Dissipadores de calor

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Dissipadores de calor
(1/5)
O dissipador de calor é um componente importante em
electrónica e electrotecnia e tem o objectivo de transferir o calor
gerado por efeito de Joule num determinado ponto para, na maior
parte das vezes, o ambiente (Ta ≈ 25ºC). Nos semicondutores
(transistores, díodos, circuitos integrados, etc) o calor é gerado
nas junções PN e se não for ‘retirado’ dali, a temperatura da
junção Tj eleva-se exageradamente e as características do
semicondutor indicadas pelo fabricante alteram-se radicalmente
que pode ser mesmo destruído. Os portadores intrinsecos aumentam com a temperatura;
quando o número destes portadores iguala o número dos portadores extrinsecos, o
semicondutor deixa de funcionar como tal...
Metal Can Package
TO-3 (K)
Aluminum
Plastic Package
TO-220 (T)
Num transistor (e de forma semelhante em todos os semicondutores), o aumento
da temperatura provoca o aumento do efeito da corrente de base...
IC
IC Max
Embalamento térmico
IB
UCC/(RL//RC)
IC2
IC1
Se a temperatura faz
aumentar o efeito da
corrente de base IB... então a
corrente de colector IC
aumenta... e a temperatura
TC aumenta... e o efeito de IB
torna a aumentar!...
IB
Q2
P Max
Q1
IB
B
UCE Max
IB
UCC
UCE
O próprio circuito electrónico costuma prever soluções para contrariar o aumento
da temperatura...
Devido a RE, se
IC aumenta, a
tensão UBE
diminui... logo IB
diminui e por
consequência
IC também e TJ
idem
B
dissipa_calor.doc
Se a Ta
aumenta, a
corrente em D1
também,
retirando
corrente à base
do transistor...
logo o PF de T
baixa e a sua
temperarua
também...
Compensação do
aumento da
temperatura...
Dissipador
Transistor sensor
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Dissipadores de calor
(2/5)
Resistência Térmica ( Rth ou Rθ )
Pode-se comparar o circuito
térmico ao circuito eléctrico...
Ta
(Temp. ambiente)
Resistência térmica Rθ [ºC/W] ≈
Resistência Óhmica
Diferença Temperatura ΔT [ºC] ≈
Td
(Temp. dissipador)
Diferença de Tensão
Fluxo Q ou Potência P [W] ≈
Tc
Tj
(Temp.
cápsula)
Intensidade
Ta
(Temp. junção
Pda
Rθda
(R dissipador-ambiente)
Rθtotal = Rθ ja = Rθjc + Rθcd + Rθda
Td
cápsula
junção
ou
Rθcd
(R cápsula-dissipador)
resistência térmica
da montagem
Pcd
Rθtotal = ΔT/ P = (Tj - Ta)/P
Pjc
Características fornecidas pelos
fabricantes/datasheets:
PDMax; Tj; Rθjc; Rθda
Tc
Rθjc
(R junção-cápsula)
Tj
dissipador
temperatura ambiente
Valores para a resistência térmica
cápsula-dissipador (Rθcd)
Tipo de
cápsula
TO-3
TO-66
TO220AB
Tipo de
Com
isolador pasta (ºC/W)
S/ isolante
0,1
Teflon
0,7 a 0,8
Mica
0,5 a 0,7
S/ isolante 0,15 a 0,2
Teflon
0,6 a 0,8
Mica
0,6 a 0,8
S/ isolante 0,3 a 0,5
Mica
2,0 a 2,5
dissipa_calor.doc
ΔT
Rθ = P
Sem
pasta(ºC/W)
0,3
1,25 a 1,45
1,2 a 1,5
0,4 a 0,5
1,5 a 2,0
1,2 a 1,4
1,5 a 2,0
4,0 a 6,0
Dados do problema/situação
PD; Ta; Rθcd
O dissipador permite que o
equipamento dissipe maior
potência sem o destruir...
