I tassi di guasto di molti componenti elettronici aumentano con la temperatura. Si tratta di un problema che mette alla prova i progettisti, poiché l'aumento della densità dei transistor comporta una maggiore generazione di watt per cm² da parte dei dispositivi. Le tecniche di modellazione CFD consentono di prevedere l'efficacia degli approcci di dissipazione del calore, come la dispersione dei componenti e l'aggiunta di dissipatori di calore e ventole, ma i test rimangono un passo essenziale.
Sebbene i test al banco possano essere sufficienti per alcuni componenti e schede, un approccio migliore consiste nel collocarli in una galleria del vento [standard come il Network Equipment Building System (NEBS) richiedono test in galleria del vento]. I test in galleria del vento sono solitamente associati all'aerodinamica, ma sono anche un importante metodo di test per l'elettronica. Solo in una galleria del vento è possibile gestire il flusso d'aria per valutare gli effetti del raffreddamento delle ventole, ad esempio.
Questo white paper di OMEGA Engineering esplora gli usi delle gallerie del vento di laboratorio. Particolare attenzione è dedicata ai test sull'elettronica, ma viene anche trattato il suo ruolo nella calibrazione. Le singole sezioni trattano:
- Necessità della gestione termica
- NEBS
- Uso di una galleria del vento per la verifica e il collaudo dei modelli
- Gallerie del vento da laboratorio
Necessità della gestione termica
Con l'aumento della densità dei transistor, i microprocessori consumano più energia e generano più calore. Il raffreddamento è essenziale per un funzionamento affidabile, quindi i dissipatori di calore sono diventati più grandi, le ventole di raffreddamento più potenti e i tubi di calore più comuni. Ma i microprocessori non sono l'unica fonte di calore. Ogni componente elettronico attivo genera calore e il design dei circuiti moderni li raggruppa in densità sempre maggiori.
L'affidabilità dei componenti elettronici è inversamente proporzionale alla temperatura di esercizio, quindi più calore richiede più raffreddamento. Per garantire l'affidabilità a lungo termine, la temperatura di giunzione dei componenti deve essere mantenuta al di sotto dei 75 °C (167 °F). Storicamente, i metodi principali per ottenere questo risultato sono stati la convezione e l'aria forzata. Nei dispositivi in cui l'affidabilità non è una preoccupazione primaria, questi metodi sono stati sufficienti, anche se l'aumento della produzione di calore sta cambiando la situazione.
Alcune applicazioni, in particolare quelle con garanzie e cicli di vita lunghi, richiedono livelli di affidabilità molto elevati. Si tratta di situazioni in cui l'accesso è difficile e costoso, o in cui i tempi di inattività comportano costi elevati o perdite di guadagni. Un settore industriale particolare è quello della rete telefonica pubblica commutata (PSTN). Organizzazioni come Bell e ora Telcordia attribuiscono grande importanza al raggiungimento di un'elevata affidabilità dei componenti elettronici per periodi di 20 anni o più.
NEBS
Nel tentativo di garantire che gli switch di rete funzionassero in modo affidabile per lunghi periodi, negli anni '70 Bell Labs ha sviluppato una serie di standard che sono diventati noti come criteri NEBS. Sebbene oggi siano più correttamente denominati Requisiti generici (GR), questi continuano a essere gli standard primari che regolano le prestazioni delle apparecchiature di telecomunicazione. La FCC richiede livelli molto elevati di uptime per la PSTN, che è stato il motore dello sviluppo dei NEBS. Anche nei casi in cui il loro utilizzo non è obbligatorio, come nelle reti wireless, gli operatori di sistema preferiscono utilizzarli, grazie alla comprovata affidabilità molto elevata che ne deriva.
Nel corso degli anni altri paesi hanno adottato standard simili. All'interno dell'UE, ad esempio, l'equivalente dei NEBS sono gli standard dell'Istituto europeo delle norme di telecomunicazione (ETSI).
Utilizzo di una galleria del vento per la verifica e il collaudo dei modelli
In qualsiasi processo di sviluppo è importante identificare i problemi in anticipo, preferibilmente prima di investire denaro in attrezzature e produzione. Ciò riduce il rischio di fallimenti dei test che spesso finiscono per costringere a una riprogettazione costosa e affrettata e a ritardi nel lancio. Poiché il calore è un fattore così importante nella progettazione elettronica, è diventata prassi standard costruire modelli CFD prima di realizzare componenti fisici e schede. Questi consentono di simulare i flussi di calore nei progetti concorrenti e contribuiscono quindi a migliorare l'affidabilità.
Tuttavia, indipendentemente dalla quantità di modellazione effettuata, la verifica rimane un passo essenziale. È qui che la galleria del vento diventa un'attrezzatura indispensabile.
