Panoramica sulle Tecniche di Dissipazione del Calore Passiva nel PCB

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Hai mai avuto così caldo che hai pensato di poterti sciogliere come un ghiacciolo? L’estate qui nella Sud California fa piuttosto caldo e mi fa desiderare dei ghiaccioli personalizzati. Quando arrivo a casa da lavoro mi piace accendere al massimo l’aria condizionata e fare come se vivessi in un igloo. In ogni caso, la cosa peggiore rispetto a bollire al calore è vedere tutti i miei soldi evaporarsi per le spese di condizionatore. Altre persone hanno un approccio differente al condizionatore; utilizzano forme geometriche o scambiatori di calore per raffreddare passivamente le proprie case. Potrei ridere ogni qualvolta vedo una casa con cupola geodetica, ma i proprietari sono coloro i quali riescono a stare freschi e con i soldi. Raffreddare il tuo PCB può essere una scocciatura tanto quanto raffreddare casa tua. I sistemi di riduzione del calore risucchiano energia e prendono molto spazio. Fortunatamente per noi, i PCB possono anche trarre beneficio dal raffreddamento passivo. Alcune delle principali tecniche di raffreddamento senza energia includono convezione naturale, dissipatori di calore e scambiatori di calore. C’è anche una tecnica innovativa di raffreddamento a goccia che potrebbe fare la sua apparizione nei prossimi anni. 

Vantaggi della Tecnica Passiva 

Normalmente, preferisco una tecnica di raffreddamento, come l’aria condizionata, rispetto ad una tecnica passiva, come sudare abbondantemente. Il problema con il raffreddamento nei PCB è che normalmente necessitano di troppa energia e troppo spazio. 

L’utilizzo di energia sembra sempre insinuarsi su di te. Non mi rendo mai conto di aver speso diversi centinaia di dollari per raffreddare casa fin quando non ricevo la bolletta. La stessa cosa accade con i circuiti. Gli IC principali già utilizzano tonnellate di Watt, quindi a chi importa se aggiungiamo una ventola a basso consumo. Beh, se la tua applicazione è a bassa potenza, un prelievo extra di energia potrebbe significare una durata della batteria molto più breve. 

Alcuni progettisti hanno il privilegio di utilizzare tanto spazio quanto ne hanno bisogno. Sfortunatamente, non sono uno di loro. Lo spazio è una comodità preziosa sulla maggior parte dei miei progetti. Ciò significa che ho bisogno di ridurre il consumo di spazio dei componenti di raffreddamento, come ventole, per fare spazio ai circuiti. 

I sistemi di raffreddamento passivo utilizzano fenomeni naturali per raffreddare le basette, il che vuol dire non necessitano di alcuna energia in più per funzionare. Sono anche generalmente più piccoli rispetto ai sistemi, sebbene ciò può variare in relazione al design che scegli. 

 

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I dissipatori di calore hanno un bell’aspetto e aiutano a tenere fresco il tuo PCB.

Sistemi di Raffreddamento Passivi 

Esistono sicuramente un po’ di altre tecniche di raffreddamento rispetto a quelle menzionate che menzionerò qui. In ogni caso, queste sono alcuni dei sistemi più raffreddanti. 

  • Convezione Naturale/Dissipatori di Calore - La convezione naturale è quello che mi piace. Mentre non devi necessariamente utilizzare dissipatori di calore per beneficiare di ciò, sono adatti a ciò. Quando organizzato correttamente, i dissipatori di calore possono utilizzare il flusso d’aria naturale per dissipare calore senza utilizzare energia. Se vuoi progettare un dissipatore di calore ottimale, dovrai sistemare un po’ di numeri per ottenere un flusso d’aria efficace e ridurre lo strato limite. La soluzione è estremamente semplice, ma necessita di maggiore spazio rispetto ad altri approcci passivi. 

  • Conduzione e Dissipatori di Calore/ Radiazione/ - Dove la convezione comporta trasferire calore nei fluidi, radiazione e conduzione affrontano i solidi. I dissipatori di calore normalmente non sono la spina dorsale della gestione della resistenza termica, ma invece la aumentano. In pratica, qualsiasi pezzo di metallo agisce come un dissipatore di calore visto che condurrà energia termica. Per utilizzare al meglio conduzione e radiazione, dovresti cercare di indirizzare più calore possibile agli strati esterni della tua basetta, dove può essere radiato con maggiore efficacia. Puoi utilizzare via termiche per condurre il calore, anziché l’elettricità, all’esterno delle basette multistrato. Anche una grande potenza e piani di massa aiuteranno a dissipare il calore poichè aree più grandi  irradieranno in maniera più efficace. 

  • Scambiatori di Calore - Gli scambiatori di calore sono spesso utilizzati nelle unità AC convenzionali. Utilizzano un refrigerante ed un ciclo di vaporizzazione/condensazione per trasferire calore da una zona ad un’altra. Nei PCB, ci sono due tipi principali di scambiatori di calore: condotti termici e cold plates. La differenza principale fra queste è il fattore di forma; i condotti termici sono sottili e i cold plates sono ampi. Questo tipo di sistema può essere molto piccolo e trasferisce calore con efficacia. Ha anche una bassa opportunità di fallimento visto che è un sistema autonomo senza meccanica. 

  • Raffreddamento a Goccia - Tale tipo di raffreddamento sperimentale prevede lo stesso tipo di processo trovato negli scambiatori di calore. La differenza principale è che il fluido negli scambiatori di calore si muove per una distanza relativamente lunga orizzontalmente, mentre qui il fluido percorre una distanza breve verticalmente. La cosa simpatica riguardo tale sistema è che reagisce automaticamente ai punti caldi che si possono formare sui circuiti integrati (IC). In aggiunta, può essere condotta e radiata energia termica come un dissipatore di calore per dissipazione di energia, ma con efficacia maggiore, perché può condurre sia verticalmente che orizzontalmente. 

 

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Ecco cosa accade quando non hai alcun tipo di raffreddamento. 

Potrei non essere capace di aiutarti a sconfiggere il caldo estivo, ma queste tecniche ti aiuteranno a tenere fresche le tue basette. Tutti questi processi passivi salveranno l’energia del tuo circuito e generalmente utilizzeranno meno spazio di ogni altro sistema. Se alimentazione e spazio sono grandi preoccupazioni per te, prova uno di questi sistemi. 

Ora che tu hai un grande sistema di raffreddamento, necessiti un materiale per PCB da abbinarci. Se stai per disegnare le basette, ti consiglierei di utilizzare CircuitStudio®. La sua pletora di strumenti avanzati  ti aiuterà a tenerti fresco per creare layout. Hai maggiori domande riguardo la gestione dei pad termici? Chiama un esperto Altium.

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