Dissipador de calor passivo?

Os seus dispositivos electrónicos estão a ficar demasiado quentes, causando problemas de desempenho ou de fiabilidade? Encontrar um método de arrefecimento silencioso e fiável pode ser um verdadeiro desafio no desenvolvimento de produtos.

Pela minha experiência, um dissipador de calor passivo é um componente de arrefecimento que dissipa o calor sem utilizar quaisquer elementos eléctricos, como ventoinhas. Confio neles para uma gestão térmica silenciosa e fiável, utilizando apenas processos naturais como a convecção e a radiação.

Esta abordagem simples tem implicações profundas para o design. Mas o que é exatamente considerado refrigeração passiva, como funciona a sua magia, que materiais são mais adequados e onde é que normalmente vemos estes refrigeradores silenciosos em ação? Vamos explorar mais.

O que é exatamente um dissipador de calor passivo?

O ruído das ventoinhas de arrefecimento pode ser um grande incómodo nos dispositivos electrónicos. Muitas aplicações exigem um funcionamento silencioso. É aqui que a compreensão do arrefecimento passivo se torna essencial.

Com base no meu trabalho de fornecimento de soluções de arrefecimento personalizadas, um dissipador de calor passivo é fundamentalmente um permutador de calor que transfere energia térmica de um componente eletrónico mais quente para um meio fluido mais frio, normalmente o ar, apenas através de convecção natural, radiação e condução, sem qualquer entrada de energia externa.

Um dissipador de calor passivo funciona sem quaisquer peças móveis ou assistência eléctrica. Ao contrário dos sistemas de arrefecimento activos que utilizam ventoinhas ou bombas para forçar o fluxo do líquido de arrefecimento, os dissipadores de calor passivos baseiam-se inteiramente em princípios físicos naturais para gerir o calor. O termo "passivo" realça esta falta de dependência de fontes de energia externas para o próprio processo de arrefecimento.

Componentes principais e conceito

Na sua essência, um dissipador de calor passivo é tipicamente uma peça de material termicamente condutor (como alumínio ou cobre) moldado para maximizar a sua área de superfície. Funciona da seguinte forma:

1. Condução: Retirar calor diretamente do componente eletrónico (por exemplo, CPU, LED, transístor de potência) através de contacto físico na sua base.
2. Distribuição: Espalhando esse calor pela sua própria estrutura, desde a base até às suas alhetas ou superfícies alargadas.
3. Dissipação: Transferindo o calor das suas superfícies para o ar ambiente mais frio circundante.

A eficácia de um dissipador de calor passivo depende em grande medida da sua conceção e do ambiente circundante. Necessita de acesso desimpedido ao ar ambiente para permitir o estabelecimento de padrões naturais de fluxo de ar.

Arrefecimento passivo vs. ativo

A principal diferença reside na presença ou ausência de assistência eléctrica para o movimento de fluidos.

Os dissipadores de calor passivos são excelentes em aplicações em que o ruído, a fiabilidade, o custo ou o consumo de energia são as principais preocupações, desde que a carga térmica esteja dentro da sua capacidade de gestão natural. Representam uma abordagem simples, elegante e altamente fiável à gestão térmica.

Como é que os dissipadores de calor passivos dissipam o calor?

Já se perguntou como é que um simples bloco de metal consegue manter os componentes electrónicos frescos sem uma ventoinha? Parece contra-intuitivo, mas a física é bastante eficaz quando aplicada corretamente.

Nos meus projectos, vejo que os dissipadores de calor passivos funcionam principalmente através de dois modos naturais de transferência de calor: a convecção natural e a radiação térmica. A condução traz primeiro o calor para a superfície, depois estes dois processos transferem-no silenciosamente para o ar circundante.

Os dissipadores de calor passivos utilizam os princípios fundamentais da termodinâmica para afastar o calor de uma fonte e libertá-lo para o ambiente. Estão envolvidos três modos de transferência de calor, que funcionam em sequência: condução, convecção e radiação.

1. Condução: Movimentação interna de calor

Em primeiro lugar, o calor tem de passar do componente eletrónico para o próprio dissipador de calor. Isto acontece através de condução.

• Contacto: A base do dissipador de calor entra em contacto físico direto com o componente gerador de calor (frequentemente com um material de interface térmica, ou TIM, para preencher espaços microscópicos e melhorar o contacto).
• Transferência: A energia térmica flui do componente mais quente para a base do dissipador de calor mais frio devido à diferença de temperatura.
• Espalhamento: O calor é então conduzido através do material termicamente condutor do dissipador de calor, espalhando-se da base para as aletas ou superfícies estendidas. A eficiência desta condução interna depende da condutividade térmica do material (quão bem conduz o calor) e da geometria (por exemplo, espessura da base, espessura das alhetas).

