DICAS DO NEWTON C. BRAGA

Radiadores de Calor

 Em qualquer meio que uma corrente circule e que apresente uma resistência elétrica, a energia elétrica é convertida em calor. Isso significa que a maioria dos componentes eletrônicos converte energia elétrica em calor e a quantidade de calor produzido depende de suas características e do regime de operação. Se este calor não for convenientemente transferido para o meio ambiente, o componente se aquece além dos limites previstos e com isso pode "queimar". Os radiadores ou dissipadores de calor são os elementos que ajudam a fazer esta transferência de calor para o meio ambiente sendo, por este motivo, de enorme importância nas montagens eletrônicas. Veja neste artigo como escolher e usar estes elementos.

 Newton C. Braga

 Quando uma corrente elétrica tem de vencer uma resistência para sua circulação, ou seja, encontra uma oposição, o resultado do "esforço" dispendido na sua passagem é a produção de calor. Energia elétrica se converte em calor e isso é válido para todos os componentes eletrônicos comuns. O calor liberado neste processo tende a aquecer o componente e em conseqüência da diferença de temperaturas que se estabelece entre ele e o meio ambiente, tem início um processo de transferência de calor para esse meio ambiente, conforme mostrado na figura 1.

(figura 1)

Um fluxo de calor sempre vai ocorrer entre dois corpos que estejam com temperaturas ambientes, se existir um meio para isso.

A diferença de temperaturas entre o componente e o meio ambiente determina a velocidade com que o calor gerado no processo é transferido. Assim, chega o instante em que o calor gerado e o transferido se igualam quando então a temperatura do corpo que o gera se estabiliza. A transferência do calor gerado para o meio ambiente depende de diversos fatores como, por exemplo,  a superfície de contacto do componente com o meio ambiente; a capacidade que ele tem de conduzir o calor do ponto em que ele é gerado até o ponto de contacto com o meio ambiente e finalmente a diferença de temperatura entre esses dois pontos. Podemos comparar a diferença de temperatura entre o ponto em que o calor é gerado (componente) e o meio ambiente (ar que o circunda) com a diferença de potencial elétrico entre os dois pontos. O fluxo de calor entre os dois pontos é feito por um percurso de modo semelhante a uma corrente. Assim, temos um circuito "térmico" em que existe uma "resistência" que deve ser vencida pelo calor para chegar ao meio ambiente. Se a resistência for elevada, ou seja, houver dificuldades para o calor gerado numa pastilha de um componente, por exemplo, um transistor ou um circuito integrado, chegar até o meio ambiente, sua temperatura se eleva, pois deve haver "maior tensão" para o calor sair, vencendo a oposição encontrada. Veja que, com o aumento da "tensão" que no caso é a temperatura, temos maior "pressão"e com isso aumenta o fluxo de calor, de modo que chega um instante em que ocorre o equilíbrio da situação: a quantidade de calor gerado é igual à quantidade de calor transferido para o meio ambiente.  

  (figura 2)

O equiíibrio ocorre quando a quantidade de calor gerado é igual à quantidade de calor transferido.

 Em eletrônica, devemos cuidar para que isso ocorra numa temperatura que não comprometa a integridade do componente. Por exemplo, o silício usado na maioria dos dispositivos semicondutores como diodos, transistores e circuitos integrados não pode se aquecer a uma temperatura maior que 125 graus centígrados. Acima desta temperatura ele perde suas propriedades semicondutoras básicas de modo irreversível o que causa a queima do componente. A maioria dos componentes é dotada de recursos que facilitam a condução do calor gerado para sua superfície e daí para o meio ambiente. No entanto, muitos componentes têm dimensões insuficientes para fazer isso sozinho de modo eficiente, ou seja, possuem uma superfície de contacto insuficiente para que o calor gerado possa ser transferido com facilidade. Isso ocorre porque um dos fatores que influi na transferência do calor de um meio para outro é a superfície de contacto entre eles. Transistores e circuitos integrados de potência podem ser citados como exemplos disso. Suas pequenas dimensões impedem que mais do que algumas centenas de miliwatts ou eventualmente alguns watts de energia seja convertida em calor e transferida (dissipada) para o meio ambiente de modo eficiente.

 (figura 3)

A quantidade de calor que pode ser transferida para o meio ambiente depende da superfície de contacto do componente com este meio.

 As próprias especificações dos componentes indicam quanto eles podem dissipar com e sem recursos especiais. Como conseguir que estes componentes transfiram para o meio ambiente todo o calor gerado de modo que sua temperatura não se eleve além dos limites permitidos? Levando em conta que o calor gerado pode ser transferido para o meio ambiente de três maneiras, irradiação, contacto e convecção temos as seguintes possibilidades:  

a) Contacto
Os metais são bons condutores de calor.  Assim, a montagem de componentes eletrônicos em contacto com superfícies maiores de metal, desde que não haja contacto elétrico, mas somente térmico, ajuda na transferência do calor. Para pequenos transistores, transistores de média potência e mesmo circuitos integrados, uma solução para o problema da transferência do calor consiste em montá-los encostados numa superfície de metal  maior, capaz de ajudar a absorver e transferir para o meio ambiente o calor gerado. Na figura 4 temos uma solução adotada para o caso de transistores de média potência e mesmo de alta pot6encia, como os BD135, TIP31 e FETs de potência quando eles não operam com sua potência máxima.

(figura 4)

Uma área cobreada de uma placa de circuito impresso serve de dissipador de calor para certos componentes.

