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A importância dos testes em Túnel de Vento de laboratório

Teste em Túnel de Vento As taxas de falhas de muitos componentes eletrônicos elevam-se com a temperatura. Este é um problema que desafia os projetistas, já que a crescente densidade de transistores significa que os dispositivos geram mais watts por centímetro quadrado do que nunca. Técnicas de modelagem CFD predizem a eficácia de abordagens de dissipação de calor, como dispersar componentes e adicionar dissipadores de calor e ventiladores, mas o teste permanece uma etapa essencial.

Embora ensaios em bancada possam ser suficientes para alguns componentes e placas, uma abordagem melhor é colocá-los em um túnel de vento [normas como o Sistema de Construção de Equipamentos de Rede - Network Equipment Building System (NEBS) exigem testes em túnel de vento]. Testes em túnel de vento geralmente são planejados em conjunto com a aerodinâmica, mas também são um método importante de teste de eletrônicos. Apenas em um túnel de vento o fluxo de ar pode ser manipulado para a avaliação dos efeitos do resfriamento da ventoinha, por exemplo.

Este Artigo Técnico da OMEGA Engineering explora os usos de túneis de vento de laboratório. É dada atenção particular ao teste de eletrônicos, mas o seu papel na calibração também é coberto. As seções individuais abordam:
  • Necessidade de gerenciamento térmico
  • NEBS
  • Uso de um túnel de vento para a verificação e teste de modelo
  • Utilização de um túnel de vento para calibração
  • Túneis de vento em laboratório

Necessidade de Gerenciamento Térmico

À medida que a densidade do transistor continua subindo, os microprocessadores consomem mais energia e liberam mais calor. O resfriamento é essencial para uma operação confiável, por esta razão os dissipadores de calor aumentaram de tamanho, as ventoinhas se tornaram mais potentes e tubulações de calor agora são mais comuns. Contudo, os processadores não são a única fonte de calor. Cada componente eletrônico ativo gera calor, e o projeto dos circuitos modernos os juntam em densidades maiores.

A confiabilidade do componente eletrônico é inversamente proporcional à temperatura de operação, de modo que mais calor exige mais resfriamento. Para confiabilidade no longo prazo, as temperaturas na junção do componente devem ser mantidas abaixo de 75°C (167°F). Historicamente, os métodos principais para fazer isso têm sido convecção e ar forçado. Em dispositivos nos quais a confiabilidade não é uma preocupação importante, estes têm sido suficientes, embora a crescente geração de calor esteja mudando isso.

Algumas aplicações, particularmente onde as garantias e os ciclos de vida são longos, exigem altos níveis de confiabilidade: situações onde o acesso é difícil e caro, ou onde o tempo de inatividade incorre custos altos ou perda de receitas. Um desses setores, em particular, é o da rede pública de telefonia comutada (PSTN). Organizações como a Bell, e, agora, a Telcordia, colocam grande ênfase na obtenção de alta confiabilidade para componentes eletrônicos por períodos de 20 anos ou mais.

NEBS

Visando garantir que os comutadores da rede teriam desempenho confiável por extensos períodos, na década de 1970 a empresa Bell Labs desenvolveu um conjunto de normas que se tornou conhecido como os critérios NEBS. Embora hoje sejam mais conhecidos como Requisitos Genéricos (GR), estas permanecem como normas primárias que regem o desempenho dos equipamentos de telecomunicações. A FCC exige níveis muito elevados de tempo de funcionamento para a PSTN, o que foi a força motriz por trás do desenvolvimento dos critérios NEBS. Mesmo quando sua utilização não é obrigatória, como em redes sem fio, os operadores do sistema preferem usá-los, devido à confiabilidade comprovadamente alta resultante.

Ao longo dos anos, outros países adotaram padrões semelhantes. Na UE, por exemplo, o equivalente aos critérios NEBS são as normas do European Telecommunications Standards Institute (ETSI).

Uso de um Túnel de Vento para Verificação e Teste de Modelos

Em qualquer processo de desenvolvimento, é importante identificar os problemas desde cedo, preferivelmente antes de se investir dinheiro em ferramentas e manufatura. Isso reduz o risco de falhas no teste que muitas vezes acabam forçando um redesenho caro e apressado e atrasos no lançamento. Com preocupações sobre o calor sendo um importante fator no projeto eletrônico, tornou-se prática padrão construir modelos de CFD antes da construção dos componentes físicos e placas. Esses permitem fluxos de calor em projetos diferentes e, assim, ajudam a aprimorar a confiabilidade.

No entanto, independentemente de quanta modelagem ocorra, a verificação ainda é uma etapa essencial. É aí que o túnel de vento se torna um equipamento fundamental.

Com um túnel de vento de laboratório, os componentes e as placas podem ser montados em um fluxo de ar e instrumentados com termopares. A placa ou componente pode ser energizado e submetido a testes de geração de calor, com registro das temperaturas resultantes para comparação com previsões de modelos. Alternativamente, a colocação de diferentes projetos de protótipo lado a lado (como dissipadores de calor) permite uma comparação direta do desempenho. em alguns túneis de vento, o ar pode ser aquecido a uma temperatura específica para o teste do desempenho sob variadas condições ambientais (isto é importante para NEBS, onde o desempenho confiável com alimentação por bateria sem sistemas de resfriamento é altamente desejável).

