BR112021010446A2 - Acoplamento térmico entre transistor e drivers de áudio com dissipador de calor - Google Patents
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Abstract
ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE TRANSISTOR E
DRIVERS DE ÁUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR.
A invenção se refere ao acoplamento térmico entre o transistor
SMD/driver de áudio e um dissipador de calor, em que o dito acoplamento
térmico consiste em colocar, abaixo do transistor SMD ou driver de
áudio, uma placa de núcleo de material condutor térmico capaz de
eliminar as deficiências do estado da técnica.
O transistor SMD ou driver de áudio (1) é soldado diretamente na parte
superior da placa com núcleo de material condutor térmico (2), a qual
promove a transferência de calor para um dissipador (3) que é soldado
diretamente à parte inferior da placa com núcleo de material condutor
térmico. Esta concepção proporciona uma transferência de calor ideal, já
que o transistor ou driver de áudio (1) é soldado diretamente, através
de um processo de refusão de solda em forno, a um material altamente
condutivo termicamente. Os transistores e drivers são soldados
diretamente na placa através de um material dielétrico altamente
condutivo termicamente usado na sua construção, a instalação da placa
com núcleo de material condutor térmico no dissipador é facilitada, pois
elimina a necessidade de empregar isolantes elétricos e componentes de
fixação como parafusos e presilhas.
Description
COM DISSIPADOR DE CALOR Setor tecnológico da invenção
[001] A presente invenção pertence, de modo geral, ao setor tecnológico de dispositivos eletrônicos e se refere, mais especificamente, ao setor de amplificadores de áudio, tendo por finalidade melhorar o acoplamento térmico entre transistor SMD (surface mount device) e drivers de áudio com seus dissipadores de calor, reduzindo a temperatura de trabalho e permitindo, assim, o aumento da densidade de potência de amplificadores de áudio, redução do custo do produto e aumento da confiabilidade, ao mesmo tempo em que elimina componentes de fixação e isolamento elétrico entre a placa e o dissipador, reduzindo o tempo de fabricação do produto, suas dimensões e custo. Estado da técnica conhecido
[002] O estado da técnica deste setor tecnológico compreende duas modalidades de encapsulamento de transistores para amplificadores de áudio, sendo conhecidos o PTH (pin through-hole) e o SMD (surface mount device).
[003] Os componentes PTH são montados diretamente no dissipador através de parafusos, presilhas e isolante elétrico, por isso possuem um acoplamento térmico adequado. Contudo, a fixação é cara, de montagem lenta e ocupa muito espaço.
[004] Os componentes SMD atuais são soldados diretamente na placa de circuito impresso (PCB), que é produzida em fibra de vidro com baixa condutividade térmica. Para fazer a transferência térmica entre o componente SMD e um dissipador acoplado embaixo da placa de circuito impresso (PCB) são usadas “vias” logo abaixo do transistor, que são furos metalizados com cobre que tem a função de proporcionar a ligação elétrica/térmica entre um lado e outro da placa PCB. Nesta configuração, o acoplamento térmico é prejudicado devido ao fato de as “vias” não possuírem boa condutividade térmica, já que a espessura da metalização de cobre é muito fina, o que faz com que o componente SMD opere em uma temperatura mais alta em relação aos componentes PTH. Uma via de 0,6 mm possui em média uma resistência térmica de 96,8°C/W, o que significa que a cada watt dissipado no componente, sua temperatura se elevará em 96,8°C. A adição de mais vias reduz a resistência térmica, mas esta solução é limitada pelo tamanho reduzido do transistor ou driver de áudio. Em 270 mm2 de placa com o máximo de vias possíveis, a resistência térmica cai para 12°C/W. Para exemplificar, em um amplificador de áudio de 100 W e 90% de eficiência, há uma potência de 10 W dissipada no transistor ou driver de áudio que precisa ser transferida para o dissipador de calor e as vias não dão a condução térmica adequada à essa aplicação. Nesse exemplo, o componente chegaria a 120°C dissipando uma potência de 10 W, sendo que a maioria dos transistores possuem uma temperatura de trabalho máxima de 150°C. Outra desvantagem se refere à necessidade de usar isolante elétrico entre a placa e o dissipador.
