Mecanismos de intercambio de calor
La cadena térmica de un transistor se resuelve exactamente igual que un divisor resistivo: la potencia hace de corriente, la temperatura de tensión y cada interfaz de resistencia. Con esa analogía, calcular un disipador es un ejercicio de circuitos.
01Tres maneras de mover calor
El calor va siempre del cuerpo caliente al frío, y llega por tres caminos que actúan a la vez. En electrónica los tres están presentes en cualquier equipo, pero no pesan lo mismo.
| Mecanismo | Cómo viaja | Ley | Dónde manda |
|---|---|---|---|
| Conducción | Por contacto, sin que la materia se mueva | \( \dot{Q} = kA\,\Delta T/L \) | Del chip a la cápsula y de ahí al disipador |
| Convección | El fluido se mueve y se lleva el calor | \( \dot{Q} = hA\,\Delta T \) | Del disipador al aire |
| Radiación | Ondas electromagnéticas, sin medio | \( \dot{Q} = \varepsilon\sigma A(T^4 - T_a^4) \) | Aporta poco abajo de 100 °C; en vacío es lo único que queda |
La tercera fila tiene la potencia cuarta, así que la radiación crece muy rápido con la temperatura. A 60 °C sobre un ambiente de 25 aporta apenas unos vatios por metro cuadrado, pero un disipador anodizado negro —con emisividad cercana a 0,9 en lugar de 0,05 del aluminio pulido— gana un diez o quince por ciento. Por eso los disipadores son negros, y no por estética.
02La analogía que resuelve todo
La ley de Fourier para una pared plana tiene exactamente la forma de la ley de Ohm, y esa coincidencia no es casual: las dos describen un flujo empujado por una diferencia de potencial contra una resistencia.
| Magnitud térmica | Unidad | Equivale a |
|---|---|---|
| Potencia disipada \( \dot{Q} \) | W | Corriente |
| Diferencia de temperatura | K | Tensión |
| Resistencia térmica \( R_{th} \) | K/W | Resistencia |
| Capacidad térmica \( C_{th} \) | J/K | Capacidad |
La última fila explica el régimen transitorio: un disipador con mucha masa tarda en calentarse igual que un capacitor grande tarda en cargarse, y la constante de tiempo es \( R_{th}C_{th} \). Por eso un transistor aguanta picos de potencia muy por encima de lo que aguantaría en régimen permanente.
03La cadena juntura-ambiente
El calor nace en la juntura del semiconductor y tiene que llegar al aire. En el camino atraviesa tres resistencias en serie, y la temperatura va cayendo en cada una:
La cadena térmica completa, con valores de hojas de datos reales. Movés la potencia y el ambiente, elegís encapsulado, interfaz y disipador, y aparece la temperatura de juntura y cuánta potencia admite el montaje.
Dos superficies metálicas aparentemente planas se tocan de verdad en menos del 1 % de su área; el resto es aire, que es un aislante excelente. La pasta no está ahí porque conduzca bien —conduce mucho peor que el metal— sino para desalojar ese aire. De ahí que más pasta sea peor: la capa tiene que ser la mínima que llene las imperfecciones, y todo lo que sobre agrega resistencia.
04En el laboratorio
Montar un resistor de potencia sobre un disipador con una termocupla pegada a la aleta. Disipar una potencia conocida, esperar el régimen permanente y calcular \( R_{sa} \) con la diferencia respecto del ambiente. Comparar con la hoja del disipador.
Repetir la medición anterior con contacto seco, con pasta y con almohadilla de silicona, siempre con el mismo par de apriete. Calcular \( R_{cs} \) en los tres casos y ordenarlos.
Registrar la temperatura del disipador contra el tiempo desde que se aplica la potencia hasta el régimen permanente. Ajustar una exponencial, obtener la constante de tiempo y de ahí la capacidad térmica del conjunto.
05Errores frecuentes
- Poner mucha pasta térmica. La capa útil es la mínima; el exceso agrega resistencia.
- Usar \( R_{ja} \) cuando hay disipador. Ese valor supone el encapsulado al aire y no sirve para el montaje real.
- Calcular con el ambiente de la habitación. Adentro del gabinete hace bastante más calor.
- Olvidar que la mica aísla pero estorba. Agrega resistencia térmica a cambio de aislación eléctrica.
- Diseñar para \( T_{j\max} \). Ese es el límite de destrucción, no el punto de trabajo: conviene dejar margen.
- Despreciar la radiación siempre. Abajo de 100 °C aporta poco, pero en vacío es lo único.
06Autoevaluación
¿Qué papel hace la potencia en la analogía térmica?
El de la corriente. La diferencia de temperatura hace de tensión y la resistencia térmica, de resistencia.
¿Por qué los disipadores son negros?
Por la emisividad: anodizado negro irradia mucho mejor que el aluminio pulido, y eso agrega un diez o quince por ciento.
¿Para qué sirve realmente la pasta térmica?
Para desalojar el aire atrapado entre dos superficies que solo se tocan en una fracción mínima de su área.
¿Cómo se refrigera la electrónica de un satélite?
Solo por radiación: sin aire no hay convección.
¿Qué fija la constante de tiempo térmica?
El producto \( R_{th}C_{th} \), igual que en un circuito RC. Por eso un disipador con masa aguanta picos de potencia.
¿Cuál de las tres resistencias de la cadena se elige comprando?
\( R_{sa} \), la del disipador. \( R_{jc} \) la fija el fabricante del semiconductor y \( R_{cs} \) depende del montaje.
07Para ampliar
- Raymond A. Serway y John W. Jewett. Física para ciencias e ingeniería. 10.ª ed., Cengage, 2019. Conducción, convección y radiación con la ley de Fourier y Stefan-Boltzmann.
- Frank P. Incropera y David P. DeWitt. Fundamentos de transferencia de calor. 4.ª ed., Pearson, 1999. La referencia de la disciplina; el capítulo de resistencias térmicas en serie es exactamente esta unidad.
- Gordon N. Ellison. Thermal Computations for Electronics. 2.ª ed., CRC Press, 2020. El diseño térmico aplicado a equipos electrónicos, con encapsulados, disipadores y gabinetes reales.