Calculadora de derating por temperatura ambiente — Rápida

Calculadora rápida de derating por temperatura ambiente para componentes eléctricos, electrónicos y sistemas de potencia.

Guía técnica optimizada para cálculo instantáneo, con tablas, fórmulas y casos prácticos resueltos detalladamente industriales.

Fundamento técnico del derating por temperatura ambiente

El derating por temperatura ambiente (Ta) reduce la capacidad nominal de un componente para mantener fiabilidad y margen térmico.

Los límites térmicos se definen por la física de materiales, la disipación interna y el diseño del encapsulado.

Mecanismos físicos relevantes

• Incremento de resistencia eléctrica con temperatura en conductores y resistores.
• Reducción de vida útil en dieléctricos y electrolitos (capacitores electrolíticos) con exposición a temperatura elevada.
• Aumento de la fuga y pérdida en semiconductores y dispositivos de potencia; riesgo de runaway térmico.
• Saturación de núcleos magnéticos en transformadores y mayor pérdida por histéresis con temperatura.

Objetivo del derating

Garantizar que, en la condición de operación especificada (Ta, ventilación, montaje), la temperatura máxima admisible del elemento no se exceda.

Proveer margen para variaciones ambientales, envejecimiento y tolerancias de fabricación.

Fórmulas básicas y explicación de variables

Se presentan fórmulas usadas en calculadoras rápidas; se explica cada variable y se dan valores típicos.

Derating simple por factor k_T

Variables:

• P_derated: Potencia máxima admisible a la temperatura ambiente considerada (W).
• P_rated: Potencia nominal especificada a la temperatura de referencia (generalmente 25 °C) (W).
• k_T: Factor de derating adimensional (0 ≤ k_T ≤ 1) dependiente de Ta y tipo de componente.

Valores típicos: para resistores de película metálica k_T ≈ 1 hasta 70 °C, luego decrece; para electrolíticos k_T puede ser 0.5 a 60 °C según fabricante.

Cálculo térmico con resistencia térmica

Variables:

• Tj: Temperatura de unión (°C).
• Ta: Temperatura ambiente (°C).
• Pd: Potencia disipada en el dispositivo (W).
• θJA: Resistencia térmica junta-ambiente (°C/W).

De aquí se despeja la potencia máxima permitida por límite térmico:

Valores típicos: θJA para un regulador en SMD puede estar entre 20 y 80 °C/W; Tj_max típico 125 °C o 150 °C según semiconductores.

Derating lineal aplicado

Un modelo práctico lineal por encima de temperatura de referencia T_ref:

Variables:

• T_ref: Temperatura de referencia (°C), típicamente 25 °C o 40 °C.
• m: Pendiente de derating (1/°C); ejemplo m = 0.005/°C para ciertos resistores.

Valores típicos de m:

• Resistores de potencia montados: m ≈ 0.003–0.007/°C.
• Capacitores cerámicos: m ≈ 0.001–0.003/°C (menor derating hasta altas Ta).
• Electrolíticos: m ≈ 0.01–0.02/°C (más sensibles).

Tablas de factores de derating por tipo de componente

A continuación se presentan tablas con factores k_T típicos frente a temperatura ambiente. Usar como referencia inicial; siempre validar con hoja de datos del fabricante.

Notas: valores indicativos basados en literatura técnica y datos de fabricantes; comprobar hoja de datos.

Métodos rápidos para calcular k_T en una calculadora

Una calculadora rápida debe ofrecer varios métodos según datos disponibles: tabla, interpolación lineal y cálculo por θJA.

Modo A: Tabla y búsqueda directa

1. Ingresar tipo de componente y Ta.
2. Buscar fila correspondiente en tabla interna y devolver k_T.
3. Si Ta está entre entradas, interpolar linealmente.

Modo B: Interpolación lineal

Si Ta1 < Ta < Ta2 y k1, k2 conocidos:

Variables explicadas: Ta1, Ta2 son temperaturas tabuladas; k1 y k2 los factores correspondientes.

Modo C: Cálculo a partir de θJA y límite de Tj

Si se conoce θJA y Tj_max: calcular Pd_max y luego k_T = Pd_max / P_rated (si P_rated es la potencia nominal en condiciones referencia).

Fórmula: k_T = Pd_max / P_rated (limitar k_T ≤ 1 y ≥ 0).

Ejemplos prácticos completos y detallados

Ejemplo 1: Resistor de potencia 5 W a Ta = 60 °C

Datos:

• Resistor P_rated = 5 W (a 25 °C, especificación fabricante).
• Ta = 60 °C.
• Se usa la tabla de factores (ver tabla anterior) para resistores montados ventilados: k_T ≈ 0.92 a 60 °C.

Procedimiento y cálculo:

1. Obtener k_T desde la tabla: k_T = 0.92.
2. Aplicar fórmula de derating simple: P_derated = P_rated * k_T.
3. Calcular: P_derated = 5 W * 0.92 = 4.6 W.

Interpretación:

• El resistor debe limitarse a disipar como máximo 4.6 W en la condición ambiente de 60 °C para mantener la fiabilidad prevista.
• Si la potencia real esperada supera 4.6 W, opciones: aumentar resistor a 7 W nominal, mejorar ventilación, usar disipador o reubicar.

Ejemplo 2: Regulador lineal con θJA conocido

Escenario: Regulador LDO en encapsulado SOT-223, P_rated nominal irrelevante; se debe determinar la máxima potencia disipable para no exceder Tj_max.

Datos cerrados:

• Tj_max (según fabricante) = 125 °C.
• θJA (montaje en placa con disipación moderada) = 45 °C/W.
• Temperatura ambiente Ta = 50 °C.
• Potencia disipada estimada Pd_est = (Vin - Vout) * Iout; consideramos Iout = 0.8 A y Vin - Vout = 5 V → Pd_est = 4 W.