[005] Nesse contexto, o documento US 6,828,170, publicado em 10/01/2002, revela um pacote de radiação óptica semicondutor incluindo um quadro, pelo menos um emissor de radiação óptica de semicondutor e um encapsulante. O quadro tem um membro de extração de calor, que suporta o emissor óptico semicondutor e fornece um ou mais caminhos térmicos para remover o calor gerado dentro do emissor para o ambiente, bem como pelo menos dois condutores elétricos para fornecer acoplamento elétrico à radiação óptica do semicondutor emissor. O encapsulante cobre e protege o emissor e os cabos opcionais de danos e permite que a radiação seja emitida do emissor para o ambiente. No entanto, tal documento não revela o emprego de dielétrico na interface entre a placa e o componente SMD, portanto, não o isolando eletricamente; além disso, tal documento não aponta para a instalação de dissipador do lado oposto da placa em relação ao componente SMD.
[006] O documento US 2002/0109544, publicado em 15/08/2002, revela um amplificador musical que inclui uma válvula de vácuo e um transistor. O tubo de vácuo é conectado à porta do transistor, de forma que o fluxo de corrente através do transistor seja controlado pelo tubo de vácuo. De acordo com um exemplo da invenção, o arranjo de tubo de vácuo-transistor é configurado em um arranjo "push-pull", onde uma combinação de tubo de vácuo-transistor controla tensões positivas, e outra combinação de tubo de vácuo-transistor controla as tensões negativas entregues pelo sistema, a saída do sistema estando em tensão aproximadamente zero quando não está sob carga. Tal documento não fornece solução técnica para reduzir o tamanho de placas com componentes SMD e evitar seu sobreaquecimento. Resta evidente, portanto, uma deficiência do estado da técnica, cuja solução técnica, proposta pela presente invenção, é descrita a seguir. Novidade e objetivos da invenção
[007] A presente invenção se refere a um acoplamento térmico aperfeiçoado entre o transistor SMD/driver de áudio e um dissipador de calor, em que o dito acoplamento térmico consiste em colocar, abaixo do transistor SMD/driver de áudio, uma placa de núcleo de material condutor térmico capaz de eliminar as deficiências do estado da técnica. Assim, a presente invenção compreende a substituição do núcleo das placas de circuito impresso, originalmente produzidas com compostos epóxi e/ou placas de fibras, por um núcleo constituído por um material com condutividade térmica compatível, como alumínio, cobre ou cerâmica. Tal substituição permite que o transistor ou o driver de áudio tenha um acoplamento térmico direto com o dissipador através da soldagem direta do mesmo na placa com núcleo de metal e uma transferência de calor equivalente aos componentes PTH. Uma vez que os transistores e drivers são soldados diretamente na placa com núcleo de material condutor térmico, isolada eletricamente entre o núcleo de material condutor térmico e o transistor através de um material dielétrico altamente condutivo termicamente usado na sua construção, a instalação da placa com núcleo de material condutor térmico no dissipador é facilitada, pois elimina a necessidade de empregar isolantes elétricos e componentes de fixação como parafusos e presilhas (necessários nos componentes PTH).
[008] As vantagens da invenção são várias, dentre as quais destacam-se as seguintes. Ao trocar as placas de circuito impresso (PCB) utilizadas no estado da técnica por uma placa de núcleo de material condutor térmico, o componente SMD operará em uma temperatura menor, aumentando a confiabilidade do produto, já que a potência máxima de trabalho do transistor ou driver é inversamente proporcional à sua temperatura de operação (Figura 1). Dessa forma, é possível também utilizar um componente de potência menor e mais barato, garantindo a mesma confiabilidade na aplicação. Tal característica de aprimoramento de dissipação permitirá, portanto, a fabricação de amplificadores de áudio com tamanho menor do que os disponíveis no estado da técnica.
[009] Em alguns casos, a placa de material condutor térmico pode substituir o dissipador, já que é produzida no mesmo material que os dissipadores de calor e pode assumir a mesma função. Descrição dos desenhos anexos
[0010] A fim de que a presente invenção seja plenamente compreendida e levada à prática por qualquer técnico no assunto, a mesma será explicada de forma clara, concisa e suficiente, tendo como base os desenhos anexos abaixo listados, que são apenas exemplificativos de concretizações preferenciais sem ter a finalidade de limitar o escopo da invenção apenas aos exemplos ilustrados, pois qualquer um versado na técnica sabe que inúmeras alterações, supressões, adições e substituições podem ser realizadas sem escapar do escopo da proteção:
[0011] Figura 1 apresenta uma curva típica de corrente máxima de operação versus temperatura de um transistor disponível no estado da técnica.
[0012] Figura 2 apresenta uma configuração de dispositivo disponível no estado da técnica atual, ilustrando um transistor SMD ou driver de áudio montado sobre uma placa de fibra de vidro padrão com vias para transferência térmica.
[0013] Figura 3 apresenta a invenção proposta, em que o transistor SMD ou driver de áudio é soldado sobre uma placa de núcleo de material condutor térmico com transferência de calor para um dissipador.
