Dissipação de Calor: Dimensionamento e Seleção de Heat Sinks

Neste tutorial, vamos explorar heat sinks (ou dissipadores de calor) e como esses componentes são fundamentais para manter a temperatura adequada em circuitos de potênciaDimensionamento de Resistores em Projetos PráticosAprenda a dimensionar resistores com segurança e precisão. Tutorial prático sobre cálculos de resistência, potência, tolerância e coeficiente térmico.. Abordaremos os critérios de seleção e, em seguida, veremos como realizar um cálculo de dimensionamento para garantir que o nosso equipamento opere de forma confiável.

A Importância da Dissipação de Calor🔗

Em projetos de eletrônica de potência, como fontes de alimentaçãoCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais., drivers de motor ou conversores, os componentes podem dissipar calor excessivo. O acúmulo de calor pode levar a falhas prematuras, degradação dos materiais e redução de eficiência do sistema. Por isso, o uso de um bom dissipador é crucial para:

Manter a temperatura de junção de transistoresTransistorDescubra o funcionamento e aplicações dos transistores em circuitos digitais. Veja exemplos práticos para sua primeira experiência. e reguladores dentro de limites seguros;
Garantir a estabilidade térmicaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. e a confiabilidade de todo o circuito;
Evitar a interrupção de operações por superaquecimento ou acionamento de proteções térmicas.

Conceitos Fundamentais em Dissipação🔗

Antes de mergulhar na seleção e no dimensionamento, vale lembrar alguns conceitos:

1. ResistênciaLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. Térmica (Rθ): Indica quão difícil é a transferência de calor de um componente para o meio externo. Quanto menor a resistênciaLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. térmica, mais fácil o calor é dissipado.

2. Temperatura de Junção (Tj): Temperatura interna do dispositivo semicondutor (por exemplo, de um transistorTransistorDescubra o funcionamento e aplicações dos transistores em circuitos digitais. Veja exemplos práticos para sua primeira experiência. de potência).

3. Temperatura Ambiente (Ta): Temperatura do meio onde o equipamento opera (o ar ao redor, por exemplo).

4. PotênciaDimensionamento de Resistores em Projetos PráticosAprenda a dimensionar resistores com segurança e precisão. Tutorial prático sobre cálculos de resistência, potência, tolerância e coeficiente térmico. Dissipada (Pd): É a quantidade de calor gerada pelo componente. Pode ser obtida de forma aproximada pela expressão:

$$ P_{d} = V_{CE(sat)} \times I $$

(Exemplo para um transistor em saturação, onde VCE(sat) é a tensão de coletor-emissor no estado de condução.)

Quando um projeto especifica que a temperatura de junção máxima do transistorTransistorDescubra o funcionamento e aplicações dos transistores em circuitos digitais. Veja exemplos práticos para sua primeira experiência. deve estar abaixo de determinado valor, é essencial planejar a dissipação (natural ou forçada) de maneira correta.

Selecionando o Heat Sink Adequado🔗

A seleção do dissipador de calor envolve fatores como:

1. Material de Construção: Os heat sinks são normalmente feitos de alumínio, por apresentar boa condutividade térmica e baixo pesoConfigurando Métricas de Cobertura em SystemVerilogDescubra passo a passo como configurar covergroups, coverpoints, e ajustes de metas de cobertura em SystemVerilog para testes eficientes.. Para aplicações mais exigentes, pode-se empregar o cobre, mas este tende a ser mais caro e pesado.

2. Formato e Perfil: Existem perfis extrudados, forjados e até customizados. A escolha do perfil afeta a superfície de contato com o ar e, consequentemente, o desempenho na dissipação.

3. Montagem e Fixação:

Muitos dissipadores têm furos para parafusos e suportes, facilitando a fixação do transistorTransistorDescubra o funcionamento e aplicações dos transistores em circuitos digitais. Veja exemplos práticos para sua primeira experiência. ou regulador e a conexão com o gabinete.
Em alguns casos, utiliza-se pasta térmica ou adesivo térmico para melhorar a conduçãoMOSFET: Tipos, Condução e ChaveamentoDescubra como MOSFETs operam na condução e chaveamento, aprendendo sobre seleção, tipos e aplicações com eficiência e robustez. de calor entre o componente e o dissipador.

