O dissipador de calor é uma parte essencial dos dispositivos eletrônicos. Ele remove o calor dos componentes elétricos, dissipando-o no ar ao redor. Assim, os dissipadores de calor evitam o superaquecimento dos componentes, o que pode causar falhas ou destruição.
Normalmente construídos com metais com altos coeficientes de dissipação térmica, como alumínio ou cobre, os dissipadores de calor melhoram a estabilidade e durabilidade dos dispositivos, regulando suas temperaturas de operação. São usados em CPUs, transistores de potência e outros sistemas eletrônicos de alta potência, onde a dissipação de calor é crítica.
O que é um dissipador de calor?
Um dissipador de calor é um objeto metálico colocado sobre um chip, como um processador (CPU), e sua principal função é lidar com o calor. Ele funciona absorvendo o calor do componente e resfriando-o através de aletas metálicas, que resfriam o chip. Um dissipador de calor é um dispositivo passivo; ele não possui partes móveis. No entanto, ele é frequentemente usado com um ventilador que sopra o ar quente na direção oposta. Além disso, pode ser incorporado em um sistema de resfriamento líquido que transporta o calor através de tubos para outro local.
Aplicações de dissipadores de calor em eletrônicos
Algumas das utilizações mais frequentes dos dissipadores de calor são as seguintes:
- Amplificadores de potência: Em amplificadores de potência, os dissipadores de calor são usados para reduzir a temperatura dos transistores. Eles ajudam a remover o calor e a evitar que os transistores sejam danificados ou afetados pelo calor, garantindo assim sua estabilidade.
- CPU Em computadores, os dissipadores de calor são usados para resfriar CPUs e placas gráficas. Esses componentes produzem bastante calor ao realizar várias tarefas de processamento, e os dissipadores de calor são úteis para dissipar rapidamente esse calor para evitar que afete o desempenho do hardware ou até mesmo danifique-o.
- Optoeletrônica: Alguns dispositivos, como LEDs e lasers, precisam de dissipadores de calor para gerenciar o calor excessivo que geram. Se não forem resfriados adequadamente, esses componentes podem superaquecer, o que certamente reduzirá sua eficiência e eficácia. Os dissipadores de calor permitem o controle da temperatura e, assim, permitem que os dispositivos funcionem como esperado a longo prazo.
Tolerâncias do dissipador de calor
| Fator | Tolerância típica |
| Tolerância dimensional | ±0.1 mm to ± 0.5 mm |
| Planicidade | ± 0.05 mm to ± 0.1 mm over 100 mm |
| Perpendicularidade | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Paralelismo | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Acabamento de superfície (Ra) | 1.6 µm to 3.2 µm |
| Localização do furo | ± 0,1 mm |
| Espessura da aleta | ± 0,1 mm |
| Espaçamento das aletas | ± 0,1 mm |
| Condutividade térmica | ± 5% |
| Tolerância de peso | ± 5% |
Tipos de dissipadores de calor explicados
Os dissipadores de calor são geralmente ideais para dispositivos eletrônicos para controlar e liberar calor. Eles são de várias categorias dependendo de fatores como fluxo, material e orientação das aletas. Aqui estão as duas principais categorias:
Dissipadores de calor ativos
Os dissipadores de calor ativos são considerados altamente eficientes. Eles estão diretamente conectados à fonte de alimentação do dispositivo e utilizam a técnica de convecção forçada, na qual o ar ou um líquido circula sobre os componentes quentes para facilitar a transferência de calor.
Os dissipadores de calor ativos são normalmente usados em GPUs e CPUs, onde a dissipação de calor é crítica. Alguns designs também incorporam sistemas de resfriamento líquido para melhorar seus sistemas de resfriamento. Os ventiladores geralmente são montados na lateral ou no topo do dissipador de calor e participam do processo de resfriamento.
