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Dissipadores para eletrônicaÍndice do grupo | Página anterior | Próxima página | Resistência térmica | Modelo semicondutor / dissipador | |
Dissipadores usados em eletrônica são peças, em geral metálicas, que têm a função de facilitar a troca do calor, gerado em um componente, com o ambiente. Semicondutores, em especial os de potência, são as principais aplicações.
A parte ativa de um semicondutor (junção) ocupa um espaço muito pequeno se comparado com restante do elemento. Nos casos de potências médias ou altas (fontes, estágios de saída, etc), o calor produzido pode elevar a temperatura acima do limite suportável, tornando indispensável a presença do dissipador.
A maioria dos aparelhos de pequeno e médio porte usa dissipadores simples, isto é, chapas ou perfis metálicos de formas diversas em contato com o componente. A convecção natural faz a troca do calor com o ambiente. Alguns casos exigem ventilação forçada (por exemplo, os conhecidos coolers dos microprocessadores). Aplicações mais críticas podem exigir outros meios de refrigeração, como dispositivos Peltier ou circulação de água (esta última, em geral, para semicondutores de elevada potência, de aplicação industrial).
Nesta página são comentados dissipadores de convecção natural e de ventilação forçada. Os conceitos de transmissão de calor são basicamente os mesmos das páginas relacionadas, acrescidos de algumas definições e simplificações.
Resistência térmica
| Topo pág | Fim pág |Aqui são usados os conceitos já dados nas páginas sobre condução de calor, mas, por simplicidade, não são empregados intervalos infinitesimais ou sinais.
Seja, conforme Figura 01, um corpo de material homogêneo em forma de paralelepípedo com uma diferença de temperatura entre as faces opostas A e B:
ΔT = TA − TB #1.1#Conforme princípios da termodinâmica, o calor Q deve se transmitir de A para B, considerando a temperatura de A maior que a de B. No referido tópico, foi visto que o calor transmitido por unidade de área e por tempo t é dado por:
Q / (S t) = λ ΔT / e #1.2#Onde λ é a condutividade térmica do material do corpo (em vez de
λ, poder-se-ia usar o inverso 1/λ, que é denominado resistividade térmica do material).Notar que a condutividade térmica é uma propriedade do material do corpo e não do corpo em si. Na igualdade anterior, o corpo (isto é, o aspecto físico) é definido pelos parâmetros
S (área das superfícies) e e (distância entre faces).Para definir um parâmetro térmico para o corpo, pode-se rearranjar a igualdade anterior:
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| Figura 01 |
Q / t = (λ S / e) ΔT De outra forma:
ΔT = [e / (λ S) ] (Q / t) #2.1#Consideram-se as grandezas:
P = Q / t #2.2# (potência térmica)R = e / (λ S) #2.3#
Portanto,
ΔT = R P #A.0#De outra forma,
R = ΔT / P #A.1#O fator R é denominado resistência térmica do corpo. A unidade usual é ºC/W (grau Celsius por Watt) ou K/W (grau Kelvin por Watt). São idênticas porque, conforme definição anterior, é diferença de temperatura por potência e intervalos em ºC e em K são equivalentes.
A resistência térmica de um corpo depende da sua geometria e da condutividade (ou o inverso, resistividade) térmica do material. Isso significa, por exemplo, que dois corpos de materiais idênticos podem ter resistências térmicas diferentes. Basta que algumas dimensões sejam diferentes.
Supõe-se agora que há 3 corpos de resistências térmicas diferentes (R1, R2 e R3) com as faces em perfeito contato conforme corte da Figura 02.
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| Figura 02 |
TA − TB = R1 P TB − TC = R2 P TC − TD = R3 P
Somando as igualdades,
TA − TB + TB − TC + TC − TD = R1 P + R2 P + R3 PSimplificando,
TA − TD = RT P #B.1#Onde:
RT = R1+ R2 + R3 #B.2#Ou seja, a resistência térmica total de uma série é igual à soma das resistências individuais.