Transistor
TIP 29
TIP 33
BD 140
PDMáx
(sem
dissipador)
2W
3,5W
1,25W
PDMáx
(com
dissipador)
30W
80W
12,5W
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Dissipadores de calor
(3/5)
Exercícios: :
1. a) De acordo com a
datasheet respectiva do
fabricante Fairchild
Semicondutor a máxima
temperatura admissível na
junção do transistor BD140 é Tj =150ºC.
Qual deverá ser a resistência térmica total
Rθtotal = Rθ ja se a potência dissipada (no
transistor/junção) for de 10W e a temperatura
ambiente Ta = 30ºC?
R:
Rθtotal = (Tj - Ta)/P = (150-30)/10 = 12ºC/W
c) Se pretender que a temperatura Tj diminua
para p.e. 110º C ...
Rθtotal = (110-30)/10 = 8ºC/W… Ou seja, a
resistência térmica Rθ ja deve diminuir para
facilitar a dissipação para o ambiente do
calor gerado na junção...
d) Na alínea a) se soubermos que Rθ jc =
1,2ºC/W (resistência térmica entre a junção e
a cápsula) e que Rθ cd = 1,4ºC/W... iríamos
precisar de um dissipador de…
b) Se a temperatura ambiente aumentar...
Rθtotal = (150-50)/10 = 10ºC/W…
Exercícios: :
Considere a datasheet
da empresa Transys
Electronics do transístor
de potência NPN TIP29.
De acordo com ela Rθ jc = 4,17ºC/W .
Na nossa montagem prática, com utilização
de mica e pasta, (ver tabela) Rθ cd = 2 ºC/W e
a temperatura ambiente é Ta = 40ºC.
Pretendemos não ultrapassar uma
temperatura de junção Tjc de 120ºC.
Se o ponto de funcionamento do
transístor for de UCE = 20 V e IC = 0,5 A,
qual deverá ser a resistência térmica Rθ da
do dissipador de calor a instalar?
Os fabricantes dos transistores (e de outros semicondutores) costumam
apresentar nas respectivas datasheets as curvas/gráficos que relacionam a
temperatura da cápsula (TC) com a potência máxima dissipavel PDMax...
BD140
dissipa_calor.doc
TIP29
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Dissipadores de calor
(4/5)
O efeito “capacitivo térmico” dos dissipadores .
Qualquer corpo de massa m tem a
capacidade de armazenar calor, que será
tanto maior quanto maior for a sua massa...
Assim, tanto a cápsula de um transistor
como o dissipador armazenam calor que
mantem a temperatura da cápsula elevada
mesmo depois da potência eléctrica
diminuir...
Também tal como o efeito capacitivo
eléctrico, perante um aumento de potência
eléctrica, o efeito “capacitivo térmico” das
massas dos dissipadores em presença
atrasa a estabilização da temperatura...
T/M
P
t/m
O dissipador M,
por ter maior
massa, demora
mais tempo a
aquecer e atrasase no
arrefecimento...
Ta
Rθda
(R dissipador-ambiente)
Td
Rθcd
Cθcd
(R cápsula-dissipador)
Tc
Rθjc
Cθjc
(R junção-cápsula)
Tj
Montagem mecânica/prática de dissipadores
TRANSISTOR
Cθda
PASTA TÉRMICA
DISSIPADOR
ISOLANTES
DE MICA
ISOLANTE
PARA
PARAFUSOS
PARAFUSOS
PELÍCULA TERM.
TUBOS
ISOLANTES
dissipa_calor.doc
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(5/5)
Exemplos de dissipadores / montagens .
(Dissipação por convecção)
(Dissipação por ventilação forçada)
(Dissipação por refrigeração com liquido)
Kit para placa gráfica da AlphaCool...
Consultar na Net:
http://www. gta.ufrj.br/~doc/dissipadores.pdf
http://www.thermaflo.com
http://www.kerafol.de
dissipa_calor.doc
http://www.thermalright.com
http://www.mspc.eng.br/termo/trmc2.asp
http://www.alphacool.de