Cómo saber qué disipador utilizar sin quemarse

¡Uh Ah! Ya estoy aquí. ¡Uh Ah! Después de unas pascuas agotadoras y pensando lo mínimo sé que lo que menos te apetece es pensar. Pero aún así voy a escribir una fumada de esas que dan que pensar.

Una cosa inútil que puede pasar de largo pero que cuando algún día tengas ese problema acudirás a ver ávidamente. Porque cuando tienes este problema es a vida o muerte. A ver… tanto no, pero si que implica gastar un dinero bastante elevado. Y si lo haces mal… ese dinero se puede perder…

Bueno, me dejo de misterios y gilip******* varias, hoy te voy a hablar de la temperatura. Porque cuando utilizas componentes o elementos electrónicos éstos se van a calentar. Y puede que llegados a una temperatura el componente no funcione bien o peor: se rompa. Por eso es importante vigilar la temperatura.

Ya sé ya sé, pensarás que estas cosas no suceden. Que solo les pasa a los gilis… bueno, pues no es tan raro. De hecho te puede pasar con elementos comunes como son los diodos, ciertas resistencias y sobretodo con los LM78XX.

Soluciones contra el exceso de temperatura

Para este problema de la temperatura hay muchas soluciones. La principal suele ser el agua. Hay unas cosas llamadas chiller, que se encargan de pasar agua fría por nuestro componente y llevarse esta agua que se calienta otra vez a la máquina. Así se refrigera todo muy bien. Imagino que puedes imaginar que el precio no es el más barato, que el agua y la electricidad no son muy amigos y que si hay una fuga vas a tener que arremangarte y achicar el agua como sea.

Otra opción es la de utilizar una Peltier. Una peltier es una placa que al recibir corriente crea una capa superior fría y una inferior caliente. Esto hace que sea utilizada para enfriar. De hecho, como la corriente es algo que se puede controlar, se puede controlar la temperatura exacta de manera que con la información de temperatura recibida de sensores térmicos, se puede conseguir una temperatura muy estable. Y sin agua…

Otra opción son los ventiladores. Hasta tu propio pc utiliza ventiladores. Los conectas a la corriente y te olvidas. Y su precio es muy muy barato… Por lo que su único inconveniente es el polvo y el ruido, pero hay cosas peores en esta vida. Te lo aseguro.

Por último, en casos como el del LM78XX se utilizan disipadores. Los disipadores son un modo de enfriamiento pasivo. No se enciende nada, no hay ninguna acción. Simplemente una placa metálica que recoge el calor y lo disipa al ambiente. Dependiendo del calor a disipar los hay más grandes, más pequeños, más gruesos, más finos o con aletas y sin aletas (Imagen de Willtron en Wikimedia bajo una licencia Creative Commons).

Disipador de temperatura para elementos electrónicos

Las aletas son simplemente trozos de metal que salen del bloque metálico en sí. Esto se hace porque permiten disipar más calor que un bloque más grueso. Por lo que son utilizadas en muchas cosas… tu pc es una de ellas.

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Cómo calcular el calor disipado en un elemento

Muy bien, ya está todo claro pero ahora hay que conocer cuánto calor se desprende en nuestro proceso y sobretodo, qué medida tomar. Para el caso de la peltier o el chiller la cosa es más o menos sencilla porque cada uno de estos elementos contiene un datasheet en el que puedes ver fácilmente si enfriará suficiente o no.

En el caso de los disipadores (los cuales pueden necesitar un ventilador) el problema es que en  los datasheets la única información relevante que se aporta es algo llamado resistencia térmica, cuya unidad son K/W. Donde K son Kelvin (podrían ser grados centígrados) y la W son Wattios.

Lo que tenemos que entender es que el calor que entra es el que sale, el que se genera es el que se disipa. De esta manera, la ecuación general nos diría que:

Q_{in}+Q_{out}=0

Esto es porque el calor que sale es negativo, una simple convención de signos. Si no los tuviésemos en cuenta podríamos decir que el que sale es el que entra. Normalmente, esta ecuación inicial deriva en:

m_1 \cdot C_1 \cdot \Delta T_1+m_2 \cdot C_2 \cdot \Delta T_2=0

Esto es porque se dice que el calor será el producto de la masa del cuerpo, su calor específico (que depende del material) y la diferencia de temperaturas que se produce. Si la diferencia es mayor es que hemos calentado más. Esto es fácil de entender y los otros dos términos intentan saber la masa del cuerpo y de qué está formado ya que el plástico se calienta de forma diferente que el aluminio.