[0014] Figuras 4 e 5 apresentam comparações entre amplificador de 1200 W empregado no estado da técnica (à esquerda) e amplificador de 1200 W de acordo com a presente invenção, com dimensões inferiores (à direita).
[0015] Figuras 6 e 7 apresentam comparações entre amplificador de 800 W empregado no estado da técnica (à esquerda) e amplificador de 800 W de acordo com a presente invenção, com dimensões inferiores (à direita). Descrição detalhada da invenção
[0016] A invenção compreende transistor SMD ou driver de áudio (1) soldado diretamente na parte superior de uma placa com núcleo de material condutor térmico (2), a dita placa com núcleo de material condutor térmico promovendo transferência de calor para um dissipador (3), sendo o dito dissipador soldado diretamente à parte inferior da placa com núcleo de material condutor térmico. Esta concepção proporciona uma transferência de calor ideal, já que o transistor ou driver de áudio (1) é soldado diretamente, através de um processo de refusão de solda em forno, a um material altamente condutivo termicamente.
[0017] Em uma concretização preferencial da invenção é utilizada uma placa (2) com núcleo de alumínio, cobre ou cerâmica. Na figura 1 é apresentada a curva típica de corrente máxima de operação versus temperatura de um transistor e, como já explanado anteriormente, com os componentes instalados de modo convencional em uma placa de 270 mm2, um amplificador de áudio de 100 W e 90% de eficiência apresentará uma potência de 10 W dissipada no transistor ou driver de áudio que precisa ser transferida para o dissipador de calor, elevando a temperatura do componente montado em 120ºC. Na mesma área de 270 mm2, com os componentes instalados de acordo com a presente invenção, a resistência térmica de uma placa de núcleo de material condutor térmico (2) é de apenas 0,2°C/W e um componente (2) que dissipa os mesmos 10 W elevaria sua temperatura em apenas 2°C.
[0018] Dois protótipos foram montados de acordo com a invenção, um com um amplificador de 800 W e outro com um amplificador de 1200 W, ambos dotados de placa com núcleo de material condutor térmico. No amplificador de 800 W, a densidade de potência (Watt/cm³) aumentou em torno de 2x, e, no amplificador de 1200 W, a densidade de potência aumentou em torno de 3x, reduzindo as dimensões do produto final na mesma proporção, em comparação com os conhecidos até a presente data, evidenciando a grande melhoria que a patente proposta oferece ao produto, visto que a redução do tamanho da placa e do dissipador resultam em uma grande redução de custo. Os dois protótipos atingiram a potência especificada e tiveram desempenho térmico, potência e durabilidade equivalentes ou melhores que os produtos sem a utilização das melhorias citadas na invenção.
[0019] No exemplo revelado na Figura 4, tem-se a comparação entre um amplificador de 1200 W convencional e um empregando a presente tecnologia. O amplificador convencional possui dimensões de 7,1 cm por 10,5 cm. O amplificador de acordo com a presente invenção apresenta dimensões de 5 cm por 7 cm. Ambos permitem o funcionamento adequado do amplificador de 1200 W, permanecendo a temperaturas baixas, evidenciando o efeito técnico obtido pela presente invenção, que permitiu uma redução de 53% nas dimensões do amplificador.
[0020] Tratou-se no presente relatório descritivo de uma invenção revestida de aplicação industrial, novidade e atividade inventiva, sendo, portanto, dotada de todos os requisitos legais para receber a patente pleiteada.
Claims (1)
- REIVINDICAÇÕES 1- ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR que compreende transistor SMD ou driver de áudio, placa e dissipador de calor, caracterizado pela dita placa ser uma placa de núcleo de material condutor térmico (2), o dito transistor SMD ou driver de áudio (1) ser soldado na parte superior da dita placa de núcleo de material condutor térmico (2) e isolado eletricamente da dita placa de núcleo de material condutor térmico (2) através de um dielétrico, e o dito dissipador de calor (3) ser soldado na parte inferior da dita placa de núcleo de material condutor térmico(2). 2- ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dita placa de núcleo de material condutor térmico (2) ter núcleo escolhido do grupo formado por alumínio, cobre ou cerâmica. 3- ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito transistor SMD ou driver de áudio (1) ser soldado à dita placa de núcleo de metal via um processo de refusão de solda em forno. 4- ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a resistência térmica da placa de núcleo de material condutor térmico (2) ser de 0,2°C/W.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B06W | Patent application suspended after preliminary examination (for patents with searches from other patent authorities) chapter 6.23 patent gazette] |