La gestión térmica tiene un impacto significativo en el mantenimiento de la vida útil y la fiabilidad de las fuentes de alimentación y los subconjuntos del sistema.
Todo el mundo sabe que si se disipa calor dentro de un espacio cerrado o una carcasa, la temperatura en ese espacio aumentará. A medida que la temperatura del aire ambiente aumenta, tanto la fuente de alimentación como la carga se calentarán aún más, posiblemente por encima de sus temperaturas máximas de funcionamiento.
Es importante evitar una situación como esta, ya que el calor es la causa principal de la falta de fiabilidad y/o de una vida útil reducida de la fuente de alimentación dentro de un sistema electrónico. La razón de esto es que la durabilidad de los condensadores electrolíticos está estrechamente relacionada con una temperatura de funcionamiento más baja de la carcasa. Aquí es donde entran en juego las fuentes de alimentación refrigeradas.
Cómo funcionan las fuentes de alimentación refrigeradas
Algunas fuentes de alimentación están diseñadas para ser refrigeradas forzosamente mediante un ventilador del sistema, que elimina el exceso de calor de la carcasa. En estos casos, el flujo de aire necesario para una refrigeración adecuada se especificará en la ficha técnica de la fuente de alimentación. Es importante tener en cuenta que este es el flujo de aire necesario en la ubicación de la propia fuente de alimentación; un ventilador situado incluso a poca distancia no será suficiente.
Dado que el aire siempre sigue el camino de menor resistencia, solo una parte del aire impulsado por el ventilador llegará a la fuente de alimentación, donde se necesita. Los paneles internos para dirigir el flujo de aire (deflectores) ayudarán a canalizar el aire a lo largo de la trayectoria requerida para llegar a los componentes de destino y refrigerarlos.
Cómo calcular el flujo de aire
Tanto si el equipo necesita funcionar a una temperatura más baja como si la fuente de alimentación requiere refrigeración mediante un ventilador externo, el flujo de aire debe calcularse siguiendo estos pasos:
Establecer la temperatura máxima
En primer lugar, debe establecerse la temperatura máxima de funcionamiento a la que la fuente de alimentación o los componentes electrónicos pueden funcionar de forma segura. Para la propia fuente de alimentación, esta suele ser de 50 °C y, por lo general, está relacionada con las homologaciones de seguridad o con la necesidad de un valor más bajo para aumentar la vida útil de los componentes. Una regla general es que una reducción de 10 °C en la temperatura de la carcasa de un condensador electrolítico duplica la vida útil de la fuente de alimentación.
A continuación, hay que tener en cuenta la temperatura del aire más alta en el entorno del armario que alberga la fuente de alimentación. La diferencia entre ambas será el aumento de temperatura máximo permitido. Por ejemplo, supongamos que la fuente de alimentación puede funcionar a una temperatura ambiente de 50 °C. Si la carcasa de la fuente de alimentación está diseñada para funcionar en un entorno sin aire acondicionado —donde la temperatura máxima podría alcanzar los 40 °C—, el aumento de temperatura total permitido sería de 10 °C.
Determinar la disipación de potencia
El siguiente paso es establecer la cantidad de potencia que se disipará. La potencia total disipada dentro de la carcasa es la suma de la potencia utilizada por la carga, más la potencia perdida por la fuente de alimentación en forma de calor residual. A modo de ejemplo, si la carga que consume la electrónica es normalmente de 260 W y suponiendo que la fuente de alimentación tiene una eficiencia del 80 %, entonces el calor total disipado es 260 W / 0,8, es decir, 325 W. A partir de ahí se puede calcular el volumen de flujo de aire necesario.
Existe una fórmula universal sencilla para calcular cuánto flujo de aire se necesita para mantener un aumento de temperatura concreto para una cantidad determinada de calor, que utiliza una constante de 2,6.
La fórmula es: flujo de aire (en m³/h) = 2,6 * potencia total disipada (en W) / aumento de temperatura admisible (en °C). En nuestro ejemplo, el caudal de aire necesario sería 2,6 * 325 W / 10 °C = 84,5 m³/h
Cómo controlar el caudal de aire
Por desgracia, encontrar una solución no es tan sencillo como calcular el caudal de aire necesario. Utilizando los cálculos anteriores, debería poder elegir una potencia adecuada para el caudal del ventilador, pero en realidad, una carcasa tendrá una resistencia natural al flujo de aire, también conocida como caída de presión.
