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Saiba porque é que o arrefecimento dos componentes electrónicos é fundamental para a conceção das placas de circuitos electrónicos. como simular e testar virtualmente o desempenho de sistemas de arrefecimento, utilizando a dinâmica de fluidos computacional.
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Todos os nossos dispositivos eléctricos são construídos através da combinação de diferentes componentes electrónicos. Cada componente tem uma função específica. Tomemos como exemplo este circuito de iluminação muito simples. A bateria fornece a energia eléctrica, o LED produz luz a partir da energia fornecida pela bateria e a resistência protege o LED reduzindo a corrente no circuito. Se removermos a resistência, oO LED queimar-se-á instantaneamente.
Circuito de iluminação simples Porque é que o LED se queima?
LED Porque a resistência do circuito foi reduzida, o que significa que é muito mais fácil para mais electrões fluírem da bateria para o componente LED, que só pode ser visto ao microscópio.
Peças LED Por outro lado, um cabo elétrico é muito mais grosso, pelo que pode suportar muito mais corrente. É por isso que temos cabos de diferentes tamanhos, para suportar diferentes quantidades de corrente eléctrica.
Voltando à resistência, esta está essencialmente a adicionar uma restrição ao fluxo de electrões. É como ter uma dobra num tubo de água, a dobra restringe a quantidade de água que pode fluir através do tubo e a água está agora a colidir com a parede do tubo, desperdiçando energia e resultando numa queda de pressão. Como sabemos, a pressão é como a tensão e a resistência é como a dobra no tubo.Se adicionarmos uma resistência ao circuito, restringimos a corrente ou a quantidade de electrões que circulam e obtemos uma queda de tensão.
Restrição ao fluxo de electrões Porque é que temos uma queda de tensão?
Bem, se olharmos para um fio de cobre normal, este é feito de milhões e milhões de átomos de cobre. O cobre é um condutor, o que significa que os átomos de cobre têm um eletrão que é livre de se mover entre outros átomos. Movem-se naturalmente para outros átomos, mas aleatoriamente em todas e quaisquer direcções. Se aplicarmos uma diferença de tensão através do fio, a diferença de tensão ou a pressão da bateriaforçam os electrões a passar por ele.
Fio de cobre Mas com uma resistência, o material é menos condutor e cria um caminho mais difícil para os electrões atravessarem. Os electrões vão colidir e, ao colidirem, a sua energia é convertida em calor. Assim, a energia da bateria está a ser desperdiçada e transformada em calor. Como a energia da bateria está a ser removida pela resistência, obtemos uma queda de tensão.
A resistência cria um caminho mais difícil para os electrões passarem. É por isso que, quando olhamos para a resistência através de uma câmara de imagem térmica, podemos ver que está a gerar calor.
Alguns componentes, como os mosfets e os igbt's, produzem muito calor.
Veja-se, por exemplo, esta fonte de alimentação de bancada barata.
Fonte de alimentação de bancada Tem 4 mosfets no interior, 2 aqui:
Mosfets E 2 aqui:
Se removermos o dissipador de calor (veremos essa parte um pouco mais tarde) e alimentarmos um pequeno circuito DC com cerca de 1,2A, podemos ver com a câmara de imagem térmica que estes componentes atingem muito rapidamente 45 graus Celsius, e isto com a ventoinha ligada.
Imagem térmica do Mosfet Todos os componentes electrónicos têm um limite térmico ou uma temperatura máxima de funcionamento. Quando atingem ou ultrapassam essa temperatura, avariam e podem destruir a placa de circuitos.
Para alguns componentes, como um fusível, isto é desejável porque o material se parte e corta instantaneamente a alimentação do circuito, o que ajuda a evitar danos nos componentes, mas também impede completamente o funcionamento da placa de circuitos até que o fusível seja substituído.
IGBT Com componentes como um IGBT, a acumulação de calor não é uma coisa boa porque, à medida que aumentam de temperatura, tornam-se pouco fiáveis e a corrente que passa através deles aumenta. Esta corrente adicional cria mais calor que, por sua vez, permite que mais corrente flua, pelo que o componente atinge a fuga térmica e acaba por se destruir. Assim, para aumentar a vida útil dos componentes ee manter o componente a funcionar de forma estável e fiável, precisamos de uma forma de remover a energia térmica que gera.
