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Dissipadores para Eletrônica

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Tópicos: Introdução | Resistência Térmica | Modelo Semicondutor / Dissipador |


1) Introdução

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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 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 os básicos, com algumas simplificações.


2) Resistência Térmica

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Aqui são usados os conceitos básicos sobre condução de calor, mas, por simplicidade, não são empregados intervalos infinitesimais ou sinais. Seja, conforme Figura 2-I, um corpo de material homogêneo em forma de paralelepípedo com uma diferença de temperatura entre as faces opostas A e B:

$$\Delta T = T_A - T_B \tag{2A}$$
Conforme princípios da termodinâmica, o calor Q deve se transmitir de A para B, considerando a temperatura de A maior que a de B. E o calor transmitido por área S e por tempo t, ao longo do comprimento e, é dado por:

$${Q\over S\ t} = \lambda {\Delta T\over e} \tag{2B}$$
Onde λ é a condutividade térmica do material do corpo (o inverso 1/λ é denominado resistividade térmica do material). A condutividade térmica é uma propriedade do material 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).

Material homogêneo com diferença de temperatura
Fig 2-I

Para definir um parâmetro térmico para o corpo, pode-se rearranjar a igualdade anterior, Q / t = (λ S / e) ΔT. De outra forma,

$$\Delta T = {e\over\lambda S}{Q\over t} \tag{2C}$$
Pode-se reescrever essa igualdade na forma:

$$\Delta T = R\ P\quad \text{ou}\quad R = {\Delta T\over P} \tag{2D}$$
Onde P é a potência térmica,

$$P = {Q\over t} \tag{2E}$$
E R é a resistência térmica,

$$R = {e\over\lambda S} \tag{2F}$$
A unidade usual de resistência térmica é °C/W (grau Celsius por Watt) ou K/W (Kelvin por Watt). São idênticas porque, conforme definição anterior, é diferença de temperatura por potência e intervalos em °C 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 em razão de diferenças de dimensões.

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 2-II. Despreza-se a transmissão de calor através das faces laterais. Assim, a mesma potência térmica P é transmitida através das faces em contato:

TA − TB = R1 P
TB − TC = R2 P
TC − TD = R3 P


Resistências térmicas de camadas
Fig 2-II

Somando as igualdades, TA − TB + TB − TC + TC − TD = R1 P + R2 P + R3 P. Simplificando,

$$T_A - T_D = R_T\ P\quad\text{onde}\\R_T = R_1 + R_2 + R_3 \tag{2G}$$
Ou seja, a resistência térmica total de uma série é igual à soma das resistências individuais. O gráfico da parte superior da Figura 2-II 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.

Circuito térmico
Fig 2-III

Assim, o arranjo da Figura 2-II pode ser representado por um circuito térmico equivalente, como em (a) da Figura 2-III. 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). Observa-se que há analogia com um circuito elétrico: a diferença de potencial ΔV entre os terminais de um elemento de resistência R percorrido por uma corrente I é dada por ΔV = R I. Portanto, a diferença de potencial elétrico equivale à diferença de temperatura e a intensidade de corrente elétrica, à potência térmica.


3) Modelo Semicondutor / Dissipador

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Semicondutores que precisam de dissipadores dispõem normalmente de superfícies planas para o contato térmico. A Figura 3-I (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:

Tatemperatura do ambiente (ambient)
Tstemperatura do dissipador (sink)
Tctemperatura do invólucro (case)
Tjtemperatura da junção (junction)

E o circuito térmico equivalente é dado em (b) da mesma figura. O calor gerado na junção encontra a primeira resistência Rjc entre ela e a superfície do invólucro em contato com o dissipador. Rcs é a resistência térmica do contato das duas superfícies e Rsa é a resistência térmica entre dissipador e ambiente.

Modelo semicondutor / dissipador
Fig 3-I

Conforme tópico anterior, Tj − Ta = (Rsa + Rcs + Rjc) PT. De outra forma,

$$R_{sa} = {T_j - T_a \over P_T} - R_{cs} - R_{jc} \tag{3A}$$
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 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. O valor a usar deve ser igual ou menor que esse. Valores permissíveis típicos de Tj podem variar de 115°C para semicondutores comuns a 180°C para alguns tipos especiais.

• Ta valores usuais são de 35°C a 45°C se exposto ao ar livre e 50°C a 60°C para equipamentos fechados. Aplicações especiais como militares podem exigir algo entre 65°C e 80°C.

• Rjc 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 °C/W.

• Rcs esse valor, resistência térmica do contato semicondutor-dissipador, pode ser encontrado em catálogos de fabricantes de dissipadores. Para invólucro TO-220 valores comuns são: 1,0°C/W a 1,3°C/W para contato direto, 0,5°C/W a 0,8°C/W com uso de pasta térmica e 0,8°C/W a 1,4°C/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. Entretanto, o processo de troca de calor entre dissipador e ambiente é principalmente convecção e, conforme conceitos da transmissão de calor, os coeficientes dependem da posição, temperatura e outros parâmetros, ou seja, rigorosamente, a igualdade (2D) não é válida porque se considera a resistência térmica constante. Assim, os valores informados pelos fabricantes são médias aproximadas para a aplicação.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel - Manual da Construção de Máquinas. São Paulo: Hemus, 1979.
Cengel, Y. A. Michael A. B. Thermodynamics: An Engineering Approach. New York: McGraw-Hill, 2006.
Giek, Kurt. Manual de Fórmulas Técnicas. São Paulo: Hemus.
Rohsenow, W. M. Hartnett, J. R. Cho, Y. I. Handbook of Heat Transfer. McGraw-Hill, 1998.

Topo | Rev: Ago/2018