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Considerações mecânicas sobre a montagem de tiristores (ART770)

Em artigo recente focalizamos alguns cuidados que devem ser tomados em relação ao uso de tiristores, levando em conta suas características elétricas. No entanto, os tiristores também exigem cuidados especiais em relação a sua instalação mecânica. Pequenos deslizes podem afetar tanto o seu funcionamento como colocar em risco sua integridade. Nesse artigo, baseado em documentação da Philips Componentes, focalizamos os principais cuidados que devem ser tomados no tratamento mecânicos desses dispositivos.

 

Os componentes das famílias dos tiristores, principalmente os SCRs e os Triacs são robustos o bastante para suportarem tensões elevadas, correntes intensas e até mesmo esforços mecânicos razoáveis na sua instalação.

Mesmo assim eles "não são de ferro", como diria o ditado, podendo também apresentar falhas por um manuseio indevido.

Nesse artigo, baseado num application note da Philips, focalizamos alguns cuidados que devem ser tomados no uso desses componentes com algumas regras que o profissional da eletrônica deve sempre ter em mente.

 

Métodos Básicos de Montagem

Para cargas comuns ou de curtos períodos de duração de corrente de carga (menos de 1 segundo), é possível operar o triac ao ar livre, sem nenhum dispositivo adicional. No entanto, na maioria dos casos, eles devem ser fixados num dissipador.

Existem três métodos principais segundo os quais um tiristor pode ser fixado a um dissipador de calor. Clip, parafuso ou rebite. Existem diversos kits disponíveis para a montagem dos dois primeiros métodos.

Para muitos, entretanto, se bem que possível, o método que faz uso de rebites não é muito recomendado. Analisemos os métodos em questão separadamente.

 

Montagem por Clip

Esse método é o mais recomendado para se obter menor resistência térmica, conforme mostra a figura 1.

 


 

O clip exerce boa pressão sobre o corpo de plástico do componente, sendo também recomendado para os casos de componentes não isolados.

 

Montagem com Parafuso

Um kit típico para montagem de um componente desse tipo em invólucro TO220, inclui um isolador retangular que deve ser colocado entre o dissipador e o componente, além dos parafusos de fixação e uma bucha de isolamento, conforme mostra a figura 2.

 


 

Na montagem é muito importante evitar que o parafuso exerça qualquer tipo de esforço sobre a parte plástica do componente.

A superfície de contacto do dissipador com o componente deve estar perfeitamente lisa e sem ondulações. O torque do parafuso com a bucha deve estar entre 0,55 Nm e 0,8 Nm.

Em alguns casos existe a alternativa de se usar parafusos auto-atarrachantes, mas eles devem ser evitados devido à possibilidade de se formarem irregularidades no material em torno do furo de fixação, pelo esforço mecânico na sua colocação.

Conforme mostra a figura 3, essas pequenas "rebarbas", podem afetar o contacto térmico do componente com o dissipador.

 


 

Além disso, esse método de montagem tem a desvantagem de ser muito difícil controlar o torque aplicado.

Finalmente, é muito importante que o componente seja fixado antes de seus terminais sejam soldados. Isso evita um esforço mecânico sobre os terminais, quando o parafuso for apertado.

 

Montagem por Rebite

O rebite por impacto deve ser evitado a não ser que muito cuidado seja tomada para se evitar que forças capazes de danificar o componente causem deformações na aleta de fixação e eventualmente partam o chip interno.

Para se reduzir a taxa de unidades rejeitadas numa linha de montagem, as seguintes regras são recomendadas:

* O dissipador deve estar perfeitamente plano, livre de qualquer ondulação no ponto de fixação do componente.

* O diâmetro do furo de fixação do dissipador não deve ser maior do que o diâmetro do furo de fixação da aleta do componente.

* O rebite deve ser se ajustar perfeitamente para que não não fique com jogo.

* O rebite deve ser colocado de modo que sua cabeça e não o lado do mandril fique do lado da aleta do componente.

* A cabeça do rebite não deve ficar em contacto com a parte plástica do invólucro do componente.

* A parte mecânica da fixação do componente e o dissipador com a placa de circuito impresso deve ser feita antes de que os terminais do componentes sejam soldados, de modo a se evitar esforço mecânico.

 

Em suma, a montagem de um Tiristor deve levar em conta o seguinte cuidado fundamental:

 

* Evite esforço mecânico no componente quando fixando a um dissipador. Fixe e depois solde. Nunca fixe por rebite colocando a cabeça do rebite por baixo.

 

Resistência Térmica

O fluxo de calor gerado por um componente até um dissipador pode ser tratado como uma corrente elétrica e a dificuldade que esse calor vai encontrar no seu trajeto, pode ser tratada como uma resistência.

Assim, podemos falar em resistência térmica Rth, como a resistência que o calor vai encontrar no seu fluxo da junção do componente, onde ele é gerado, até o dissipador e dele para o meio ambiente.

Podemos ter então analogias nas fórmulas:

 

Resistência elétrica: R = V/I

 

Resistência térmica: Rtt = T/P onde:

T é a diferença de temperatura em graus Kelvin (K) entre os pontos entre os quais se estabelece o fluxo de calor e P é a dissipação de potência em watts. O circuito térmico que expressa isso é mostrado n a figura 4.

 


 

Para um dispositivo montado verticalmente ao ar livre, a resistência térmica é determinada pela resistência térmica da junção para o ambiente ou Rth-j-a. Um valor típico para essa resistência é 60K/W para um invólucro TO-220 (SOT78).

Para um dispositivo montado num dissipador térmico, a resistência térmica Rtf-j-a , entre o dispositivo e o meio ambiente é dada como a soma das seguintes resistências:

Rth-j-mb que é a resistência térmica entre a junção e a base de montagem

Rth-mb-h que é a resistência térmica entre a base de montagem e o dissipador

Rth-h-a que é a resistência térmica entre o dissipador e o meio ambiente.

 

Todos esses elementos devem ser utilizados para se calcular as dimensões mínimas do dissipador, para a potência que deve ser dissipada pelo dispositivo.

 

Impedância Térmica

Um fator que deve ser considerado ao se calcular um dissipador de calor para um componente de potência é que a geração de calor pelo dispositivo pode ocorrer num processo contínuo ou por pulsos.

O processo continuo é considerado quando os pulsos aplicados ou os ciclos de condução do dispositivo durarem mais de 1 segundo. Se o regime de operação ocorrer com pulsos ou intervalos de condução menores do que 1 segundo, um tratamento diferente para o sistema térmico.

Quando o regime é pulsante, o calor gerado não tem tempo para alcançar o dissipador, sendo dissipado no próprio componente. Isso significa que a temperatura da junção do componente pode subir além do desejado, colocando em risco a integridade do componente.

Para se levar em conta esse fato, deve-se nesses casos trabalhar com a impedância térmica Zth-a em lugar da resistência térmica.

 

Conclusão

A integridade de um tiristor numa aplicação não deve levar em conta apenas suas características elétricas. Considerações sobre a montagem mecânica e também os problemas de dissipação de calor são fundamentais.

Nesse artigo focalizamos alguns dos pontos críticos que devem ser levados em conta quando fazemos a montagem mecânica de um tiristor.

Esses pontos incluíram os processos de fixação e também os problemas térmicos que podem ocorrer tanto em relação a uma operação contínua como em regime pulsante.

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