Um grande desafio no projeto de circuitos eletrônicos é selecionar componentes adequados que tenham bom desempenho sob todas as condições operacionais. Isto é particularmente essencial no que diz respeito aos limites operacionais seguros de corrente, tensão, potência e temperatura.
Aqui, vamos nos concentrar na temperatura. Cada componente eletrônico gera calor enquanto transfere energia. Tenha em mente que não existem componentes perfeitos na eletrônica porque cada um deles sofre certas perdas de energia. Portanto, é impossível obter potência total porque parte é perdida devido à energia térmica, o que requer gerenciamento térmico.
Existem diversas técnicas para manter a temperatura de componentes eletrônicos, como dissipador de calor, resfriador termoelétrico (TEC), pressão de ar forçada, ventilador, etc.
Neste artigo, discutiremos a melhor forma de selecionar um dissipador de calor e um ventilador de resfriamento. Um dissipador de calor compreende um bom material termicamente condutor para dispersar o excesso de calor e melhorar a confiabilidade eletrônica. Um dissipador de calor normalmente é equipado com um ventilador para ajudar a manter a temperatura, eliminando o excesso de calor.
O dissipador de calor
Na eletrônica, cada componente possui uma faixa de temperatura operacional acima da qual os componentes podem superaquecer ou falhar. Para operar os componentes na faixa de temperatura ideal, normalmente é usado um dissipador de calor ou sistema de gerenciamento térmico para uma vida útil mais longa.
Princípio
Um dissipador de calor funciona segundo o princípio da lei de Fourier, que afirma que sempre que dois corpos com diferenças de temperatura estiverem em contato, o calor será transferido da área de alta temperatura para a área de baixa temperatura.
Tipos de dissipadores de calor
Existem dois tipos principais de dissipadores de calor.
1. Dissipador de calor ativo – usa um ventilador para resfriar o dissipador de calor por meio de um processo de convenção de ar forçado — oferecendo alto desempenho de resfriamento. Você pode ouvir esses ventiladores em laptops e PCs.
2. Dissipadores de calor passivos – não usam ventiladores e são mais confiáveis porque não há peças móveis. Esses dissipadores de calor usam a convenção natural do ar para remoção de calor, e a transferência de calor depende do ar ao redor do dissipador de calor.
Seleção de dissipador de calor
A maior parte do calor nesses dispositivos é dissipada por dispositivos de comutação como MOSFETs e ICs. Vamos pegar um exemplo de regulador de tensão comum, ST's 7805, e selecionar um dissipador de calor adequado para isso.
Parâmetros
Cada fabricante de IC menciona parâmetros a serem seguidos para a seleção do dissipador de calor ideal para um IC.
Esses incluem:
1. Térmico resistência (θ/Rth) – compare a resistência térmica com a resistência básica do projeto do circuito. A resistência normal restringe o fluxo de corrente através dela, enquanto a resistência térmica se opõe ao fluxo de calor. Portanto, quanto menor a resistência térmica, mais calor pode ser transferido de um componente para o ar circundante.
Unidade – °C/W; para um aumento de um watt na potência, a temperatura aumentará em X°c.
Geralmente, a resistência térmica (θ) é medida em relação à temperatura ambiente (TA) e denotado por θJA. Seu valor normalmente é fornecido na folha de dados do IC. A temperatura ambiente é a temperatura ambiente onde o componente deve ser colocado.
2. Temperatura máxima de junção (TJ) – a imagem abaixo mostra a junção do IC, e esta junção possui limite de temperatura de operação conforme mencionado na ficha técnica do fabricante.
Quando qualquer componente transfere calor, a temperatura de sua junção aumentará devido à resistência térmica. Quando a temperatura da junção atinge seu limite operacional, o IC começa a funcionar mal e pode apresentar defeito ou falhar. Para manter a temperatura da junção do IC, é necessário um sistema de transferência de calor adequado.
Figura 1. A junção IC
A temperatura da junção é o que “decide” sobre os limites máximos permitidos de dissipação de potência de qualquer dispositivo.
A equação normalmente usada para calcular a dissipação máxima de potência que um IC pode dissipar sob a temperatura de sua junção operacional é:
θJÁ =TJ(máx.) –TA/Pd(máx.)…………Eq.1
Pd(máx.) = dissipação máxima de potência que um dispositivo pode dissipar na faixa de temperatura da junção.