Como remover a energia térmica dos componentes electrónicos?
Alguns componentes, como este simples circuito LED de resistência, funcionam bem em condições ambientais, não produzem muito calor e qualquer calor que produzam dissipar-se-á no ar ambiente.
Circuito LED com resistência Quando o calor começa a aumentar, podemos utilizar uma simples ventoinha para soprar ar através do componente. O ar em movimento irá captar e transportar mais calor. Este é o método utilizado nos PCs e é por isso que existe uma ventoinha no interior para remover literalmente o calor dos componentes internos.
Utilizar uma ventoinha simples 
Calor soprado sobre componentes Esta simulação foi executada num navegador Web, utilizando o SimScale, que será analisado em pormenor um pouco mais adiante neste artigo.
Mas há um problema com este método: estamos a soprar o calor de um componente e este ar quente passa depois para outros componentes, pelo que estamos a arrefecer um componente mas, se não tivermos cuidado com o design, aqueceremos outros.
Normalmente, precisamos de uma forma mais eficaz de retirar o calor do componente e um método popular é utilizar um dissipador de calor para proporcionar um arrefecimento passivo. Este dissipador de calor é normalmente um bloco de alumínio ou "Aluminum" (EUA) que tem muitas alhetas. As alhetas ajudam a aumentar a área de superfície do componente para permitir a exposição a mais ar ambiente. O dissipador de calor é feito de metal porque conduz bem o calor, muitoAssim, ao facilitar a saída de mais calor e ao aumentar a exposição ao ar, arrefecemos efetivamente o componente. No entanto, há um limite para a quantidade de calor que podemos remover com este método.
Dissipadores de calor A fase seguinte consiste em ligar o componente a um dissipador de calor e depois utilizar uma ventoinha para soprar ar ambiente sobre o componente e o dissipador de calor, para aumentar a remoção de calor. É exatamente este o método utilizado nesta fonte de alimentação DC de bancada. A ventoinha e o dissipador de calor são combinados para remover o excesso de calor.
Alimentação de bancada DC Pode ver-se que o calor se está a dissipar através do dissipador de calor e, quando cortamos a alimentação mas deixamos a ventoinha a funcionar, a temperatura desce muito rapidamente.
Dissipação de calor Outro método mais utilizado nos computadores portáteis é a utilização de um tubo de calor, que é a estranha barra cor de laranja que se vê no interior do computador portátil entre o processador e a ventoinha.
Tubo de calor para computador portátil O calor do processador é absorvido pelo tubo e este calor faz com que o líquido no interior ferva e evapore, o vapor move-se para a extremidade oposta que é mais fria porque a ventoinha está a soprar ar através da superfície e isto remove o calor do tubo de calor. Esta remoção de calor faz com que o vapor se condense novamente em líquido e istoO líquido flui de volta ao longo do pavio para captar mais calor, e assim o ciclo repete-se.
Bomba de calor interior Mais uma vez, estes têm um limite de desempenho e, para aumentar a remoção de calor, temos de começar a utilizar estas unidades enormes, que ocupam muito espaço e, mais uma vez, libertam o calor para outros componentes.
A próxima etapa para um arrefecimento máximo é a utilização de água, ou arrefecimento líquido. Já deve ter visto muitos computadores de jogos de alta especificação começarem a utilizar um sistema de arrefecimento a água para remover o calor da sua CPU e GPU.
Basicamente, temos uma pequena bomba que faz circular a água entre o permutador de calor do CPU, conhecido como bloco de água, e o radiador, que é um permutador de calor com algumas ventoinhas. Mais uma vez, as ventoinhas sopram ar através do permutador de calor e removem o calor indesejado da água, pelo que a água capta o calor indesejado do chip, transporta-o para o radiador e depois flui através do permutador de calorÀ medida que a água passa, as ventoinhas sopram ar para o exterior, o que elimina o calor indesejado. A água sai assim mais fresca e regressa ao chip para apanhar mais calor.
