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Disipación del calor producido por el efecto Joule: 2 ejemplos prácticos

on 15 mayo 2019
El efecto Joule es uno de los principales fenómenos que se manifiestan en los dispositivos electrónicos, cuando la energía eléctrica se transforma en energía térmica.

En  algunos casos, se busca provocar el efecto Joule, como en los fusibles, el secador de pelo o el horno eléctrico. Sin embargo, la mayor parte de las veces, se trata de una consecuencia inevitable debida al paso de la corriente, que provoca un calor indeseado y potencialmente dañino. Para quienes se ocupan de la simulación térmica en el ámbito del diseño electrónico, se trata de un problema que es necesario afrontar.

Simcenter Flotherm XT, simulador térmico integrado en PADS Professional, permite gestionar de manera eficaz el efecto Joule por medio de un proceso de simulación electrotérmica en 3D.

Algunos de los ámbitos de aplicación de la simulación del calor producido por efecto Joule son los embarrados o los fusibles. Todos ellos, casos en los cuales el calor debido a la resistencia desempeña un papel dominante en la disipación total de la potencia.

Ejemplo 1 – Simulación térmica de un fusible

El primer ejemplo consiste en un fusible montado sobre un circuito impreso (el cartucho del fusible se ha omitido para mayor claridad).

dissipazione termica per effetto joule

Con Flotherm XT es posible realizar simulaciones animadas de fluidos continuos, como un flujo de calor, aire o corriente, para examinar su dirección y posibles obstrucciones. La animación muestra cómo la corriente eléctrica pasa a través del circuito.

dissipazione termica per effetto joule

La velocidad de las flechas depende de la densidad de corriente, estrechamente relacionada con la disipación de potencia y la temperatura resultantes. Asimismo, con Flotherm XT puedes obtener la disipación de potencia resultante debida al efecto Joule. Al tratarse de una simulación en 3D, la densidad de potencia se indica en forma de potencia por volumen.

dissipazione termica per effetto joule

La temperatura resultante es el elemento que suscita un mayor interés. En la imagen se pueden observar las diferentes temperaturas que se dan en el fusible.

dissipazione termica per effetto joule

El papel desempeñado por el fusible conecta los ámbitos eléctrico y térmico. Un aumento de la temperatura supondrá un aumento de la resistividad eléctrica que, a su vez, aumentará la densidad de corriente, que aumentará la potencia del calentamiento Joule, que supondrá un aumento de la temperatura, etcétera. Si se elimina el calor de manera suficientemente rápida, se obtiene un equilibrio y las condiciones se estabilizan con un aumento de temperatura constante. Si el acoplamiento se produce de manera demasiado fuerte, particularmente en condiciones de corriente alta, la temperatura se alza hasta sobrecalentar el fusible. Con Flotherm XT es posible gestionar el acoplamiento de manera eficaz.

Ejemplo 2 – Análisis de la PDN de un circuito impreso

El segundo ejemplo muestra los efectos del calentamiento Joule sobre la Power Distribution Network (PDN) de un circuito impreso. Flotherm XT cuenta con una tecnología única para la representación de geometrías complejas, definidas en 3D en el software EDA (en este caso, PADS Professional), que pueden incluirse en la simulación del calentamiento Joule, dando resultado a una serie de diagramas que reflejan la distribución de la tensión (más o menos uniforme), la densidad de corriente, la disipación de potencia del calentamiento Joule resultante y la temperatura resultante.

Power Distribution Network (PDN)
Power Distribution Network (PDN)

En este caso, obtendremos un aumento de temperatura leve. En la electrónica digital “típica”, la disipación de potencia en el die de los dispositivos activos es la que domina el comportamiento térmico del sistema, y no el calentamiento Joule en las PDNs.

Calentamiento por efecto Joule en PCBs de alta potencia y dispositivos electrónicos: la importancia de la CFD en el diseño

Ver el webinar

webinar sulla disspipazione del calore prodotto per effetto Joule
Durante el webinar veremos cómo emplear FloTHERM XT para crear un modelo del efecto Joule y obtener inputs válidos desde la fase inicial del proceso de diseño. Stefano Morlacchi expondrá las ventajas e inconvenientes ligados a este tipo de simulaciones y explicará cómo importar de manera sencilla los diseños de circuitos impresos de alta potencia para someterlos al análisis térmico.

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