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Como Funcionam os Dissipadores de Calor (ART1821)

Apesar da maioria dos circuitos de potência modernos terem um rendimento elevado, a quantidade de calor gerado e que deve ser dissipado, é uma preocupação crescente. Os dispositivos operam com potências cada vez mais elevadas e no limite de suas capacidades de dissipação. O uso do dissipador de calor correto, instalação perfeita e ventilação adequada são preocupações tão importantes quanto a própria parte elétrica do circuito.

 

Obs.: No site podem ser encontrados outros artigos sobre este mesmo assunto.

 

Fontes de alimentação, controles de potência e amplificadores de áudio são apenas alguns exemplos de circuitos que operam com potências elevadas, usando componentes que trabalham próximos de seus limites.

 

Como transferir o calor gerado por esses componentes para o meio ambiente é uma grande preocupação que os projetistas devem enfrentar para não terem problemas posteriores de funcionamento.

 

Um dos pontos de partida para a escolha do dissipador apropriado está na própria durabilidade de um componente semicondutor como um transistor, MOSFET, Triac ou mesmo circuito integrado de potência.

 

A confiabilidade e a durabilidade de um dispositivo semicondutor é inversamente proporcional ao quadrado das variações de temperatura da junção.

 

Isso significa que reduzindo à metade à temperatura de um dispositivo, podemos esperar uma durabilidade quatro vezes maior.

 

O processo de transferência do calor gerado na junção de um dispositivo semicondutor envolve um circuito térmico com diversas etapas, conforme mostra a figura 1.

 

   Figura 1 – O circuito térmico
Figura 1 – O circuito térmico

 

 

Três componentes se destacam nesse circuito: a resistência térmica do invólucro do dispositivo ao passar para o dissipador, a inércia térmica do dissipador de calor (que é grande), e a resistência térmica entre o dissipador e o meio ambiente.

 

Nesse circuito deve-se encontrar um estado de equilíbrio térmico, que permita a transferência do calor gerado para o meio ambiente sem, entretanto, que a temperatura da junção do dispositivo semicondutor ultrapasse os limites estabelecidos pelo fabricante.

 

 

Tipos de Dissipadores

 

Partindo da ideia de que qualquer corpo que conduza e irradie calor pode funcionar como um radiador de calor podemos ter diversas técnicas para a construção de dissipadores para uso em aplicações eletrônicas.

A maioria dos tipos tem na circulação do ar a transferência da maior parte do calor gerado, conforme mostra a figura 2.

 

 

    Figura 2 – Transferência por convecção
Figura 2 – Transferência por convecção

 

 

Os principais tipos cujos formatos são mostrados na figura 3, são:

 

 

   Figura 3 – Dissipadores comuns
Figura 3 – Dissipadores comuns

 

 

a) Estampados – são dissipadores formados por folhas de cobre ou alumínio, estampados de modo a adquirir o formato desejado. Esse tipo de dissipador é bastante usado na maioria das aplicações eletrônicos por serem baratos e por serem de fabricação fácil.

 

b) Por extrusão – são os mais comuns em aplicações de potência como fontes de alimentação, amplificadores, etc. O processo de extrusão facilita a obtenção de formatos bi-dimensionais com a capacidade de dissipar grandes quantidades de calor. Além disso, eles podem ser cortados e trabalhados de diversas maneiras. A possibilidade de se cortar aletas em corte cruzado permite a elaboração de padrões que possibilitam o aumento da performance de 10 a 20%.

 

c) Juntas de Tiras Pré-fabricadas – a limitação da capacidade de dissipação dos tipos que operam por convecção pode ser contornada se a superfície de contacto com o ar for aumentada. A maior exposição à corrente de ar facilita a transferência do calor gerado. Os dissipadores desse tipo são formados por aletas de alumínio coladas com epóxi a uma base fabricada por extrusão.

 

d) Fundidos – areia, um cerne e processo de fundição para dissipadores podem ser feitos em alumínio sem a necessidade de vácuo, cobre ou bronze. Esse tipo de dissipador tem maior desempenho em sistemas de ventilação forçada.

 

e) Aletas dobradas – folhas de alumínio ou cobre corrugado são usadas para aumentar a área da superfície em contacto com o ar nesse tipo de dissipador. O sistema é então fixado a uma placa que serve de base ou mesmo colado na superfície de onde o calor deve ser removido.

 

Como Medir a Resistência Térmica de um Dissipador

O método descrito é empírico, servindo para determinar com razoável precisão a resistência térmica de um dissipador de calor.

Tudo que o leitor precisa é de um termômetro (preferivelmente do tipo de contacto digital) e de uma fonte de calor conhecida.

A fonte de calor pode ser um resistor de potência ou ainda um transistor, conforme mostra a figura 4 ligados a uma fonte ajustável de tensão.

 

   Figura 4 – Fonte de calor
Figura 4 – Fonte de calor

 

 

O resistor ou o transistor devem ser capazes de fornecer uma boa potência, por exemplo, o 2N3055.

 

Será interessante que na determinação das características do dissipador, ele esteja o mais próximo possível das condições reais em que ele vai ser usado.

 

Por exemplo, ele já pode ser fixado na caixa do aparelho em que vai ser instalado de modo a se verificar se o sistema de ventilação é eficiente.

