Cálculo básico de disipadores de calor

[Cacho]

Hola cacho; necesito preguntarte por un calculo de disipador que me tiene un poco confundido...

Hola Nitai, perdón por la demora (en realidad me olvidé completamente de esto con el tema de la navidad y todo el festejo).

En tu caso el problema pasa porque arrancás muy jugado con la disipación máxima: Tenés 400W en total -por rama- y redondeando, 300W de disipación en los picos. Estás al 75% desde el vamos.

Acordate siempre de que lo que te quema los transistores son los picos de disipación y es para manejar esos que hacés la cuenta.
Para acomodar los picos de 300W de disipación (el peor caso posible) podés perder 100W entre los dos transistores. Eso son 50W por transistor, a 1,43W/°C te da que pueden estar a 35°C, más los 25°C iniciales da 60°C de temperatura máxima de operación.

Si calculás todo para un desfasaje un poco menor los números cambian para bien: Esperando picos de disipación del orden de los 200W el disipador te da números más lindos y no es una locura estimarlo en ese rango.

Fijate que la salida que diseñaste es (o debe ser) muy similar a la que traían los RCA de los 70's, que trabajaban con un 2N3055 por lado (era una cuasi complementaria) con +-50V, y vaya si funcionan. Estaban diseñadas para trabajar con cargas de 8Ω, pero como parámetro de largada puede servirte.
Ya que estás, mirá los parámetros del 3055 y el TIP35, que cuestan una fracción del precio de los MJL (algo como US$1,50 contra cerca de US$5-6).
Una de las leyes de la electrónica dice que no matarás moscas con un cañón

El cálculo para el peor escenario posible está buenísimo para que no se queme ni queriendo, pero en casos como el tuyo en los que ya arrancás jugado con la disipación, se complica.


Saludos

 

[nitai]

Hola cacho muchísimas gracias por tu respuesta, sucede que me encargaron el diseño de un amplificador y estoy requetecontrajugado con el presupuesto de ahí que estoy tratando de sacarle el ultimo jugo a cada una de las partes que conforman el ampli. De los muchos amplis que hice anteriormente al disipador lo ponía “a ojo”, es decir con tal que entrara en el gabinete, que fuera barato y que calentara lo menos posible ahí lo dejaba.
Que opinas de los puntos que te quiero preguntar:
(1) pienso que si dejara el calculo anterior como esta y le pongo un circuito de protección contra temperatura que salte la protección cuando la carcasa del transistor llegue exactamente a los 60ºC; que te parece; será correr mucho riesgo?
(2) también me decís que vea de usar los 2N3055, pero sabes que esos transistores tienen el hfe en función de la Ic, muy fea al lado de los MJL, es decir son una caca, aparte me parece que si le pones +-50 voltios a los 2N3055 ya los estas trabajando fuera de la SOA.
(3) estaba pensando que en ves de ponerle +-50 voltios; alimentarlo con +-45 voltios lo cual me da una potencia pico de mas o menos 253 Watts, y esto me daría 90 watts por transistor, y la temperatura la puedo tener a 63ºC con lo que tengo un total de 88ºC; te parece que podría ser un poco mejor la cosa?, y el circuito de protección lo haría actuar exactamente a 88°C.
Mira el diseño seria de la etapa de salida, de 253 W(rms) sobre una carga de 4 ohms, y una tensión de la fuente de alimentación de +-45 voltios, en la cual voy a usar 4 transistores en la etapa, (2) MJL3281 y (2) MJL1302.
La peor condición es para una carga resistiva/inductiva con un desfasaje
tensión/corriente de 45º, entonces Ppdis= (V/2).Imax =(45/2)(volt).11,25(amp)=253,125W,
con Imax = V/RL = 45(volt)/4(ohm) = 11,25(amp).
La potencia disipada en forma constante es, Pdis=Ppdis/6=253,125W /6=42,1875(W).
Entonces los datos serian:
Ppdis =253,125 (W)
RL = 4 (ohm)
V = 45(volt)
Imax = 11,25(Amp)
Pdis = 42,1875(W)
Ta = 50 ºC----- temperatura ambiente.
Rmica = 0,8 (ºC/W)
Rjc = 0,7 (ºC/W)---------- del datasheet del MJL3281
Tj = 150 (ºC)-------------- del datasheet del MJL3281
Tjmax = 128 (ºC)--------- del datasheet del MJL3281
Con el dato del Derating Power, el valor numérico del mismo => Power Derating = 1,43 (W/ºC).
Entonces puedo perder (200W-42W)=158W, esto es lo que puedo perder.
Con el valor del Power Derating de 1,43(W/ºC) y regla de tres hago el calculo:
1,43W-------------1ºC
158W------------- X ; donde X=(158ºC.1ºC)/1,43(W)=110,49(ºC).
De ahí que la temperatura máxima a la que puede llegar la juntura de cada transistor es:
Tjmax = 25+110 = 135 ºC.
El cálculo de la potencia disipada por la corriente de BIAS es:
Con Ireposo=40mA y asumiendo una caída de 1 voltios menos en la tensión de la fuente de alimentación Vreposo=49volt , entonces la potencia disipada por la corriente de realimentación es: P=Ireposo.Vreposo = 49volt.40mA=1,96W.
Sumada a la anterior el total es =>Pdis= 42.1875W +1,96W= 44.1475W.
La resistencia térmica del disipador que necesito es:

