Cada componente elétrico e eletrônico em um circuito gera uma certa quantidade de calor enquanto o circuito é executado fornecendo fonte de alimentação. Normalmente, dispositivos semicondutores de alta potência, como transistores de força e optoeletrônicos, como diodos emissores de luz , os lasers geram calor em quantidades consideráveis e esses componentes são inadequados para dissipar o calor, pois sua capacidade de dissipação é significativamente baixa.
Devido a isso, o aquecimento dos componentes leva à falha prematura e pode causar falha de todo o circuito ou desempenho do sistema. Assim, para superar esses aspectos negativos, dissipadores de calor devem ser fornecidos para fins de resfriamento.
O que é um dissipador de calor?
Dissipador de calor
Dissipador de calor é um componente eletrônico ou um dispositivo de um circuito eletronico que dispersa o calor de outros componentes (principalmente dos transistores de potência) de um circuito para o meio circundante e os resfria para melhorar seu desempenho, confiabilidade e também evita a falha prematura dos componentes. Para fins de resfriamento, ele incorpora um ventilador ou dispositivo de resfriamento.
Princípio do dissipador de calor
A lei de Fourier de condução de calor afirma que, se gradiente de temperatura estiver presente em um corpo, o calor será transferido de uma região de alta temperatura para a região de temperatura permitida. E, isso pode ser alcançado de três maneiras diferentes, como convenção, radiação e condução.
Princípio do dissipador de calor
Sempre que dois objetos com temperatura diferente entram em contato um com o outro, a condução ocorre fazendo com que as moléculas de movimento rápido do objeto de alta temperatura colidam com as moléculas de movimento lento dos objetos mais frios e, assim, transfere energia térmica para o objeto mais frio , e isso é denominado como condutividade térmica.
Da mesma forma, o dissipador de calor transfere o calor ou energia térmica de um componente de alta temperatura para um meio de baixa temperatura, como ar, água, óleo, etc. Geralmente o ar é usado como um meio de baixa temperatura e, se a água for usada como meio, então é denominado como placa fria.
Tipos de dissipador de calor
Os dissipadores de calor são classificados em diferentes categorias com base em diferentes critérios. Vamos considerar os principais tipos, a saber, dissipadores de calor ativos e dissipadores de calor passivos.
Tipos de dissipador de calor
Dissipadores de calor ativos
Geralmente, são do tipo ventilador e utilizam energia para fins de resfriamento. Também podem ser denominados dissipador de calor ou ventiladores. Os ventiladores são ainda classificados como tipo de rolamento de esferas e tipo de rolamento deslizante. Os ventiladores com motor de rolamento de esferas são preferidos porque sua extensão de trabalho é mais longa e eles são mais baratos quando se trata de um uso de longo período. O desempenho desses tipos de dissipador de calor é excelente, mas não para aplicações de longo prazo, pois consistem em peças móveis e são um pouco caros também.
Dissipadores de calor passivos
Não possuem componentes mecânicos e são constituídos por radiadores com aletas de alumínio. Estes dissipam energia térmica ou calor usando o processo de convecção. Eles são mais confiáveis do que os dissipadores de calor ativos e, para uma operação eficiente de dissipadores de calor passivos, é recomendado manter um fluxo de ar contínuo em suas aletas.
Dissipador de calor de alumínio
Os dissipadores de calor são geralmente feitos de metais e, o alumínio é o metal mais comum usado em dissipadores de calor. Estamos cientes do fato de que a condutividade térmica de cada metal é diferente. A condutividade térmica do metal é proporcional à transferência de calor no dissipador de calor . Assim, se a condutividade térmica do metal aumentar, então o
a capacidade de transferência de calor do dissipador de calor também aumentará.
Dissipador de calor de alumínio
A condutividade térmica do alumínio é 235 W / mK, sendo o metal mais barato e leve. Os dissipadores de calor de alumínio também são chamados de dissipadores de calor extrudados, pois podem ser feitos por extrusão.
Dissipadores de calor carimbados
Eles são feitos de metais que são estampados para formar uma forma particular. Este carimbo cria dissipadores de calor sempre que o metal é movido pela máquina de estampar. Estes são mais baratos em comparação com dissipadores de calor extrudados.
Eles são usados para aplicativos de baixo consumo de energia e, portanto, têm baixo desempenho.
Dissipadores de calor de usinagem
Estes são fabricados por processo de usinagem freqüentemente é usada serra de giro para remover um bloco de material para fazer aletas intermediárias com espaçamento preciso. Eles são caros porque muito metal pode ser considerado desperdício no processo de fabricação.
Dissipadores de calor com aleta colada
Estes são frequentemente usados para aplicações fisicamente grandes que requerem um desempenho sensível, como soldagem elétrica e Aplicações de bloco DC-DC . Eles são feitos ligando-se aletas individuais de um metal à base de um dissipador de calor. Isso pode ser feito por meio de dois métodos, nomeadamente epoxi térmico, que é econômico, e o outro, por brasagem, que é caro.
Dissipadores de calor com aleta dobrada
Esses dissipadores de calor com aletas dobradas têm grande área de superfície e possuem material de dissipador de calor dobrado e, portanto, têm desempenho muito alto e densidade de fluxo de calor muito alta. Nesses dissipadores, o ar é direcionado para fluir diretamente para os dissipadores de calor por meio de algum tipo de duto. Isso torna tudo caro, pois o custo de fabricação e dutos está incluído no custo total da pia.
