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Rompiendo el control y las opciones de protección de los ventiladores de corriente continua

Por Jeff Smoot, vicepresidente de control de movimiento e ingeniería de aplicaciones en CUI Devices

Como dispositivo de gestión térmica bien conocido y ampliamente aplicado, los ventiladores de corriente continua pueden utilizarse individualmente, en serie o en paralelo para proporcionar refrigeración por convección de aire forzado. Su versatilidad y su funcionamiento relativamente sencillo los han convertido en una sólida elección para mejorar el perfil térmico de una aplicación final durante muchos años. Arraigado en la física básica, el aire en movimiento que producen los ventiladores es eficaz para enfriar los componentes absorbiendo el calor y luego transfiriéndolo de un dispositivo para ser disipado. Sin embargo, su eficacia se ve afectada por varios factores y los ingenieros pueden beneficiarse de una mejor comprensión de las características y opciones disponibles para los ventiladores de corriente continua a fin de mejorar su fiabilidad y eficiencia.

Diagrama de la convección natural contra el enfriamiento por convección de aire forzadoFigura 1: Refrigeración por convección natural vs. convección por aire forzado (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Para comenzar el proceso de selección del ventilador de CC, un ingeniero tendrá que realizar algunos análisis térmicos básicos para calcular el requisito mínimo de flujo de aire. Un análisis térmico típico podría incluir la modelización de las fuentes de calor, las condiciones ambientales y el aumento de la temperatura. También habrá que tener en cuenta otros factores, como el tamaño del ventilador, su orientación y la trayectoria de la corriente de aire dentro de la aplicación, para garantizar que se aplique una solución adecuada. En el blog de CUI Devices, se incluye el artículo"Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection" (Comprensión de los fundamentos del flujo de aire para la selección adecuada del ventilador de CC) que proporciona más información sobre el análisis térmico y el proceso de selección.

Con el análisis térmico completo y el ventilador de tamaño y capacidad apropiados, todo lo que queda es encender el ventilador y dejarlo funcionar, ¿correcto? Si bien el funcionamiento de un ventilador a tiempo completo puede cumplir su propósito en ciertos escenarios, el enfriamiento continuo de aire forzado no suele ser una solución eficiente desde el punto de vista energético o a largo plazo. Los ventiladores de corriente continua de hoy en día ofrecen a los diseñadores un conjunto de opciones de control, supervisión y protección para mejorar sus capacidades de gestión térmica. El resto de este artículo tratará de cubrir estas características, para que los diseñadores puedan beneficiarse de técnicas de control de ventiladores más avanzadas.

Ciclo de encendido y apagado

Como se ha señalado anteriormente, el funcionamiento a tiempo completo del ventilador ciertamente mantendrá frescos los componentes sensibles a la temperatura, pero ignora tanto la energía que consume como el hecho de que los ventiladores tienen partes móviles con vidas operativas finitas. Cuando los ventiladores están funcionando, también producen un ruido audible que podría ser no deseado en una variedad de aplicaciones y ambientes.

El ciclo de encendido y apagado de un ventilador alrededor de un punto de ajuste de temperatura es un enfoque alternativo que puede mitigar algunas de las deficiencias del funcionamiento continuo del ventilador. La técnica de control del ventilador de encendido y apagado puede ahorrar energía al limitar el tiempo de funcionamiento, ejercer menos presión sobre los componentes móviles del ventilador y reducir el ruido audible cuando el ventilador se apaga en ciclos a medida que la temperatura desciende por debajo del punto de ajuste.

Sin embargo, el control de los ventiladores de encendido y apagado es también un enfoque demasiado simplista de la refrigeración por aire forzado en muchos sentidos y tiene su propio conjunto de deficiencias. En primer lugar, la técnica de control de encendido y apagado introduce ciclos de calor y frío en los componentes sensibles a la temperatura. Los ciclos térmicos pueden ser tan perjudiciales o peores para los componentes críticos que el funcionamiento a temperaturas elevadas y constantes. Esto se debe a que los ciclos térmicos crean diferencias en los coeficientes de temperatura que causan una tensión adicional en los materiales y las uniones de soldadura, lo que conduce a un fallo prematuro.