Rda <[(Tjmax-Tamb)/Pdis] - (Rjc/2) - Rmica
Rda <[(135ºC-50ºC)/44W] – (0,7/2) – 0,8(ºC/W) = 0,7818(ºC/W).

La adición de un ventilador hace que la resistencia térmica del disipador sea menor y esto se obtiene matemáticamente con la multiplicación de un factor correctivo (Fc)que depende de las características del ventilador utilizado.
Usando un ventilador de 30 litros/segundo el cual tiene un factor correctivo de Fc = 0,45, como te dije antes la nueva resistencia térmica disipador mas ventilador es : Rtda = Rzd.Fc
Rtda = Rzd.0,45 = 0,7818 (ºC/W) despejando obtengo Rzd = 1,7373(ºC/W) y entonces eligo un disipador de esa resistencia térmica lo cual es mucho mas simple.

(4) otra duda es que hace mucho tiempo atrás repare una potencia Peavey la PV-8.5C, que da 1100 Watts en 2 Ohms (550+550)rms, y no puedo creer el disipador tan chico que tiene en comparación con los 1100 W que tira, si tuvieramos que aplicarle estos cálculos a ese disipador nos daría 400 W en total, (será que para vender están lejos del desfasaje de 45°), también el transformador para la misma es chico a mi parecer con los datos que calcularíamos nosotros para un poco mas de 1100 W.
Le medí la sección y la verdad que para un total de 1100W me quedaba chico el cálculo, pero es Peavey así que no se que pensar al respecto.
Bueno cacho una ves mas muchas gracias por tu tiempo y que comences un muy feliz 2012.

 

[Cacho]

...estoy requetecontrajugado con el presupuesto...

Hubiéramos empezado por ahí.

-Bajá primero que nada la potencia del trafo que vas a usar. Eso te va a dar un ahorro significativo.
Con uno de 500-600VA ya podés manejar bien ese ampli. Con 400VA (pero de buena calidad en este caso) podés hacerlo andar también, en el límite y calentando un tanto el trafo, pero anda.

-4.700uF/63V por rama y por ampli (4 condensadores en total) ya te van a dar un resultado decente.
Con más filtrado, mejor rendimiento. Ya (a ojo nomás) si te pasás de 10.000uF por rama (40.000 en total) es mucho y no vas a tener mejor desempeño.

-Analizá no usar los MJL, sino los TIP35/36, que cuestan bastante menos y ya andan bien ahí. La otra opción que tenés por le mismo costo que los MJL son los MJ15003/4 que se parecen en características, pero tienen mejores valores de disipación y temperatura máxima de trabajo: 250W contra 200W (un 25% más) y 200°C de máxima contra 150°C (un 33% más). Eso sí: Son TO3.

-Bajá los márgenes de seguridad. Tirate al medio entre la resistiva pura y los 45° de desfasaje, que eso te deja con 220-250W de pico para disipar (a menos que haya hecho mal las cuentas). Podés manejarlo más cómodo y no deja de tener cierto margen de seguridad.

-Punto aparte para los 2955/3055. Son fierros indestructibles si se usan bien y la baja ganancia no es ninguna contra en este punto. Si tenés 12A de pico y una "miserable" ganancia de 25, eso te da picos de casi 500mA sumando las bases de los dos. Con los MJL esa ganancia rondará los 100, con lo que la corriente de base baja a unos 125mA. No son números terribles...
Más todavía, el derating de los 29/3055 es de 0,657W/°C, menos de la mitad de los MJL y tres de estos cuestan lo que un MJL. Por la misma plata podés poner 12 transistores (6 por lado) y tener 690W de disipación por rama con un derating muy inferior al original, lo que te da una temperatura máxima de trabajo (considerando los picos de 310W) de cerca de 120°C. Y la temperatura máxima de la juntura de estos es de 200°C también.
Con estos y un ventilador vas a poder usar casi seguro un pedazo de perfil de aluminio (una U o una L), mucho más barato que los disipadores comerciales.
La ventaja de poder hacerlo trabajar más caliente

Inclusive he visto amplis de este estilo trabajando con 3 2N2955/3055 por ampli con +-50V y unos disipadores que no dan ni asco, con un ventiladorcito ayudando y sin problemas.

