Arrefecimento à medida

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1 Arrefecimento à medida Ajuda on-line para o dimensionamento de dissipadores de calor Harry Baggen (Elektor) Muitos circuitos electrónicos produzem calor que tem de ser dissipado rapidamente para não comprometer o seu funcionamento. Existem vários tipos de dissipadores de calor para este fim, mas como calcular o seu tamanho ou escolher a solução mais apropriada? A ajuda está apenas a alguns cliques de distância. É costume dizer-se que onde há fumo, há fogo um ditado seguramente anterior à era da electrónica. Hoje poder-se-ia dizer também que onde há electrónica, há calor! Quando os electrões fluem através de um componente electrónico gera-se calor. Este calor não se deve apenas ao tipo de circuito, como por exemplo um amplificador classe A. Acontece devido ao facto de os componentes não serem ideais. Nos circuitos digitais, por exemplo, em que os transístores estão ao corte ou à condução seria de supor que não haveria problemas de aquecimento. Todavia, devido aos tempos finitos de transição entre estados, vamos ter dissipação de calor. Se tivermos em conta que estes circuitos funcionam a velocidades de relógio cada vez mais rápidas, é fácil perceber que os problemas de dissipação de calor não se colocam apenas nos circuitos analógicos. Para garantir um longo tempo de vida para os circuitos é essencial manter a temperatura do silício dos integrados dentro de certos limites, utilizando em alguns casos dissipadores de calor. Existem dissipadores de diversos tipos, com várias formas e feitios. Em situações especiais podem utilizar-se dissipadores com circulação de água ou electrónicos (efeito Peltier). Contudo, na maior parte dos casos são utilizados dissipadores simples, com arrefecimento por ar forçado ou não. Cálculos O cálculo de dissipadores é quase sempre necessário para alguns tipos de circuitos, como reguladores de tensão ou amplificadores de potência. Nestes casos, sabe-se que potência terá de ser dissipada e em que tipo de caixa vai ser colocado o circuito. Tal como a resistência num circuito eléctrico, a transferência de calor também se calcula com base na resistência térmica, diferenças térmicas e fluxo de calor. A diferença térmica, ou diferença de temperatura, corresponde às diferentes temperaturas entre os pontos de ligação das várias resistências térmicas, ligadas em série. A Figura 1 apresenta um modelo para o circuito térmico, que já deve ter visto em algum livro de electrónica ou mesmo em folhas de características de componentes. As várias partes que compõem o diagrama são descritas a seguir. A primeira resistência térmica (R th j-mb ) corresponde à resistência térmica existente entre a junção do semicondutor e o respectivo encapsulamento. A resistência térmica seguinte corresponde à elektor

