Quando observamos uma placa eletrônica, às vezes encontramos componentes presos a peças metálicas, geralmente de alumínio e frequentemente com várias aletas.
Essa peça é chamada de:
dissipador de calor.
Mas por que ela é necessária?
Por que alguns componentes podem funcionar normalmente sem dissipador enquanto outros esquentam rapidamente?
Neste projeto fiz uma experiência simples para mostrar isso na prática:
medir a temperatura do componente e observar a importância do dissipador de calor.
Antes de vermos a experiência, precisamos entender de onde vem esse aquecimento.
Por que os componentes eletrônicos esquentam?
Nenhum componente eletrônico real é perfeito.
Quando uma corrente circula por determinados componentes, parte da energia elétrica pode ser transformada em:
calor.
Isso acontece em:
resistores;
transistores;
reguladores de tensão;
diodos;
circuitos integrados;
amplificadores de potência
e muitos outros componentes.
Em alguns casos, a quantidade de calor é muito pequena e praticamente não nos preocupa.
Em outros, porém, pode ser suficiente para elevar bastante a temperatura do componente.
Potência e calor estão relacionados
Imagine um componente que esteja dissipando:
5 W.
Esses 5 watts não desaparecem.
Se essa potência estiver sendo dissipada na forma de calor, precisamos encontrar uma maneira de transferi-la do componente para o ambiente.
Caso contrário:
a temperatura começa a subir.
Quanto maior a potência dissipada e maior a dificuldade de transferir esse calor para o ambiente, maior poderá ser a temperatura atingida.
Veja na prática por que precisamos de um dissipador
No vídeo abaixo faço justamente essa experiência, utilizando a medição de temperatura para demonstrar a necessidade do dissipador de calor.
Depois de observar a experiência, fica mais fácil compreender o que o dissipador está fazendo.
Ele não está simplesmente “esfriando” o componente.
Na realidade, está ajudando a:
transferir o calor para o ambiente.
O que é um dissipador de calor?
Um dissipador é uma peça fabricada com um material que conduz calor relativamente bem.
Um material muito utilizado é o:
alumínio.
O componente transfere calor para o dissipador.
O dissipador, por sua vez, oferece uma superfície muito maior para realizar a troca de calor com o ambiente.
Podemos representar:
componente eletrônico
↓
calor
↓
dissipador
↓
ar ambiente.
Portanto, o objetivo é facilitar o caminho térmico entre o componente e o ambiente.
Por que aumentar a superfície ajuda?
Observe o formato de muitos dissipadores.
Eles possuem várias:
aletas.
Essas aletas não estão ali apenas por estética.
Elas aumentam a área de superfície disponível para a troca de calor com o ar.
Compare uma pequena superfície metálica lisa com outra peça de mesmo volume cheia de aletas.
A segunda pode apresentar uma área de contato com o ar muito maior.
Isso favorece a transferência de calor.
O dissipador fica quente. Isso significa que ele não está funcionando?
Não.
Na verdade, muitas vezes acontece justamente o contrário.
Se o dissipador começa a aquecer, significa que existe transferência de calor do componente para ele.
O que queremos é que o calor consiga seguir o caminho:
junção do componente → encapsulamento → dissipador → ambiente.
Um dissipador completamente frio enquanto o componente está superaquecendo pode até indicar que existe uma transferência térmica ruim entre os dois.
Temperatura demais pode destruir um componente
Sem um caminho adequado para dissipar o calor, a temperatura interna de um semicondutor pode ultrapassar os limites estabelecidos pelo fabricante.
Isso pode provocar:
alteração do funcionamento;
redução da vida útil;
proteção térmica;
falha temporária;
e, em situações extremas:
destruição do componente.
Por isso, quando um projeto exige dissipador, ele não deve ser tratado como um simples acessório.
Ele faz parte do:
projeto térmico do circuito.
A temperatura externa não é necessariamente a temperatura interna
Esse é um conceito muito importante.
