Las tasas de fallo de muchos componentes electrónicos aumentan con la temperatura. Se trata de un problema que supone un reto para los diseñadores, ya que el aumento de la densidad de los transistores significa que los dispositivos generan más vatios por centímetro cuadrado que nunca. Las técnicas de modelado CFD predicen la eficacia de los métodos de disipación del calor, como la dispersión de componentes y la adición de disipadores de calor y ventiladores, pero las pruebas siguen siendo un paso esencial.
Aunque las pruebas en banco pueden ser suficientes para algunos componentes y placas, un enfoque mejor es colocarlos en un túnel de viento [estándares como la NEBS (Network Equipment Building System) requieren pruebas en túnel de viento]. Las pruebas en túnel de viento suelen asociarse a la aerodinámica, pero también son un importante método de prueba para componentes de Electrónica. Solo en un túnel de viento se puede controlar el flujo de aire para evaluar los efectos de la refrigeración por ventilador, por ejemplo.
Este informe técnico de OMEGA Engineering explora los usos de los túneles de viento de laboratorio. Se presta especial atención a las pruebas de electrónica, pero también se aborda su papel en la calibración. Las secciones individuales tratan los siguientes temas:
- Necesidad de la gestión térmica
- NEBS
- Uso de un túnel de viento para la verificación y prueba de modelos
- Túneles de viento de laboratorio
Necesidad de gestión térmica
A medida que la densidad de los transistores sigue aumentando, los microprocesadores consumen más energía y desprenden más calor. La refrigeración es esencial para un funcionamiento fiable, por lo que los disipadores de calor se han hecho más grandes, los ventiladores de refrigeración más potentes y los tubos de calor más comunes. Pero los procesadores no son la única fuente de calor. Todos los componentes electrónicos activos generan calor, y el diseño de los circuitos modernos los agrupa en densidades cada vez mayores.
La fiabilidad de los componentes electrónicos es inversamente proporcional a la temperatura de funcionamiento, por lo que a mayor calor se requiere más refrigeración. Para garantizar la fiabilidad a largo plazo, la temperatura de unión de los componentes debe mantenerse por debajo de los 75 °C (167 °F). Históricamente, los principales métodos para lograrlo han sido la convección y el aire forzado. En los dispositivos en los que la fiabilidad no es una preocupación prioritaria, estos métodos han sido suficientes, aunque el aumento de la producción de calor está cambiando esta situación.
Algunas aplicaciones, especialmente aquellas en las que las garantías y los ciclos de vida son largos, exigen niveles muy altos de fiabilidad. Se trata de situaciones en las que el acceso es difícil y costoso, o en las que el tiempo de inactividad conlleva altos costes o pérdidas de ingresos. Un sector industrial concreto en el que esto ocurre es el de la red telefónica pública conmutada (PSTN). Organizaciones como Bell, y ahora Telcordia, conceden gran importancia a que los componentes de electrónica alcancen una alta fiabilidad durante periodos de 20 años o más.
NEBS
Con el fin de garantizar que los conmutadores de red funcionaran de forma fiable durante largos periodos de tiempo, en la década de 1970 Bell Labs desarrolló un conjunto de estándares que se conocieron como los criterios NEBS. Aunque hoy en día se denominan más correctamente Requisitos Genéricos (GR), siguen siendo los estándares principales que rigen el rendimiento de los equipos de telecomunicaciones. La FCC exige niveles muy altos de tiempo de actividad para la PSTN, lo que fue el motor del desarrollo de NEBS. Incluso donde su uso no es obligatorio, como en las redes inalámbricas, los operadores de sistemas prefieren utilizarlos, debido a la gran fiabilidad que han demostrado.
A lo largo de los años, otros países han adoptado estándares similares. En la UE, por ejemplo, el equivalente a NEBS son los estándares del Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI).
Uso de un túnel de viento para la verificación y prueba de modelos
En cualquier proceso de desarrollo es importante identificar los problemas desde el principio, preferiblemente antes de invertir dinero en herramientas y fabricación. Esto reduce el riesgo de fallos en las pruebas, que a menudo acaban obligando a un costoso y apresurado rediseño y a retrasos en el lanzamiento. Dada la importancia del calor como factor en el diseño de productos de electrónica, se ha convertido en una práctica estándar crear modelos CFD antes de construir componentes y placas físicos. Estos permiten comparar los flujos de calor en diseños competidores y, por lo tanto, ayudan a mejorar la fiabilidad.
Sin embargo, independientemente de la cantidad de modelado que se realice, la verificación sigue siendo un paso esencial. Aquí es donde el túnel de viento se convierte en un equipo esencial.
Con un túnel de viento de laboratorio, los componentes y las placas se pueden montar en una corriente de aire y equipar con Termopares. La placa o el componente se pueden encender y someter a pruebas de generación de calor, registrando las temperaturas resultantes para compararlas con las predicciones del modelo. Alternativamente, colocar diseños prototipo de la competencia uno al lado del otro (como disipadores de calor) permite una comparación directa del rendimiento. En algunos túneles de viento, el aire se puede calentar a una temperatura específica para probar el rendimiento en condiciones ambientales variables (esto es importante para NEBS, donde es muy deseable un rendimiento fiable con alimentación por batería sin sistemas de refrigeración).
