menor.

Written by cuningan

19 octubre, 2010 a 11:31

5 comentarios

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  1. El 7809 regula a 9V, no a 6V 😉

    Yo mismo

    16 octubre, 2018 at 20:44

  2. Muy bueno tu aporte muchas gracias son de gran ayuda gracias…

    Italo

    2 octubre, 2018 at 15:24

  3. muy buen tutorial esta bien detallado, gracias por el aporte

    eddy

    18 noviembre, 2012 at 18:55

  4. illo, que pedazo de disipador!! He mirado asi por encima todos los calculos para saber cual poner, ya lo mirare detenidamente, es algo a tener muy en cuenta para futuras placas, muy interesante.

    Voy en busca de la fuente de alimentacion xD!!

    Nano

    21 octubre, 2010 at 20:19

    • Sí de verdad quieres nos hacemos dos que yo también quiero otra y asi pagamos un porte

      cuningan

      22 octubre, 2010 at 15:31


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