Caída de presión
La pérdida de presión reduce el caudal de aire libre del ventilador, que es el volumen de aire que se libera a través del dispositivo durante un periodo de tiempo. Las caídas también variarán entre cada aplicación, dependiendo del tamaño y la ubicación de la PCB, el tamaño de las rejillas de entrada y salida, y el área de la sección transversal por la que fluye el aire.
Donde las cosas se complican un poco es que la pérdida de presión también depende de la velocidad del aire a su paso por la carcasa. Es más, la pérdida de presión se ve a su vez afectada por la velocidad del aire. Una mayor velocidad del aire provocará una mayor pérdida de presión, pero esta caída reduce la velocidad del aire. Si no se lleva a cabo una selección cuidadosa del ventilador, este podría resultar inútil. Por ejemplo, en una aplicación en la que la pérdida de presión resultante y la velocidad del aire alcancen un punto de equilibrio por debajo del nivel requerido para eliminar el calor del recinto.
Sería demasiado complejo determinar la pérdida de presión real para cada aplicación, ya que esto requiere un conocimiento detallado de las ecuaciones de dinámica de fluidos. Sin embargo, podemos aproximarla utilizando la curva característica del dispositivo que se muestra a continuación en la Figura 1. Esto nos dará un punto de partida inicial que puede utilizarse para una evaluación más detallada.
Figura 1 - Curva característica del dispositivo
Si tenemos en cuenta el caudal de aire calculado anteriormente, la curva indica que la pérdida de presión sería de 11 Pa. Por lo tanto, sabemos que necesitamos un ventilador que pueda generar un caudal de aire de 84,5 m³/h con una pérdida de presión de 11 Pa.
Cada fabricante de ventiladores publica un gráfico para cada ventilador en el que se indica el caudal de aire con diferentes pérdidas de presión. En el ejemplo siguiente, la Figura 2, se muestran las curvas de cinco ventiladores. El cono de color claro muestra el rango de funcionamiento óptimo para cada uno de los ventiladores. En nuestro ejemplo, habría que utilizar el ventilador número cinco para garantizar el caudal de aire requerido de 84,5 m³/h con una caída de presión de 11 Pa
Figura 2 - Caudales de los ventiladores a diferentes presiones de aire
Cómo gestionar la vida útil de la fuente de alimentación
El diseñador de la fuente de alimentación tiene en cuenta todos estos factores antes de que los fabricantes apliquen las reglas de reducción de potencia del diseño para garantizar que la vida útil del producto sea adecuada. Estas reglas no tienen en cuenta el perfil de la misión, el entorno, la orientación de montaje, el posicionamiento, el espacio circundante, la carga aplicada y los sistemas de refrigeración/ventilación instalados en el equipo final. La vida útil de los condensadores, especialmente en entornos de convección o refrigeración natural, debe reevaluarse en función de la instalación.
¿Cómo pueden los usuarios gestionar la vida útil de las fuentes de alimentación?
Temperaturas de la carcasa
Es evidente que la medición de las corrientes de ondulación aplicadas (la parte de CA de la señal de corriente) no es práctica. Sin embargo, dado que tanto el diseño general del equipo como el de la fuente de alimentación determinan la temperatura de funcionamiento efectiva del componente, se puede obtener una buena indicación de la vida útil de cada condensador midiendo la temperatura de su carcasa y aplicando la ecuación de Arrhenius y el perfil de misión a la vida útil base especificada por el fabricante del componente.
Vida útil
Muchas hojas de datos de fuentes de alimentación, como las de la serie GCS de XP, identifican los componentes clave que determinan la vida útil del producto. Esto es especialmente cierto en el caso de aquellos que requieren refrigeración externa desde el equipo final y de aquellos diseñados para aplicaciones refrigeradas por convección.
Tener esto en cuenta ayuda al diseñador del sistema a determinar la vida útil de la fuente de alimentación en la aplicación final. El plano mecánico que se muestra a continuación identifica los componentes y las curvas indican la vida útil prevista de la fuente de alimentación en función de la temperatura de dos condensadores (C6 y C23).
Una vez establecidas la caída de presión y el caudal de aire requeridos, hay algunas otras consideraciones que deben tenerse en cuenta. Como se ha indicado anteriormente, para la refrigeración general de equipos, el ventilador puede ubicarse en cualquier lugar siempre que el aire fluya a través de los componentes que generan calor.