Quando medimos a temperatura na parte externa de um transistor ou circuito integrado, estamos medindo algum ponto do:
encapsulamento.
Mas o elemento semicondutor que efetivamente está dissipando potência encontra-se:
dentro do componente.
Essa região é normalmente chamada de:
junção.
A temperatura da junção pode ser superior à temperatura que conseguimos medir externamente.
Portanto, simplesmente tocar no componente ou medir sua superfície não nos informa necessariamente a temperatura exata da junção.
Existe uma resistência ao fluxo de calor
Podemos fazer uma analogia interessante com eletricidade.
Na eletricidade temos:
tensão, corrente e resistência elétrica.
Na análise térmica utilizamos o conceito de:
resistência térmica.
Ela indica, de maneira simplificada, a dificuldade encontrada pelo calor para passar de um ponto para outro.
Sua unidade é frequentemente:
°C/W.
Ou seja:
graus Celsius por watt.
O que significa °C/W?
Imagine, apenas como exemplo, um caminho térmico com resistência de:
10 °C/W.
Se tivermos:
1 W
sendo dissipado através desse caminho, poderíamos ter uma diferença de temperatura de aproximadamente:
10 °C.
Se tivermos:
5 W:
5 × 10 = 50 °C.
Isso mostra como potência e resistência térmica determinam a elevação de temperatura.
É por isso que um componente aparentemente pequeno pode ficar extremamente quente.
Podemos representar o caminho do calor
Em um semicondutor instalado em um dissipador, podemos pensar em várias etapas:
junção
↓
encapsulamento
↓
interface térmica
↓
dissipador
↓
ambiente.
Cada uma dessas etapas apresenta alguma:
resistência térmica.
O objetivo do projeto é manter a temperatura da junção dentro de uma faixa segura.
Por que usamos pasta térmica?
Mesmo quando duas superfícies metálicas parecem perfeitamente lisas, microscopicamente elas possuem:
irregularidades.
Ao colocarmos uma superfície sobre a outra, podem existir pequenos espaços preenchidos por ar.
E o ar é um condutor térmico relativamente ruim.
A pasta térmica ajuda a preencher essas pequenas irregularidades e melhorar o contato térmico entre as superfícies.
Portanto, sua função não é simplesmente:
“esfriar o componente”.
Ela ajuda a:
reduzir a resistência térmica da interface.
Mais pasta térmica não significa melhor
Esse é outro erro comum.
A pasta térmica deve preencher pequenas imperfeições.
Não queremos criar uma camada enorme separando o componente do dissipador.
Dependendo dos materiais e da montagem, uma quantidade excessiva pode inclusive prejudicar o contato.
O objetivo é conseguir uma:
boa interface térmica.
E aquelas pequenas lâminas isolantes?
Em algumas montagens encontramos uma pequena lâmina ou material entre o componente e o dissipador.
Ela pode ter uma função muito importante:
isolamento elétrico.
Em determinados encapsulamentos, a parte metálica do componente pode estar eletricamente conectada a um de seus terminais.
Se aparafusarmos vários componentes diretamente no mesmo dissipador metálico, podemos criar uma conexão elétrica indesejada.
Por isso podem ser utilizados:
isoladores térmicos/elétricos apropriados
e buchas isolantes na fixação.
É necessário verificar as características específicas do componente utilizado.
Um dissipador maior é sempre melhor?
Do ponto de vista exclusivamente térmico, aumentar a capacidade de dissipação pode ajudar.
Mas um projeto real envolve outras limitações:
espaço;
peso;
custo;
ventilação;
posição;
potência dissipada.
Não faz sentido colocar um dissipador gigantesco em um componente que dissipa uma quantidade mínima de potência.
Da mesma forma, um dissipador muito pequeno pode ser insuficiente para um componente de potência.
O correto é:
dimensionar.
Como saber se um componente precisa de dissipador?