2. Convecção: Transferência de calor para o ar através do fluxo

Quando o calor atinge as superfícies exteriores do dissipador de calor, convecção assume o papel de mecanismo de dissipação primário. Especificamente, os dissipadores passivos dependem de convecção natural:

• Aquecimento do ar: A superfície do dissipador de calor aquece a camada de ar imediatamente adjacente a ele.
• Alteração da densidade: À medida que este ar aquece, torna-se menos denso do que o ar ambiente mais frio circundante.
• Flutuabilidade: Devido a esta diferença de densidade, o ar mais quente e mais leve sobe naturalmente (efeito de flutuabilidade).
• Substituição: À medida que o ar quente se afasta da superfície do dissipador de calor, o ar ambiente mais frio e mais denso flui para ocupar o seu lugar.
• Ciclo contínuo: Isto cria um ciclo de fluxo de ar contínuo e lento, puramente impulsionado por diferenças de densidade induzidas pela temperatura. Este ar em movimento transporta constantemente o calor para longe das superfícies do dissipador de calor. A eficácia depende muito do espaçamento das alhetas (permitindo que o ar flua livremente) e da orientação (as alhetas verticais funcionam frequentemente melhor para a convecção natural).

3. Radiação: Transferência de calor através de ondas electromagnéticas

Simultaneamente com a convecção, o calor é também dissipado através de radiação térmica.

• Emissão: Qualquer objeto com uma temperatura superior ao zero absoluto emite energia térmica sob a forma de ondas electromagnéticas (principalmente radiação infravermelha para temperaturas típicas da eletrónica).
• Propriedades da superfície: A quantidade de calor irradiado depende da temperatura da superfície do dissipador de calor, da sua área de superfície e da sua emissividade. A emissividade é uma medida (de 0 a 1) da eficácia com que uma superfície irradia energia térmica em comparação com um corpo negro perfeito. As superfícies escuras e mate têm geralmente uma emissividade mais elevada (mais próxima de 1) do que as superfícies claras e brilhantes (mais próximas de 0). É por este motivo que os dissipadores de calor são frequentemente anodizados a preto - não só por uma questão de estética, mas também para melhorar o arrefecimento radiativo.
• Ambiente: A radiação transfere calor diretamente para outros objectos mais frios na linha de visão e para o ambiente em geral, sem necessitar de movimento de ar como a convecção. A sua contribuição torna-se mais significativa a temperaturas mais elevadas e em ambientes de vácuo onde a convecção está ausente.

Contribuições relativas

O equilíbrio entre a convecção e a radiação depende de factores como a diferença de temperatura, as propriedades da superfície e as condições do fluxo de ar.

• Em aplicações terrestres típicas com ar, a convecção natural é frequentemente o modo dominante, especialmente em diferenças de temperatura mais baixas.
• A radiação torna-se cada vez mais importante à medida que a temperatura da superfície do dissipador de calor aumenta significativamente acima da temperatura ambiente.
• Os tratamentos de superfície, como a anodização negra, melhoram principalmente a componente radiativa.

Os dissipadores de calor passivos combinam de forma inteligente estes fenómenos naturais. A sua conceção visa maximizar a área de superfície tanto para a convecção como para a radiação, utilizar materiais com elevada condutividade térmica para uma condução eficiente e incorporar geometrias que promovam o fluxo de ar convectivo natural.

Que materiais constituem os melhores dissipadores de calor passivos?

A escolha do material correto é fundamental para a conceção de qualquer dissipador de calor, especialmente de um passivo. Já trabalhei com várias opções e as diferenças de desempenho podem ser significativas.

Para dissipadores de calor passivos, os meus materiais de eleição são normalmente ligas de alumínio como 6063 ou 6061 devido ao seu excelente equilíbrio entre elevada condutividade térmica, baixo peso, facilidade de fabrico (como a extrusão) e custo razoável. O cobre oferece uma melhor condutividade, mas é mais pesado e mais caro.

A eficácia de um dissipador de calor passivo está fundamentalmente ligada ao material de que é feito. Várias propriedades do material são cruciais, mas as mais importantes são a condutividade térmica, a densidade (peso), o custo e a facilidade de fabrico em formas complexas necessárias para maximizar a área de superfície.

