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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 aumquando o número destes portadores iguala o número dos portadores extrinsecos, o semicondutor deixa de funcionar como tal...

entam com a temperatura;

Metal Can PackageTO-3 (K)

Aluminum

Plastic PackageTO-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...

I

O próprio circuito electrónico costuma prever soluções para contrariar o aumento da temperatura...

Embalamento térmico 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!...

B

UCE

C

IB

IB

IB

IB

UCC

UCC/(RL//RC)

Q2 IC2 IC1

Q1

UCE Max

IC Max

P Max

Devido a RE, se IC aumenta, a tensão UBE diminui... logo IB diminui e por consequência I

B

C também e TJ idem

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...

Resistência térmica Rθ [ºC/W] ≈ Resistência Óhmica

Ta (Temp. ambiente)

Td (Temp. dissipador)

Tc (Temp.

cápsula)

Diferença Temperatura ΔT [ºC] ≈ Diferença de Tensão Fluxo Q ou Potência P [W] ≈ Intensidade Tj

(Temp. junção Ta

Td

Tc

Rθjc(R junção-cápsula)

Rθcd(R cápsula-dissipador)

Rθda(R dissipador-ambiente)

cápsula

junção

resistência térmica da montagem

dissipador

temperatura ambiente

Tj

Pda

Pcd

Pjc

PTΔRθ =

Rθtotal = Rθ ja = Rθjc + Rθcd + Rθda ou

Rθtotal = ΔT/ P = (Tj - Ta)/P Características fornecidas pelos fabricantes/datasheets: PDMax; Tj; Rθjc; Rθda

Dados do problema/situação PD; Ta; Rθcd

Transistor PDMáx(sem

dissipador)

PDMáx(com

dissipador)TIP 29 2W 30W TIP 33 3,5W 80W BD 140 1,25W 12,5W

O dissipador permite que o equipamento dissipe maior potência sem o destruir...

Tipo de cápsula

Tipo de isolador

Com pasta (ºC/W)

Sem pasta(ºC/W)

S/ isolante 0,1 0,3 Teflon 0,7 a 0,8 1,25 a 1,45

TO-3

Mica 0,5 a 0,7 1,2 a 1,5 S/ isolante 0,15 a 0,2 0,4 a 0,5

Teflon 0,6 a 0,8 1,5 a 2,0 TO-66

Mica 0,6 a 0,8 1,2 a 1,4 S/ isolante 0,3 a 0,5 1,5 a 2,0 TO-

220AB Mica 2,0 a 2,5 4,0 a 6,0

Valores para a resistência térmica cápsula-dissipador (Rθcd)

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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 TQual deverá ser a resistência térmica totaR

j =150ºC. l

θtotal = Rθ ja se a potência dissipada (notransistor/junção) for de 10W e a temperatura ambiente Ta = 30ºC? R: Rθtotal = (Tj - Ta)/P = (150-30)/10 = 12ºC/W b) Se a temperatura ambiente aumentar... Rθtotal = (150-50)/10 = 10ºC/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…

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 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...

Ta

Td

Tc

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...

Montagem mecânica/prática de dissipadores

Tj

Rθjc(R junção-cápsula)

Rθcd(R cápsula-dissipador)

Rθda(R dissipador-ambiente)

Cθjc

Cθcd

Cθda

T/M

t/m

O dissipador M, por ter maior massa, demora mais tempo a aquecer e atrasa-se no arrefecimento...

P

PASTA TÉRMICA

DISSIPADOR

ISOLANTE PARA

PARAFUSOS

TUBOS ISOLANTES

ISOLANTES DE MICA

TRANSISTOR

PARAFUSOS

PELÍCULA TERM.

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Dissipadores de calor (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.comhttp://www.kerafol.de

http://www.thermalright.com http://www.mspc.eng.br/termo/trmc2.asphttp://www.alphacool.de