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Dissipadores de calor (Informações Para Cálculo e Dimensionamento) (ART1085)

Nem sempre os dissipadores de calor são olhados com o devido cuidado nos projetos que envolvem dispositivos de potência e mesmo aqueles que, aparentemente, não geram uma quantidade preocupante de calor. No entanto, os problemas relacionados com a dissipação de calor são muito mais importantes do que muitos pensam, e por não estarem relacionados com o circuito em si, não são devidamente tratados pelos desenvolvedores. Neste artigo trataremos deste assunto, focalizando alguns pontos importantes que envolvem o modo de operação dos dissipadores de calor, a forma mais comum de se manter a temperatura de um componente sob controle.

 

Veja também o Dissipadores de calor ART208

 

 

Todo dispositivo eletrônico, que não apresente uma resistência nula, gera uma certa quantidade de calor ao ser percorrido por uma corrente elétrica. Como o dispositivo de resistência nula é ideal, não existindo na prática, podemos dizer que todos os dispositivos percorridos por corrente num circuito real geram calor.

Para os casos em que o calor gerado é maior, precisando ser transferido para o meio ambiente de modo que o componente não tenha sua temperatura elevada acima dos limites que ele tolera, devem ser usados meios auxiliares.

Assim, além de recursos que permitem espalhar o calor pela própria placa de circuito impresso, através dos materiais, a ventilação forçada, o principal meio, sem dúvida é o que faz uso dos radiadores ou dissipadores de calor.

Esses dispositivos são presos aos componentes que geram calor e por condução transferem esse calor para os elementos que devem passar o calor para o meio ambiente, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 - Transistor num radiador de calor
Figura 1 - Transistor num radiador de calor

 

Essa transferência pode ser feita de duas formas basicamente: irradiação e convecção.

Parte do calor é irradiada na forma de ondas eletromagnéticas, concentrando-se principalmente na faixa dos infravermelhos.

Parte-se das propriedades dos corpos negros que são irradiadores ideais, para se escolher materiais que possam ser usados de modo eficiente nesta forma de se livrar do calor gerado pelos componentes.

A outra parte do calor gerado é transferida para o ar em contacto com as aletas que os radiadores possuem, o qual aquecido torna-se mais leve tendendo a subir e se afastar do local, levando o calor absorvido.

Neste caso, é muito importante que o dissipador tenha a maior área possível de contacto para o ar e que exista um caminho livre para sua circulação.

Na figura 2 mostramos os dois modos segundo os quais o calor é transferido para o ambiente através dos radiadores ou dissipadores de calor.

 

Figura 2 - Modos de transferência de calor dos dissipadores
Figura 2 - Modos de transferência de calor dos dissipadores

 

Veja que poderíamos falar numa terceira forma de se transferir o calor gerado, acoplamento o próprio dissipador a uma superfície sólida que pudesse absorver o calor, mas neste caso, essa superfície é que deveria ser considerada no dissipador.

Também devemos lembrar os casos em que a quantidade de ar em contacto com as aletas que devem transferir o calor pode ser sensivelmente aumentada com o uso de ventilação forçada, como ocorre no caso do uso dos "fans", muitos comuns em dispositivos que exigem uma grande taxa de transferência de calor, caso dos microprocessadores.

 

Dimensionando um Dissipador de Calor

Quando acoplamos um radiador de calor a um dispositivo que gera calor, a temperatura final do dispositivo vai depender da quantidade de calor que ele gera, da velocidade com que o dispositivo pode transferir o calor gerado, e da temperatura final do ambiente para o qual o calor é transferido.

Podemos comparar isso a um "circuito térmico" em que a diferença de temperatura é a "tensão" responsável pelo fluxo de calor da fonte (componente) para o meio ambiente.

O fluxo de calor é a "corrente" e a capacidade que os diversos elementos do circuito têm de transportar esse calor é a "resistência térmica".

Assim, conforme mostra a figura 3, podemos elaborar um "circuito térmico" que segue uma lei muito semelhante à Lei de Ohm, a tal ponto, que podemos chamá-la sem problemas de "Lei de Ohm Térmica".

 

Figura 3 - O circuito térmico
Figura 3 - O circuito térmico

 

 Para o desenvolvedor é preciso projetar este circuito de modo que, numa transferência normal de calor, com os recursos usados, a temperatura do componente se mantenha sempre abaixo dos máximos permitidos.

E, isso deve levar em conta que a temperatura final, que é a temperatura ambiente, pode variar entre determinados limites.

 

Perigos da Sobre-temperatura

Todos os componentes eletrônicos, capacitores, indutores, transformadores, dispositivos semicondutores, etc., possuem temperaturas máximas de operação que são especificadas pelos fabricantes.

A confiabilidade e eficiência de um componente decrescem numa taxa muito alta quando a temperatura se eleva. Para cada 10 ou 15º C de aumento de temperatura, acima dos 50º C a taxa de falhas de um componente dobra.

Os componentes eletrônicos de comportam de maneira diferente quando a temperatura se eleva.

Os capacitores, por exemplo, passam a ter uma taxa de evaporação do eletrólito muito mais significativa o que reduz a vida útil do componente.

Componentes magnéticos apresentam perdas muito maiores quando a temperatura passa dos 100º C em muitos deles a degradação do isolamento pode ocorrer de forma acentuada.

