Una disipación térmica eficiente con disipadores de calor SMD evita desperfectos en los PCB

En electrónica, existe la posibilidad de que el disipador de calor de tu PCB se caliente bastante debido a la disipación de energía en determinados componentes. Cuando un componente alcanza una temperatura extrema que supera el rango de funcionamiento seguro de un componente, su vida útil se reducirá considerablemente o el componente puede fallar inmediatamente. Si el componente que produce calor es defectuoso, será necesario desechar todo el PCBA. Hay muchas cosas a tener en cuenta cuando se trata de calor en tu PCB, y todo empieza con la determinación de la disipación de energía en tu diseño durante la captura esquemática. Si resulta que estás operando dentro de los límites de seguridad en un dispositivo de alta potencia, puede que necesites un disipador de calor SMD en ciertos componentes. En última instancia, esto podría salvar tus componentes, tu producto e incluso al operador.

Porqué se calienta una PCB y necesita de un disipador térmico SMD

Los equipos electrónicos simples, como las calculadoras digitales, producen muy poco calor. Pero cuando se está diseñando un controlador de alta gama o un circuito de transistores de potencia de alta corriente, es inevitable que el conjunto de tu PCB tienda a calentarse. Para algunos componentes, como los reguladores de tensión, el aumento de temperatura basado en su resistencia térmica se puede calcular mediante el valor indicado en la ficha técnica.

Por ejemplo, el popular LM7805 en un paquete TO-220 verá incrementada su temperatura en 22ºC por cada vatio disipado sin un disipador térmico. Pero esto palidece en comparación a los transistores de potencia, que pueden llegar a los 100ºC de incremento en temperatura por vatio disipado. También notarás que su microcontrolador se calienta cuando se activan todos los periféricos y operan a su máxima velocidad.

Para la disipación de calor tampoco son de ayuda las crecientes exigencias de disminuir cada vez más el tamaño de las PCB, lo cual causa que el calor se acumule más rápidamente de lo que puede disiparse. Más aun, cuando se colocan placas de circuitos dentro de carcasas exteriores, la cantidad de calor generada puede hasta duplicar la temperatura. Por supuesto, las aberturas de ventilación y los ventiladores ayudan a controlar la temperatura. Pero este enfoque es solo tan efectivo como las técnicas de disipación de calor implementadas en una placa de circuito impreso (PCB).

Cómo diseñar placas PCB con una distribución térmica eficaz

Cuando se usa correctamente, el disipador térmico es un componente electrónico eficaz para mejorar la eficiencia de la PCB. Al igual que otros componentes electrónicos, están disponibles en paquetes para montaje superficial. Los componentes SMD de alta potencia suelen tener un pad o almohadilla térmica en el que se puede usar pasta de soldar para soldarlo a un patrón de disipación de calor en la placa de circuito impreso. Posteriormente, se suelda un disipador de calor SMD en el otro extremo del cobre para lograr una mejor disipación térmica.

Antes de elegir el disipador de calor para tu componente de alta potencia, hay dos factores a considerar: la conductividad térmica entre la unión y la carcasa, y la resistencia del componente, y el disipador per se. Lo ideal es asegurarse de que la temperatura del componente no supere su límite de seguridad y que el disipador de calor no se caliente a tal punto que pueda causar daños serios a la piel.

Es importante calcular la temperatura total de la juntura dividiendo la potencia disipada con la suma de la resistencia térmica del dispositivo, el área de disipación de la PCB y el disipador como tal. También se puede obtener la temperatura del disipador térmico como tal multiplicando la resistencia térmica del disipador por la potencia disipada. El diseño adecuado permite lograr que el disipador esté, por sí mismo, mucho más frío que el componente de alta potencia.

Es una idea errónea asumir que el uso de un disipador eliminará totalmente cualquier problema de calentamiento en tu PCB. Lo que realmente hace es evitar la acumulación de calor en un punto específico. Aun así, es necesario mantener los componentes sensibles al calor, como los sensores, lo más lejos posible del disipador. El diseño de la carcasa también debe tener en cuenta un adecuado flujo de aire para evitar acumulaciones de calor.

Dadas las exigencias de las placas de circuito impreso más pequeñas, es decir, la necesidad de una mayor potencia de procesamiento en paquetes más pequeños, el calor es más problemático. En estas placas pequeñas, puede que no haya espacio para ventiladores, grandes disipadores de calor o espacio entre componentes para evitar la difusión del calor alrededor de una placa. Cuando se coloca una placa con gran disipación de calor en un recinto cerrado, la temperatura de los principales componentes generadores de calor suele aumentar hasta valores muy superiores. Por supuesto, las rejillas de ventilación ayudarán a evacuar cualquier flujo de aire y contribuirán a mantener baja la temperatura, pero este enfoque sólo es tan eficaz como las técnicas de disipación de calor implementadas en la propia PCB. Para diseños de muy alta potencia en los que no quepa un ventilador, el diseño creativo de la carcasa será el principal impulsor de la gestión del calor.

Un disipador de calor SMD es una excelente manera de disipar adecuadamente el calor en componentes de alta potencia. Como los disipadores SMD se presentan en diversos tamaños y formas, es necesario asegurarse de que se cree la huella adecuada y de contar con el mejor software para diseño de PCB. Cuando lo que se necesita es una herramienta de diseño de PCB fácil de usar y que incluya todo lo necesario para crear placas de circuitos de alta calidad para su fabricación, no necesitarás nada más que CircuitMaker. Además de ser un software de diseño de PCB fácil de usar, todos los usuarios de CircuitMaker tienen acceso a un espacio de trabajo personal en la plataforma Altium 365. Puedes cargar y almacenar tus datos de diseño de PCB en la nube, y también podrás ver fácilmente tus proyectos desde tu navegador web en una plataforma segura.

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