Principais propriedades dos materiais para dissipadores de calor passivos

• Condutividade térmica (k): Isto mede a capacidade de um material conduzir o calor. Uma condutividade térmica mais elevada (medida em W/m-K) significa que o calor pode deslocar-se mais facilmente da base do dissipador de calor para as pontas das alhetas. Isto é fundamental para uma distribuição eficiente do calor e para maximizar a eficácia de toda a área de superfície.
• Densidade (ρ): A massa por unidade de volume (por exemplo, kg/m ³ ou g/cm³). Uma densidade mais baixa significa um dissipador de calor mais leve para o mesmo volume, o que é importante em aplicações sensíveis ao peso, como a eletrónica portátil ou a indústria aeroespacial.
• Capacidade térmica específica (c): A quantidade de calor necessária para aumentar em um grau a temperatura de uma unidade de massa do material. Embora menos crítico para o desempenho em estado estacionário, um calor específico mais elevado significa que o dissipador de calor pode absorver mais calor antes de a sua temperatura aumentar significativamente (útil para lidar com picos de calor transitórios).
• Custo: O custo dos materiais é frequentemente um fator importante na conceção de um produto.
• Capacidade de fabrico: Com que facilidade pode o material ser moldado nas formas pretendidas (por exemplo, através de extrusão, fundição, maquinagem)? Uma boa maquinabilidade também é importante se forem necessárias operações secundárias como perfuração ou roscagem.
• Resistência à corrosão: O material deve resistir à degradação no seu ambiente de funcionamento.

Materiais comuns de dissipadores de calor comparados

Vamos comparar os dois metais mais comuns utilizados em dissipadores de calor:

Porque é que o alumínio ganha frequentemente no arrefecimento passivo

Enquanto o cobre apresenta uma condutividade térmica superior, ligas de alumínio (especialmente 6063) são muito mais comuns nos dissipadores de calor passivos devido à sua equilíbrio global:

1. Condutividade térmica suficientemente boa: Embora não seja tão elevada como a do cobre, a condutividade do alumínio é ainda assim muito boa e suficiente para muitas aplicações de arrefecimento passivo. A diferença é mais importante quando o calor tem de se espalhar muito rapidamente por uma base grande ou por alhetas muito longas e finas.
2. Peso reduzido: O alumínio é significativamente mais leve do que o cobre, o que o torna a escolha preferida para quase todas as aplicações em que o peso é um fator a ter em conta (ou seja, a maioria das aplicações).
3. Custo mais baixo: Tanto o custo da matéria-prima como os custos de fabrico (especialmente para extrusão) são consideravelmente mais baixos para o alumínio em comparação com o cobre. Isto torna os dissipadores de calor de alumínio muito mais económicos.
4. Excelente capacidade de fabrico: As ligas de alumínio como a 6063 são facilmente extrudidas em formas complexas de aletas optimizadas para arrefecimento passivo. Também são facilmente maquinadas, fundidas ou estampadas. O cobre é muito mais difícil de extrudir em perfis complexos.

Quando é que o cobre é utilizado?

O cobre é normalmente reservado para situações específicas de arrefecimento passivo:

• Base do dissipador de calor/espalhador: Por vezes, é utilizada uma base de cobre em conjunto com alhetas de alumínio (um dissipador de calor "híbrido", frequentemente ligado). A base de cobre espalha rapidamente o calor de uma fonte de calor pequena e de alta intensidade, enquanto as alhetas de alumínio mais leves tratam da dissipação para o ar.
• Muito compacto, aplicações de elevado fluxo de calor: Se o espaço for extremamente limitado e a densidade de calor for muito elevada, a condutividade superior do cobre pode ser necessária, apesar das suas desvantagens em termos de peso e de custo.
• Tubos de calor: Embora tecnicamente se trate de um dispositivo passivo de duas fases, os tubos de calor utilizam frequentemente o cobre como material de contentor devido à sua condutividade e compatibilidade com os fluidos de trabalho.

Existem outros materiais como compósitos de grafite ou cerâmicas com elevada condutividade térmica, mas são geralmente muito mais caros e utilizados em aplicações especializadas de nicho. Para a grande maioria dos dissipadores de calor passivos, as ligas de alumínio oferecem a melhor combinação de desempenho, peso, custo e capacidade de fabrico.

Quais são os exemplos comuns de dissipadores de calor passivos?

O arrefecimento passivo está à nossa volta, muitas vezes sem ser visto. Onde posso encontrar estas soluções térmicas silenciosas em dispositivos do quotidiano ou equipamento industrial?

Vejo frequentemente dissipadores de calor passivos utilizados para arrefecer componentes como CPUs em computadores sem ventoinha, LEDs em aparelhos de iluminação, transístores de potência em amplificadores de áudio e vários chips em placas-mãe. A sua fiabilidade e silêncio tornam-nos ideais para estas aplicações.