Utilização de Um Túnel de Vento para Calibração

 Túnel de Vento Miniatura WTM-1000
Túnel de Vento Miniatura Para Bancada de Laboratório
Os túneis de vento de laboratório têm usos além da verificação de modelagem CFD. Eles podem ser usados para calibrar os sensores de ar e de temperatura e também para a calibração de anemômetros. Estes podem ser do tipo hélice, fio condutor aquecido ou anemômetros de tubo de Pitot.

Outro uso semelhante a calibração para túneis de vento de laboratório é a geração de curvas P-Q para ventoinhas. As curvas P-Q caracterizam o desempenho de ventoinhas e, assim, são um importante critério de seleção.

Os túneis de vento para a calibração de anemômetro são tubos grandes com o ar que se move no seu interior. Eles têm um ventilador que movimenta o ar. O ventilador deve ter pás de desempenho para conduzir o fluxo de ar. O instrumento em teste é colocado no meio do túnel e fixado, para que não se mova.

Vários requisitos para a calibração de anemômetros devem ser levados em conta:
  • Todos os transdutores e equipamentos de medição devem ter calibrações rastreáveis. Relatórios e certificados de calibração devem conter todas as informações relevantes de rastreabilidade.
  • Antes de cada calibração, a instalação deve ser verificada por meio de calibração comparativa de um anemômetro de referência.
  • A repetibilidade da calibração deve ser verificada.
  • Uma avaliação da incerteza da medição deve ser realizada de acordo com as diretrizes.
Também existem requisitos especiais para o túnel de vento. A presença do anemômetro não deverá afetar substancialmente o campo do fluxo no túnel de vento. O fluxo através da área coberta pelo anemômetro deverá ser uniforme. Fatores de correção geralmente são usados para anemômetros que distorcem ou bloqueiam de forma significativa o trajeto do fluxo. A fim de assegurar a repetibilidade da instalação, devem ser executadas cinco calibrações de um anemômetro de referência. A diferença máxima entre essas calibrações deve ser inferior a 0,5% na velocidade de vento de 10 m/s. Os arranjos da montagem podem ter efeitos dramáticos na sensibilidade do instrumento, particularmente se a relação do diâmetro do tubo para o diâmetro do rotor é elevada.

É importante garantir que o anemômetro não seja influenciado pela presença de qualquer equipamento de medição da velocidade do vento de referência.

Túneis de Vento de Laboratório Comercializados Atualmente

Túnel de Vento para Avaliação Térmica
Túnel de Vento para Avaliação Térmica
Túnel de Vento de Loop Fechado
Túnel de Vento de Loop Fechado
 
 Túnel de Vento de Loop Aberto
Túnel de Vento de Loop Aberto
 
 Túnel de Vento Indicado para Pesquisas
Túnel de Vento Indicado para Pesquisas
 
Uma gama completa de túneis de vento de laboratório é comercializada atualmente. Estes vão desde o compacto e barato até túneis de vento de alta qualidade, para pesquisas. Todos incorporam recursos para minimizar a turbulência do ar, tais como estruturas em favo de mel, e são projetados para alta precisão e repetibilidade.

Há um túnel de vento para a avaliação térmica de placas de circuito, de dissipadores de calor, de componentes e de calibrações do sensor da velocidade do ar. Ele possui uma câmara de teste de policarbonato transparente medindo 43 por 8,25 cm na seção transversal e é alimentado por quatro ventiladores que entregam até 5 m/s (1000 pés/min). Um software está disponível para o controle preciso do fluxo de ar pelo PC, usando o cabo USB incluído.

Ideais para teste NEBS, os túneis de vento de circuito fechado em bancada de nível laboratorial recirculam o ar, em vez de expeli-lo na sala. Este projeto é vantajoso para o teste de placas e componentes em ar quente, já que ele chega à temperatura rapidamente e fornece boa estabilidade térmica. A seção de teste de policarbonato mede 41,8 por 22,5 por 8,9 cm. Velocidades de ar de até 7 m/s (1200 pés/min) podem ser programadas através do controlador e o ar pode ser aquecido a 85°C com uma exatidão de ±1°C.

O túnel de vento maior de circuito aberto tem uma seção de teste de Plexiglas medindo 60,9 x 40,6 x 8,2 cm, grande o bastante para receber dois dissipadores de calor lado a lado. Os ventiladores são montados em bandeja, de modo que podem ser trocados para fornecer fluxos de ar de até 10 m/s (2000 pés/min). O projeto de circuito aberto também pode ser usado para gerar curvas P-Q, bem como para teste de PCB e de componente.

Uma unidade um pouco maior é um túnel de vento totalmente controlável para teste térmico e de fluxo de ar de várias PCBs. Ela pode acomodar até seis PCB ao mesmo tempo, permitindo o teste de sua distribuição de fluxo térmico e caracterização da queda de pressão. A seção de teste de Plexiglas mede 60,9 x 46,9 x 7,6 cm. Fluxos de ar de até 10 m/s (2.000 pés /min) são possíveis. Os ventiladores são montados em bandeja, de modo que podem ser trocados para fornecer o fluxo de ar necessário.

Teste do Túnel de Vento para Confiabilidade

O principal uso do túnel de vento de laboratório é caracterizar e verificar a modelagem do desempenho térmico de componentes eletrônicos e do PCB. Isto é muito importante para garantir as baixas temperaturas necessárias para uma operação confiável, e é especialmente importante para hardware sujeito a NEBS ou padrões similares.

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