Agora, vamos pegar os valores da ficha técnica do 7805 para o pacote TO-220, usando a equação acima…
θJÁ = 50°C/W
TJ(máx.) = 125°
TA = 35°
Após o cálculo, obtemos:
Pd(máx.) = 1,8 W
Projeto de convecção natural
Vamos primeiro considerar e calcular esse projeto de dissipador de calor.
Figura 2. A junção com a colocação do dissipador de calor.
1. Cálculo da resistência térmica do dissipador de calor
OθJÁ é composto por duas resistências separadas:
- Junção de resistência térmica para o caso θJC
- Caso de resistência térmica ao ambiente θCA
OθJC não pode ser alterado porque depende sempre do fabricante e geralmente é baixo. OθCA é dividido em duas resistências conforme abaixo:
θCA =θCS +θSA.
θCS = Resistência térmica do composto de interface utilizado
θSA = Resistência térmica do dissipador de calor
Então, obtemos:
θJÁ =θJC +θCA
θJÁ =θJC +θCS +θSA.
Com base na equação nº 1, obtemos:
(TJ(máx.) –TA/Pd(máx.)) = θJC +θCS +θSA
Reorganizando para θÉ:
θSA = (TJ(máx.) –TA/Pd(máx)) –θJC –θCS…….Eq.2
Dados os parâmetros da ficha técnica do fabricante:
TJ.Pd,θJC
TA = é o parâmetro definido pelo usuário de acordo com a condição do ambiente. Normalmente, é de 30° a 40° na convecção de ar forçado (ventilador) e de 50 a 60° no ar natural em espaços fechados.
θCS = depende do material da interface e de sua espessura, planicidade e da pressão de montagem e área de contato do dissipador de calor do IC. Esses dados podem ser encontrados na ficha técnica do fabricante.
Com base na equação nº 2, calcularemos a resistência térmica do dissipador de calor, que pode manter a temperatura da junção do IC igual ou inferior aos limites operacionais.
Para a convecção natural ao ar livre, consideremos o seguinte:
TA = 40°C/W
- Se a tensão de entrada, Vem = 12V, corrente de entrada, Iem = 1A
- Então, a tensão de saída Vo = 5V, corrente de saída, Ió = 1A
Pd = (Vin*Iin – Vo*Io)
Pd = 7W
O valor da folha de dados para TO-220.7805 é:
TJ(máx.) = 125°
θJC = 5°C/W
θCS é considerado um composto de interface, um composto térmico de silício disponível na forma de pasta de graxa. Para uma espessura de camada típica de 0,5 mm, a resistência térmica é de 0,98°C/W
Colocando todos os valores na equação nº 2, obtemos:
Resistência Térmica por Convecção Natural(Dissipador de calor),θSA = 6,2°C/W
Portanto, podemos usar um dissipador de calor com resistência térmica igual ou inferior a θSA valor.
2. Cálculo do volume do dissipador de calor em convecção natural.
O volume do dissipador de calor pode ser calculado usando a equação abaixo.
Volume(dissipador de calor) = Resistência Volumétrica (Cm3 °C/W) / θSA(°C/W)
A resistência volumétrica é baseada no fluxo de ar e pode ser calculada seguindo o guia desta tabela:
θSA = 6,2°C/W conforme calculado acima
Volume(Dissipador de calor) = 600/6,2
Volume(Dissipador de calor) =97 centímetros3
O projeto do dissipador de calor para (ST) 7805 IC em convecção natural com dissipação de potência máxima de 7W é:
Resistência térmica(Dissipador de calor) <=6,2°C/W
Volume(Dissipador de calor) =97 centímetros3
O design do dissipador de calor para convecção forçada
O parâmetro de resistência térmica pode ser alterado dependendo do fluxo de ar. A unidade de medição do fluxo de ar é LFM (pés lineares por minuto) ou CFM (pés cúbicos por minuto). LFM define a velocidade do ar, enquanto CFM mede o volume.
Geralmente, o ventilador vem com uma classificação CFM, pois geralmente é classificado de acordo com a quantidade de ar que pode mover.
A convecção forçada ou natural pode ser implementada para gestão térmica; depende do custo e do espaço para qualquer aplicação. É aqui que o volume do dissipador de calor é importante.
