Confronto tra le tecniche di raffreddamento attivo per le apparecchiature elettroniche

Laptop on fire

Il raffreddamento dei dispositivi elettronici è molto importante. Sono ben a conoscenza di questo argomento, perché, una volta mi è capitato  che una parte della scheda madre del mio portatile si è fusa. Nel 2010 avevo comprato un nuovo PC di fascia alta per provare un nuovo videogioco intensivo dal punto di vista della grafica. Il PC includeva una scheda grafica eccellente, tuttavia aveva anche un sistema di gestione termica non adeguato. Avrei dovuto capire che si stava verificando un problema quando, dopo aver iniziato a giocare, la tastiera ha iniziato ad essere troppo calda. Poco dopo il mio computer è andato in tilt. L'ho portato in un centro assistenza dove mi hanno detto che alcune delle parti interne si erano fuse. Per fortuna era ancora in garanzia, per cui il conto è stato pagato dal produttore. Se fosse stato progettato con un sistema di raffreddamento più potente il problema non si sarebbe verificato. Se non volete progettare cose che si sciolgono è opportuno eliminare alcune delle diverse tecniche di raffreddamento che possono mantenere i vostri circuiti freschi. Esse includono ventole, generatori di vento ionico e soffietti piezoelettrici. Ogni tecnologia viene presentata con i suoi pro e contro per aiutarvi a scegliere la soluzione migliore per la vostra applicazione. 

Raffreddamento ottimale 

Se volete semplicemente evitare che le vostre schede prendano fuoco, dovete raffreddarle in modo ottimale. Se state utilizzando sistemi integrati, o altre applicazioni a basso consumo energetico, allora avrete bisogno del sistema di raffreddamento più efficiente. Inoltre è importante che esso non occupi troppo spazio o abbia bisogno di molta manutenzione. Per questo analizzeremo il consumo energetico, le dimensioni e le esigenze di manutenzione di ogni sistema che andremo ad esaminare.

electric fan

Questo non è un buon sistema di raffreddamento.

Ventole

Dopo che il mio portatile si è sciolto è stata sostituita la scheda grafica con una meno potente per risolvere il problema del surriscaldamento. Tuttavia il problema persiste. Per questo ho iniziato a mettere una ventola da scrivania accanto ad esso quando è acceso. Diamo un'occhiata alle ventole che vengono installate nei computer.

  • Consumo energetico - Le ventole sono il tipo di sistema di raffreddamento più semplice e economico. Tuttavia utilizzano una quantità relativamente elevata di energia elettrica. Se state progettando un PCB a bassa potenza non vi consiglio di raffreddarlo con le tipiche ventole che si trovano in commercio. Ci sono comunque alcune eccezioni alla regola, come il Sandia Cooler dei Sandia Laboratories. Questa ventola è molto efficiente e consuma fino al 7% di energia in meno rispetto ad una normale ventola.

  • Dimensioni - Se state cercando dispositivi piccoli meglio scegliere un altro approccio. Le ventole occupano molto spazio e necessitano anche di elementi di montaggio e un motore. Sono migliori per i progetti di grandi dimensioni che per quelli di piccole dimensioni.

  • Manutenzione - Anche se non hanno bisogno di molta manutenzione come altri dispositivi le ventole devono essere pulite di frequente. La polvere si deposita su di esse, riducendo le loro prestazioni e aumentando la probabilità di surriscaldamento con conseguente fusione. Anche in questo caso la ventola Sandia Cooler ha ridotto questo problema. Gira molto più velocemente di una normale ventola, impedendo alle particelle di polvere di depositarsi.

Generatori di vento ionico

Quando sento il nome "vento ionico" penso subito a qualche terrificante raffica di vento nello spazio. La realtà è meno fantasiosa. I generatori di vento ionico (noti anche come scarica a corona o getti ionici) sono costituiti da una piastra a carica positiva e una piastra a carica negativa. Il risultante campo elettrico tra le piastre crea una brezza gentile. Dato che la brezza viene generata senza bisogno di parti in movimento questa soluzione è estremamente silenziosa.

  • Utilizzo di energia - Per quanto riguarda i consumi i generatori di vento ionico si comportano meglio delle tradizionali ventole. Sono molto più efficienti, anche se non è stato determinato esattamente di quanto. Ciò li rende perfetti per applicazioni a basso consumo.