Lo siguiente, es el factor de inevitable sobregiro térmico. Es el tiempo que transcurre entre el encendido del ventilador y el momento en que el aire forzado que produce comienza a enfriarse. Durante esta demora, puede producirse un sobrecalentamiento de los componentes, a menos que se baje el punto de ajuste de "ventilador encendido". Además, al bajar el punto de ajuste, se aumenta el tiempo de encendido del ventilador y la creación de ruido audible. Por último, para evitar la rápida activación y desactivación del punto de ajuste, a menudo conocido como "chattering" (parloteo), será necesario implementar la histéresis.

El gráfico siguiente ayuda a ilustrar el dilema del sobregiro térmico causado por el retardo térmico en las aplicaciones de control de ventiladores de encendido/apagado. Este gráfico muestra la temperatura de consigna deseada con un cambio de paso (azul claro), junto con el ciclo de encendido y apagado del ventilador (verde) y la temperatura real (azul oscuro).

El diagrama del ciclo del ventilador de encendido/apagado puede llevar a un sobregiro térmico y retrasoFigura 2: El ciclo de encendido y apagado de los ventiladores puede llevar a un exceso y retraso térmico (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Opciones de control de ventiladores de hoy en día

Los ventiladores de corriente continua de hoy en día ofrecen a los diseñadores una serie de opciones de control y protección que permiten sistemas de gestión térmica más afinados. Estos avanzados diseños llevan el control básico del ventilador de encendido y apagado a un nuevo nivel de rendimiento, eficiencia y fiabilidad. También hay opciones de protección que detectan los problemas antes de que causen daños al ventilador y a los componentes que este está enfriando. A continuación, se describen algunas de las opciones más comunes de control y protección de ventiladores:

Modulación de ancho de pulso

La modulación de ancho de pulso (PWM) es un método común usado para controlar y cambiar la velocidad del ventilador en base a las condiciones térmicas variables. El control de velocidad variable basado en PWM da como resultado una mejor eficiencia operativa cuando se combina con algoritmos de control avanzados que pueden adaptarse a la dinámica operativa que iguala la velocidad del ventilador con la carga térmica.

El control de los ventiladores de encendido y apagado también puede mejorarse con este método adoptando estrategias de control de bucle cerrado proporcional-integral-derivado (PI y PID). Estas estrategias ayudan a evitar el exceso o defecto térmico a pesar de los cambios de carga, asegurando que el flujo de aire mantenga las condiciones a la temperatura del punto de ajuste deseado.

Señal del tacómetro integrado

Se utiliza para la retroalimentación en bucle cerrado y para un control más avanzado de los ventiladores, incorpora sensores de tacómetro e informa sobre la velocidad de rotación de un ventilador midiendo la frecuencia de una señal de salida pulsada. También sirve como sensor de bloqueo que alerta a los usuarios si el ventilador ha dejado de funcionar debido a una pérdida de potencia, obstrucción, etc. El hecho de poder detectar estos problemas lo antes posible es un beneficio importante para el funcionamiento del sistema y permite paradas oportunas para proteger los componentes sensibles a la temperatura.

Protección de reinicio automático

La protección de reinicio automático detecta cuando se impide que el motor del ventilador gire y corta automáticamente la corriente de accionamiento. Esto protege el circuito del ventilador y notifica al controlador del ventilador de los problemas inmediatos debidos a la interrupción de la corriente de conducción.

Detección de rotación/sensor de bloqueo

Se utiliza para detectar si un motor de ventilador está funcionando o parado, el sensor de detección de rotación/bloqueo es una salvaguarda contra los problemas en el arranque o durante el funcionamiento.

Resumen

Cuando una aplicación produce un exceso de calor, los ventiladores de CC son una opción común para mantener los componentes dentro de sus límites de funcionamiento y mejorar la disipación térmica. Aunque seleccionar y hacer funcionar un ventilador continuamente después de algunos análisis térmicos básicos es ciertamente una opción, los controles y protecciones más avanzados de los ventiladores pueden ofrecer a los diseñadores una mayor vida operativa y eficiencia. CUI Devices tiene un amplio portafolio de ventiladores y sopladores con una variedad de tamaños, flujos de aire, velocidades y controles para hacer este proceso simple.

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Información sobre el autor

Jeff Smoot, vicepresidente de control de movimiento e ingeniería de aplicaciones en CUI Devices

Artículo proporcionado por Jeff Smoot de CUI Devices.