Consejos para Refrigerar Fuentes de Alimentación
Las técnicas de refrigeración para las fuentes de alimentación actuales están ganando importancia debido a los tamaños cada vez más pequeños de los disipadores y las mayores densidades de potencia. Las fuentes de alimentación son fundamentales en cualquier aplicación y para garantizar su funcionamiento y aumentar su vida útil es fundamental dimensionar correctamente su refrigeración.
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Gestión Térmica y Refrigeración
Todo el mundo sabe que si se disipa calor en un espacio confinado, la temperatura dentro de ese espacio se incrementará, es decir, la temperatura ambiente aumentará. Si tenemos un equipo en una carcasa con una fuente alimentando una carga, por ejemplo una PCB, el aumento de la temperatura ambiente debido al calor disipado por la fuente y su carga provocará a su vez que la misma fuente y su carga se calienten más, alcanzando posiblemente las temperaturas máximas de funcionamiento.
Cuando esto ocurre, nos encontramos con la causa número uno de la falta de fiabilidad o reducción de la vida de un sistema electrónico. Por ejemplo, la vida de los condensadores electrolíticos que os habíamos hablado en un anterior post, está fuertemente relacionada con la temperatura ambiente dentro del equipo.
Además hay otros componentes electrónicos que también disminuyen su fiabilidad a medida que se calientan. La tendencia a diseñar fuentes cada vez más pequeñas, y por tanto con disipadores también más pequeños, hace que la gestión térmica deba ser muy bien dimensionada.
Una manera sencilla de mejorar la refrigeración es utilizar un ventilador para extraer el exceso de calor de dentro de la carcasa. Algunas fuentes están diseñadas para ser refrigeradas con un ventilador y en esos casos, el flujo de aire necesario viene especificado en la documentación de la fuente.
Es importante tener en cuenta que éste es el flujo de aire necesario en la misma fuente de alimentación, y no en cualquier otro punto aunque sea a una distancia corta. Como el aire siempre sigue el camino de menos resistencia, sólo una parte del aire generado por el ventilador llegará allí donde la fuente de alimentación lo necesite. Los deflectores internos en la fuente ayudan a dirigir el aire por el camino correcto y refrigerar los componentes electrónicos que lo necesiten.
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Cálculo del Flujo de Aire
Para los casos donde la fuente se refrigere por convección, o donde los equipos necesiten trabajar a temperaturas más bajas, el flujo de aire tiene que calcularse siguiendo los siguientes pasos:
Primero, es necesario fijar la temperatura máxima de trabajo para la fuente de alimentación o la electrónica del equipo donde pueda trabajar con seguridad. Para una fuente el valor típico es 50ºC , y puede estar especificado en las normativas de seguridad, o puede trabajar a una temperatura inferior con el fin de incrementar la vida del equipo. Como regla general, una reducción de 10ºC en el encapsulado exterior de un condensador electrolítico puede aumentar su vida al doble.
Después hay que considerar la temperatura más alta que se puede alcanzar en el entorno de la carcasa del equipo que contiene la fuente, y la diferencia entre las dos, es el aumento máximo de temperatura permitido. Por ejemplo, si la fuente es capaz de operar a una temperatura ambiente de 50ºC y el equipo que contiene la fuente está diseñado para ser utilizado en un entorno sin refrigeración forzada donde la temperatura máxima puede llegar hasta los 40ºC, entonces el aumento máximo de temperatura permitido es de 10ºC.
El siguiente paso es establecer la cantidad de potencia que se disipará. La potencia total disipada dentro de la carcasa del equipo es la suma de la potencia utilizada por la carga más las pérdidas de potencia de la fuente, que son las pérdidas por calor. Como ejemplo, si la carga es de 260 W y asumiendo que la fuente de alimentación tiene una eficiencia de un 80%, la potencia total disipada es : 260 W / 0.8 = 325 W
A partir de aquí se podrá calcular el flujo de aire requerido. Existe una fórmula simple y universal para obtener el flujo que se necesita para mantener un aumento de temperatura y para una cantidad dada de calor, usando una constante que es 2,6. La fórmula es:
Flujo de aire (m3/h) = 2,6 * potencia total disipada (W) / Aumento permitido de temperatura (ºC)
En nuestro ejemplo el flujo de aire requerido será de 2,6 * 325 W / 10ºC = 84.5 m3/h
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Cálculo de la Pérdida de Presión
Desafortunadamente, la solución no es tan sencilla como calcular el valor del flujo necesario con la fórmula de arriba y utilizar el resultado para seleccionar un ventilador con esos datos del flujo. Los datos que se obtienen son para utilizar en abierto, y en realidad la carcasa de un equipo ofrecerá una resistencia natural al flujo de aire conocida como caída o pérdida de presión que redunda en un detrimento del rendimiento del ventilador.
La caída de presión será diferente para cada aplicación, debido a los diferentes tamaños de los PCB y sus posiciones dentro del equipo, el tamaño de los respiraderos de entrada y salida de aire, el área de la sección transversal a través de la cuál el flujo del aire quiere pasar, etc.
Las cosas se complican un poco cuando la pérdida de presión también depende de la velocidad del aire a medida que pasa a través de la carcasa, y que esta pérdida de presión a su vez se ve afectada por la velocidad del aire. Una velocidad de aire más rápida dará lugar a una pérdida de presión más alta, pero una pérdida de presión más alta reducirá la velocidad del aire.
