Proyecto de simulación térmica de circuitos impresos por elementos finitos

Abstract

En este Proyecto de Fin de Carrera se acomete ei estudio térmico de circuitos impresos mediante el uso de un programa de simulación basado en el método de los elementos finitos, comprado a la empresa norteamericana Pacific Numerix Co. El nombre del programa es Printed Circuit Boards Design Expert System, o con abreviaturas, PDES. Este Trabajo es el principio de un proyecto más amplio de la División Aeroespacial de la empresa SENER de establecer un procedimiento sistemático de análisis térmico y dinámico de los equipos electrónicos que diseñe. Inicialmente el Proyecto debía consistir en lo siguiente: 1. Estudiar y aprender a manejar el programa. 2. Partiendo del esquema de una fuente de alimentación para un mecanismo de direccionamiento de antena realizado en SENER, definir las características del circuito impreso y la colocación de los componentes, y hacer el análisis térmico con PDES, con condiciones de contorno de laboratorio (20QC, convección natural de aire), y en régimen permanente. 3. Escribir un documento para ordenar la fabricación de la tarjeta de dicho circuito a la empresa Elbasa. 4. Montar los componentes en el laboratorio de electrónica de SENER y medir las temperaturas de los componentes y distintos puntos de la tarjeta en régimen permanente. 5, Comparar los resultados del punto 2. y del punto 4. Encontrar las causas de las posibles diferencias, y determinar la validez del programa. Los puntos 4. y 5. no se han realizado, pues aún no se dispone del circuito impreso. El aspecto más complicado es encontrar la información térmica sobre los componentes e introducir en PDES los datos que necesita. La información proporcionada por los fabricantes de componentes, o encontrada en listas de componentes preferidos de la Agencia Espacial Europea, de las normas MIL, o de otras empresas o sociedades homologadoras, suele ser insuficiente. Para resolver este problema se fijan unos modelos térmicos de los componentes mediante el uso de las resistencias térmicas y la analogía eléctrica de la transmisión de calor. Para poder calcular las resistencias térmicas de los modelos es preciso establecer simplificaciones, o determinar aproximadamente la proporción de la potencia calorífica total que se evacúa por convección, radiación, y conducción a través de los pines del componente y de los materiales que lo unen a la tarjeta. En general, el análisis térmico mediante PDES de un circuito impreso comprende: 1. Datos del diseño eléctrico: Esquema, componentes a utilizar, potencia que disipan, restricciones a la colocación de los componentes por razones de tipo eléctrico. 2. Búsqueda de la información térmica sobre los componentes. Elaboración de los modelos térmicos con el cálculo de las resistencias térmicas de que constan. 3. Definición de la tarjeta a utilizar. 4. Distribución de los componentes en la tarjeta y definición de su montaje, atendiendo a criterios eléctricos del punto 1, térmicos y dinámicos. 5. Tras la simulación, análisis de resultados y eliminación de temperaturas excesivas. Esto se traduce en: Revisión de los modelos térmicos. Cambio del tipo de montaje de algunos componentes, calculando las nuevas resistencias de contacto. Uso de disipadores de calor. Colocación de algún componente en otras zonas de la tarjeta. Cambio de algún componente por otro que evacúe mejor el calor o permita temperaturas de funcionamiento mayores.