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