Si no se elige bien el ventilador podría no ser útil en una aplicación donde la pérdida de presión resultante y la velocidad del aire llegaran a un punto de equilibrio por debajo del nivel requerido para eliminar el calor del interior de la carcasa.
Sería demasiado complejo determinar la pérdida de presión para cada aplicación, ya que requeriría un conocimiento detallado de las ecuaciones de dinámica de fluidos, pero se puede aproximar mediante el uso de una gráfica característica como la que se muestra a continuación. Esto daría un punto de partida inicial que podría ser utilizado con una evaluación posterior. 
Curva característica de dispositivo
Si tenemos en cuenta el flujo de aire calculado previamente, la curva indica que la pérdida de presión sería 11 Pa. Sabemos entonces que se requiere un ventilador capaz de generar un flujo de 84.5 m3/h (23,47 x 10-3 m3/s) con una pérdida de presión de esos 11 Pa.
Cada fabricante publica una gráfica para cada ventilador indicando el flujo de aire a diferentes pérdidas de presión. En el ejemplo de abajo se muestran las gráficas para cinco ventiladores. La zona de color claro muestra la zona óptima de trabajo para cada uno de los ventiladores. 
Flujos de aire de ventilador a diferentes presiones de aire
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Ubicación
Una vez que se ha establecido el flujo de aire y la caída de presión se han de considerar otros factores. Como se ha comentado anteriormente, para la refrigeración de equipos en general, el ventilador puede estar ubicado en cualquier lugar, siempre y cuando el aire fluya entre los componentes que producen calor. Sin embargo, para una fuente de alimentación que esté diseñada para utilizar con ventilación forzada, la cantidad de aire que fluye sobre la fuente es crítica para su funcionamiento correcto y fiable.
Si el ventilador no puede ser montado muy cerca de la fuente o si todo el flujo de aire no puede ser dirigido hacia la fuente de alimentación, el ventilador elegido deberá tener un valor mucho más grande. Algunos ventiladores se especifican con una velocidad del aire en pies lineales por minuto (LFM: Linear Feet per Minute). Otros tienen un grado volumétrico en pies cúbicos por minuto (CFM: Cubic Feet per Minute) o metros cúbicos por hora (m3/h). Para una conversión entre las dos unidades se necesita conocer el área de la sección transversal del ventilador.
Filtros
Por otro lado, los equipos con ventiladores a menudo tienen filtros de polvo para evitar su entrada en el equipo. El filtro se sumará a la resistencia al flujo de aire que contribuye a la pérdida de presión y se ha de tener en cuenta. Pero lo más importante es que, debido a que el filtro se va obstruyendo con la suciedad, la pérdida de presión puede aumentar y un ventilador válido al principio puede llegar a no ser adecuado tras un período de uso. Por esta razón los filtros de polvo deben limpiarse o reemplazarse periódicamente.
Ruido
Al añadir un ventilador al equipo también se añadirá un ruido audible. Algunas aplicaciones no pueden tolerar ningún ruido, por ejemplo, en algunas aplicaciones hospitalarias, en estudios de grabaciones, etc. Incluso en aplicaciones que vayan a instalarse en ambientes ya ruidosos lo que se desea es minimizar el ruido audible. Esto se puede hacer con varios métodos.
En primer lugar, el uso de un ventilador con unos cojinetes de mayor calidad. Los ventiladores de cojinetes de bolas son generalmente más silenciosos que los ventiladores con cojinetes de deslizamiento, y tienen la ventaja de una vida útil más larga. Por supuesto, existen ventiladores que utilizan aceite impregnado dentro de los cojinetes de deslizamiento para minimizar el ruido.
Además, para un volumen de aire determinado, un ventilador más grande es generalmente más silencioso que un ventilador más pequeño, debido a la poca velocidad necesaria de las aspas más grandes. También debe tenerse en cuenta cualquier ruido generado por estas aspas del ventilador que pasan cerca de una parte fija en las inmediaciones del mismo, como un protector de dedos. Si éste se puede separar ligeramente de las aspas del ventilador, entonces se reducirá el ruido.
Otro método para minimizar el ruido es disminuir la tensión de alimentación del ventilador. Los ventiladores se especifican con un rango de tensión de funcionamiento y los que tienen una entrada de tensión continua, generalmente giran a una velocidad que depende de la tensión suministrada. El ventilador más lento emitirá menos ruido audible.
Un ejemplo de una fuente con ventilación forzada silenciosa es la GCS250 de XP Power. Sólo necesita 7 CFM de flujo de aire comparando con otras fuentes similares del mercado industrial que necesitan hasta 30 CFM. El poco flujo de aire requerido para la GCS250 ayuda a que el ruido audible sea el mínimo.
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Conclusión
La gestión térmica de las fuentes de alimentación actuales está ganando en importancia debido a los tamaños más pequeños de los disipadores y las mayores densidades de potencia. Las documentaciones de las fuentes contienen información esencial para los diseñadores de equipos para garantizar que no se hace trabajar a los componentes de potencia a una temperatura demasiado alta respecto a las temperaturas máximas especificadas para esos componentes.
Una vez que el ventilador se ha elegido por el método anterior, se tendría que hacer una comprobación final con la medición de las temperaturas de esos componentes en el equipo final. Y si resulta que la temperatura de un componente excede el valor indicado en la documentación, entonces el flujo de aire y su dirección se deberían recalcular.
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Nota: Artículo traducido y adaptado «Hints and tips on the use of cooling fans for power supplies» de Andrew Bryars, Applications Engineering Manager de XP Power.