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Por el Peavey que decías...
Se alimenta con +-82V y 550W en 2Ω son casi 47V de pico... Hay algo raro ahí...
Mirá el esquema y vas a ver que los emisores de los transistores de salida están a tierra. Es una salida un poquito particular. Sé que en algún lado estuve hablando de esto mismo... pero no lo encuentro, estábamos Juan José, Tacatomon y yo en esa charla y no sé si alguien más. Al final JJ subió un documento de QSC donde habla de ese tipo de salida.

En fin, es del estilo de esta: http://qsc.com/support/library/schems/Current/RMX Series/rmx850.pdf. Fijate cómo la resuelven y eso te da unos números distintos y más bonitos, pero a costa de un diseño un poco más complejo y de usar componentes (condensadores sobre todo) bastante precisos.


Saludos

 

[nitai]

Gracias cacho, voy a tener en cuenta lo dicho.
Saludos.

 

[ElTallercito]

Cacho gracias por la información. Esto lo había visto en la escuela pero no pude encontrar la carpeta y de la cosas que vi en Internet sobre este tema lo tuyo es lo mas conciso y comprensible.
Estoy necesitando algo para disipar entre 150W y 200W para una carga electrónica para probar fuentes de alimentación. Haciendo los cálculos los números me dan muy al limite. ¿Alguno a estado en una situacion parecida?¿Que se le adiciona al disipador para poder disipar esta cantidad de energia y que el costo del dispositivo no sea muy alto? Si alguien sabe por favor avise.
Gracias!!

 

[Cacho]

De nada, ElTallercito. Me alegro de que te sirva.

Estoy necesitando algo para disipar entre 150W y 200W para una carga electrónica para probar fuentes de alimentación. Haciendo los cálculos los números me dan muy al limite. ¿Alguno a estado en una situacion parecida?¿Que se le adiciona al disipador para poder disipar esta cantidad de energia y que el costo del dispositivo no sea muy alto?

¿Y cómo hiciste esa carga?
Si subís el plano será más fácil apuntar a algo coherente. Quizá tu aparato sea algo chiquito y la solución sea algo muy grande (lo hace impráctico) o viceversa...
Si subís el esquema y los cálculos del disipador que usás, mejor que mejor.

La manera más simple y barata de hacer algo como lo que pedís es usar un ventilador, de esos de PC (cuestan $10 o menos en los distribuidores). Pero si no podés usarlos, vamos complicados por ese lado.

Saludos

 

[ElTallercito]

Hola Cacho, el circuito de la carga es el 2do del pdf. Espero que les sea útil. En mi caso para manejar la potencia que yo necesito le tengo que cambiar esos transistores por unos que soporten mas potencia. Gracias por la respuesta.

 

[Cacho]

En mi caso para manejar la potencia que yo necesito le tengo que cambiar esos transistores por unos que soporten mas potencia.

Eso va a ser difícil: Los IRF150 manejan 150W de disipación máxima y no hay MOSFETs que puedan manejar bastante más y sean fáciles/baratos de conseguir.

Tu solución más bien va a pasar por aumentar el número de transistores para tener potencia disponible en exceso.
Según las correintes y tensiones que esperes manejar podés usar los IRFP240 (o sus parientes) que tienen los mismos 250W de disipación, pero manejan como 200V; los IRFZ44 y 50N06 (buena corriente, pero sólo llegan a 60V) y andan por los 100 y 130W de disipación y son mucho más baratos y comunes que los anteriores o... bueno, un montón más de modelos. Si no tenés altas tensiones, mirá los MOSFETs que se usan en los autos, que suelen ser no muy caros.

Elegido el que te convenga, hay que poner varios como para que la disipación esté más que sobrada y te permita hacerlos trabajar más calientes sin salirse de su SOA, además de mejorar la transferencia de calor de los transistores al disipador. Eso te va a permitir usar uno más chico.

Saludos

 

[nicolas]

Hola gente necesito su ayuda/opinion...

