Como calcular dissipadores de calor

O dissipador de calor é fundamental para dispositivos de energia em circuitos destinados a maximizar seu desempenho. Quando o calor dos dispositivos de energia não pode ser removido muito rapidamente, os dispositivos de energia e seus elementos operacionais podem ser danificados. Você pode calcular o quão quente seus semicondutores podem ficar durante a operação, usando algumas fórmulas fáceis. O uso de fórmulas elimina as suposições e a ansiedade de cometer um erro, caso você adivinhe incorretamente.

Os dissipadores de calor são normalmente usados ​​para absorver e dissipar o calor excessivo de dispositivos eletrônicos de energia, como transistores, SCRs, triacs, etc., para que a temperatura do dispositivo possa ser controlada abaixo de seu limite máximo tolerável.

O alumínio metálico é normalmente usado como material do dissipador de calor devido à sua excelente condutividade térmica e preço relativamente mais baixo em comparação com outros metais como o cobre.

O tamanho do dissipador de calor determina com que rapidez e de forma ideal o calor dos dispositivos pode ser absorvido e disperso no ar.

Se o dissipador de calor selecionado for muito pequeno, pode não conseguir realizar o resfriamento pretendido e, se for muito grande, pode afetar a compacidade e o custo do circuito eletrônico.

Para garantir um dissipador de calor de tamanho ideal para um dispositivo semicondutor, é sempre recomendável calcular os parâmetros com precisão usando fórmulas, para que uma dimensão do dissipador de calor bastante precisa possa ser determinada.

Convecção

A convecção natural pode ser definida como o processo de transferência de calor através da circulação de gás ou fluido. No nosso caso, isso acontece via ar ambiente à temperatura ambiente, e esse é o objetivo do projeto aplicado para o resfriamento de semicondutores.

Em dispositivos eletrônicos, a transferência de calor por convecção é proporcional à área da superfície do metal exposta, à força do ar que se move na superfície do dispositivo e ao diferencial de temperatura entre os dois.

Ao considerar dissipadores de calor, o semicondutor de potência é considerado um componente.

Assim, o calor equivalente em watts gerado pelo dispositivo é igual à queda de tensão através dele, multiplicado pela corrente que flui através dele, multiplicado pelo fator de tempo (porcentagem de tempo em que ele está ligado, dividido por 100). E esta é a temperatura absoluta que o dissipador de calor deve dispersar na atmosfera.

Este é um cálculo rápido para um semicondutor de fonte de alimentação linear básico. A equação para um transistor de comutação de potência semicondutor pode ser muito mais complicada.

No caso de um amplificador de áudio, pode ser necessário calcular a dissipação. Em qualquer cenário, você pode querer ser o mais exato e conservador possível ao calcular o calor a ser dissipado equivalente ao calor em watts.

Tente procurar a impedância térmica da junção para o gabinete e a impedância térmica do gabinete para o dissipador na folha de dados do dispositivo semicondutor que você montará em um dissipador de calor.

Essas magnitudes de impedância podem ser encontradas em °C por watt. Isso significa que para cada watt de potência térmica dissipada pela junção, esta será uma certa quantidade de °C superior à temperatura do gabinete e vice-versa.

Se você deseja manter a temperatura da junção do dispositivo em ou abaixo de 100°C, e seu valor de impedância térmica junção a caixa da folha de dados é de 10°C/watt, uma saída de energia de 7,5 watts pode fazer com que a temperatura da junção suba para 100 ° C. Isso pode acontecer mesmo se a temperatura do gabinete for mantida constante em 25° C (possivelmente submetendo o dispositivo a água corrente).

Para algo como um Retificador Internacional IRFZ40 MOSFET, as impedâncias térmicas comuns de junção a caixa (ZJC) são 1° C/W, e isso é 1,52° C/W para o BJT 2N3055.

A impedância térmica caixa a pia (Zcs) para uma caixa TO-220 é 1°C/W, e para uma caixa TO-3 é 0,12°C/W. Sempre que você não conseguir acessar a folha de dados de um dispositivo específico, tente estimar a impedância térmica junção a caixa para seu dispositivo semicondutor específico usando as figuras mencionadas acima como referência.

Parâmetros de projeto do dissipador de calor

Qual é a temperatura mais alta que a junção de um transistor pode atingir? Vários projetistas de circuitos fixam a temperatura máxima de junção de um dispositivo semicondutor em 80°C.

Isso porque temperaturas mais altas do que isso podem prejudicar severamente as propriedades do dispositivo, podendo levar a uma situação de fuga térmica, um sério risco para os transistores bipolares.

Sempre trate os comentários da folha de dados do fabricante sobre valores máximos de watts e temperatura de junção com um grão de sal. Esses resultados só são aplicáveis ​​se o dispositivo for resfriado constantemente a uma temperatura confortável de 25° C.

