Quando montamos um circuito eletrônico, é comum perceber que determinados componentes aquecem durante o funcionamento. Dependendo do componente, da potência dissipada e das condições de operação, esse aquecimento pode ser perfeitamente normal.
O problema aparece quando a temperatura se torna excessiva.
Nesse caso, o aumento de temperatura pode comprometer o funcionamento do circuito, reduzir a vida útil do componente e, em situações extremas, provocar sua falha.
No vídeo deste artigo faço uma experiência prática utilizando um circuito reostato e realizo medições de temperatura para mostrar por que o uso de um dissipador de calor pode ser tão importante.
Por que um componente eletrônico aquece?
Nenhum componente real é completamente livre de perdas.
Quando existe potência sendo dissipada no componente, parte da energia elétrica é convertida em calor.
A relação básica é:
P = V × Ionde:
P = potência em watts
V = tensão sobre o componente
I = corrente que passa por ele
Para um elemento resistivo, também podemos escrever:
P = I² × Rou:
P = V² / RPortanto, aumentar a corrente pode elevar bastante a potência transformada em calor.
O reostato é um ótimo exemplo
Um reostato é utilizado para variar a resistência efetiva em um circuito e, consequentemente, controlar a corrente.
Podemos representar a ideia de maneira simplificada:
+V
│
│
[ REOSTATO ]
│
│
[CARGA]
│
GNDAo ajustar o reostato, alteramos as condições elétricas do circuito.
E a energia dissipada não desaparece.
Parte dela se transforma em:
calor.
É justamente isso que torna esse circuito interessante para uma demonstração prática de temperatura.
O que acontece quando a temperatura aumenta?
Imagine um componente dissipando alguns watts continuamente.
O calor é produzido internamente e precisa chegar ao ambiente:
COMPONENTE
↓
CALOR
↓
ENCAPSULAMENTO
↓
ARSe a transferência de calor para o ambiente for insuficiente, a temperatura sobe até que se estabeleça um novo equilíbrio térmico — ou até que sejam ultrapassados os limites seguros do componente.
Em semicondutores, uma aproximação muito útil relaciona potência dissipada, resistência térmica e aumento de temperatura:
ΔT = P × RθA Toshiba, por exemplo, apresenta a relação entre aumento da temperatura de junção, potência dissipada e resistência térmica exatamente dessa forma.
Se tivermos hipoteticamente:
P = 5 W
Rθ = 20 °C/Wteremos:
ΔT = 5 × 20
ΔT = 100 °CIsso mostra como poucos watts podem representar um aumento de temperatura muito significativo quando a resistência térmica é elevada.
Temperatura ambiente também importa
O componente não começa em 0 °C.
Se o ambiente estiver a:
25 °Ce calculamos um aumento de:
100 °Cteríamos, numa aproximação simples:
T = 25 + 100
T = 125 °CÉ por isso que a especificação térmica de um circuito não pode considerar apenas a potência.
Precisamos observar também:
temperatura ambiente + resistência térmica + potência dissipada.
É aí que entra o dissipador de calor
O dissipador aumenta a capacidade de transferir calor do componente para o ambiente.
Normalmente é construído com um material de boa condutividade térmica e possui uma grande área de contato com o ar.
Observe as aletas de muitos dissipadores:
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
└─────────────┘
↑
componenteElas não estão ali apenas por estética.
Sua função é aumentar a área disponível para troca térmica com o ambiente.
O dissipador não “produz frio”
Esse é um conceito importante.
Às vezes dizemos que o dissipador:
“esfria o transistor”.
É uma simplificação.
O dissipador não cria frio e também não elimina a geração de calor do componente.
Ele facilita o caminho térmico:
SEM DISSIPADOR
componente → ar
COM DISSIPADOR
componente → dissipador → grande área → arO objetivo é reduzir a resistência térmica entre a região quente e o ambiente.
Por que o dissipador também fica quente?
Isso pode causar uma interpretação curiosa.
Instalamos um dissipador e depois percebemos:
“O dissipador está quente!”
Isso não significa necessariamente que ele não esteja funcionando.
Muito pelo contrário.
Se existe uma boa transferência térmica:
COMPONENTE
↓
DISSIPADOR
↓
AMBIENTEesperamos que o calor chegue ao dissipador.
O que precisamos avaliar é a temperatura atingida pelo conjunto e se ela permanece dentro das condições permitidas pelo projeto.
O tamanho do dissipador faz diferença
Nem todo dissipador serve para qualquer aplicação.
Um pequeno dissipador:
|||
[___]e um dissipador muito maior:
|||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||
[_________________]possuem comportamentos térmicos diferentes.
Por isso dissipadores também podem ser especificados por sua:
resistência térmica, normalmente expressa em:
°C/WQuanto menor a resistência térmica adequada ao caminho considerado, mais facilmente o calor pode ser transferido para o ambiente.
A interface entre componente e dissipador também importa
Mesmo duas superfícies aparentemente lisas apresentam pequenas irregularidades.
Podemos imaginar:
COMPONENTE
_/\___/\____/\/\_
pequenos espaços
_\/\____/\____/\_
DISSIPADOREsses espaços podem conter ar, que prejudica a transferência térmica.
É por isso que determinadas montagens utilizam pasta térmica ou materiais de interface térmica.
A função não é “resfriar” o componente.
É melhorar o contato térmico preenchendo irregularidades microscópicas entre as superfícies.
Mas cuidado com o isolamento elétrico
Existe outro detalhe importante.
Em alguns componentes de potência, a superfície metálica do encapsulamento pode estar eletricamente conectada a um dos terminais.