Dissipadores de calor passivos
Os dissipadores de calor passivos geralmente dependem das correntes de convecção para transferir o calor do componente. Ao contrário dos dissipadores de calor ativos, eles não requerem energia adicional ou peças como ventiladores para operar. Eles dependem das correntes de convecção criadas ao redor do dispositivo para auxiliar no processo de resfriamento do calor gerado. Embora os dissipadores de calor ativos sejam melhores para resfriamento, os dissipadores de calor passivos são mais baratos e não necessitam de energia elétrica para funcionar.
Além disso, esses dissipadores de calor são normalmente empregados em dispositivos que não requerem alta dissipação de calor, como microcontroladores, microprocessadores e chipsets. Devido à sua facilidade de uso, os dissipadores de calor passivos são usados em aplicações sensíveis a custos e potência.
Escolhendo entre um dissipador de calor ativo e passivo é uma consideração importante no design de dispositivos. Devido aos ventiladores de resfriamento, os dissipadores de calor ativos não exigem uma grande área de superfície para dissipação de calor. Por outro lado, os dissipadores de calor passivos exigem mais área de superfície para irradiar calor, pois não há como forçar o ar através do dissipador, exceto pela convecção.
Os dissipadores de calor são principalmente construídos de alumínio ou cobre para resfriar componentes eletrônicos. Abaixo está a distribuição de cada material:
Cobre
O cobre é preferido para dissipadores de calor devido à sua alta condutividade térmica, aproximadamente o dobro da do alumínio, e pode variar de 200 a 400 W/m-K. Essa alta condutividade faz do cobre o melhor condutor de calor da melhor maneira possível. No entanto, o cobre é muito mais pesado e mais caro do que o alumínio. Além disso, ele é menos flexível e maleável, o que dificulta sua fabricação e moldagem na forma e tamanho desejados.
Alumínio
O alumínio é utilizado em produtos de dissipadores de calor porque é leve e acessível em comparação com outros metais disponíveis no mercado. No entanto, sua alta condutividade térmica, cerca de metade da do cobre, significa que não pode ser utilizado para a transferência de calor. O alumínio é fácil de processar, leve e pode ser produzido em chapas finas, mas suficientemente fortes; no entanto, o coeficiente de transferência de calor depende da condutividade térmica do material.
Dicas de design para dissipadores de calor
O design do dissipador de calor é uma das etapas mais críticas que deve ser completada para garantir o controle térmico adequado em eletrônicos. Aqui estão os fatores-chave a serem considerados:
- Seleção de Materiais: O tipo de material utilizado tem uma influência significativa no desempenho do dissipador de calor:
- Materiais de Interface Térmica (TIMs): Os TIMs inserem-se entre o dissipador de calor e os componentes, possuindo uma resistência térmica relativamente baixa para melhorar a transferência de calor. Materiais como a mica são usados porque são melhores condutores do que o ar.
- Materiais para Dissipadores de Calor O alumínio e o cobre são os materiais mais preferenciais para dissipadores de calor. O alumínio é escolhido por seu baixo custo, baixa densidade e facilidade de conformação, enquanto o cobre tem uma melhor transferência de calor e pode resistir à corrosão. Quando esses metais são combinados, eles criam um dos melhores dissipadores de calor, um material usado para dissipar calor.
Os materiais usados no dissipador de calor podem transferir o calor, o que minimizaria a confiabilidade dos componentes do dispositivo, que são propensos a danos causados pelo calor.
Técnicas usadas na produção de dissipadores de calor.
Normalmente, existem três métodos principais de fabricação comumente usados para criar dissipadores de calor de alumínio:
A usinagem CNC é uma técnica de fabricação avançada que inclui operações de fresamento, perfuração, retificação e torneamento. Este método oferece flexibilidade, pois é possível desenvolver peças com determinadas características de design até uma tolerância mínima possível de +/-0,005''. A usinagem CNC é especialmente adequada para fabricar dissipadores de calor com formas complexas e complicadas. Esses dissipadores de calor de engenharia precisa são ideais para uso onde alta dissipação térmica e estruturas intrincadas são obrigatórias. No entanto, a precisão e exatidão da usinagem CNC a tornam mais cara do que outros métodos de corte.