Uso de un túnel de viento para la calibración
Mini túnel de viento de laboratorio Los túneles de viento de laboratorio tienen usos que van más allá de la verificación de modelos CFD. Se pueden utilizar para calibrar sensores de aire y temperatura, así como para calibrar anemómetros. Estos pueden ser de tipo veleta, de hilo caliente o anemómetros de tubo Pitot.
Otro uso de calibración de los túneles de viento de laboratorio es la generación de curvas P-Q para ventiladores. Las curvas P-Q caracterizan el rendimiento de los ventiladores, por lo que son un criterio de selección importante.
Los túneles de viento para la calibración de anemómetros son grandes tubos por los que circula aire. Cuentan con un ventilador que mueve el aire. El ventilador debe tener paletas enderezadoras para suavizar el flujo de aire. El instrumento sometido a prueba se coloca en el centro del túnel y se fija para que no se mueva.
Hay varios requisitos para la calibración de los anemómetros que deben tenerse en cuenta:
- Todos los transductores y equipos de medición deberán tener calibraciones trazables. Los certificados y los informes de calibración deberán contener toda la información relevante sobre la trazabilidad.
- Antes de cada calibración, se debe verificar la configuración mediante la calibración comparativa de un anemómetro de referencia .
- Se debe verificar la repetibilidad de la calibración.
- Se debe llevar a cabo una evaluación de la incertidumbre de la medición de acuerdo con las directrices.También existen requisitos especiales para el túnel de viento. La presencia del anemómetro no debe afectar sustancialmente al campo de flujo en el túnel de viento. El flujo a través del área cubierta por el anemómetro debe ser uniforme. Normalmente se utilizan factores de corrección para los anemómetros que distorsionan o bloquean significativamente la trayectoria del flujo. Para garantizar la repetibilidad de la instalación, se realizarán cinco calibraciones de un anemómetro de referencia. La diferencia máxima entre estas calibraciones debe ser inferior al 0,5 % a una velocidad del viento de 10 m/s. El montaje puede tener efectos drásticos en la sensibilidad del instrumento, especialmente si la relación entre el diámetro del tubo y el diámetro del rotor es alta.
Es importante asegurarse de que el anemómetro no se vea influido por la presencia de ningún equipo de medición de la velocidad del viento de referencia.
Túneles de viento de laboratorio disponibles actualmente en el mercado
Actualmente existe en el mercado una gama completa de túneles de viento de laboratorio. Estos van desde los compactos y económicos hasta los de calidad investigadora. Todos incorporan características para minimizar las turbulencias del aire, como estructuras alveolares, y están diseñados para ofrecer una alta precisión y repetibilidad.
Existe un túnel de viento para la evaluación térmica de placas de circuitos, disipadores de calor, componentes y calibraciones de sensores de velocidad del aire. Cuenta con una cámara de pruebas de policarbonato transparente con una sección transversal de 43 por 8,25 cm y se alimenta mediante cuatro ventiladores que proporcionan hasta 5 m/s (1000 pies/min). El software es disponible para el control preciso del flujo de aire mediante un ordenador, utilizando el Cable USB incluido.
Ideales para pruebas NEBS, los túneles de viento de circuito cerrado de laboratorio recirculan el aire en lugar de expulsarlo a la sala. Este diseño es ventajoso cuando se prueban placas y componentes en aire caliente, ya que alcanza rápidamente la temperatura y proporciona una buena estabilidad térmica. La sección de pruebas de policarbonato mide 41,8 x 22,5 x 8,9 cm. Se pueden programar velocidades de aire de hasta 7 m/s (1200 pies/min) a través del controlador y el aire se puede calentar a 85 °C con una precisión de + 1 °C.
El túnel de viento de bucle abierto más grande tiene una sección de prueba de plexiglás que mide 60,9 x 40,6 x 8,2 cm, lo que lo hace lo suficientemente grande como para albergar dos disipadores de calor uno al lado del otro. Los ventiladores están montados en bandejas, por lo que se pueden cambiar para proporcionar flujos de aire de hasta 10 m/s (2000 pies/min). El diseño de circuito abierto también se puede utilizar para generar curvas P-Q, así como para realizar pruebas de PCB y componentes.
Una unidad ligeramente más grande es un túnel de viento totalmente controlable para realizar pruebas térmicas y de flujo de aire de múltiples PCB. Puede alojar hasta seis PCB a la vez, lo que permite realizar pruebas de distribución del flujo térmico y caracterización de la caída de presión. La sección de pruebas de plexiglás mide 60,9 x 46,9 x 7,6 cm. Son posibles flujos de aire de hasta 10 m/s (2000 pies/min). Los ventiladores están montados en bandejas, por lo que se pueden cambiar para proporcionar el flujo de aire requerido.
A slightly larger unit is a fully controllable wind tunnel for thermal and air flow testing of multiple PCBs. It can accommodate up to six PCBs at once, allowing testing of their thermal flow distribution and for pressure drop characterization. The Plexiglas test section measures 60.9 x 46.9 x 7.6 cm. Air flows up to 10 m/s (2,000 ft. / min) are possible. Fans are tray-mounted so they can be changed to provide the air flow required.
Pruebas de fiabilidad en túnel de viento
El uso principal del túnel de viento del laboratorio es caracterizar y verificar el modelado del rendimiento térmico de los componentes de electrónica y las PCB. Esto es muy importante para garantizar las bajas temperaturas necesarias para un funcionamiento fiable, y especialmente importante para el hardware sujeto a NEBS o estándares similares.