O gráfico da parte superior da Figura 02 mostra as diferenças de resistências térmicas: o corpo 2 tem pequena resistência térmica porque a diferença TC − TB é pequena. O corpo 3 tem o valor mais alto e o 2, um valor intermediário.
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| Figura 03 |
Esse circuito, por sua vez, equivale a uma única resistência térmica RT, como em (b) da mesma figura. E a potência térmica transmitida é simbolizada pela seta PT (usa-se agora essa notação para enfatizar potência térmica).
Observar que há analogia com um circuito elétrico: conforme lei de Ohm, a diferença de potencial ΔV entre os terminais de um elemento de resistência R percorrido por uma corrente I é dada por:
ΔV = R IPortanto, a diferença de potencial elétrico equivale à diferença de temperatura e a intensidade de corrente elétrica, à potência térmica.
Modelo semicondutor / dissipador
| Topo pág | Fim pág |Semicondutores que precisam de dissipadores dispõem normalmente de superfícies planas, em geral metálicas, para contato com os mesmos. A Figura 01 (a) dá, em corte e sem escalas, um arranjo típico de um conjunto.
As temperaturas relevantes são indicadas por siglas de expressões em inglês. Isso é feito porque elas podem assim ser encontradas em diversas outras fontes. Seguem as definições:
Ta: temperatura do ambiente ("ambient").
Ts: temperatura do dissipador ("sink").
Tc: temperatura do invólucro ("case").
Tj: temperatura da junção ("junction").
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| Figura 01 |
Conforme tópico anterior,
Tj − Ta = (Rsa + Rcs + Rjc) PTOu, de outra forma,
Rsa = (Tj − Ta) / PT − Rcs − Rjc #A.1#
Essa fórmula permite o cálculo da resistência térmica do dissipador e, assim, a escolha de um tipo em catálogo de algum fabricante. Entretanto, nem todos os parâmetros são de imediato disponíveis. Seguem alguns comentários.
PT: a potência térmica dissipada. Para efeito de dimensionamento de dissipador, pode-se adotar a máxima potência de operação.
Tj: deve ser a máxima temperatura que se deseja para a junção. Os datasheets dos fabricantes informam em geral a temperatura limite que a junção pode suportar. E, naturalmente, o valor a usar deve ser igual ou menor que esse. Valores permissíveis típicos de Tj podem variar de 115ºC para semicondutores comuns a 180ºC para alguns tipos especiais.
Ta: valores usuais são de 35 a 45ºC se exposto ao ar livre e 50 a 60º para equipamentos fechados. Aplicações especiais como militares podem exigir algo entre 65 e 80ºC.
Rjc: a resistência térmica junção-invólucro pode ser encontrada no datasheet do fabricante do semicondutor. Apenas para informação, no caso de invólucro TO-220, valores comuns estão na faixa de 1,15 a 3,1 ºC/W.
Rcs: esse valor, resistência térmica do contato semicondutor-dissipador, pode ser encontrado em catálogos de fabricantes de dissipadores. Notar que, no exemplo da Figura 02 do tópico anterior, não se considera isso porque se supõe, conforme dito, um perfeito contato entre as superfícies. É claro que, na prática, isso não existe e há sempre uma resistência no contato das superfícies.
Para invólucro TO-220 valores comuns são: 1,0 a 1,3 ºC/W para contato direto, 0,5 a 0,8 ºC/W com uso de pasta térmica e 0,8 a 1,4 ºC/W com uso de pasta térmica e mica.
Uma vez calculado Rsa pode-se, conforme já dito, escolher um dissipador de resistência térmica igual ou inferior. Lembrar, entretanto, que o processo de troca de calor entre dissipador e ambiente é principalmente convecção e, conforme pode ser visto nas páginas sobre transmissão de calor, os coeficientes dependem da posição, temperatura e outros parâmetros (ou seja, rigorosamente, a igualdade #A.1# não é válida para o caso porque se considera a resistência térmica constante). Assim, os valores informados pelos fabricantes são médias aproximadas para a aplicação.
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