En el artículo ART840S hicimos consideraciones sobre la elección de hilos para aplicaciones de alta corriente y también dimos algunas informaciones sobre el dimensionamiento de pistas en placas de circuito impreso, en función de la corriente conducida.
En ese artículo no exploramos el asunto totalmente, principalmente en lo que se refiere al diseño de placas de circuito impreso de circuitos de potencia.
Basados en informaciones de diversos fabricantes como, por ejemplo, Maxim, elaboramos este artículo en el que tratamos el diseño de placas de circuito impreso de circuitos de potencia.
Consideraciones Térmicas
El calor generado en la unión de un dispositivo semiconductor, un MOSFET de potencia, por ejemplo, se elimina a través de un recorrido que depende del envoltorio, como muestra la figura 1.
En este caso existe una aleta de disipación que se utiliza para hacer contacto con una región de cobre de la placa, o incluso un disipador.
Cuando no hay recursos para la disipación, el calor debe ser disipado por los terminales.
Una fórmula equivalente a la ley de Ohmios puede ser usada para determinar la resistencia térmica total del circuito de disipación y con el modo en que el dispositivo se comporta térmicamente.
Esta fórmula nos permite determinar la impedancia térmica y con ello el modo ideal de funcionamiento del dispositivo, manteniéndolo a una temperatura segura.
Normalmente los fabricantes indican la temperatura máxima de operación de la unión, quedando los valores típicamente entre + 125º C y + 175º C.
La placa
Un correcto diseño de la placa de circuito impreso es el punto de partida para determinar cómo se deben colocar los componentes.
En este proyecto deben tenerse en cuenta los siguientes factores:
• Cantidad de calor generada en el circuito (potencia)
• Rango de temperaturas del ambiente en el que el dispositivo debe operar
• Circulación de aire en el dispositivo para el efecto de disipación de calor
• Material utilizado en la placa de circuito impreso
• Densidad de los componentes en la placa
En el diseño de la placa existen algunos puntos importantes que deben ser cuidadosamente observados en los circuitos de alta potencia.
a) Los componentes en un recorrido de alta corriente deben mantenerse lo más cerca posible, de modo que se minimice la longitud de la pista que conduce a la corriente entre ellos.
b) El posicionamiento de componentes que disipan potencias elevadas debe ser hecho de modo que el calor producido por uno no afecte al otro y viceversa.
c) Las pistas de alta corriente de una placa deben tener anchos apropiados según la intensidad de la corriente conducida.
d) Cuando haya posibilidad de utilizar regiones cubiertas más grandes de la placa para disipación de calor, este recurso debe utilizarse.
e) La recomendación de utilizar un ancho de 1 mm de pista para cada amperio de corriente es para un recubrimiento de placa normal. Las normas como la IPC-2221 fijan la anchura ideal para los proyectos en función de diversos factores.
f) Recuerde que una pista mal dimensionada no sólo representa más calor disipado, sino también una resistencia insertada en el circuito, que puede causar pérdidas e irradiación de ruidos.
g) Analice la posibilidad de utilizar múltiples pistas en las conexiones de alta corriente, distribuyendo así la potencia disipada.
Medición de la resistencia de una pista
Conforme explicamos, la corriente máxima que una pista puede conducir depende no sólo de su anchura, sino también de su espesor.
Teniendo en cuenta la conductividad y la pureza del cobre usado podemos determinar la resistencia y, en su función la resistencia de la pista.
En la figura 2 tenemos un modo simple de determinar la resistencia de una pista por la caída de tensión, conocida la resistencia, sugerida por la Maxim en su tutorial TUT5389 ;.
Basta dividir la caída de tensión medida en el voltímetro por la corriente indicada cuando la tensión aplicada al circuito es de 5 V y tendremos la resistencia de la pista de cobre.
Conclusión
Con la cantidad cada vez mayor de componentes usados en un diseño y el tamaño más pequeño, haciendo crítica la disipación del calor generado, todo cuidado es poco al proyectar una placa.
Los softwares que simulan también el comportamiento térmico de una placa como los disponibles por National Instruments, ayudan al proyectista a tener una visión apropiada de cómo se comporta una placa proyectada.