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viernes , diciembre 4 2020
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Algunas cosas mejoran cuando se enfrían

Gestión térmica de cajas para electrónica

La miniaturización electromecánica y electrónica conlleva una densidad de conexión cada vez más alta, que a su vez hace que la electrónica cada vez se caliente más.
Los disipadores de calor pasivos de la familia de cajas para electrónica ICS de Phoenix Contact permiten que los equipos ahora puedan utilizarse incluso en aplicaciones térmicamente exigentes. Mediante exhaustivas simulaciones térmicas, Phoenix Contact también apoya a los diseñadores de equipos en la optimización de sus diseños de placas de circuito impreso (imagen principal).

Las cajas para electrónica deben albergar mucho más que la placa de circuito impreso con circuitos electrónicos. La conexión eléctrica para suministro de energía y la transmisión de señales deben ser llevadas desde el exterior a la placa de circuito impreso, y desde la PCB al exterior de nuevo. Las carcasas deben ser lo más compactas posible y ofrecer protección contra agentes contaminantes y suciedad, así como contra el contacto accidental con partes activas de su interior. Y además de todo ésto hay que tener en cuenta un problema adicional, el calor. Si se utilizan en una placa de circuito impreso procesadores de alta capacidad o incluso semiconductores de potencia, con una inevitable disipación de energía, ésta puede llegar a calentarse demasiado.

Ranuras de ventilación, ventiladores y aletas de refrigeración

Una opción para disipar el calor utiliza la dirección física del flujo. La carcasa estaría equipada con ranuras de ventilación para que, una vez colocada en un carril DIN, el aire que ha recirculado y se ha refrigerado pueda fluir a través de ella. La pérdida de calor generada por el componente se disipará hacia arriba. Los componentes sometidos a un estrés térmico deberían montarse cerca de las ranuras de ventilación inferiores para permitir que el “aire fresco” circule a su alrededor.
Al mismo tiempo, otros componentes térmicamente sensibles no deberían someterse al impacto de estos puntos calientes.

La anchura de las ranuras de ventilación desempeña un papel fundamental; por debajo de 2 mm, son prácticamente ineficaces,
y por encima de 2,5 mm limitan la protección deseada contra contactos. En las cajas ICS de Phoenix Contact se pueden colocar piezas laterales con el número de ranuras de ventilación que se requiera(imagen 2).

Cuando se trata de mejorar la circulación del aire refrigerado y evitar que la disipación de calor cause acumulaciones del mismo, la elección de una envolvente más amplia también puede ser beneficioso.

Asimismo los efectos de la perfusión física pueden ser mitigados por elementos activos como ventiladores, que hacen que la velocidad de flujo del aire en la carcasa aumente rápidamente, permitiendo que se pueda disipar mucho más calor. Las principales desventajas de un ventilador son su consumo de energía y su riesgo de fallo. El aire frío refrigerado permite que una proporción significativa de contaminación entre en la carcasa y además a menudo los diseñadores de equipos no quieren componentes móviles en sus aplicaciones.

Los elementos Peltier, refrigeradores termoeléctricos, también son una posible solución, pero debido a su consumo de energía y a la capacidad de enfriamiento que pueden alcanzar, sólo tienen una utilidad limitada.

Si la convección normal del aire que fluye a través de la carcasa es insuficiente para la refrigeración, los disipadores de calor pasivos, hechos de metales conductores del calor como el cobre o el aluminio más ligero, representan la mejor alternativa. Para aumentar considerablemente la superficie del disipador, se pueden añadir aletas a los disipadores de aluminio mediante un proceso de extrusión.

Cajas para electronica ICS (Industrial Case System)

Todos estos factores se han tenido en cuenta durante el desarrollo del concepto de gestión térmica de las cajas ICS, ahora disponibles en anchuras de 20, 25 y 50 mm. Esta solución envolvente presenta una innovadora tecnología de guías y push-in. Utilizando la tecnología de guías del sistema, las placas de circuito impreso equipadas con la tecnología de conexión necesaria se introducen rápida y fácilmente en la parte inferior de la carcasa, encajándose en su lugar. Las tecnologías de conexión alojadas entre las guías incluyen carcasas de base para conectores, conexiones RJ45 y USB para aplicaciones de la Industria 4.0, y conexiones SUB-D y antena.