Para os semicondutores temos diversos problemas a serem considerados quando a temperatura se eleva. Um deles é a divisão desigual das correntes e, portanto, da potência em componentes que sejam ligados em série ou em paralelo.

Esse problema pode levar a um efeito de "avalanche", conforme mostra a figura 4, em que um dos componentes pode ser levado a um aquecimento maior irreversível até a queima.

 

Figura 4 - Distribuição desigual das correntes
Figura 4 - Distribuição desigual das correntes

 

Em certos semicondutores temos ainda a redução das tensões de ruptura. A corrente de fuga aumenta e os tempos de comutação também.

Se bem que o controle das tensões e correntes nos dispositivos, o uso de componentes que sejam bem projetados no sentido de garantir excelente fluxo de calor no seu interior ajudem a minimizar os problemas de dissipação de calor, o desenvolvedor é que tem a responsabilidade de montar o componente em dissipadores eficientes quando isso se tornar necessário.

Neste caso, temos de levar em conta dois fatores:

 * A montagem do dissipador em sí que exige o uso de parafusos e porcas apropriados, isoladores e eventualmente graxa térmica.

* O projeto do radiador que deve não apenas ter a capacidade de dissipar o calor gerado como estar devidamente posicionado num local em que possa fazer isso de modo eficiente.

 

Trabalhando com a Resistência Térmica

Conforme vimos, o processo que vai da geração do calor pelo componente, sua transmissão através de meios apropriados até a dissipação no meio ambiente envolve um circuito térmico.

Assim, conforme mostra a figura 5, no caso de um dispositivo semicondutor temos diversas elementos neste circuito, que podem ser considerados como situados em camadas.

 

Figura 5 - Elementos do circuito térmico
Figura 5 - Elementos do circuito térmico

 

 O circuito térmico equivalente para a estrutura mostrada na figura 5 é mostrado na figura 6.

 

Figura 6 - O circuito térmico
Figura 6 - O circuito térmico

 

 Veja que os elementos se comportam como resistores, o que quer dizer que se existirem caminhos paralelos para o fluxo de calor, eles podem ser considerados como "resistores térmicos" ligados em paralelo.

 

Impedância Térmica Transiente

 Da mesma forma que num circuito elétrico um transiente de temperatura, ou seja, uma produção de um pico de calor pelo componente que gere um pico de calor pode causar danos ao dispositivo se não for rapidamente absorvida, impedindo que a temperatura se eleve na mesma velocidade, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7 - O transiente térmico
Figura 7 - O transiente térmico

 

 O componente térmico equivalente a um capacitor, que absorveria um pico elétrico, no caso do calor é representado pela capacidade térmica do sistema. Podemos então falar em capacidade térmica por unidade de volume:

Cv - dQ/dT (Joules/oC) que pode absorver o calor, num circuito equivalente mostrado na figura 8.

 

Figura 8 - O circuito equivalente para o transiente térmico
Figura 8 - O circuito equivalente para o transiente térmico

 

 Assim, o circuito térmico equivalente será: Cs = Cv x V onde é V é o volume do componente.

Chegamos então à Impedância Térmica Transiente do circuito que é dada pela fórmula junto à figura 9.

 

Figura 9 - A impedância térmica
Figura 9 - A impedância térmica

 

 Veja que podemos falar numa constante de tempo térmico para este circuito que será dada por:

TΦ = p. RΦ.Cs/4

 

Se tivermos uma estrutura multi-camadas, podemos associar às diversas capacidades térmicas de seus elementos "capacitâncias térmicas" no circuito mostrado na figura 10.

É o caso de um sistema formado por diversos tipos de materiais como o silício, cobre, e o próprio dissipador.

 

Figura 10 - Sistema com diversos materiais
Figura 10 - Sistema com diversos materiais

 

 

Os Dissipadores Na Prática - Como escolher

O tipo mais comum de dissipador disponível para uso em circuitos eletrônicos é o fabricado em alumínio. Muitos possuem uma camada anodizada de óxido escuro que tem por finalidade reduzir em até 25% a resistência térmica.

Os dissipadores comuns resfriados por convecção sem ser forçada possuem uma constante de tempo térmica típica que varia entre 5 e 15 minutos. As constantes de tempo dos dissipadores com ventilação forçada são bem menores.

São os seguintes os fatores que determinam a escolha de um radiador de calor para uma determinada aplicação:

* Potência máxima que deve ser dissipada pelo componente montado no dissipador de calor. (Pdis)

* Temperatura interna máxima do componente - temperatura de junção (Tj,max)

* Resistência térmica da junção do componente para seu invólucro (RΦj)

* Temperatura ambiente máxima (Ta,max)

 

A fórmula a ser aplicada será:

Rsa = (Tj,max - Ta,max) x Pdis - RΦj

Pdis e Ta,max são fixados para aplicação enquanto que Tj,max e R?j são determinados pelo fabricante do componente.

 

Conclusão

O dimensionamento correto de um dissipador de calor para uma aplicação é fundamental para se garantir que o componente se mantenha dentro dos limites de temperatura especificados pelo fabricante.

Uma operação em temperatura baixa não só garante a integridade do componente em termos de manutenção de suas características como reduz o número de falhas.

Na prática o desenvolvedor pode contar com uma infinidade de tipos e formatos de dissipadores tendo as mais diversas resistências térmicas além de recursos que permitem a ventilação forçada. No entanto, falaremos desses dissipadores numa próxima oportunidade.

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