Refrigeración forzada
En el caso de una fuente de alimentación diseñada para ser refrigerada de forma forzada, la cantidad de aire que fluye sobre ella es fundamental para un funcionamiento correcto y fiable. Si el ventilador no puede colocarse directamente junto a la fuente de alimentación, o si no es posible dirigir todo el flujo de aire sobre ella, el ventilador elegido deberá tener una capacidad nominal mucho mayor.
Algunos ventiladores se especifican con una velocidad del aire en pies lineales por minuto (LFM), mientras que otros tienen una capacidad volumétrica en pies cúbicos por minuto (CFM) o metros cúbicos por hora (m³/h). Para convertir entre ambas unidades, es necesario conocer el área de la sección transversal del sistema de ventilación del ventilador; esta es la única forma fiable de hacerlo. En el caso de una fuente de alimentación con refrigeración forzada, el flujo de aire requerido puede indicarse bien en una clasificación de velocidad, como LFM, o bien en una clasificación volumétrica, como CFM.
Filtros de polvo
Los equipos con ventiladores suelen tener filtros para evitar la entrada de polvo no deseado. Estos aumentan la resistencia al flujo de aire, lo que contribuye a la pérdida de presión, por lo que deben tenerse en cuenta. Y lo que es más importante, a medida que el filtro se obstruye con suciedad, la pérdida de presión puede aumentar significativamente, y un ventilador con una potencia adecuada al inicio del funcionamiento podría convertirse en una mala elección tras un tiempo de uso. Por este motivo, los filtros de polvo deben limpiarse o sustituirse periódicamente.
Cómo minimizar el ruido
Añadir un ventilador a un equipo lo hace audiblemente ruidoso. Algunas aplicaciones no toleran ningún ruido, como en los hospitales o los estudios de grabación. Incluso para usos en un entorno ruidoso, suele ser deseable minimizar interferencias como esta. Esto se puede lograr mediante varios métodos.
Rodamientos del ventilador
Una forma de minimizar el ruido es utilizar un ventilador con un rodamiento de mayor calidad. Los ventiladores con rodamientos de bolas, que utilizan un anillo de bolas alrededor del eje para resolver los problemas de desgaste desigual y oscilación del rotor, son generalmente más silenciosos que los ventiladores con cojinetes de manguito (encerrados en su estructura en forma de manguito) y tienen la ventaja de una vida útil más larga. Por supuesto, hay ventiladores que utilizan aceite impregnado dentro de los cojinetes de manguito que pueden contrarrestar esto.
Velocidad de las aspas
Además, para un volumen de aire dado, un ventilador más grande suele ser más silencioso que uno más pequeño debido a la menor velocidad de las aspas que requiere. También hay que tener en cuenta el ruido generado por las aspas del ventilador al pasar cerca de una parte fija del ventilador, como un puntal o una rejilla protectora. Si la rejilla protectora se puede separar, aunque sea ligeramente, de las aspas del ventilador, el ruido puede reducirse.
Otro método para minimizar este tipo de perturbación es reducir la tensión de alimentación del ventilador. Los ventiladores se especifican con un rango de tensión de funcionamiento y los que tienen entrada de CC suelen girar a una velocidad que depende de la tensión de CC real suministrada. Cuanto más lento gire el ventilador, menos audible será.
Cómo utilizar los datos para gestionar la temperatura
La gestión térmica de las fuentes de alimentación modernas es cada vez más importante debido a las mayores densidades de potencia y a los volúmenes más reducidos de los disipadores de calor. Debido a esto, las hojas de datos contienen ahora información esencial para los diseñadores de equipos. Esto garantiza que las fuentes de alimentación no funcionen a una temperatura demasiado alta, estableciendo temperaturas máximas específicas para una selección de componentes.
Una vez elegido el ventilador mediante este método, se debe realizar una comprobación final midiendo las temperaturas de estos componentes en la configuración final. Si parece que la temperatura de los componentes superará el valor indicado en la hoja de datos, se debe reevaluar el flujo de aire y su dirección.
No dude en ponerse en contacto con nosotros para obtener más información sobre la refrigeración adecuada de las fuentes de alimentación.
Sobre el autor: Andrew Bryars
Andrew Bryars se licenció con honores en Ingeniería Eléctrica y Electrónica y lleva trabajando en el sector de las fuentes de alimentación desde 1990. Lleva más de 25 años en XP y ha desempeñado diversos puestos de ingeniería, ventas y gestión, hasta alcanzar su cargo actual como director sénior de producto.