Não existe uma temperatura universal do tipo:
“passou de X graus, coloque dissipador”.
Precisamos conhecer o componente e consultar suas especificações.
O datasheet pode fornecer informações como:
temperatura máxima de junção;
potência máxima;
resistências térmicas;
condições de operação.
A partir dessas informações podemos determinar se a dissipação natural do encapsulamento é suficiente ou se precisamos acrescentar um dissipador.
Um exemplo com regulador linear
Reguladores lineares são excelentes para compreender esse problema.
Imagine que temos:
12 V na entrada
e queremos:
5 V na saída.
Suponha que a carga consuma:
500 mA = 0,5 A.
A diferença de tensão sobre o regulador será:
12 − 5 = 7 V.
A potência dissipada aproximadamente pelo regulador será:
P = 7 × 0,5
P = 3,5 W.
Isso é bastante calor para um pequeno componente semicondutor.
É justamente por isso que determinados reguladores lineares podem exigir dissipadores dependendo da:
tensão de entrada + tensão de saída + corrente da carga.
E se a corrente dobrar?
Mantendo o exemplo:
12 V → 5 V.
Agora suponha:
1 A.
Teremos aproximadamente:
P = (12 − 5) × 1
P = 7 W.
Veja o que aconteceu:
ao dobrarmos a corrente de 0,5 A para 1 A, a potência dissipada passou de:
3,5 W
para:
7 W.
A necessidade de gerenciamento térmico se torna muito maior.
Isso também acontece em amplificadores de áudio
Quem abre um amplificador frequentemente encontra transistores ou circuitos integrados presos a grandes dissipadores.
Existe uma razão.
Um amplificador de potência precisa fornecer energia ao:
alto-falante.
Mas nem toda a energia recebida da fonte chega à carga.
Parte dela é dissipada nos componentes do amplificador.
Essa potência pode aparecer na forma de:
calor.
Por isso o projeto térmico é uma parte fundamental de muitos amplificadores.
Amplificadores diferentes produzem quantidades diferentes de calor
A eficiência depende da topologia utilizada.
Amplificadores lineares tradicionais podem dissipar uma quantidade significativa de potência nos dispositivos de saída.
Amplificadores classe D, por exemplo, podem apresentar eficiência muito maior em muitas condições.
Isso ajuda a explicar por que podemos encontrar amplificadores modernos bastante potentes utilizando sistemas de dissipação relativamente compactos.
Mas:
maior eficiência não significa ausência de calor.
Ainda existem perdas.
E os transistores de potência?
Transistores utilizados para controlar cargas maiores também podem precisar de dissipação.
Um transistor trabalhando como elemento de potência pode conduzir correntes consideráveis.
Dependendo da:
corrente;
tensão sobre o dispositivo;
modo de operação;
frequência de chaveamento
e outras características, ele pode dissipar energia suficiente para aquecer significativamente.
É por isso que vemos componentes como:
MOSFETs
e:
transistores bipolares de potência
montados em dissipadores em diversas aplicações.
Ventoinha e dissipador são a mesma coisa?
Não.
O dissipador aumenta a capacidade de transferir calor para o ambiente.
Uma ventoinha pode aumentar o fluxo de ar sobre o dissipador.
Temos então:
convecção natural
quando o movimento do ar ocorre naturalmente,
e:
convecção forçada
quando utilizamos uma ventoinha ou outro sistema para movimentar o ar.
Por isso computadores e equipamentos de alta potência frequentemente combinam:
dissipador + ventoinha.
Por que medir temperatura durante um projeto?
Porque apenas observar se o circuito está funcionando pode ser enganoso.
Imagine:
liga → funciona perfeitamente.
Podemos concluir:
“está tudo certo”.
Mas depois de 10 minutos:
a temperatura continua subindo.
Depois de 20 minutos:
o componente entra em uma região inadequada de operação.
Portanto, testes térmicos precisam considerar também:
tempo.