4. Ventilação Forçada vs. Convecção Natural:

Convecção Natural: Usada quando a densidade de potênciaDimensionamento de Resistores em Projetos PráticosAprenda a dimensionar resistores com segurança e precisão. Tutorial prático sobre cálculos de resistência, potência, tolerância e coeficiente térmico. dissipada não é tão alta.
Ventilação Forçada (Cooler/Fan): Quando se necessita de maior dissipação térmica em espaços reduzidos ou com trocas de calor intensas.

Cálculo de Dimensionamento🔗

Para efetuar o dimensionamento de um dissipador de calor, podemos utilizar a relação entre a resistênciaLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. térmica total (do componente até o ambiente) e a temperatura:

$$ R_{\theta_{total}} = \frac{T_{j_{max}} - T_{a}}{P_{d}} $$

Onde:

$ T_{j_{max}} $ é a temperatura de junção máxima permitida (fornecida no datasheetFerramentas e Recursos Adicionais: Leitura de datasheets: interpretação de especificações de CIsDescubra como ler datasheets e interpretar suas especificações essenciais para garantir segurança, confiabilidade e desempenho em seus projetos digitais. do componente);
$ T_{a} $ é a temperatura ambiente;
$ P_{d} $ é a potênciaDimensionamento de Resistores em Projetos PráticosAprenda a dimensionar resistores com segurança e precisão. Tutorial prático sobre cálculos de resistência, potência, tolerância e coeficiente térmico. dissipada pelo componente;
$ R_{\theta_{total}} $ é a resistênciaLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. térmica total entre a junção e o ar externo.

Entretanto, o Rθ_total é composto por:

1. RθJC (junção-componente até a carcaça/body do transistorTransistorDescubra o funcionamento e aplicações dos transistores em circuitos digitais. Veja exemplos práticos para sua primeira experiência. ou regulador);

2. RθCS (carcaça/body até o dissipador, que depende da interfaceInterfaces SystemVerilog: Simplificando Conexões de SinalDescubra como utilizar interfaces em SystemVerilog para agrupar sinais e simplificar a conexão entre módulos, reduzindo erros e aumentando a eficiência. de montagem, pasta térmica, etc.);

3. RθSA (dissipador até o ambiente).

Logo,

$$ R_{\theta_{total}} = R_{\theta_{JC}} + R_{\theta_{CS}} + R_{\theta_{SA}} $$

Para dimensionar o dissipador, focamos especialmente em reduzir o $ R_{\theta_{SA}} $. Portanto:

$$ R_{\theta_{SA}} \le R_{\theta_{total}} - (R_{\theta_{JC}} + R_{\theta_{CS}}) $$

Uma vez definido esse valor, verifica-se nas folhas de dadosFerramentas e Recursos Adicionais: Leitura de datasheets: interpretação de especificações de CIsDescubra como ler datasheets e interpretar suas especificações essenciais para garantir segurança, confiabilidade e desempenho em seus projetos digitais. dos fabricantes de dissipadores qual dissipador atende a essa resistênciaLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. térmica (e nas mesmas condições de montagem e fluxo de ar especificadas).

Exemplo Ilustrativo

Digamos que um transistorTransistorDescubra o funcionamento e aplicações dos transistores em circuitos digitais. Veja exemplos práticos para sua primeira experiência. de potência tenha as seguintes características:

$ T_{j_{max}} = 150^\circ C $
$ R_{\theta_{JC}} = 1,5 \, ^\circ C/W $
$ P_{dFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais.} = 20 \, W $
Temperatura ambiente ($ T_a $) = $ 30^\circ C $
Supondo $ R_{\theta_{CS}} \approx 0,5 \, ^\circ C/W $ (uso de pasta térmica e fixação correta)

Então,

$$ R_{\theta_{total}} = \frac{150 - 30}{20} = \frac{120}{20} = 6 \, ^\circ C/W $$

Nesse caso, o dissipador deverá ter:

$$ R_{\theta_{SA}} \le 6 - (1,5 + 0,5) = 4 \, ^\circ C/W $$

Ou seja, precisamos de um dissipador com resistênciaLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. térmica de no máximo 4 ºC/W para manter a junção dentro do limite estabelecido.

Aplicações Práticas e Cuidados🔗

Para assegurar a eficácia do dissipador:

Verifique perda de eficiência em perfis sujos ou oxidados. Limpeza periódica pode ser necessária;
Evite bloqueios no fluxo de ar (fios ou cabos obstruindo a ventilação). Se houver fan, direcione o fluxo adequadamente;
Sempre se atente às condições reais de uso: se o equipamento estiver em um espaço confinado ou com temperatura ambiente muito alta, considere superdimensionar o dissipador ou empregar ventilação forçada.