  • Dimensioni - I generatori di vento ionico sono composti semplicemente da due piastre cariche, cosa che rende più semplice inserirli in un ambiente chiuso rispetto ad una ventola. Potete mettere queste piastre vicine tra loro o a distanza maggiore, la flessibilità è massima. Per quanto riguarda l'alimentazione la situazione è leggermente più complicata in quanto necessitano di un voltaggio più elevato.

  • Manutenzione - In questo caso con il vento ionico non si naviga in mari tranquilli. L’affidabilità è infatti uno dei problemi principali al momento. La piastra positiva si ossida molto rapidamente a causa della carica, riducendo l’efficienza del generatore e causando malfunzionamenti di questa tecnologia. 

old pair of bellows

Se volete rimanere ancorati alla tradizione potete scegliere i normali soffietti.

Soffietti piezoelettrici 

Invece di usare una ventola, per raffreddare il mio laptop avrei potuto usare dei soffietti. L’unico problema è che richiedono qualcuno che li azioni e non ho a portata di mano un apprendista fabbro. Inoltre non potete inserire un soffietto in un PCB. Per cui come funzionano in realtà? I soffietti piezoelettrici consistono di due piastre di materiale piezoelettrico che vibrano quando caricate. La vibrazione spinge l'aria da dentro verso l'esterno, esattamente come avviene con una ventola. Il modello di GE misura appena 4 mm, per cui è estremamente sottile. 

  • Consumo di energia - Abbiamo la soluzione vincente. Si stima che questi strani sistemi consumino appena un decimo dell'energia delle ventole tradizionali. Se siete alla ricerca di una soluzione energeticamente efficiente non cercate altrove.

  • Dimensioni - I soffietti piezoelettrici sono piccoli come i generatori di vento ionico.  Sono perfetti quindi per i progetti di piccole dimensioni.

  • Manutenzione - Onestamente non sono del tutto certo di quale sia la manutenzione necessaria. Tuttavia nessun articolo parla di particolari operazioni di manutenzione, per cui non mi preoccuperei troppo.

Raffreddamento a liquido 

Se siete, come me, appassionati di videogame sicuramente avete familiarità con questo tipo di raffreddamento. Per coloro che sono un più maturi di me il raffreddamento a liquido utilizza appunto dei liquidi (acqua, refrigerante, olio non conduttivo) anziché l’aria per ridurre il calore. L'aria è a tutti gli effetti un isolante, per cui non costituisce la scelta ottimale per condurre calore. I sistemi di raffreddamento a liquido possono rimuovere il calore dai sistemi elettronici da 2 a 10 volte più velocemente dei sistemi tradizionali. 

  • Consumo di energia - Su larga scala il raffreddamento a liquido può essere molto più efficiente. Quando parlo di larga scala, intendo davvero dimensioni molto grandi. Per applicazioni più piccole probabilmente i minori costi operativi vengono annullati dal costo iniziale di creazione del sistema.

  • Dimensioni - Questi sistemi sono davvero molto grandi. Normalmente alle persone piace esibirli per cui finiscono per occupare quanto più spazio possibile. Anche se questo non è il vostro obiettivo si parla comunque di sistemi di grandi dimensioni. Se gestite un data center potreste avere spazio a sufficienza ma per applicazioni mobili semplicemente l’utilizzo non è possibile.

  • Manutenzione - I sistemi di raffreddamento a liquido hanno molte parti in movimento che possono, dopo un certo tempo, riportare danni. Esiste anche un elevato rischio di perdite con conseguente possibilità di danneggiare i componenti elettronici. Per questo non consiglio questi sistemi a coloro che non sono pronti ad affrontare queste problematiche.

Confronto finale 

Ora che abbiamo analizzato le 4 tecnologie di raffreddamento quale dobbiamo andare a scegliere? Se avete bisogno di un raffreddamento significativo in un piccolo spazio scegliete i soffietti piezoelettrici. Questi dispositivi sono estremamente piccoli e non occupano troppo spazio. Se non avete problemi di dimensioni, il raffreddamento a liquido potrebbe essere la soluzione ottimale. Per quanto riguarda la manutenzione direi che i soffietti e le ventole tradizionali si equivalgono, anche perché non è chiaro quale tipo di manutenzione sia necessaria per i soffietti. 

Ora che conoscete tutto sui diversi sistemi di raffreddamento è il momento di progettare un fantastico PCB. La perfetta soluzione è CircuitStudio® . Ha tantissime funzionalità avanzate che renderanno semplicissimo creare un layout. 

Avete altre domande su questo argomento? Contattate un esperto di Altium.

Informazioni sull'autore

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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