Os dissipadores de calor passivos são omnipresentes no mundo da eletrónica, escolhidos sempre que a carga térmica é gerível sem fluxo de ar forçado e quando vantagens como o silêncio, a fiabilidade ou o baixo custo são fundamentais. Aqui estão alguns exemplos generalizados em diferentes sectores:

Eletrónica de consumo

• Computadores e periféricos:
  • Chipsets: Os chips Northbridge/Southbridge (em placas-mãe mais antigas) ou PCH (Platform Controller Hub) em placas-mãe modernas utilizam frequentemente dissipadores passivos pequenos, extrudidos ou estampados.
  • Módulos reguladores de tensão (VRMs): Encontrados perto da tomada da CPU, estes componentes gerem o fornecimento de energia e têm frequentemente dissipadores de calor passivos dedicados, especialmente nas motherboards para entusiastas.
  • SSDs M.2: Os SSDs NVMe de elevado desempenho podem aquecer; muitos são agora fornecidos ou têm dissipadores de calor passivos opcionais.
  • Portáteis/Tablets/Mini-PCs sem ventoinha: Os dispositivos concebidos para o silêncio utilizam frequentemente dissipadores de calor passivos internos de maiores dimensões, por vezes integrados na caixa do dispositivo, para arrefecer o processador principal (CPU/APU).
  • Routers e modems: Os processadores de rede em equipamentos de rede doméstica dependem normalmente de simples dissipadores passivos.
  • Set-Top Boxes e leitores multimédia: Utilizam frequentemente o arrefecimento passivo para um funcionamento silencioso nas salas de estar.
• Equipamento áudio:
  • Amplificadores: Os transístores de potência ou circuitos integrados de amplificação em amplificadores de áudio domésticos (especialmente projectos de classe AB) utilizam frequentemente grandes dissipadores de calor passivos externos com alhetas proeminentes.
  • Fontes de alimentação: Os componentes das fontes de alimentação lineares podem utilizar dissipadores passivos.

Iluminação

• Lâmpadas e acessórios LED: Os LEDs são eficientes mas produzem calor. Os dissipadores de calor passivos são essenciais para gerir este calor de modo a garantir uma longa vida útil e uma saída de luz consistente. Pode vê-los integrados na base de lâmpadas LED, cabeças de iluminação de calhas, downlights e luminárias industriais/de rua de maiores dimensões. Têm frequentemente geometrias de aletas complexas optimizadas para convecção natural.

Eletrónica industrial e de potência

• Fontes de alimentação: Componentes como díodos, MOSFETs, IGBTs e rectificadores em fontes de alimentação industriais requerem muitas vezes um arrefecimento significativo, frequentemente conseguido com extrusões passivas grandes e robustas.
• Accionamentos de frequência variável (VFDs) e controladores de motores: Os módulos de semicondutores de potência destes dispositivos geram um calor substancial e utilizam normalmente grandes dissipadores passivos.
• Relés de estado sólido (SSRs): Os SSRs de alta potência requerem dissipadores de calor, frequentemente extrusões passivas, para dissipar o calor durante o funcionamento.
• Equipamento de telecomunicações: Os componentes das estações de base ou de outros equipamentos de infraestrutura podem utilizar o arrefecimento passivo para maior fiabilidade.

Outras aplicações

• Eletrónica automóvel: Certos módulos de controlo ou componentes de potência podem utilizar dissipadores passivos, muitas vezes integrados na montagem do chassis para uma distribuição adicional do calor.
• Dispositivos médicos: Quando o silêncio e a fiabilidade são fundamentais, o arrefecimento passivo é frequentemente preferido para os componentes adequados.

Formas e desenhos comuns

Os dissipadores de calor passivos têm várias formas, reflectindo a sua aplicação e método de fabrico:

• Perfis extrudidos: O tipo mais comum, que oferece uma boa relação desempenho/custo e flexibilidade de conceção para estruturas de alhetas lineares.
• Dissipadores de calor estampados: Custo mais baixo, normalmente utilizado para componentes de baixa potência, como chipsets ou reguladores de tensão, fabricados em chapa metálica estampada.
• Dissipadores de calor fundidos: Utilizado quando são necessárias formas 3D mais complexas, talvez para se adaptar a caixas específicas ou integrar caraterísticas de montagem.
• Dissipadores de calor forjados: Pode oferecer um bom desempenho térmico e resistência, sendo frequentemente utilizado para desenhos de alhetas adequados para o fluxo de ar omnidirecional.
• Espalhadores de calor: Placas planas simples (por vezes com pequenas ranhuras) utilizadas para aumentar a área de superfície de componentes de muito baixa potência ou para melhorar o contacto com um chassis maior que funciona como dissipador.

A prevalência de dissipadores de calor passivos realça a sua eficácia e adaptabilidade na gestão silenciosa e fiável de cargas térmicas numa vasta gama de dispositivos e equipamentos electrónicos.

Conclusão

Os dissipadores de calor passivos oferecem uma forma silenciosa, fiável e frequentemente rentável de arrefecer os componentes electrónicos utilizando a condução natural, a convecção e a radiação. Compreender a sua função, materiais e aplicações ajuda a escolher a solução térmica correta.