Volume(dissipador de calor) = Resistência Volumétrica (Cm3 °C/W) / θSA(°C/W)
θSA = 6,2°C/W conforme calculado acima
Resistência volumétrica da tabela acima para 200(LFM) = 200
Volume(Dissipador de calor) = 200/6,2
Volume(Dissipador de calor) =32 centímetros3
O design do dissipador de calor e do ventilador para o IC 7805 em convecção forçada com dissipação de potência máxima de 7W é:
Resistência térmica(Dissipador de calor) <=6,2°C/W
Volume(Dissipador de calor) =32 cm3
Ventilador (LFM) = 200
Precisamos de um dissipador de calor em nosso projeto?
Existem algumas equações pelas quais podemos determinar se há necessidade de um dissipador de calor em nosso projeto ou se é necessário substituir o IC por um de maior potência.
Primeiro, vamos calcular θJA(Total) usando a equação #1.
θJA(Total) =TJ(máx.) –TA/Pd(máx.)
Caso 1. Um dissipador de calor é não obrigatório
Se,θJA(Total) >θJÁ
Vamos entender isso com base no exemplo abaixo para 7805 IC.
Presumir…
TA= 35°
TJ.= 125°
θJÁ = 50°C/W
Pd = 1W
Colocando todos os valores na equação nº 1, obtemos:
θJA(Total) = 90°C/W
Caso nº 2. Um dissipador de calor é obrigatório
θJC <θJA(Total) <θJÁ
Vamos entender isso com base no exemplo abaixo para 7805 IC.
Presumir…
TA= 35°
θJc = 5°C/W
TJ.= 125°
θJÁ = 50°C/W
Pd = 2W
Colocando todos os valores na equação nº 1, obtemos:
θJA(Total) = 45°C/W
Caso nº 3. A necessidade de um IC de maior potência
θJA(Total) <θJC
Vamos entender isso com base no exemplo abaixo para 7805 IC.
Presumir…
TA= 35°
θJc = 5°C/W
TJ.= 125°
Pd = 20W
Colocando todos os valores na equação nº 1, obtemos:
θJA(Total) = 4,5°C/W
Outros fatores a serem considerados ao projetar um dissipador de calor
1. A largura do dissipador de calor. Aumentar a largura do dissipador de calor em um fator de dois, três ou quatro pode aumentar a capacidade de dissipação de energia em dois, três ou quatro.
Figura 3. A largura do dissipador de calor
2. O comprimento do dissipador de calor. Um aumento no comprimento da aleta por um fator de dois, três ou quatro aumenta a capacidade de dissipação de energia por um fator de 1,4, 1,7 e 2.
Figura 4. O comprimento do dissipador de calor
3. A radiação na convecção natural. A radiação na convecção natural é responsável por até 25% da dissipação total de calor. Recomenda-se pintar o dissipador de calor para aumentar sua radiação, a menos que o componente não esteja voltado para áreas mais quentes ao seu redor.
4. Adicionando aletas ao dissipador de calor. Adicionar aletas ao dissipador de calor aumenta sua área de superfície, o que melhora a capacidade de dissipação de calor e é mais econômico.
5. A colocação do dissipador de calor. Para tornar a convecção natural mais eficaz, a direção das aletas deve ser paralela à direção da força gravitacional.
Existem dois métodos de montagem de um dissipador de calor:
- Montagem horizontal: a parte inferior do dissipador de calor restringe o fluxo de ar de baixo para cima, portanto esse posicionamento não é ideal.
- Montagem vertical: o dissipador de calor atua como um canal vertical no qual o ar sai de baixo e sai de cima. Então, este é um posicionamento melhor.
Figura 5. Montagem vertical
Pontos chave
- A convecção forçada é mais eficaz que a convecção natural, mas aumenta o custo do sistema.
- A montagem vertical oferece melhores resultados de transferência de calor do que a horizontal.
- Um dissipador de calor menor com convecção forçada pode fazer o mesmo trabalho que um dissipador de calor grande com convecção natural.
- É melhor aumentar a largura do dissipador de calor para uma dissipação de calor mais eficiente.
- Um dissipador de calor com aletas tem melhor desempenho do que um dissipador básico.
- Um dissipador de calor pintado aumenta os fenômenos de radiação da transferência de calor.