É exatamente por isso que medir temperatura é tão interessante.
O equilíbrio térmico não acontece instantaneamente
Quando ligamos o circuito:
temperatura começa a subir.
Depois de algum tempo, dependendo das condições, pode chegar a uma situação aproximadamente estável na qual a taxa de calor produzido se equilibra com a taxa de calor transferido para o ambiente.
Por isso uma medição realizada apenas:
cinco segundos depois de ligar
pode não representar a temperatura que o componente alcançará após funcionamento prolongado.
A temperatura ambiente também importa
Imagine que você teste seu projeto em uma bancada a:
20 °C.
Depois o equipamento é instalado dentro de uma caixa fechada em um ambiente muito mais quente.
A capacidade de dissipar calor mudou.
O dissipador não cria frio.
Ele transfere calor para o:
ambiente.
Se o ambiente já está quente, a margem térmica disponível diminui.
A caixa do equipamento também influencia
Outro erro comum é testar um circuito:
aberto sobre a bancada
e depois colocá-lo dentro de uma caixa praticamente sem ventilação.
As condições térmicas ficam completamente diferentes.
Dentro da caixa, o ar pode aquecer e dificultar a dissipação.
Por isso um projeto final precisa considerar:
aberturas de ventilação;
posição do dissipador;
circulação de ar;
temperatura interna.
Não use o dedo como termômetro
É comum alguém encostar no componente e dizer:
“está quente, mas acho que aguenta”.
Isso não é uma boa técnica de engenharia e pode causar queimaduras.
A percepção humana de temperatura não fornece uma medição adequada e alguns componentes podem atingir temperaturas perigosas.
Quando a temperatura importa:
use um instrumento apropriado.
É exatamente o princípio demonstrado no vídeo deste artigo.
Dissipador não aumenta a potência do componente
Outro ponto importante:
colocar um dissipador não transforma magicamente um transistor em um componente capaz de suportar qualquer potência.
Existem limites:
elétricos;
térmicos;
mecânicos.
O dissipador apenas melhora uma parte do problema:
a transferência de calor.
O componente continua precisando trabalhar dentro de suas especificações.
O calor pode revelar problemas no circuito
A temperatura também pode ser uma ferramenta de diagnóstico.
Se um componente que normalmente deveria permanecer relativamente frio começa a aquecer muito, podemos investigar:
corrente excessiva;
curto-circuito;
polarização incorreta;
sobrecarga;
componente defeituoso;
dissipação inadequada.
Portanto, observar a temperatura faz parte da análise de um circuito.
Da eletricidade para o calor
Podemos resumir todo o processo assim:
energia elétrica entra no componente
↓
parte é utilizada na função desejada
↓
parte é dissipada
↓
calor é produzido
↓
temperatura da junção aumenta
↓
calor atravessa o encapsulamento
↓
chega ao dissipador
↓
é transferido para o ambiente.
Quanto melhor for esse caminho térmico, mais fácil será manter o componente dentro de uma temperatura segura.
O dissipador faz parte do circuito, mesmo sem aparecer no esquema elétrico
Essa é uma conclusão interessante.
Quando olhamos um esquema eletrônico, podemos ver:
resistores;
capacitores;
transistores;
circuitos integrados.
O dissipador muitas vezes nem aparece como parte evidente do circuito elétrico.
Mesmo assim, sem ele:
o circuito pode não funcionar de maneira confiável.
Isso mostra que projetar eletrônica não é apenas calcular:
tensão e corrente.
Também precisamos pensar em:
potência e temperatura.
Um componente pode estar eletricamente dentro das especificações em determinado instante e ainda assim apresentar um problema térmico durante funcionamento prolongado.
Por isso, quando encontrar um transistor, regulador ou circuito integrado preso a uma grande peça de alumínio, lembre-se:
aquele dissipador também faz parte do projeto.
Ele está garantindo um caminho para que a energia transformada em calor consiga sair do componente e chegar ao ambiente.