 

O que se faz então é montar o dissipador em contacto com o resistor ou transistor usado como fonte de calor. O contacto térmico perfeito é essencial para a precisão das medidas, conforme mostra a figura 5.

 

   Figura 5 - O contato térmico
Figura 5 - O contato térmico

 

 

No caso de um transistor é mais fácil fazer esse contacto, pois já podemos usar pasta térmica para essa finalidade, como na montagem final do componente que vai ser utilizado.

 

Comece aplicando uma pequena potência ao resistor ou transistor e espere pelo menos uma hora para que ocorra o equilíbrio térmico.

 

Se o calor gerado for insuficiente para aquecer o dissipador (que estará ainda muito frio), aumente a potência e espere mais uma hora até a estabilização.

 

Vá fazendo isso por etapas até obter uma temperatura final do dissipador na faixa de 50 a 60º C aproximadamente.

 

Anote a potência que está sendo gerada Ph multiplicando a corrente no circuito pela tensão.

 

Anote a temperatura final medida no dissipador (th) e a temperatura ambiente (ta).

 

Podemos então aplicar as seguintes fórmulas:

 

Variação da temperatura (tr)

 

tr = th – ta (1)

 

 

Onde:

th – temperatura do dissipador (°C)

ta – temperatura ambiente (°C)

 

Potência dissipada (aplicada ao dissipador) – W

 

P = V x I (2)

 

Onde

P – potência aplicada e dissipada em watts

V – tensão no elemento de aquecimento (V)

I – corrente no elemento de aquecimento (I)

 

Finalmente temos o modo de se encontrar a resistência térmica em °C/W:

 

Rth = Tr/P (3)

 

Onde:

Rth – resistência térmica em °C/W

Tr – variação da temperatura (°C)

P – potência aplicada/dissipada (W)

 

Para obter maior precisão nos cálculos, o leitor pode realizar a medida várias vezes e tirar a média.

Na maioria dos casos, a determinação será razoável pois os próprios fabricantes dos dissipadores especificam seus produtos com uma tolerância que chega aos 25% (para mais e para menos!).

Vamos dar um exemplo de cálculo:

Ao aplicar uma tensão de 12 V a corrente circulante no elemento de aquecimento usado como prova é de 3 A.

A temperatura ambiente é 20º C e a temperatura final medida depois de uma hora no dissipador 60º C. Qual é a resistência térmica do dissipador?

 

Temos:

ta = 20º C

th = 60º C

V = 12 V

I = 3 A

 

Começamos por calcular tr:

tr = 60 – 20 = 40º C

 

Depois calculamos P:

P = 12 x 3 = 36 W

 

A resistência térmica será:

Rth = Tr/P = 40/36 = 1,11 oC/W

 

Compostos ou Pastas Térmicas

De modo a facilitar a transferência de calor entre o componente (onde ele é gerado) e o dissipador de calor é comum o emprego de compostos térmicos ou pastas térmicas, conforme mostra a figura 6.

 

 

   Figura 6 – Usando pastas térmicas
Figura 6 – Usando pastas térmicas

 

 

Muitos projetistas acham que se a utilização de um pouco de pasta térmica é bom, colocar mais é melhor. Um erro grave que pode comprometer a aplicação.

Os compostos ou pastas térmicas possuem uma resistência térmica que não é desprezível, e um excesso de pasta em lugar de ajudar, pode agregar resistência ao circuito térmico, diminuindo, em lugar de aumentar, a capacidade de dissipação.

 

Inércia Térmica

Como o calor gerado não é transferido para o meio ambiente imediatamente, precisando de um certo tempo de “trânsito” através do dissipador, isso se traduz numa inércia térmica.

Leva tempo para o dissipador “responder” às variações de temperatura do componente nele montado.

Essa inércia se deve basicamente à massa do dissipador, a qual deve ser aquecida, absorvendo ou cedendo calor quando a temperatura do ar ambiente ou do componente variam.

Quanto maior for um dissipador mais tempo ele leva para atingir a temperatura final de funcionamento, conforme mostra o gráfico da figura 7.

 

 

   Figura 7 – Curva de equilíbrio térmico
Figura 7 – Curva de equilíbrio térmico

 

 

Veja então que um dissipador maior não significa necessariamente que ele pode dissipar mais calor, mas sim que ele demora mais tempo para chegar à temperatura de equilíbrio.

Uma grande inércia térmica pode ser interessante em algumas aplicações, pois ela significa a capacidade de absorver o calor gerado em transientes.

Deve-se também tomar cuidado com uma inércia excessiva, pois a temperatura do radiador pode demorar para subir atuando sobre um eventual dispositivo de proteção conectado a ele, quando a temperatura do próprio componente já atingiu um valor capaz de causar sua queima.

 

Conclusão

Dissipadores de calor são elementos importantes de todos os projetos que envolvem dispositivos semicondutores de potência.

Cuidados especiais devem ser tomados com esses componentes, em especial atentando-se para o tipo de a resistência térmica.

Como calcular a resistência térmica de um dissipador foi um dos assuntos deste artigo, além de alguns cuidados que devem ser tomados com este tipo de componente.

 

 

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