 Neste caso, montamos o transistor em contacto com uma área cobreada maior da placa de circuito impresso, a qual ajuda absorver o calor gerado, e como tem uma superfície maior de contacto com o ar ela transfere esse calor para o meio ambiente. Podemos dizer que a própria placa de circuito impresso pode ser usada como radiador de calor neste caso. Muitas fontes chaveadas de computadores e outros equipamentos de consumo usam esta técnica.

  b) Convecção

O componente aquecido transfere o calor para o ar ambiente que então se aquece. O ar aquecido é mais leve que o ar frio a sua volta e por isso tende a subir. Forma-se então uma corrente de ar quente ascendente sobre o componente que "leva o calor" para cima.  Nos aparelhos de alta potência é importante deixar orifícios de ventilação para que esse ar quente seja expelido. Temos então furos por baixo por onde entra o ar frio e furos por cima por onde sai o ar quente.

 Podemos aumentar a capacidade de transferência de calor para o meio ambiente forçando a ventilação, o que pode ser feito com ajuda de um ventilador. Este recurso é bastante usado nos computadores que possuem ventoinhas de refrigeração que forçam a circulação de ar pelos componentes que se aquecem. Existem até "micro-ventiladores" (coolers) que podem ser encaixados sobre circuitos integrados de computadores para ajudar a dissipar o calor que ele gera. Na figura 5 temos um exemplo desses ventiladores.

(figura 5)

Pequenos ventiladores ajudam a eliminar o calor gerado por componentes. Eles consistem no recurso que se denomina ventilação forçada.

 c) Irradiação

 Parte do calor gerado por qualquer corpo é irradiada na forma de ondas eletromagnéticas. Uma boa parte desta radiação está na faixa dos infravermelhos e para sua propagação não é necessário a existência de um meio material. Verifica-se que os corpos negros irradiam muito melhor o calor do que os corpos de outras cores. Por este motivo, os componentes pintados de preto possuem uma capacidade maior de irradiação de calor do que os equivalentes que tenham invólucros de cores mais claras.  

OS RADIADORES DE CALOR

Evidentemente, muitos dos componentes eletrônicos sozinhos, não podem transferir todo o calor geram para o meio ambiente. Se usarmos recursos que facilitem a transferência do calor gerado em maior quantidade, deixando o elemento principal do componente numa temperatura satisfatória, ele pode operar de modo mais eficiente sem perigo de dano. O recurso usado para ajudar um componente a transferir calor para o meio ambiente é o radiador de calor ou dissipador de calor. Este elemento aproveita todos os três modos de transferência de calor para o meio ambiente. Assim, a quantidade de calor que um radiador de calor pode transferir para o meio ambiente depende basicamente dos seguintes fatores:

 a) Tamanho

Na realidade, o que deve ser levado em conta é a superfície do radiador de calor que tem contacto com o meio ambiente. Para aumentar esta superfície, os radiadores são construídos com muitas dobras ou aletas, conforme mostra a figura 6.

(figura 6)

As aletas aumentam a superfície de contacto com o meio ambiente facilitando assim a dissipação do calor.

Vale então a superfície de contacto de todas as aletas com o meio ambiente. Obtém-se assim uma superfície muito grande mesmo utilizando-se um componente que ocupa um volume relativamente pequeno, conforme damos a entender no tipo mostrado na figura 8.

Para os casos em que a potência que se deseja dissipar não seja tão grande, uma simples chapinha fixada no componente, ou ainda dobrada na forma de "U" ou "L" já pode dar resultados satisfatórios, conforme mostra a figura 7.

(figura 7)

Dissipadores menores podem ser feitos com simples chapas dobradas em L ou U.

 Veja que, se notarmos o aquecimento excessivo de um componente isso realmente significa que o calor produzido não está sendo transferido para o meio ambiente e isso pode não se dever exclusivamente ao radiador.

b) Contacto

Deve haver um contacto físico que facilite a transferência de calor entre o componente e o radiador. De modo a melhorar este contacto, diversos são os recursos que podem ser utilizados. Um deles consiste no uso de uma pasta térmica que é feita a base de silicone, um bom condutor de calor.  Tanto o componente como o radiador são untados com esta pasta antes da montagem, conforme mostra a figura 8.

(figura 8)

Pastas térmicas ajudam a transferir o calor por contacto entre o componente e o dissipador. Passando pasta num componente antes de colocar o dissipador.

 Veja que nos casos em que o componente deve ficar isolado do radiador, devemos colocar entre e ele e o radiador um elemento isolante apropriado. Este isolador pode ser feito de mica ou um plástico especial, bom condutor de calor, mas que não conduza a corrente elétrica, conforme mostra a figura 9.

(figura 9)

Isoladores elétricos como a mica, mas com grande capacidade de condução de calor, são utilizados entre o dissipador e o componente.

  c) Irradiação

 Os radiadores escuros são mais eficientes do que os claros na transferência de calor para o meio ambiente.  Veja que, se a transferência por contacto já for eficiente e até houver a ajuda de ventilação forçada, o uso de um radiador claro não altera em muito a eficiência do sistema.

CONCLUSÃO

Transistores de potência, MOSFETs de Potência, SCRs e Triacs, circuitos integrados de potência geram muito calor quando funcionam em suas condições-limite ou próximas disso.  A temperatura elevada desses elementos é normal até certo valor, pois da diferença entre ela e o meio ambiente é que depende o fluxo de calor. No entanto, o montador deve estar muito atento para o instante em que os limites são ultrapassados. Verificar a eficiência de um radiador, garantir sempre o contacto do componente com radiador e nunca impedir sua ventilação são fundamentais para que o circuito térmico de seu aparelho funcione perfeitamente.