O documento discute o cálculo térmico em semicondutores. Explica que semicondutores geram calor através do efeito Joule e que é necessário dissipar esse calor para evitar a destruição dos dispositivos. Detalha os três mecanismos de propagação de calor - radiação, convecção e condução - e foca principalmente nesta última para dissipação em semicondutores através do uso de dissipadores térmicos.
1. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA B
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
5o período Disciplina: Eletrônica Aplicada I - TE228
Professor:
Cálculo térmico em semicondutores
Rogers Demonti
Objetivos:
Recapitular os conceitos da propagação do calor.
Realizar o cálculo térmico para dissipação de calor em semicondutores.
Referências
PAULA, Luciano Severino de. Apostila de Eletrônica Aplicada. Federação dos Círculos
Operários do Rio Grande do Sul. Escola Técnica Santo Inácio. 2008.
2. Cálculo térmico em semicondutores
Introdução
As potências manejadas pelos
dispositivos semicondutores, transistores,
TRIAC, MOSFET, Reguladores de tensão etc.,
tem em muitos casos uma magnitude
considerável. Além disso, o problema se agrava
tendo em conta que o tamanho de tais
dispositivos é muito pequeno, o que dificulta a
transferência do calor produzido. Um corpo
que conduz uma corrente elétrica perde parte
de energia em forma de calor por efeito Joule.
No caso dos semicondutores, manifesta-se
principalmente na junção PN, e se a
temperatura aumenta o suficiente, produz-se a fusão térmica da junção, inutilizando o
dispositivo. Os dispositivos de potência reduzida, dissipam o calor através de seu
encapsulamento para o ambiente, mantendo um fluxo térmico suficiente para evacuar todo o
calor e evitar sua destruição. Nos dispositivos de maior potência, a superfície do
encapsulamento não é suficiente para poder evacuar adequadamente o calor dissipado. Recorre-
se para isso aos radiadores (heatsinks), que proporcionam uma superfície adicional para o fluxo
térmico.
Propagação do calor
O calor se transmite mediante três formas conhecidas: radiação, convecção e condução.
Por radiação recebemos os raios do Sol. A radiação não precisa um meio material para
propagar-se, pode fazê-lo através do vácuo. Todo corpo com uma temperatura superior ao zero
grau absoluto (kelvin) produz uma emissão térmica por radiação que neste caso é de uma
magnitude desprezível e portanto não levamos em conta a emissão por radiação. A convecção é
um fenômeno que ocorre nos fluidos, tais como o ar ou o água. Este fenômeno favorece a
propagação do calor nestes corpos, que são muito bons isolantes térmicos. Um corpo quente
submerso em ar faz que as zonas próximas ao mesmo se esquentem, o que a sua vez ocasiona
uma diminuição de sua densidade, e por isto se deslocará esta massa de ar quente para níveis
mais elevados dentro do recinto.
Imediatamente, o "oco" que deixou este ar é ocupado por ar mais frio, e assim se repete o
ciclo, gerando correntes convectivas que facilitam o fluxo térmico. Este mesmo fenômeno se dá
na água, ou em qualquer líquido ou gás.
A transmissão por condução se manifesta em corpos sólidos. Curiosamente os corpos que
são bons condutores elétricos, também o são térmicos. Isso se explica a nível subatômico. O
cobre, a prata, níquel, alumínio, ouro, etc., são excelentes condutores. Se aplicamos uma chama
a uma barra de cobre, em seguida notaremos o calor pelo extremo que o agarramos. Este calor
se propagou por condução.
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