Lo que me ocurrio fue que hice unos amplificadores

2 TDA 2050 para 2 satelites
2 TDA 2050 en puente para el woofer

El sistema es un 2.1 con crossover activo...

lo que me paso fue que utilice un disipador que tenia por aca tirado y al parecer quedo corto porque como no tenia data del disipador no sabia si estaba bien o no... solo me di cuenta porque cuando lo ponia a andar fuerte al ampli casi que no podia tocar el disipador... el disipador era largo y tenia los 4 TDA puestos en el... ayer se me quemo un TDA del ampli en puente asique decidi comprar un disipador para que no me volviera a pasar...

Entonces me tope con este post y empece a hacer los calculos... llegando a que entre los 4 TDA disipo aprox 50W con lo que haciendo calculos me daba un disipador de aprox 2.3 ºC/W y asi me decidi por el ZD16

La cuestion es que no se si realmente hice bien los calculos...

La potencia a disipar la hice por calculos estimando que cada TDA tiene un rendimiento del 65% aprox

Espero que me ayuden gracias muy buen post...

 

[mijac27]

hola!
excelente el tema!

tengo dudas.

me arme un circuito del STK4142 II (en el tema https://www.forosdeelectronica.com/f31/diagramas-internos-modulos-hibridos-sanyo-stk-53007/ podran verlo).

en el lugar de los transistores de potencia coloque 4 tip3055, el amplificador da 25+25w con +-35v

nose por donde encarar el calculo.
si tomo solo los datos de los tip del datasheet me da cualqier cosa el calculo.

me podrian orientar?

 

[Cacho]

Ups, perdón por la demora en contestar, se me pasó esto.

La cuestion es que no se si realmente hice bien los calculos...
La potencia a disipar la hice por calculos estimando que cada TDA tiene un rendimiento del 65% aprox

Hay al final del datasheet (al menos, el de ST de 1995) unas curvas con temperaturas y disipadores. Con 8°C/W se queda de lo más contento un TDA solo, así que si ponés 4 es lógico que el número ronde los 2°C/W, cerquita de los 2,3°C/W que te dio a vos el cálculo. Dale con ese que el número se ve bien.

en el lugar de los transistores de potencia coloque 4 tip3055, el amplificador da 25+25w con +-35v
nose por donde encarar el calculo.
si tomo solo los datos de los tip del datasheet me da cualqier cosa el calculo.

¿Y qué cálculos hiciste?
Lo único diferente con el ejemplo del principio es que al tener 2 transistores en paralelo la resistencia juntura-carcasa baja a la mitad, e igual con la corriente que circula por cada uno.

Saludos

 

[mijac27]

hola Cacho!

aca el calculo:

4 tip3055

V= ± 35
Imax= 35 / 6 ohm = 5,83 A
Ppdis= 17,5v x 5.83 A = 102.025 w
Prms= 51.01 w
Pdis= Ppdis / 4 = 12.75 w
Ta = 50º C
Rmica = 2º C

Rjc= 1.39º C/w
Tj= 150º C
Derate above= 0.72º C/w

Rda < (100º C - 50º C) / 12.75 w - 1.39º C/w - 2º C/w

Rda < 0.53º C/w

me parece que algo esta mal.

 

[Cacho]

hola Cacho!

aca el calculo:

4 tip3055

V= ± 35
Imax= 35 / 6 ohm = 5,83 A
Ppdis= 17,5v x 5.83 A = 102.025 w
Prms= 51.01 w
Pdis= Ppdis / 4 = 12.75 w
Ta = 50º C
Rmica = 2º C

Rjc= 1.39º C/w
Tj= 150º C
Derate above= 0.72º C/w

Rda < (100º C - 50º C) / 12.75 w - 1.39º C/w - 2º C/w

Rda < 0.53º C/w

me parece que algo esta mal.

No falló el razonamiento, sólo alguna estimación y un detalle que no tomaste en cuenta.

Vamos por partes: Estimaste 2ºC/W de resistencia térmica en la mica. Según los casos y modelos, esa tiene una resistencia térmica aproximada de entre 0,7 y 1ºC/W. Primer punto que te va a alegrar el cálculo, que ya viene dando 1,53ºC/W.

Lo que no tomaste en cuenta es que tenés dos transistores por rama y eso cambia un poco las cosas. Cada uno va a aportar lo suyo para la disipación con lo que el cálculo cambia un poquito. Si tomás la Rjc nominal (como si fuera uno solo), te perdés de lo que aporta el otro. El cálculo se hace como siempre pero tomás Rjc a la mitad de lo que dice el datasheet (era 1,39ºC/W, tenés que usar 0,695~0,7ºC/W).

Íbamos por 1,53ºC/W para el disipador y a eso sumale 0,7ºC/W y ya estás por 2,2ºC/W. Cada vez más lindo el numerito.