Con una galleria del vento da laboratorio, i componenti e le schede possono essere montati in un flusso d'aria e strumentati con Termocoppie. La scheda o il componente possono essere accesi e sottoposti a test di generazione di calore, con registrazione delle temperature risultanti per il confronto con le previsioni del modello. In alternativa, il posizionamento affiancato di prototipi concorrenti (come i dissipatori di calore) consente un confronto diretto delle prestazioni. In alcune gallerie del vento l'aria può essere riscaldata a una temperatura specifica per testare le prestazioni in condizioni ambientali variabili (questo è importante per i NEBS, dove è altamente desiderabile un funzionamento affidabile a batteria senza sistemi di raffreddamento).
Utilizzo di una galleria del vento per la calibrazione
Mini galleria del vento da banco di livello laboratorio Le gallerie del vento da laboratorio hanno usi che vanno oltre la verifica della modellazione CFD. Possono essere utilizzate per calibrare sensori di aria e temperatura, nonché per la calibrazione degli anemometri. Questi possono essere di tipo a paletta, a filo caldo o anemometri a tubo di Pitot.
Un altro utilizzo di tipo per la calibrazione delle gallerie del vento da laboratorio è la generazione di curve P-Q per i ventilatori. Le curve P-Q caratterizzano le prestazioni dei ventilatori e costituiscono quindi un importante criterio di selezione.
Le gallerie del vento per la calibrazione degli anemometri sono grandi tubi con aria che si muove al loro interno. Sono dotate di un ventilatore che muove l'aria. Il ventilatore deve avere pale raddrizzatrici per uniformare il flusso d'aria. Lo strumento in prova viene posizionato al centro della galleria e fissato in modo che non si muova.
Ci sono diversi requisiti per la calibrazione degli anemometri che devono essere presi in considerazione:
- Tutti i trasduttori e le apparecchiature di misurazione devono avere calibrazioni tracciabili. I certificati e i rapporti di calibrazione devono contenere tutte le informazioni rilevanti sulla tracciabilità.
- Prima di ogni calibrazione, la configurazione deve essere verificata mediante calibrazione comparativa di un anemometro di riferimento .
- La ripetibilità della calibrazione deve essere verificata.
- La valutazione dell'incertezza di misura deve essere effettuata in conformità alle linee guida.
È importante garantire che l'anemometro non sia influenzato dalla presenza di apparecchiature di misurazione della velocità del vento di riferimento.
Gallerie del vento da laboratorio attualmente disponibili sul mercato
Attualmente sul mercato è disponibile una gamma completa di gallerie del vento da laboratorio. Queste vanno da quelle compatte ed economiche a quelle di qualità scientifica. Tutte incorporano caratteristiche che riducono al minimo la turbolenza dell'aria, come le strutture a nido d'ape, e sono progettate per garantire un'elevata accuratezza e ripetibilità.
Esiste una galleria del vento per la valutazione termica di circuiti stampati, dissipatori di calore, componenti e calibrazioni di sensori di velocità dell'aria. È dotata di una camera di prova in policarbonato trasparente con una sezione trasversale di 43 x 8,25 cm ed è alimentata da quattro ventilatori che erogano fino a 5 m/s (1000 ft/min). È disponibile un software per il controllo preciso del flusso d'aria tramite PC, utilizzando il cavo USB incluso.
Ideali per i test NEBS, le gallerie del vento a circuito chiuso da banco di livello laboratorio ricircolano l'aria invece di espellerla nella stanza. Questo tipo di sonda è vantaggioso quando si testano schede e componenti in aria calda, poiché raggiunge rapidamente la temperatura e fornisce una buona stabilità termica. La sezione di prova in policarbonato misura 41,8 x 22,5 x 8,9 cm. È possibile programmare velocità dell'aria fino a 7 m/s (1200 ft/min) tramite il controller e l'aria può essere riscaldata fino a 85 °C con una precisione di ±1 °C.
La galleria del vento a circuito aperto più grande ha una sezione di prova in plexiglas che misura 60,9 x 40,6 x 8,2 cm, abbastanza grande da contenere due dissipatori di calore affiancati. I ventilatori sono montati su vassoi in modo da poter essere sostituiti per fornire flussi d'aria fino a 10 m/s (2000 ft/min). Il tipo di sonda a circuito aperto può essere utilizzato anche per generare curve P-Q e per testare PCB e componenti.
Un'unità leggermente più grande è una galleria del vento completamente controllabile per test termici e di flusso d'aria su più PCB. È possibile ospitare fino a sei PCB contemporaneamente, consentendo di testarne la distribuzione del flusso termico e di caratterizzarne la caduta di pressione. La sezione di prova in plexiglas misura 60,9 x 46,9 x 7,6 cm. Sono possibili flussi d'aria fino a 10 m/s (2.000 ft/min). I ventilatori sono montati su vassoi in modo da poter essere sostituiti per fornire il flusso d'aria necessario.
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.
Test in galleria del vento per l'affidabilità
L'uso principale della galleria del vento di laboratorio è quello di caratterizzare e verificare la modellizzazione delle prestazioni termiche dei componenti elettronici e dei PCB. Ciò è molto importante per garantire le basse temperature necessarie per un funzionamento affidabile, e particolarmente importante per l'hardware soggetto a NEBS o standard simili.
