La mayoría de fabricantes de semiconductores proporcionan los datos suficientes para poder calcular el disipador que necesitamos.   Necesitamos como punto de partida, la temperatura máxima que puede alcanzar la unión del transistor. Esta temperatura no se deberá alcanzar en ningún caso, para no destruir el componente.  Normalmente el fabricante proporciona el "operating temperature range" por ejemplo, para nuestro caso según datasheet -55 to 175 ºC indica que la temperatura máxima es de 175ºC. Nosotros podemos tomar unos coeficientes de seguridad k ya comentados como sigue: k= 0.5 para un diseño normal con temperatura moderada.  k= 0.6 para economizar en tamaño de disipador.  k =0.7 cuando el disipador permanezca en posición vertical y en el exterior (mejora de convección).  Con el coeficiente k, y tomando la temperatura máxima de funcionamiento como Tj, tenemos la expresión:

T = k Tj - Ta = Pd (Rjc + Rcd + Rda)

Si no disponemos de estos datos, podemos tomar como Tj = 200 ºC para transistores de silicio, y Tj = 125ºC para transistores de germanio. El flujo de calor, desde la unión PN hasta el ambiente tiene que atravesar varios medios, cada uno con diferente resistencia térmica.  - Resistencia unión-cápsula (Rjc). Viene dado en manuales y tablas, y depende de la construcción de la cápsula.  El tipo TO-247AC.  - Resistencia cápsula-disipador (Rcd). Depende del encapsulado y del aislamiento, si lo hay, entre el componente y el disipador.  El aislante puede ser mica, pasta de silicona y otros medios.  Cada uno presenta diferente resistencia térmica.  - Resistencia disipador-ambiente (Rda). Este es el que tratamos de calcular.

Para condiciones de funcionamiento normal la Potencia disipada será:

En la mayoría de los casos lo desconocido será Rda que despejando de la formula anterior será:

Para nuestro caso y aplicando los datos del datasheet facilitados por el fabricante:

Tj= 175ºC

Rjc= 0.7ºC/w

De nuestro montaje y tablas, deducimos:

Rcd= 0.5ºC/w (para TO.247AC y contacto directo y silicona)

De nuestros cálculos en conmutación: Pd= 16,8w Tamx= 70ºC (especificada en la especificación de nuestro proyecto) El valor de la Rda será: Nota: utilizaremos K= 0.6 para economizar el tamaño del disipador.

Buscamos en catalogo y encontramos el disipador siguiente:

Radiador para TO-247AC

Tiene una R= 5 ºC/w, es suficiente, teniendo en cuenta que ya hemos tomado un coeficiente k de seguridad igual a 0.6 y nos aseguramos de sobra. Con este radiador, podemos calcular la temperatura que alcanzará el mismo cuando el MOSFET disipa 16,8w de una forma muy sencilla: Td - Ta = Rda*Pd -> Td = Rda*Pd + Ta = 5*16,8 + 70 = 154 ºC La elección del coeficiente k es arbitraria por nuestra parte. Podemos perfectamente elegir k=1 pero nos arriesgamos mucho. Es preferible en este caso subir la temperatura ambiente de diseño a mas grados, para evitar que se destruya. Tener en cuenta que si el dispositivo está en una caja, la temperatura fácilmente sube a 40 grados y más, por eso nuestros cálculos están realizados con la temperatura máxima. Ahora para aseguramos mas vamos a calcular la temperatura de unión (Tj.) que alcanzaría para una Rd de 2,55ºC/w.

Esta sería la máxima temperatura que vamos a tener en funcionamiento, luego no llegamos al dado por el fabricante. Como se ha podido observar los pasos para el calculo del disipador, han sido para la máxima potencia para la que ha sido diseñado este trabajo. Si para desarrollar un montaje con un determinado motor el cual no va a ser modificada su potencia por el cambio de otro, estos cálculos pueden ajustarse a un determinado disipador para el ahorro bien de este o de espacio. Por ejemplo utilizando el mismo Mosfet y un motor con las características siguientes: - Potencia nominal de 400W. (P) - Máx corriente en continua a 5000 rpm. (Io) - Tensión nominal. (Vi) Y utilizando la formula siguiente:

donde: Pd: Potencia disipada por el transistor MOSFET Io: Corriente de salida nominal Vi: Tensión de entrada de alimentación Rds(on): Resistencia de drenaje-fuente en estado de conducción del MOSFET tr + tf: tiempo de conmutación total del MOSFET (tiempo de subida y tiempo de bajada) (Asumiendo que el circuito de excitación es adecuado para efectuar tiempos de conmutación de:  tr+tf = 100ns) K: factor de ajuste de Rds del MOSFET por efectos de la temperatura D: valor estimativo de Duty-Cycle, Se adoptamos el valor 1 suponiendo el peor de los casos fs: es la frecuencia de PWM Para mantener un margen de seguridad se sumara a la I nominal un 20%. Con este calculo se obtendrá una Pd, que será para este determinado motor y siguiendo los mismos pasos anteriores se obtendrá un nuevo valor de Rda. El valor de este nuevo disipador solo será efectivo para la potencia elegida de este motor.

Tensión de alimentación ±15 Voltios

Si R1 es diferente de R3 y R2 diferente de R4

                        

(Fórmula A)

R 1 = R 3 y R 2 = R 4 nos quedaría:

                        

(Fórmula B)

Siendo:

R2 / R1

la ganancia del A.O (G)

(V1 - V2)

la caída de tensión en la resistencia de sensado

S

la salida del A.O

La caída de tensión en la resistencia de sensado puede oscilar entre las siguientes tensiones:

Vmin = (V1 -V2) min = R1 Imin = 0.1 Ohm 2A = 0.2 Voltios

Haciendo R2 = 100K y R1 = 10K daremos al A.O una ganancia de 10, según la fórmula B, obteniendo así una tensión en la salida "S" del A.O 10 veces mayor que el diferencial de tensión existente en la resistencia de sensado, por lo tanto, tendremos unas tensiones de salida de:

Soutmin = (V1 -V2) min G = 0.2 10 = 2 Voltios

Soutmax = (V1 -V2) max G = 1.5 10 = 15 Voltios

*Nota:

En la posición R2 colocaremos una resistencia de 80K más una resistencia ajustable en serie de 47K, en lugar de una resistencia de 100K, con el fin de poder ajustar la ganancia del amplificador a 10.

                                  

* fc = 1Hz (Frecuencia supuesta para eliminar la componente alterna)

* C = 2.2 µF Tántalo sin polaridad (supuesto el condensador para calcular resistencia)

                                  

Para realizar un perfecto ajuste de la frecuencia de corte, dividiremos el valor de la resistencia del cálculo en una resistencia de 50 K y un potenciómetro de 47 K, con éste último regularemos la frecuencia deseada.