Portanto, simplesmente parafusar vários componentes no mesmo dissipador metálico pode criar uma conexão elétrica indesejada.
Dependendo do projeto, são utilizados:
isoladores elétricos termicamente condutores, buchas isolantes e materiais de interface apropriados.
Sempre é necessário consultar o datasheet do componente antes de decidir como fixá-lo.
Como saber se realmente precisamos de um dissipador?
Não existe uma resposta do tipo:
“Se o componente estiver quente, coloque um dissipador.”
O procedimento correto é analisar as condições de operação.
Precisamos conhecer principalmente:
potência dissipada
+
temperatura ambiente
+
resistências térmicas
+
limites do componente
↓
necessidade de dissipaçãoNos semicondutores, o que realmente queremos manter abaixo do limite especificado é a temperatura da junção.
A temperatura externa do encapsulamento é útil para análise, mas não é necessariamente igual à temperatura interna da junção.
Medir a temperatura é uma experiência muito interessante
No vídeo faço justamente uma medição de temperatura durante o funcionamento do circuito.
Isso permite transformar algo subjetivo:
“Parece que está muito quente.”
em uma informação quantitativa:
Temperatura inicial
↓
circuito funcionando
↓
Temperatura depois de algum tempo
↓
comparaçãoEsse tipo de teste é extremamente útil durante o desenvolvimento de circuitos.
Cuidado ao medir com termômetro infravermelho
Se a medição for feita sem contato, existe uma questão importante: emissividade.
Um termômetro infravermelho não mede diretamente a temperatura interna do componente. Ele detecta radiação infravermelha emitida pela superfície e calcula uma temperatura.
Superfícies diferentes emitem radiação de maneiras diferentes.
Metais brilhantes, por exemplo, apresentam baixa emissividade e podem gerar leituras enganosas. A Fluke alerta que superfícies metálicas sem pintura podem ser particularmente difíceis de medir corretamente com infravermelho.
Portanto, se no vídeo utilizo um termômetro IR, é melhor interpretar a experiência principalmente como uma comparação térmica, especialmente se não houver controle de emissividade.
A distância do termômetro também influencia
Existe ainda outro detalhe.
O termômetro mede uma determinada área, e não um ponto matematicamente infinitesimal.
Se o componente for pequeno e estivermos muito distantes, parte da área medida pode incluir:
┌─────────────────┐
│ ███ │
│ ███ │ ← componente
│ │
└─────────────────┘
↑
área medidaAssim, a leitura pode misturar a radiação do componente com a região ao redor.
Fabricantes de instrumentos IR recomendam que o alvo preencha adequadamente o campo de visão do instrumento; quanto menor o alvo, mais próximo normalmente precisamos estar.
Uma experiência interessante: antes e depois
Uma maneira didática de verificar o efeito da dissipação é comparar o mesmo circuito em condições semelhantes:
TESTE 1
componente
sem dissipador
↓
temperatura
TESTE 2
componente
com dissipador
↓
temperaturaMantendo tanto quanto possível:
mesma alimentação, mesma carga, mesma corrente, mesmo tempo e temperatura ambiente semelhante.
Assim conseguimos observar melhor a influência da alteração realizada.
Mais corrente geralmente significa mais atenção à dissipação
Voltando ao reostato, a experiência também ajuda a visualizar uma relação fundamental.
Se determinado elemento resistivo dissipa:
P = I² × Ra corrente aparece elevada ao quadrado.
Por exemplo, mantendo a mesma resistência:
1 A → P = 1² × R
2 A → P = 2² × R = 4RDobrar a corrente pode quadruplicar a dissipação naquele elemento resistivo.
É uma das razões pelas quais circuitos de potência exigem tanto cuidado térmico.
Um circuito pode funcionar e ainda estar mal dimensionado
Esse ponto é particularmente importante para quem está começando.
Montamos o circuito.
Ligamos.
Ele funciona.
Então concluímos:
“Está certo.”
Não necessariamente.
Um circuito pode funcionar perfeitamente durante cinco minutos e estar levando determinado componente muito próximo de seu limite térmico.
O verdadeiro teste envolve também observar:
temperatura, corrente, tensão, estabilidade e comportamento ao longo do tempo.
Veja a medição de temperatura no vídeo
No vídeo abaixo mostro o circuito reostato funcionando e faço medições de temperatura, permitindo observar na prática por que componentes que dissipam potência podem precisar de dissipadores de calor.
É uma experiência simples, mas ajuda a visualizar algo que às vezes fica abstrato quando estudamos apenas pelas equações:
energia elétrica pode virar calor — e esse calor precisa ir para algum lugar.
Dissipação térmica faz parte do projeto eletrônico
Escolher corretamente um transistor, regulador ou outro componente não significa verificar apenas:
tensão máxima
corrente máxima
potênciaTambém precisamos considerar sua operação térmica.
Podemos resumir o processo assim:
ENERGIA ELÉTRICA
↓
PERDAS NO COMPONENTE
↓
CALOR
↓
AUMENTO DE TEMPERATURA
↓
TRANSFERÊNCIA TÉRMICA
↓
AMBIENTEQuando a transferência natural não é suficiente, adicionamos recursos como:
dissipadores, ventilação ou outras formas de gerenciamento térmico.
Por isso o dissipador não deve ser visto apenas como um pedaço de alumínio colocado em componentes que “esquentam muito”.
Ele faz parte do dimensionamento térmico do circuito.
E medir a temperatura durante os testes é uma excelente maneira de descobrir se aquilo que projetamos no papel também está funcionando adequadamente na bancada.