Como Funcionam os Dissipadores de Calor (ART1821)
Publicado: Quarta, 10 Julho 2019 00:00
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
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.
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
Os principais tipos cujos formatos são mostrados na figura 3, são:
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.
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
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.
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
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:
tr = th – ta (1)
P = V x I (2)
Rth = Tr/P (3)
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?
ta = 20º C
th = 60º C
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
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.
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.
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
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.