Dissipadores de calor Skived
O processo de descascamento é usado para fabricar essas pias, que envolve a fabricação de blocos muito finos de metais, geralmente cobre. Conseqüentemente, eles são chamados de dissipadores de calor skived. Estes são dissipadores de calor de médio a alto desempenho.
Dissipadores de calor forjados
Os metais como cobre e alumínio são usados para formar dissipadores de calor por meio de forças compressivas. Este processo é denominado processo de forjamento. Portanto, eles são chamados de dissipadores de calor forjados.
Dissipadores de calor de conjunto de aleta única
Eles são leves e podem ser instalados em espaços apertados. Eles também possuem capacidade de baixo a alto desempenho e podem ser usados para muitas aplicações. Mas a principal desvantagem é que eles são um pouco caros.
Dissipadores de calor estampados
A estampagem é um processo de forjamento a frio, mas às vezes pode ser feito até mesmo como um processo de trabalho a quente no qual as dimensões de um item são alteradas para uma matriz. Eles são baratos, têm desempenho médio e são limitados no gerenciamento do fluxo de ar.
Importância dos dissipadores de calor em circuitos eletrônicos
- Um dissipador de calor é um trocador de calor passivo e é projetado para ter uma grande área de superfície em contato com o meio circundante (resfriamento) como o ar. Os componentes ou peças eletrônicas ou dispositivos que são insuficientes para moderar sua temperatura, requerem dissipadores de calor para resfriamento. Calor gerado por cada elemento ou componente do circuito eletrônico deve ser dissipado para melhorar sua confiabilidade e prevenir a falha prematura do componente.
- Ele mantém a estabilidade térmica em limites para todos os componente eletrônico de qualquer circuito ou peças eletrônicas de qualquer sistema. O desempenho do dissipador de calor depende de fatores como a escolha de um material, design de protuberância, tratamento de superfície e velocidade do ar.
- As unidades centrais de processamento e os processadores gráficos de um computador também são resfriados por meio de dissipadores de calor. Dissipadores de calor também são chamados de propagadores de calor, que são frequentemente usados como tampas na memória de um computador para dissipar seu calor.
- Se dissipadores de calor não forem fornecidos para circuitos eletrônicos, haverá uma chance de falha de componentes como transistores, reguladores de tensão, ICs, LEDs e transistores de potência. Mesmo enquanto soldando um circuito eletrônico , é recomendado o uso de dissipador de calor para evitar o superaquecimento dos elementos.
- Dissipadores de calor não só fornecem dissipação de calor, mas também são usados para gerenciamento de energia térmica feito pela dissipação de calor quando o calor é maior. No caso de baixas temperaturas, os dissipadores de calor têm como objetivo fornecer calor, liberando energia térmica para o funcionamento adequado do circuito.
Seleção de dissipador de calor
Para a seleção do dissipador de calor, precisamos considerar os seguintes cálculos matemáticos:
Considerar
Q: Taxa de dissipação de calor em Watt
T_j: Temperatura máxima de junção do dispositivo em 0C
T_c: Temperatura da caixa do dispositivo em 0C
T_a: Temperatura do ar ambiente a 0C
T_s: Temperatura máxima do dissipador de calor localizado totalmente limpo para o dispositivo em 0C
A resistência térmica pode ser dada por
R = ∆T / Q
A resistência elétrica é dada por
R_e = ∆V / I
A resistência térmica entre a junção e a caixa do dispositivo é dada por
R_jc = (∆T_jc) / Q
A resistência do caso ao afundamento é dada por
R_cs = (∆T_cs) / Q
Afundamento para a resistência ambiente é dado por
R_sa = (∆T_sa) / Q
Assim, a junção com a resistência ambiente é dada por
R_ja = R_jc + R_cs + R_sa = (T_j-T_a) / Q
Agora, a resistência térmica necessária do dissipador de calor é
R_sa = (T_j-T_a) / Q-R_jc-R_cs
Na equação acima, os valores de T_j, Q e R_jc são fixados pelo fabricante e os valores de T_a e R_cs são definidos pelo usuário.
Assim, a resistência térmica do dissipador de calor para aplicação deve ser menor ou igual ao R_sa calculado acima.
Ao selecionar o dissipador de calor, vários parâmetros devem ser levados em consideração, como o orçamento térmico permitido para dissipadores de calor, condição do fluxo de ar (fluxo natural, fluxo baixo misto, convecção forçada de alto fluxo).
O volume do dissipador de calor pode ser determinado dividindo a resistência térmica volumétrica pela resistência térmica necessária. A faixa de resistência térmica volumétrica é a seguinte na tabela mostrada abaixo.
O gráfico a seguir mostra a variação do tamanho do dissipador de calor de alumínio e da resistência térmica como um exemplo de escolha do dissipador com base na resistência térmica.
Área vs resistência térmica do dissipador de calor
Este artigo discute resumidamente sobre dissipador de calor, diferentes tipos de dissipadores de calor e a importância do dissipador de calor em circuitos eletrônicos. Para maisinformações sobre os dissipadores de calor, poste suas dúvidas atécomentando abaixo.
Créditos fotográficos:
- Dissipador de calor por ecnmag
- Princípio do dissipador de calor por streacom
- Tipos de dissipadores de calor por refrigeração eletrônica
- Dissipador de calor de alumínio por specialchem4polymers
- Área vs resistência térmica do dissipador de calor por designworldonline
