Panoramica delle basi e dei principi di progettazione del dissipatore di calore

CircuitStudio

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Quando ero all'Università suonavo uno strumento musicale e il mio insegnante mi diceva sempre: "Non rovinare le basi!”. Questo si traduceva nel praticare le mie scale per ore e ore fino a quando non riuscivo a suonare una qualsiasi di esse e le loro variazioni con a malapena un pensiero. E' importante per gli ingegneri elettrici ricordare le basi e come influenzano il nostro lavoro. Di solito lavoro con sistemi di alto livello, ed è facile dimenticare i semplici principi che informano le applicazioni avanzate. Quando si tratta di gestione termica e dissipatori di calore, le tre cose principali da ricordare sono: convezione, conduzione e radiazione. Questi tre elementi fondamentali influenzeranno cose come il posizionamento e l'orientamento delle alette, i materiali dell'interfaccia termica (TIM) e il trattamento superficiale dei dissipatori di calore. Una volta che siete aggiornati su come tutte queste maglie insieme, la progettazione del dissipatore di calore sarà un gioco da ragazzi.

Convezione 

Un'altra pepita d'oro del mio insegnante era: "la musica non dovrebbe sentirsi costretta". Beh, questo non vale necessariamente per la convezione. Si possono avere due tipi di convezione sulla scheda: naturale e forzata. La convezione naturale non usa ventole o una forza esterna per muovere l'aria. Invece, si basa sulle correnti convettive che si verificano naturalmente in un fluido riscaldato in modo differenziato. Questo processo passivo non assorbe energia, ma può anche essere un po' lento nel raffreddare le cose. La convezione forzata è esattamente l'opposto, utilizza una forza esterna per muovere l'aria. Di solito, questa forza sarebbe data da qualcosa come una ventola. Con questo metodo, è necessario alimentare la forza esterna, ma in cambio si ottiene un raffreddamento più veloce. È interessante notare che la forma scelta avrà un effetto sulla guida di progettazione del dissipatore di calore. 

Per quanto riguarda la convezione naturale, è necessario assicurarsi che il trasferimento di calore il dissipatore di calore e le alette siano posizionate in modo che non inibiscano il movimento dell'aria. Il flusso è piuttosto debole in uno schema di convezione naturale, quindi se è ostruito in qualche modo il raffreddamento sarà gravemente inibito. Quando si posiziona il dissipatore di calore, si dovrebbe essere sicuri di orientarlo in modo che l'aria possa salire parallelamente attraverso le alette. Avere le alette perpendicolari al flusso d'aria è come cercare di suonare uno strumento in piedi sulla testa, non funziona. Per le alette stesse, si dovrebbe usare un modello di posizionamento sparso. Se le alette sono raggruppate in modo troppo denso, inibiscono la convezione. 

Quando si tratta di convezione forzata le cose sono più semplici e complesse allo stesso tempo. Il flusso d'aria è garantito, si tratta solo di ottimizzarlo. Come prima, si vuole orientare il dissipatore di calore in modo che l'aria passi parallelamente alle alette. La progettazione delle alette è dove le cose si complicano un po'. Le principali preoccupazioni con la convezione forzata sono la caduta di pressione e la perdita di carico. Se le alette sono troppo alte o troppo dense, causano un'eccessiva caduta di pressione attraverso il dissipatore di calore, con conseguente sistema a perdita di carico. Se si desidera trovare la dimensione e il posizionamento perfetti delle alette, è necessario masticare un po' di numeri.

Conduzione

In un'orchestra, il direttore trasferisce l'istruzione musicale per via aerea attraverso la sua bacchetta. È quasi come un'antenna radio. La conduzione nei circuiti è esattamente l'opposto. Trasferisce il calore tra gli oggetti attraverso il contatto diretto. Quando si tratta di conduzione dovrete pensare a dove andrà il vostro dissipatore di calore, di che cosa sarà fatto, e che TIM userete per attaccarlo alla scheda.

 
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Non cercare di dirigere il calore così come il direttore d'orchestra dirige i musicisti!

Il posizionamento del dissipatore di calore è importante. Si desidera massimizzare il raffreddamento e ridurre al minimo l'utilizzo dello spazio. In realtà, probabilmente saresti più contento se non dovessi usare un dissipatore di calore. Tuttavia, se devi usarne uno, è meglio farlo bene. La posizione ottimale del dissipatore di calore è in un punto caldo, come un potente circuito integrato (IC) o uno spargitore termico che raccoglie il calore da diverse fonti. 

Nella scelta del materiale ci sono due fattori principali da considerare: il peso e la conducibilità termica. L'alluminio ha eccellenti caratteristiche di peso e una discreta conducibilità termica. Il rame ha un'eccellente conducibilità nella gestione termica, ma può essere un po' pesante per la tua scheda. Se il dissipatore di calore è troppo pesante, può stressare il PCB e causare guasti precoci. 

Infine, ma non meno importante in conduzione sono i TIM. Senza un buon TIM, il tuo dissipatore di calore può essere inutile come un suonatore di tuba senza labbra. C'è un'ampia varietà tra cui scegliere e perciò dovresti fare una ricerca ricerca per vedere quale è quello giusto per voi.

Radiazioni

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Questi vanno fino a 11!

A tutti noi, nella nostra band, è sempre stato detto di irradiare più suono possibile per riempire i nostri spazi per i concerti. A tutti tranne i sassofoni, il cui volume di default è 11. Allo stesso modo, vuoi che il tuo dissipatore di calore irradi più calore possibile. Per massimizzare l'irraggiamento, è necessario massimizzare l'area superficiale e l'emissività del dissipatore di calore. 

Più superficie hai a disposizione, più il tuo dissipatore di calore irradierà. Ricorda, però, che a volte un aumento della superficie può causare maggiori perdite per convezione. Quindi, per trovare la soluzione ottimale, è necessario bilanciare la superficie con l'efficienza del sistema

L'emissività è la misura di quanto efficacemente una superficie trasferisce calore all'aria. Fortunatamente, è possibile massimizzare l'emissività senza influenzare la convezione o la conduzione. Si può facilmente trattare l'esterno di un dissipatore di calore per aumentarne l'emissività. Il trattamento superficiale può avere un grande effetto positivo sulle caratteristiche di trasferimento termico del tuo dissipatore di calore, quindi lo consiglio vivamente. 

Quando suoni in un concerto e dimentichi le basi, potresti perderti una o due note. Il tuo regista potrebbe scaldarsi un po' sotto il collare, ma questo è tutto. Perdere la traccia dei fondamenti quando si sceglie un dissipatore di calore può lasciarti un PCB così caldo che prende fuoco. Ecco perché è importante usare efficacemente la convezione, la conduzione e le radiazioni per mantenere la scheda fresca. 

Dopo aver scelto il tuo dissipatore di calore, potresti volere un po' d'aiuto nel tracciare il circuito che andrà a raffreddarsi. CircuitStudio® è un ottimo strumento di progettazione che ha numerosissime funzioni avanzate per aiutarti nella progettazione. Il tuo lavoro potrebbe andare così veloce che potresti avere il tempo di riprendere in mano uno strumento. 

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