Teste de Interface Térmica

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O objetivo desta postagem é apresentar o projeto de um dispositivo que permite verificar a eficiência de uma interface térmica.



Escrito e desenvolvido por Léo Corradini.

Na época dos processadores Pentium III, senti a necessidade de criar um teste simples e relativamente rápido para o acoplamento térmico entre o processador e o dissipador de calor.
O cristal de silício do processador é exposto e exige um cuidado extra ao se montar o conjunto dissipador/ventoinha sobre ele sob pena de lascar a CPU.

Então pensei em usar os "thermal pads", condutores térmicos de silicone que começaram a aparecer no mercado.
Eles eram macios e certamente ajudariam a proteger o cristal de silício na hora da montagem.




A conclusão que cheguei, na época, é que mesmo as pastas térmicas genéricas eram mais eficientes.
Hoje, acredito que os novos modelos de pads sejam melhores, isso será assunto para um futuro ensaio comparativo. 

O projeto consiste de um transistor MOSFET de potência ligado a uma eletrônica que mantém constante a corrente entre o Drain e o Source.
Dessa forma, temos uma potência constante sendo dissipada pelo transistor que simula o calor gerado pelo cristal de silício do processador.




O MOSFET está montado no centro de um suporte de CPU ZIF (Zero Insertion Force) sem a parte de cima e os contatos elétricos para facilitar a fixação da trava do conjunto dissipador/ventoinha e colocar o dissipador aproximadamente na mesma altura da CPU. 




Montei um sensor LM35 em baixo do dissipador do MOSFET que permite medir a temperatura de forma precisa usando apenas um voltímetro digital.
O sensor LM35 gera uma tensão linear, com a temperatura, de 10mV/°C.



A eletrônica é composta por um amplificador operacional configurado como comparador diferencial de duas entradas ligado através de um divisor  resistivo ao Gate do MOSFET.
Um ramo do comparador diferencial é ligado a uma fonte de tensão constante e ajustável.
O outro ramo é ligado, em cotra fase, no resistor de Source do MOSFET.
Assim, a tensão sobre esse resistor cria a realimentação necessária para controlar a corrente no transistor.



Para alterar a corrente e consequentemente a potência dissipada no MOSFET basta ajustar a tensão no primeiro ramo atuando sobre o trimpot de 10kohm. 
Três diodos em série criam um comum virtual com um potencial mais alto para a correta alimentação do amplificador operacional com uma simples fonte de 12V estabilizada de bancada. 




Para testar a interface, basta comparar a temperatura do dissipador do MOSFET antes e depois de ligado, quanto menor a diferença entre elas, melhor será o acoplamento térmico entre o transistor e o conjunto dissipador/ventoinha.

Para ilustrar o funcionamento, fiz três testes simples com uma potência de 2W (1) sobre o MOSFET.

O primeiro teste foi sem nenhuma interface especial:

Temperatura com MOSFET desligado = 28,33°C
Temperatura com MOSFET ligado = 34,16°C
34,16 - 28,33°C = 5,83°C

Segundo teste com pasta térmica genérica:




Temperatura com MOSFET desligado = 28,63°C
Temperatura com MOSFET ligado = 32,41°C
32,41 - 28,63 = 3,78°C

Desliguei a ventoinha e a temperatura subiu para 50,88°C




No terceiro teste usei como interface uma moeda de 9 mm de diâmetro e 0,25 mm de espessura do metal índio (2):




Temperatura com MOSFET desligado = 28,49°C
Temperatura com MOSFET ligado = 33,84°C
33,84 - 28,49 = 5,35°C

Atribuo a esse péssimo resultado à grande irregularidade da superfície da moeda de índio.

Não experimentei o metal líquido porque o gálio, da liga, penetraria por entre os cristais do alumínio do dissipador e o destruiria, também contaminaria a superfície de cobre do MOSFET.  

(1) Valores da tensão (ER) no resistor de Source e potência sobre o MOSFET:

ER (V)........Potência (W) 

0,0235...........0,5
0,0488............1
0,1.................2
0,152..............3
0,258..............5
0,538.............10
0,656.............12
0,838.............15
1,158.............20
  
(2) Folhas finas do metal índio estão sendo propostas com interface térmica para CPUs.

Esse metal é muito macio, então ele preencheria a rugosidade das superfícies melhorando a transferência de calor.
Em princípio, ele seria mais interessante que o metal líquido por não apresentar as desvantagens da liga, ou seja:

- O metal líquido pode contaminar a placa mãe e causar curtos.
- Destruir dissipadores de alumínio.
- Contaminar superfícies de cobre.

Comentários

  1. Teu blog é interessantíssimo!
    Você é engenheiro químico, meu caro?

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  2. Obrigado McGyver !
    Este blog é um hobby, minha atividade profissional é outra.

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