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Panoramica sulle tecniche di dissipazione del calore passiva nel PCB

Creato: August 24, 2017
Aggiornato: January 30, 2024

Dissipazione termica del PCB con Altium

Raffreddare il tuo circuito stampato con le giuste tecniche di dissipazione termica per PCB o sistemi di raffreddamento può essere una sfida impegnativa. 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 di raffreddamento passiva per PCB

Normalmente, preferisco una tecnica di raffreddamento o dissipazione termica, 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 schede, 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. 

 

Dissipatore di calore in un PCB

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 efficaci. 

  • Convezione naturale/Dissipatori di calore: la convezione naturale è il sistema che preferisco. Sebbene l'uso di dissipatori di calore non sia obbligatorio per ottenere tali vantaggi, essi sono ben adattati a tale scopo. 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, 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 scheda, dove può essere radiato con maggiore efficacia. Puoi utilizzare via termiche per condurre il calore, anziché l’elettricità, all’esterno delle schede 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 tipologia 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. 

 

Conseguenze della mancanza di sistemi di raffreddamento per PCB

Ecco cosa accade quando non hai alcun tipo di raffreddamento. 

Queste tecniche ti aiuteranno a tenere fresche le tue schede PCB. 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 una di queste tecniche di dissipazione termica

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