Manajemen Termal Elektronik: Pendinginan Aktif vs Pasif

Apakah Anda pernahkah bekerja keras di laptop saat kipas pendingin menyala? Tiba-tiba terdengar seperti pesawat kecil lepas landas di atas meja. Pernahkah Anda secara tidak sengaja menyentuh bola lampu yang panas dan berakhir dengan jari yang terbakar?

Dalam kedua contoh, para insinyur menciptakan alat inovatif untuk mengelola energi panas yang diciptakan oleh sistem penghasil panas ini. Kami akan membahas dasar-dasar pendinginan elektronik dan meninjau sistem manajemen termal modern yang sering kita anggap remeh.

Mengapa Elektronik Menjadi Panas?

Anehnya, alasan komputer yang bekerja keras dan bola lampu menjadi panas, dan mengapa perangkat elektronik menjadi panas, adalah karena hambatan listrik. Hambatan listrik terjadi ketika elektron bergerak melalui bahan sebagai akibat dari ketidakseimbangan muatan. 

Pergerakan elektron-elektron ini melalui suatu bahan menciptakan gesekan antara elektron yang bergerak dan (biasanya) struktur kristal dari bahan tersebut. Jumlah gesekan yang besar ini menghasilkan panas yang berlebihan dan seringkali membutuhkan metode pendinginan sekunder.

Dalam elektronik modern, komponen penghasil energi panas tertinggi adalah LED dan unit pemrosesan (seperti GPU, CPU, dan TPU), yang dibuat menggunakan bahan semikonduktor. Anda juga dapat menemukan energi panas tinggi di perangkat pengubah tegangan seperti:

• Resistor
• Transformer
• Konverter
• Inverter

Pembangkitan panas CPU dan sistem yang membantu mengontrol suhu chip ini adalah yang menyebabkan sistem pendingin kipas laptop menyala dan berjalan selama operasi.

Pendinginan Pasif dalam Elektronika

Pada dasarnya, kita dapat membagi teknik pendinginan elektronik menjadi dua kategori: pendinginan pasif dan pendinginan aktif. 

Pendinginan pasif memanfaatkan konduksi, konveksi, dan radiasi alami untuk mendinginkan suatu komponen.

Pendinginan aktif memerlukan penggunaan energi yang khusus didedikasikan untuk mendinginkan komponen.

Salah satu contoh modern dari dua kategori pendinginan ini adalah di heat sink dan desain penyebar panas, yang keduanya menggunakan prinsip dasar perpindahan panas.

Misalnya, NVIDIA Jetson Nano dilengkapi dengan pendingin yang terpasang pada papan pengembangan, langsung dari kotak. Heat sink sirip kipas ini akan cukup membuang energi dari GPU dan memungkinkan papan pengembangan berjalan dengan benar. Perhatikan heat sink hitam besar pada gambar NVIDIA Jetson Nano di bawah ini.

Heat sink adalah salah satu aksesori manajemen termal yang paling sederhana dan umum. 

Komponen-komponen ini secara efektif memindahkan energi panas dari sumber panas, ke seluruh bahan konduktif termal, dan ke lingkungan sekitar. Sebagian besar aplikasi heat sink bersifat pasif, memanfaatkan dasar-dasar perpindahan panas alami.

Pendinginan Aktif dalam Elektronik

Pada gambar di atas, perhatikan bahwa bidang horizontal atas unit pendingin memiliki empat lubang tembus. Jika unit pendingin membutuhkan kemampuan pendinginan termal tambahan, Anda dapat menggunakan keempat lubang ini untuk memasang kipas pendingin. 

Menambahkan kipas berukuran tepat ke unit pendingin ini akan memaksa udara melintasi komponen dan memungkinkan transfer panas yang lebih besar. Anggap saja seperti mendinginkan secangkir teh panas dengan meniupnya.

Namun, karena kipas membutuhkan daya, sistem manajemen termal ini sekarang menjadi sistem pendingin aktif. Anda akan melihat teknologi pendinginan aktif bekerja di perangkat yang menghasilkan energi panas dalam jumlah besar, seperti:

• Komputer
• Perangkat game
• Televisi
• Mobil
• Hampir semua aplikasi komputer tingkat lanjut

Sistem & Aksesori Manajemen Termal Umum Lainnya

Bentuk umum lainnya dari manajemen termal dalam elektronik modern termasuk pipa panas dan ruang uap. Anda dapat menemukan komponen manajemen termal ini di komputer pribadi, tablet, dan perangkat komputasi intensif lainnya di mana ruang terbatas dan pembangkit panas signifikan.

Pipa panas dan ruang uap menggunakan siklus penguapan dan kondensasi tertutup, yang tidak memerlukan energi sekunder dan dianggap sebagai teknologi pendinginan pasif. Untuk informasi lebih lanjut, pastikan untuk mempelajari lebih lanjut tentang dasar- dasar desain pipa panas .

Pada gambar di bawah, Anda dapat melihat serangkaian enam pipa panas yang memindahkan energi dari penyebar panas CPU ke pendingin bersirip horizontal.

Terakhir, pelumas termal sangat umum pada desain pendinginan aktif dan pasif.

Pelumas termalteknologibertindak sebagai antarmuka termal antara aksesori perpindahan panas padat. Aplikasi yang paling umum adalah antara penyebar panas IC dan heat sink yang mendinginkan chip.

Pada gambar di bawah, Anda dapat melihat pelumas termal diterapkan langsung ke paket chip. Selanjutnya, heat sink atau ruang uap akan ditempatkan di atas gemuk.

Teknologi Pendingin Elektronik Canggih

Ada berbagai bentuk pendinginan elektronik baru dan lanjutan lainnya, yang sebagian besar akan lebih jarang Anda temukan di elektronik umum. Ini termasuk:

• Perangkat pendingin cair, yang memompa cairan dingin melalui penyebar panas khusus yang dipasang di CPU.
• Solusi cair, seperti 3M's Novec™ Engineered Fluids, yang dirancang untuk perangkat komputer lengkap untuk ditenggelamkan.

Cairan ini tidak konduktif secara elektrik, tetapi memiliki kemampuan perpindahan panas yang sangat baik dan hanya digunakan dalam aplikasi komputasi yang ekstrem.