2 ligação entre o encapsulamento e o dissipador de calor (R th mb-h ). O valor desta resistência depende do tipo de material utilizado entre o dissipador e o encapsulamento, que pode ser uma mica, pasta térmica ou outro. A resistência Rth h-a corresponde ao interface entre o dissipador de calor e o meio ambiente (ar). O diagrama mostra também uma fonte de calor (P). O valor da primeira resistência (Rth j-mb) vem especificado na folha de características dos semicondutores. Quando for procurar este valor, veja também qual é a temperatura de junção máxima admitida (Tj). Este valor nunca deve ser excedido, sob pena de diminuir drasticamente o tempo de vida do componente. O valor de Rth mb-h depende do modo como o componente é montado. Se for apertado directamente no dissipador de calor, este valor é baixo. Pode ainda ser menor se for utilizada massa térmica. No caso de pretender garantir o isolamento eléctrico entre o componente e o dissipador, pode recorrer a diversos materiais isolantes, como a mica, borracha de silicone ou óxido de alumínio. Em todo caso, os fabricantes destes materiais especificam igualmente a sua resistência térmica. Finalmente, temos a resistência térmica existente entre o dissipador de calor e o ambiente (Rth h-a). Este valor é fornecido pelo fabricante do dissipador de calor. Normalmente este valor corresponde a um dissipador de calor preto, montado na vertical. No caso de ser não estar pintado de preto, apresentado um acabamento natural em alumínio, podese assumir que a sua resistência térmica seja cerca de 10% maior. Se as palhetas estiverem colocadas na horizontal, em vez de na vertical, a resistência será 20% a 40% maior do que o valor especificado. Quando o dissipador é colocado dentro de uma caixa, o fluxo de ar pode ser consideravelmente menor, o que faz aumentar consideravelmente a resistência térmica do dissipador. Ao dimensionar o dissipador de calor deve sempre ter por base a potência máxima de dissipação do componente em causa. Por exemplo, se a queda de tensão máxima esperada num regulador de tensão for de 6 V e a corrente máxima de 1 A, terá de dissipar pelo menos 6 W. Sabendo isto, é preciso garantir que a temperatura do semicondutor nunca exceda o valor máximo permitido, sendo melhor até que permaneça sempre um pouco abaixo desse valor. Com uma temperatura máxima de junção de 175 C e uma temperatura ambiente de 25 C, a diferença de temperatura através de todas as resistências térmicas não poderá exceder os 150 C. Dada a potência total que terá de ser dissipada, a resistência térmica global pode ser calculada como: P Figura 1. Modelo térmico para os cálculos do dissipador. Se o encapsulamento do regulador tiver uma resistência térmica Rth j-mb de 5 C e o integrado estiver directamente encostado ao dissipador, sem isolamento, logo com uma resistência térmica Rth mb-h muito baixa (entre 0,1 e 0,2 C/W), será necessário um dissipador de calor com uma resistência térmica inferior a 20 k/w, para que o valor total seja inferior ao valor calculado. Resta agora escolher, de entre os muitos tipos de dissipadores existentes, um que corresponda a estas características. Na prática, deverá ter especial cuidado com estes detalhes quando estiver a lidar com circuitos onde a potência dissipada seja elevada. A oferta em dissipadores e materiais de isolamento e pastas térmicas é grande e é preciso ter em atenção as diferentes propriedades de cada um, em termos de fixação, tensão máxima de isolamento e robustez mecânica. Na página da Elliot Sound Protucts [1] está disponível um excelente artigo sobre o arrefecimento de circuitos. Ajuda on-line Existem diversos sites que podem ajudar na selecção e dimensionamento de dissipadores de calor. Na maior parte destes sites basta introduzir alguns valores para obter as respostas que procura. Vamos descrever alguns dos mais interessantes. Cálculos on-line O fabricante alemão de dissipadores de calor Alutronic disponibiliza um programa de cálculo chamado Alutronic Rthk Calculator, que pode ser descarregado depois de se ter registado. Existe também uma versão on-line, que pode ser utilizada sem ter de se registar [2]. Os valores das resistências térmicas previamente descritas e a quantidade de potência a ser dissipada são introduzidos através de botões virtuais que são ajustados com o rato. O T j R th j-mb T mb T h T a R th mb-h R th h-a R th total = T/P = 150/6 = 25 C/W = 25 K/W). Figura 2. O programa on-line da Alutronic permite ajustar interactivamente todos os valores. elektor

3 Figura 3. Simples e eficaz: o calculador para dissipadores de calor disponível no site da Changpuak. Figura 4. O programa gratuito da BK Software é pequeno mas muito prático. valor máximo da resistência térmica permitida para o dissipador é apresentado imediatamente. A página mostra também a temperatura ambiente máxima do dissipador, uma informação muito importante no caso de o dissipador ficar ao alcance da mão. A RS Components [3] também disponibiliza um programa de cálculo on-line. Neste caso trata-se de uma versão com menos suporte gráfico. O cálculo é feito com base nos valores inseridos pelo utilizador, que dão depois origem ao valor da resistência térmica do dissipador. A AaVID Thermalloy é um importante fabricante de todo o tipo de dissipadores de calor e produtos relacionados. Na sua página da Internet [4] pode encontrar diversas informações e ajudas para o dimensionamento. A página da Daycounter disponibiliza mais de 50 programas de cálculo em diversas áreas da electrónica. Vale, certamente, uma visita. O programa para o cálculo de dissipadores [5] segue a abordagem mais comum, comparável com o programa da RS: algumas caixas para a introdução dos valores, sendo depois apresentado o valor da resistência máxima do dissipador. Como funcionalidade adicional, o programa apresenta também os valores standard frequentemente utilizados em dissipadores. A página da Changpuak [6], mantida por um suíço, mas muito interessado no oriente e especialmente na Tailândia, daí o nome pouco usual, disponibiliza também um programa de cálculo para dissipadores, com a abordagem mais comum. Algumas ilustrações indicam claramente os componentes associados às respectivas resistências térmicas. Tal como acontece com o site da Daycounter, oferece também informação sobre muitos outros assuntos ligados à electrónica. Programas autónomos Os programas de cálculo de dissipadores de calor profissionais são relativamente dispendiosos, apesar de oferecerem diversas Figura 5. Como se pode ver no programa da Lattice Semiconductors, existem muitos mais factores a ter em conta para o cálculo da dissipação de potência em circuitos digitais. Figura 6. O programa de cálculo disponível no site da Novel Concepts permite projectar dissipadores de calor com ar forçado elektor