Pero esto, sintiéndolo mucho, no es funcional. Las medidas del calor específico se quedan dependientes del tiempo. Lo cual es natural, pero yo no sé exactamente el tiempo que le ha costado al proceso llegar a cierta temperatura. Más si pensamos que es una temperatura de equilibrio en la que el aire y el objeto tienen la misma temperatura. Pero yo no tengo ni idea de qué temperatura es…

Un pequeño desastre, al fin y al cabo. Por eso está el calor por convección, conducción y radiación, que son los que aplicamos en estos casos. En concreto, el que más aportación hace es el calor por convección, la convección es el que se produce por medio del movimiento del aire. Los otros son por radiación al ambiente o por tocar otro objeto pero ya son menores y se pueden despreciar. Por lo que los tomamos cero y me fijo solamente en el calor por convección, el calor que se disipa por el aire ambiente que hay alrededor de nuestro disipador.

Así, el calor que entra será igual al calor que se expulsa al ambiente por convección. Este calor que entra normalmente en nuestro caso será la corriente. Si yo tengo un objeto que funciona con 5A y 1 V:

P_{in}=V \cdot I = 5V \cdot 1A= 5W

Por lo que ya conozco que entran 5 Wattios al sistema y que los tengo que sacar por medio del aire. Fíjate que ahora hablo de potencias, de manera que me olvido de los tiempos. Antes hablaba de calor en sí y por eso tenía la variable del tiempo pululando. Ahora, con potencias queda la ecuación:

P_{in}=P_{conv}

 

5W=P_{conv}

 

5W=A \cdot h \cdot (T_{eq} - T_{amb})

 

Vamos por pasos. El A es el área del disipador y el h es el coeficiente de convección que depende del material también. Luego está la temperatura de equilibrio que es la que buscamos. Es la temperatura final en el que el ambiente y el objeto se pondrán a la misma temperatura y ésta no subirá. Por otra parte la temperatura ambiente es la temperatura del fluido, la temperatura del aire en este caso.

El aire, por mucho calor que le demos se quedará en la misma temperatura. Lo siento, pero al final la temperatura ambiente no va a notar ese calentamiento que le haces con tu elemento. Esa temperatura la puedes tomar como 25ºC o 298K.

Supongo que estarás mirando los valores de A y de h y no sabrás por dónde empezar… Estas de suerte, el área viene en m² y el coeficiente h viene en W/(m²K). Al multiplicarse ambos quedan W/K, que es justamente lo contrario a lo que buscamos. Esto es la conductividad térmica.

Haciendo la inversa obtendrás la resistencia térmica que es la que aparece en los datasheets de los disipadores, pudiendo así elegir. Siempre que elijas, elige de una resistencia térmica igual o menor. O de una conductividad térmica igual o mayor….

¿Y la temperatura de equilibrio?

Si estás un poco avispado aún estarás pensando en cómo calcular la temperatura final del objeto y el aire, esa temperatura de equilibrio que he dicho antes que no era capaz de conocer… Pues no te he mentido, no tengo ni idea de cómo calcularla. Lo que se hace es poner ese valor a uno que creas conveniente.

Vamos, a uno que te apetezca. Si sabes que el máximo del elemento para no romper son 150ºC, pues pones que la temperatura de equilibrio sean 100ºC, así la resistencia te saldrá menor y elegirás la correcta. Cuidado con esto porque el límite está en los disipadores. Los disipadores, cuanto más baja sea la temperatura de equilibrio, necesitarán una resistencia térmica menor.

Esto solo significa disipadores más caros, llegando al punto de que a veces el propio fabricante te dirá que utilices un ventilador en ese disipador sino nunca llegarás a la temperatura que deseas. Pero bueno, seguro que es más barato eso que perder tu preciado componente… ¡o quemar todo un laboratorio! (Tranquilo, creo que eso es difícil que pase…)

Así que nada, espero que hayas entendido cómo va esto del calorette espero ahí debajo, en los comentarios. Aunque sea solamente para decir ‘Hola bebé’ 😉

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Déjame un comentario que en el fondo soy buen chaval

  1. Ivanxu

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  2. gabriel jerez

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  3. David

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