Extrusão
Os métodos de extrusão envolvem forçar o material, como ligas de alumínio, através de uma abertura ou matriz moldada para alcançar um perfil transversal desejado. A extrusão oferece acessibilidade e eficácia na produção de dissipadores de calor. O processo de extrusão é particularmente adequado para criar dissipadores de calor específicos, pois pode formar facilmente ligas de alumínio como o 6063, que têm alta condutividade térmica. No entanto, uma das desvantagens do método de extrusão é a largura máxima dos dissipadores de calor que podem ser desenvolvidos, o que pode limitar o tamanho do dissipador de calor.
Moldagem sob pressão
A fundição sob pressão envolve colocar uma liga de alumínio em um forno, derretê-la e forçá-la em um molde sob pressão. Este método é muito flexível em design, possui boas propriedades térmicas e é relativamente barato para a produção em larga escala. Os moldes térmicos são ideais para sistemas ou aplicações baseados na espessura e na convecção natural. O processo de fundição sob pressão é particularmente adequado para criar geometrias de dissipadores de calor finos, fortes e complexos, e é amplamente utilizado na criação de estruturas complexas de dissipadores de calor.
Estruturas de dissipadores de calor
Vamos explorar as estruturas dos dissipadores de calor examinando três tipos distintos: Alguns tipos de dissipadores de calor incluem placas frias, dissipadores de calor de pino e dissipadores de calor de aletas de placa.
Placas frias
No mundo de hoje, a maioria dos dispositivos eletrônicos necessita de técnicas de resfriamento sofisticadas para enfrentar os desafios térmicos impostos pelos circuitos de alta potência. Placas frias, incluindo as líquidas, são aplicadas em lasers de alta potência, células a combustível, sistemas de resfriamento de baterias, drivers de motores, equipamentos médicos, etc. Esses sistemas de resfriamento resfriam um componente específico transferindo o calor desse componente para um fluido circulante. Esse meio transfere o calor para um trocador de calor distante, onde o calor é liberado para a atmosfera ou outro líquido em um segundo circuito de resfriamento.
Dissipadores de calor de pino
Os dissipadores de calor de pino podem ser descritos por um design de extrusão no qual um conjunto de pinos é fornecido. Esses pinos, que podem ser cilíndricos, elípticos ou quadrados em seção transversal, sobem ou se estendem a partir de um cubo central. Embora o custo de fabricação dos dissipadores de calor de pino seja relativamente baixo, eles são menos eficazes do que outros dissipadores de calor. Os dissipadores de calor de pino têm uma capacidade de remoção de calor inferior a outros dissipadores de calor e, portanto, são aplicados com menos frequência do que, por exemplo, os dissipadores de calor de aletas.
Dissipadores de calor de aletas de placa
Os dissipadores de calor de aletas de placa são feitos com aletas retas que contribuem consideravelmente para o aumento da área de superfície do dissipador de calor. Eles melhoram a dissipação de calor. Sua estrutura permite que o calor seja afastado do componente de forma eficiente, tornando-o um sistema de resfriamento eficiente. Os métodos de fabricação dos dissipadores de calor de aletas de placa são diversos, e esses dissipadores podem ser aplicados em várias aplicações. Eles são frequentemente aplicados na superfície externa de carcaças e tampas mecânicas e são uma das maneiras mais simples e eficientes de resfriamento. Eles não produzem ruído e exigem fontes de energia mínimas.
Conclusão
O design do dissipador de calor é fundamental para determinar a eficiência e a vida útil dos dispositivos eletrônicos. Um bom design de dissipador de calor pode melhorar significativamente a dissipação de calor, reduzindo os efeitos do calor nos componentes. Portanto, é importante diferenciar entre os diferentes tipos de dissipadores de calor e seus parâmetros de design associados para desenvolver uma solução de resfriamento eficaz.
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