Arrefecimento a água para PC A razão pela qual este método é tão eficiente é o facto de a água ter uma capacidade térmica substancialmente superior à do ar, pelo que pode captar mais calor. Em vez de empurrar o ar através das aletas e soprar o calor para outros componentes, o sistema arrefecido a água recolhe o calor e afasta-o, rejeitando-o depois completamente do sistema.
Considerações sobre a eficiência Este método é cada vez mais utilizado na eletrónica de potência, especialmente em aplicações de alta potência, onde encontramos frequentemente estes bancos de IGBT's. Estes geram grandes quantidades de calor e necessitam de funcionar de forma fiável durante longos períodos de tempo.
IGBT Como vimos com a fonte de alimentação de bancada, os IGBT's estavam espaçados e ocupavam muito espaço. Por isso, o que podemos fazer é montá-los num bloco térmico que é basicamente um dissipador de calor ou permutador de calor através do qual flui água em vez de ar. À medida que os IGBT's geram calor, este passa através do bloco e para a água.No interior do bloco temos estas alhetas para ajudar a aumentar a área de superfície do permutador de calor e maximizar a exposição à água de arrefecimento para remover o calor.
Barbatanas Queremos garantir que estes IGBT's específicos não excedem os 90 graus Celsius (194 F).
Para tal, vamos simular o desempenho utilizando a plataforma SimScale CAE. A SimScale fornece acesso instantâneo à dinâmica de fluidos computacional online, bem como à análise de elementos finitos, através de uma aplicação de fácil utilização baseada na nuvem e disponível através de um modelo de subscrição simples. Não é necessária qualquer instalação. Pode experimentar o software gratuitamente e editar projectos públicos em simscale.com através da sua conta comunitária, ou pode criar projectos privados com funcionalidades melhoradas através das suas contas profissionais, de equipa ou empresariais. Se quiser experimentar este software CLIQUE AQUI.
SimScale Assim, depois de desenharmos o nosso modelo CAD, podemos importá-lo para o SimScale para análise. Introduzimos as nossas variáveis, tais como os materiais utilizados, a potência térmica emitida pelos IGBT, o caudal e a pressão de saída da água, etc.
Isto fornece a nossa análise de base que mostra que os IGBTs vão funcionar a cerca de 165°C (329.F), o que é demasiado elevado e resultará na destruição dos componentes e também da nossa placa de circuito.
A primeira alteração que faremos é nos materiais, pelo que utilizaremos alumínio para o permutador de calor, que tem uma condutividade térmica mais elevada, o que significa que o calor pode passar através dele muito mais facilmente. Utilizaremos também placas mais finas, para que os IGBT fiquem mais próximos da área de transferência de calor, facilitando a chegada do calor ao líquido de arrefecimento.
Resultados das alterações Como pode ver, estas simples alterações tiveram um efeito dramático. Os nossos IGBT's estão agora a cerca de 49C, o que é perfeito, uma vez que está abaixo do nosso limite térmico de 90C e fornece uma boa reserva antes de atingirmos esse limite.
Barbatanas A conceção original tem estas alhetas a atravessar o permutador de calor, o que ajuda a expor a água ao calor dos IGBT's. Mas podemos ver que esta conceção provoca uma elevada queda de pressão em cada canal. A queda de pressão de cada canal junta-se à queda de pressão do canal seguinte, pelo que, no cômputo geral, a queda de pressão ao longo da unidade é grande, para além de ser inconsistente ao longo da unidade.
Queda de pressão Por isso, em vez disso, vamos utilizar canais de design tipo pino e, quando executamos a simulação, vemos uma distribuição de pressão muito mais uniforme em cada um dos canais e um diferencial de pressão mais baixo em toda a unidade, o que leva a um melhor desempenho de arrefecimento do dissipador de calor.
Estilo Pin Assim, bastando simular o sistema de arrefecimento no SimScale e fazer alterações simples no design, podemos rapidamente melhorar drasticamente o desempenho do nosso sistema de arrefecimento e garantir que as nossas placas de circuitos electrónicos dispendiosas e críticas estão a funcionar dentro dos seus limites, para maximizar a fiabilidade e o tempo de vida, bem como para funcionar eficientemente.