4 Figura 7. O Frigus Primore permite introduzir todas as dimensões de um dado dissipador (esquerda) para saber as suas características principais, incluindo um mapa térmico (direita). funcionalidades. Contudo, existem também alguns programas de cálculo gratuitos. Já falámos do RthK Calculator da Alutronic. Outro programa muito útil é o Heatsink Calculator V2.0 da BK Software, escrito por um holandês. Este programa pode ser descarregado em [7]. Uma particularidade interessante deste programa é o facto de permitir escolher qual o valor que deseja ver calculado. Basta introduzir os restantes componentes, deixando em branco aquele que deseja que o programa calcule. Esse valor aparecerá depois de pressionar o botão. Significa isto que além de permitir calcular a resistência térmica máxima admis- Campanha de Assinaturas Campanha de Assinaturas Oferta Grupo Lidel na assinatura por 1 ano Oferta Grupo Lidel na assinatura por 2 anos Motores Eléctricos 2ª Edição Revista e Aumentada Autor: António M. S. Francisco PVP 14,95 Euros Técnicas de Automação 3ª Edição Actualizada e Aumentada Autor: J.R. Caldas Pinto PVP 27,75 Euros Grátis um destes livros + Desconto até 30% Faça já a sua assinatura por 1 ou 2 anos Campanha limitada ao stock existente

5 Figura 8. No site da Microelectronics Heat Transfer Laboratory pode configurar o dissipador de acordo com as suas necessidades. sível, como os outros programas, permite ainda saber a temperatura atingida se optar por um determinado dissipador. Pode ainda efectuar cálculos com mais de um componente a partilhar o mesmo dissipador. Claro que não poderíamos apenas concentrarmo-nos nos circuitos analógicos. A dissipação de calor é também um assunto muito importante na electrónica digital, especialmente em processadores. A Lattice Semiconductors disponibiliza um programa para cálculo de dissipação de potência dedicado aos seus integrados. Com este programa é possível calcular a potência dissipada por FPGAs e CPLDs da Lattice, e os respectivos dissipadores necessários. A Altera oferece um programa similar para os seus produtos, na forma de uma folha de cálculo com o nome Power- Play [9]. Estes programas são bem mais complexos do que os programas referidos anteriormente. Ar forçado ou mais área? No site da Novel Concepts [10] pode encontrar um programa para cálculo de dissipadores com ar forçado (através de uma ventoinha). Com ele pode calcular facilmente quanta potência pode ser dissipada por um determinado dissipador sob um determinado fluxo de ar. Para isso, terá de introduzir as dimensões do dissipador de calor e o número de palhetas, bem como a velocidade do ar esperada. Além deste programa, estão disponíveis outros para cálculos de dissipadores especiais. Se quiser desenhar os seus próprios dissipadores de calor, ou caso possua alguns mas cujas características desconheça, os sites seguintes poderão ser-lhe muito úteis. Na página da Frigus Primore, uma empresa especializada em cálculos térmicos, estão presentes diversos programas para todo o tipo de cálculos. Alguns podem ser descarregados como versões de demonstração, podendo ser utilizados durante um período de tempo limitado. O programa para o dimensionamento de dissipadores de calor pode ser descarregado em [11] e é especialmente interessante, pois permite indicar ao programa a configuração de um dado dissipador de calor (dimensão, número de ranhuras e a sua altura) sendo depois calculada a sua resistência térmica e subida de temperatura por Watt, entre outras coisas. Tudo isto via on-line. Além disso, o programa apresenta também uma imagem tridimensional do dissipador, que pode ser rodada em todas as direcções com o rato. Pode depois ver como varia a temperatura em todo o dissipador, com a opção de especificar exactamente onde é que o componente vai ser colocado. Verdadeiramente interessante! No site do Microelectronics Heat Transfer Laboratory (MHTL), pode também desenhar um dissipador completo e calcular as suas características, utilizando o programa Natural Convection for Rectangular Heatsinks [12]. Conclusão Existem muitos fabricantes de dissipadores de calor e afins, como pastas térmicas e materiais de isolamento. O Heatsink Guide [13] é um bom ponto de partida para procurar por uma solução. Apesar de não ser absolutamente completo, cobre um grande número de fabricantes. ( ) Artigo original: Tailored Cooling February 2010 Internet e referências [1] [2] [3] html?id=infozone/calculators&file=heatsink [4] [5] Calculator.phtml [6] [7] [8] powercalculator.cfm [9] pow-powerplay.jsp [10] [11] [12] [13] php?content=manufacturers.shtml elektor