Entendendo a temperatura ambiente e a temperatura do dissipador de calor

O que a temperatura ambiente sugere exatamente? Lembre-se de que o transistor pode ser colocado dentro de uma caixa, na qual outros dispositivos de dissipação de calor podem estar aumentando a temperatura do ar ambiente. Se você estiver confiante de que o fluxo de ar normal da sala pode se mover livremente pelos dispositivos, você pode antecipar 25° C como o valor da temperatura ambiente, no entanto, você pode ter que ser muito cauteloso.

Tenha em mente que durante o verão, a temperatura ambiente pode subir para 100° F = 38° C. Com esses dados em mãos, você pode calcular ΔT, ou o diferencial de temperatura previsto entre o tamanho do dissipador de calor ainda a ser conhecido e o ar que facilitaria o resfriamento.

ΔT = TMaxJ – [Wj x ( Zjc + Zcs)] -TAA

onde ZJC representa a impedância térmica junção-caixa, Zcs simboliza a impedância térmica da caixa à pia, TAA denota a temperatura do ar ambiente, TMJ define a temperatura de junção mais alta, e Wj indica a potência da junção.

Vamos supor que desejamos usar um transistor 2N3055 para acionar um motor que consome 3 amperes. Você pode notar que o transistor cai 1,2 volts nessa magnitude de corrente e também pode notar que o ciclo de trabalho mais alto é de 50% ou 0,5.

Como resultado, a potência dissipada será 3 x 1,2 x 0,5 = 1,8 watts. Se você for com uma temperatura máxima de junção de 80°C e uma temperatura mínima de junção de 25°C, ar ambiente, então ΔT pode ser calculado da seguinte forma:

ΔT = 80 – [1.8 x (1.52 + 0.12)] – 25

ΔT = 52°C

Nessas situações, o cálculo do ΔT indica que o dissipador de calor projetado pode ser pelo menos 52°C mais quente que o ar. Portanto, qual deve ser o tamanho desse dissipador de calor?

A seguinte fórmula é usada para determinar a solução:

A = (WJ x 5630) / ΔT5/4

onde A indica a área da superfície vertical do dissipador de calor em cm2. Se você quiser calculá-lo com em2você pode usar a seguinte fórmula:

A = (WJ x 872,6) / ΔT5/4

Considerando o exemplo 2N3055 BJT, e aplicando o acima em2 equação, obtemos os seguintes resultados:

A = (1,8 x 872,6) / 525/4

A = 11,2 pol.2

O resultado mostra que um dissipador de calor com pelo menos 11,2 polegadas quadradas de área de superfície vertical exposta ao ar livre seria necessário para resfriar o transistor 2N3055.

Dissipador de calor para transistores paralelos

Agora suponha que você queira colocar dois ou mais dispositivos semicondutores com características semelhantes em um único dissipador de calor comum (em paralelo), para que eles consumam correntes equivalentes.

Para implementar isso, você pode calcular a potência térmica do par e dividir as impedâncias térmicas pelo número de dispositivos, supondo que sejam um único dispositivo. Dispositivos semicondutores com especificações diferentes devem ser colocados em dissipadores de calor separados.

MOSFETs em paralelo

Vamos considerar este exemplo. Em uma fonte de alimentação chaveada de baixa tensão, dois MOSFETs de potência IRFRZ40 são conectados em paralelo. Espera-se que as correntes atinjam 40 amperes através dos dois MOSFETs e os ciclos de trabalho podem exceder 80%. A 80° C, a resistência do IRFZ40 (condução FET) pode ser de cerca de 0,036 ohm. Portanto, o par paralelo terá uma resistência de 0,018 ohm para os 40 amperes, rendendo 0,018 x 40 x 0,8 = 23 watts. Imaginando uma temperatura de pior caso de 38° C, por exemplo, as condições ambientais de um deserto, durante o verão, podemos estimar as dimensões do dissipador de calor conforme indicado abaixo:

ΔT = 80 – [23 x (0.5 + 0.5)] – 38

ΔT = 19°C

O resultado acima especifica que a temperatura do dissipador de calor pode ser 19°C mais quente que a temperatura ambiente

Agora, usando os dados acima, podemos determinar o tamanho ideal do dissipador de calor usando os seguintes cálculos:

A= (23 x 872,6) / 195/4

A = 506 polegadas quadradas.

O resultado de 506 polegadas quadradas pode parecer muito grande, no entanto, um grande dissipador de calor normal medindo 5 x 4 x 208/05 polegadas com uma área de superfície de 250 polegadas quadradas podem exigir um adicional para dissipar efetivamente o calor.

Obviamente, dissipadores de calor tão grandes podem ser caros e, se o custo for maior que o próprio dispositivo, talvez seja necessário reconfigurar o circuito usando mais transistores paralelos. Este método pode reduzir a resistência de condução do dispositivo e, portanto, a quantidade de calor que deve ser dissipada.

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