Procedimiento:

1. Calcular temperatura de unión si Pd = Pd_est: Tj = Ta + Pd * θJA = 50 °C + 4 W * 45 °C/W = 50 + 180 = 230 °C.
2. Comparar Tj con Tj_max: 230 °C > 125 °C → situación no aceptable.
3. Calcular Pd_max permisible: Pd_max = (Tj_max - Ta) / θJA = (125 - 50) / 45 = 75 / 45 = 1.667 W.
4. Derating necesario: k_T implícito = Pd_max / Pd_est = 1.667 / 4 = 0.417.

Solución práctica:

• Para mantener Tj ≤ 125 °C, la potencia disipada debe reducirse a ≤ 1.667 W.
• Opciones: reducir corriente de salida, disminuir Vin - Vout, agregar disipación (mejorar θJA) o usar regulador con menor θJA o con disipador.
• Si se mejora θJA a 15 °C/W (disipación por placa y disipador), Pd_max = (125 - 50) / 15 = 5 W → suficiente.

Ejemplo 3: Cable de alimentación según corrección por temperatura

Datos:

• Cable con ampacidad nominal I_nom = 20 A a 30 °C (según tabla fabricante).
• Temperatura ambiente de instalación Ta = 50 °C.
• Factor corrección por temperatura (tabla referencial) = 0.75 a 50 °C.

Cálculo:

1. I_permitida = I_nom * factor = 20 A * 0.75 = 15 A.

Interpretación: En esa instalación, para mantener temperatura del conductor en límites, la intensidad debe limitarse a 15 A o aumentar sección de cable.

Procedimiento operativo para integrar la calculadora rápida

Recomendaciones para implementar una herramienta confiable y usable en campo o CAD.

1. Entradas mínimas: tipo de componente, P_rated (si aplica), Ta, Tj_max (si disponible), θJA (si disponible), Vin/Vout/Iout (para reguladores).
2. Seleccionar método: tabla → interpolación → cálculo por θJA en orden de prioridad según datos presentes.
3. Validar límites: asegurar 0 ≤ k_T ≤ 1; truncar resultados fuera de rango y mostrar aviso de incumplimiento.
4. Proveer resultados y recomendaciones: P_derated, margen térmico (Tj_max - Tj_calculado), acciones correctivas.
5. Registrar supuestos usados (fuente de tabla, valores de m, θJA) para trazabilidad.

Buenas prácticas de diseño y verificación

• Usar siempre la hoja de datos del fabricante como fuente primaria de k_T o curvas de temperatura.
• Incluir margen de diseño adicional (por ejemplo 10–30%) para envejecimiento y variaciones de producción.
• Realizar pruebas térmicas en prototipo con instrumentación (termopares, cámaras climáticas) y ensayos de vida acelerada.
• Considerar flujo de aire, orientación, proximidad a fuentes de calor y efecto del encapsulado y conformal coating.
• Documentar condiciones de prueba: método de medición, contacto térmico y puntos de referencia.

Referencias normativas, estándares y recursos técnicos

Listado de normas, guías y recursos de autoridad para especificaciones y metodología.

• IEC 60068 — Environmental testing: condiciones y métodos de ensayo. https://www.iec.ch
• IEC 60287 — Electric cables — Calculation of the current rating. https://webstore.iec.ch
• JEDEC JESD51 series — Thermal characterization of components (ej. JESD51-2). https://www.jedec.org
• IEEE standards and guides on thermal management and reliability. https://standards.ieee.org
• NIST — Material property databases and thermal measurement recommendations. https://www.nist.gov
• Aplicaciones TI y ST sobre gestión térmica y selección de componentes: Texas Instruments, STMicroelectronics.
• Documentación y hojas de datos de fabricantes (Vishay, Murata, Nichicon, Rohm) para curvas de derating específicas.

Nota: varias de las normas IEC/IEEE son de pago; las referencias se usan aquí para orientar al diseñador a las fuentes oficiales.

Apéndice: fórmulas resumidas y tablas de referencia rápida

Resumen de fórmulas utilizadas por la calculadora y ejemplos de valores típicos para implementación.

Valores típicos para implementación por defecto

• T_ref = 25 °C o 40 °C, según convención del fabricante.
• m (resistor potencia) = 0.005/°C por defecto si no existen datos.
• θJA (SOT-23) ≈ 100 °C/W; (θJA SOT-223) ≈ 35–50 °C/W; (TO-220 con disipador) ≈ 2–10 °C/W.
• Tj_max semiconductores: 125 °C o 150 °C.

Recomendaciones finales para uso en proyectos internacionales

• Localizar requisitos normativos aplicables según la región (p. ej. IEC vs NEC/UL para cables y ampacidad).
• Adaptar tablas de la calculadora a las hojas de datos de los proveedores regionales usados en el diseño.
• Registrar resultados de derating y justificación técnica en la documentación del diseño para auditoría y certificación.

Fuentes y lectura adicional

• IEC Central Office — Normas IEC: https://www.iec.ch
• JEDEC — Thermal Measurement and Modeling: https://www.jedec.org/standards-documents
• IEEE Xplore — Artículos sobre gestión térmica y fiabilidad: https://ieeexplore.ieee.org
• Texas Instruments — Application notes on thermal design and derating: https://www.ti.com/lit
• Nichicon, Murata, Vishay — Hojas de datos y notas de aplicación sobre derating de capacitores y resistores.

Si necesita, puedo generar una versión de calculadora en hoja de cálculo con las tablas y fórmulas integradas, incluyendo validaciones y salidas de advertencia.