Veamos entonces la cuenta entera:
Tenés dos transistores por rama y (redondeando) picos de 100W. La potencia que pueden disipar los dos transistores es de 180W (90W cada uno). Podés perder 80W en total y eso quiere decir que la máxima temperatura que puede alcanzar la salida es de 90W*0,72ºC/W+25ºC ~ 80ºC. Podemos usar los 100ºC que usaste vos si consideramos un caso más real y no el peor posible, y todavía nos queda un margen más que aceptable de seguridad (a medida que sube la potencia estos márgenes se traducen en números más y más grandes).
Si tomamos la temperatura ambiente dentro del gabinete como de 50ºC (eso es bastante seguro), la potencia RMS a disipar (redondeando tu cálculo) como de 13W (ojo, que dividiste Ppdis por 8 y no por 4 ), el primer término del cálculo nos queda (100-50)ºC/13W ~ 3,85ºC/W.

Restamos ahora la resistencia de la mica (1ºC/W) y la Rjc dividida por dos (0,7ºC/W) y tenemos 2,15ºC/W. Y con un buen margen de seguridad.
A ojo nomás, podrías subir el número hasta unos 3ºC/W sin que nada sufriera daño catastrófico. Podría calcularse con márgenes menores y aún bastante buenos de seguridad si se quiere, pero ya con 2,15ºC/W la cosa no está tan fiera .

Si te fijás en la página de Aluel, un ZD27 se me hace una buena opción.

Tiene 2,2ºC/W para 75mm de largo, bastante bien para el caso. Si es más largo, la resistencia baja más y se calcula con una regla de tres nomás.
Una última consideración, poné algún clixon o sensor térmico que corte la salida (relé) a los 80-90ºC si querés más seguridad.
​

Saludos

 

[mijac27]

muchisimas gracias cacho!

increible lo tuyo!

entonces seria un ZD27 por rama (cada 2 transistores)?

podria reducir el tamaño colocando un cooler de PC ?

 

[Cacho]

De nada.

entonces seria un ZD27 por rama (cada 2 transistores)?

No, ¿cómo cada dos transistores?.
Pensá que cuando conduce una de las ramas, la otra está en casi casi corte (sólo conduce la corriente de bias). Cuando deja de conducir la que venía haciéndolo, empieza la otra y así sucesivamente. Nunca conducen las dos juntas (salvo la corriente de bias).

Un solo disipador, cuatro transistores montados en él.

podria reducir el tamaño colocando un cooler de PC ?

Se puede. La pregunta es: ¿Hace falta?.

Saludos

 

[mijac27]

ahh, no tenia claro lo de las ramas, crei que trabajaban los 4 trasitores juntos, soy nuevito con esto de amplificadores.

tendre que ver si hace falta un cooler, ya que la placa la tengo que colocar dentro de un minicomponente, tendria que ver como andaria de espacio con un ZD27.

gracias nuevamente!

 

[Limbo]

Buenas,

He hecho calculos para un TDA2030 y me da que tengo que poner un disipador de 5ºC/W ¿Es un bonito numero?
Otra cosa, si voy a poner 2 tda como hago para calcular a partir de 5ºC/W?O tengo que rehacer los calculos?

Gracias.
Saludos.

 

[Dr. Zoidberg]

He hecho calculos para un TDA2030 y me da que tengo que poner un disipador de 5ºC/W ¿Es un bonito numero?

Es un número .... ni bonito ni feo, pero parece bastante correcto.

Otra cosa, si voy a poner 2 tda como hago para calcular a partir de 5ºC/W?O tengo que rehacer los calculos?

Es fácil: o ponés dos disipadores de 5ºC/W, uno para cada TDA, o ponés uno que tenga la mitad de resistencia térmica (2.5ºC/W) para los dos TDA, solo que tenés que distribuirlos bien en el espacio disponible.

 

[Limbo]

Es un número .... ni bonito ni feo, pero parece bastante correcto.

Esto es culpa de cacho! Que siempre piropea a los numero..

Es fácil: o ponés dos disipadores de 5ºC/W, uno para cada TDA, o ponés uno que tenga la mitad de resistencia térmica (2.5ºC/W) para los dos TDA, solo que tenés que distribuirlos bien en el espacio disponible.

ok, pues no sé.. quizas ponga dos disipadores separados..

 

[Cacho]

Esto es culpa de cacho! Que siempre piropea a los numeros...

Es que la integral me hace ojitos y la derivada no me deja tranquilo... Desde que ya no sale con el 4 anda arrastrándome el ala