El sistema de montaje facilita la integración de disipadores de calor que, de esta forma, pueden colocarse directamente en la placa de circuito impreso, conectándose al componente por conducción térmica. A continuación, la placa de circuito impreso con el disipador de calor acoplado se puede insertar en la carcasa pasando a formar parte de su estructura exterior. Con esta solución se disipa considerablemente más calor que en una aplicación sin disipador.

Con una fuente de calor de 85°C en una placa de circuito impreso y un acoplamiento térmico con un disipador de aluminio, se disiparía una potencia máxima de 28 W a una temperatura ambiente de 20°C. A 40°C se disiparían 15 W, y a 60°C aún se disiparían 6 W. Para una buena emisión de calor, el punto caliente debería estar situado lo más cerca posible del centro del disipador y conectado térmicamente de forma óptima (imagen 3).

Simulación, diseño y pruebas

¿Pero cómo se puede simular el comportamiento térmico de una carcasa con un software y analizar el diseño de la configuración de hardware prevista? La simulación permite a los desarrolladores de eléctronica evitar la ubicación de componentes en posiciones críticas para el calor e incluir medidas adecuadas de disipación de calor en sus diseños de placas de circuito impreso y equipos. Para la simulación y el soporte del dimensionamiento de la gestión térmica, Phoenix Contact ofrece a los diseñadores un servicio escalonado.

La información que figura en las hojas de datos de la electrónica y las cajas para electrónica indica si la envolvente puede suministrar la disipación de energía esperada sin medidas adicionales. Si las estimaciones y el diseño no son los adecuados en base a esta información, los desarrolladores pueden generar sus carcasas y asignar la tecnología de conexión necesaria en el configurador de cajas online, así como descargar la lista de materiales, los datos en 3D y el esquema de la placa de circuito impreso. En la herramienta de simulación, los diseñadores definen la posición, la orientación y la temperatura ambiente del equipos en el armario de control. A continuación, posicionan los puntos calientes en la placa de circuito impreso y especifican el calentamiento máximo esperado en estos puntos.

Se pueden introducir hasta tres puntos calientes en una simulación libre. Toda la información que se introduzca, incluidos los datos para establecer contacto más tarde, se almacenará automáticamente en un archivo XML y se transferirá a la herramienta de simulación a través de Internet. Los datos se importan en la herramienta, se procesan y se envían al cliente en un formato predeterminado.

La simulación específica para el cliente como  un servicio más

Si el cliente requiere un apoyo personalizado en la simulación, como es el caso de que deban examinarse más de tres puntos calientes o cuando la combinación inicial no permita una disipación de calor suficiente (imagen 4), Phoenix Contact es su compañero de desarrollo para el diseño térmico.

En diversos estudios de simulación se optimizaría el posicionamiento de los puntos calientes y Phoenix Contact recomendaría estrategias mejoradas de disipación de calor, entre ellas el uso de disipadores de calor.

Mirando al presente y al futuro

El aumento de las densidades de conexión y de potencia en la electrónica significa que se requiere una disipación eficiente del calor en las cajas para electrónica. Hasta ahora los proveedores de carcasas y componentes habían sido incapaces de proporcionar una solución para los desarrolladores de electrónica que se enfrentan a este desafío. Con la nueva herramienta de simulación térmica de Phoenix Contact,
los diseñadores de equipos pueden colocar puntos calientes en las placas de circuito impreso y definir propiedades. La simulación genera el perfil térmico de sus diseños electrónicos. Con los resultados de la simulación, pueden analizar los riesgos de fallo y contrarrestarlos con medidas de disipación de calor.

Además la tecnología de disipación de calor ICE de Phoenix Contact ya está disponible. Diseñada para ser utilizada con cajas para electrónica ICS, con esta tecnología los usuarios pueden desarrollar nuevos campos de aplicación para sus envolventes de plástico ICS, tales como el uso de sistemas embebidos y de electrónica de potencia para control de motores con alta generación de calor. Para otras cajas para electrónica, incluyendo las de las series ME-IO, UCS y ECS, los usuarios también podrán acceder en el futuro a un soporte basado en la web, disfrutando así de un soporte personalizado adecuado específicamente a su aplicación (imagen 5).



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