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Geração de Calor nos Circuitos Eletrônicos e a Lei de Joule (ART3984)

Este importante artigo, que envolve mais física do que eletrônica, é parte do livro Curso de Eletrônica – Eletrônica de Potência. O artigo é uma preparação para análise do funcionamento dos dissipadores de calor. Nele analisamos como o calor é gerado nos circuitos eletrônicos e como pode ser calculado através da aplicação da Lei de Joule. Os artigos seguintes complementam o que discutimos aqui.

ART1035S

Nem sempre os dissipadores de calor são olhados com o devido cuidado nos projetos que envolvem dispositivos de potência e mesmo aqueles que, aparentemente, não geram uma quantidade preocupante de calor.

No entanto, os problemas relacionados com a dissipação de calor são muito mais importantes do que muitos pensam, e por não estarem relacionados com o circuito em si, nem sempre são devidamente tratados pelos desenvolvedores.

 

Geração de Calor

A maioria dos componentes eletrônicos converte energia elétrica em calor, em maior ou menor quantidade, dependendo de suas características ou 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, sendo por isso, de enorme importância nas montagens eletrônicas. Vamos analisar sua função.

Quando uma corrente elétrica deve vencer uma resistência para sua circulação, ou seja, encontra uma oposição, o resultado do "esforço" de sua passagem é a produção de calor. Energia elétrica se converte em calor e isso é válido para a maioria dos componentes eletrônicos comuns.

O calor liberado neste processo tende a aquecer o componente e em consequência da diferença de temperatura que se estabelece entre ele e o meio ambiente, tem início a uma transferência de calor para esse meio ambiente, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Como o calor gerado é eliminado, no caso de um resistor
Figura 1 – Como o calor gerado é eliminado, no caso de um resistor

 

A diferença de temperatura entre o componente e o meio ambiente determina a velocidade com que o calor gerado 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 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) como 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 – No equilíbrio térmico o fluxo de calor para o meio ambiente se iguala à quantidade de calor gerado
Figura 2 – No equilíbrio térmico o fluxo de calor para o meio ambiente se iguala à quantidade de calor gerado

 

 

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, chegando em alguns casos a 150°C.

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, 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 esses dois meios.

Transistores e circuitos integrados de potência consistem em exemplos disso.

Suas pequenas dimensões impedem que mais do que algumas centenas de miliwatts e eventualmente alguns watts de energia seja convertida em calor e transferida (dissipada) para o meio ambiente de modo eficiente.

 

Figura 3 – Fluxo de calor num dispositivo em invólucro metálico (SCR, MOSFET ou Transistor)
Figura 3 – Fluxo de calor num dispositivo em invólucro metálico (SCR, MOSFET ou Transistor)

 

 

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 contato térmico ajuda na transferência do calor.

Assim, para pequenos transistores, transistores de média potência, MOSFETs, SCRs e mesmo circuitos integrados, uma solução para o problema da transferência do calor é 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 dotada para o caso de transistores de média potência como os BD135 e TIP31 quando eles não operam com sua potência máxima.

 

Figura 4 – Usando área cobreada de uma placa como dissipador de calor
Figura 4 – Usando área cobreada de uma placa como dissipador de calor

 

 

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.

 

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.

 

Figura 5 – Corrente de convecção em torno de um resistor aquecido
Figura 5 – Corrente de convecção em torno de um resistor aquecido

 

 

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 equipamentos de alta potência e em fontes de alimentação de computadores, ou mesmo nos microprocessadores de computadores que possuem ventoinhas de refrigeração que forçam a circulação de ar pelos componentes que se aquecem.

Existem até "micro-ventiladores" que podem ser encaixados sobre circuitos integrados e componentes especiais para ajudar a dissipar o calor que ele gera, conforme veremos mais adiante.

 

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 se necessita 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, conforme sugere a figura 6.

 

 

Figura 6 – Corpos negros têm maior poder de emissão de calor
Figura 6 – Corpos negros têm maior poder de emissão de calor

 

 

Lei de Joule

Todo dispositivo eletrônico, que não apresente uma resistência nula, gera uma certa quantidade de calor ao ser percorrido por uma corrente elétrica.

Para o caso de um resistor, a potência elétrica desenvolvida que é convertida em calor é determinada pela Lei de Joule.

O que esta lei estabelece é que a quantidade de calor gerado, ou potência dissipada (medida em watts), é proporcional ao produto da corrente pela tensão no resistor, conforme a fórmula:

P = V x I (1)

 

 

Onde:

P é a potência em watts (W)

V é a tensão em volts (V)

I é a corrente em ampères (A)

 

Levando em conta que pela Lei de Ohm que a corrente num resistor é proporcional à tensão em seus terminais ou R = V/I, também podemos escrever para a Lei de Joule que:

P = R x I2 (2)

P= V2 / R (3)

 

 

Exemplo de cálculo:

Calcular a potência dissipada por um resistor de 10 ohms quando ligado a um gerador de 12 volts.

Resolução: como temos a tensão e a resistência, usamos a fórmula (3).

P = (12 x 12) / 10

P = 144/10

P = 14,4 watts

 

 

Como o dispositivo de resistência nula é ideal, não existindo na prática, podemos dizer que todos os dispositivos percorridos por corrente num circuito real geram calor.

Assim, os semicondutores de potência tais como transistores bipolares, MOSFETs, IGBTs, SCRs, Triacs, etc., no estado de condução geram calor.

Como eles não são perfeitos, sempre apresentando uma certa resistência, a quantidade de calor gerado dependerá da intensidade da corrente e dessa resistência.

Como essa resistência causa uma queda de tensão no dispositivo, podemos dizer que a potência gerada é dada pelo produto dessa queda de tensão pela intensidade da corrente conduzida.

O calor gerado pelos dispositivos precisa ser dissipada para que não causem elevações de temperatura capazes de danificá-los.

Conforme estudamos nos capítulos anteriores, todos os componentes semicondutores possuem limites de dissipação e temperaturas máximas em que podem operar.

Isso significa que esses dispositivos, em condições normais de operação não conseguem dissipar o máximo de calor que o fabricante prevê para uma aplicação típica.

Nesses casos, o dispositivo deve contar com recursos adicionais para dissipar o calor gerado, ou seja, com dissipadores de calor.

 

 

 

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