Internet de las cosas y gestión de la temperatura
El Internet de las cosas (IoT) va camino de tener una aceptación más rápida que cualquier otra tecnología introducida anteriormente. Desde prácticamente cero al comienzo de esta década, un estudio de BCG ha calculado que el gasto en el mercado alcanzará los 267 mil millones de dólares en tecnologías, productos y servicios de IoT al finalizar el decenio. La mitad de este gasto previsto se espera que sea en aplicaciones industriales, principalmente en fabricación, servicios públicos, transporte y logística.
Los productos para estas aplicaciones tendrán que funcionar en entornos muy hostiles. Los sistemas electrónicos son vulnerables al calor, el frío, el ruido eléctrico y las partículas transportadas por vía aérea. El calor puede reducir la eficacia y la vida útil de los componentes, la humedad y las partículas pueden causar cortocircuitos y el frío puede afectar al funcionamiento y la vida útil de los equipos. Los diseñadores deben proteger los componentes electrónicos sensibles del entorno o encontrar maneras de calcular con precisión cómo funcionarán estos sistemas en dichos entornos.
Los problemas medioambientales no son el único problema al que se enfrentarán los diseñadores de equipos de IoT. Muchos sistemas de IoT estarán situados en áreas remotas o en lugares de difícil acceso para las tareas de mantenimiento periódicas. Esto significa que, a menudo, no podrán estar conectados a la red eléctrica, por lo que dependerán de baterías o de energía captada del entorno para poder funcionar.
La solución más sencilla para los diseñadores consiste en utilizar una caja o carcasa para proteger el sistema electrónico interior. Las cajas pueden proteger los equipos contra la humedad y el polvo, pero el calor y el frío todavía pueden ser un problema. Las carcasas estancas pueden acumular el calor de los componentes, lo que a su vez puede llevar a la formación de puntos calientes, especialmente en zonas cerca de la parte superior de la caja.
Tradicionalmente, se han utilizado ventiladores y disipadores térmicos para disipar el calor, y ambos se pueden utilizar en aplicaciones de IoT, aunque los disipadores de gran tamaño pueden plantear problemas debido a los requisitos de espacio. Una interfaz térmica puede garantizar que el calor de los componentes se transfiera de forma eficiente al disipador térmico, lo que puede reducir el tamaño del disipador de calor necesario. A menudo, la interfaz térmica es una grasa o pasta, pero, recientemente, se han desarrollado materiales especializados para ofrecer una mejor conexión térmica entre el componente y el disipador térmico. Estos materiales no se deterioran con el tiempo como ocurre con la grasa.
El nuevo material Soft-PGS de Panasonic (135-9663) es un buen ejemplo de este tipo de material de interfaz térmica. El Soft-PGS es una lámina de grafito de 200 μm de grosor que se pueden comprimir en un 40%. El material garantiza la estabilidad térmica hasta los 400°C con una conductividad térmica de hasta 400 W/mK en el plano X-Y, y 30 W/mK en la dirección Z. También se ha encontrado otro uso para este material que resulta especialmente útil para los diseñadores de dispositivos IoT: como una capa térmicamente conductora que se puede aplicar en el interior de las cajas para evitar los puntos calientes.
La refrigeración forzada por aire, por medio de ventiladores, también se ha utilizado ampliamente para el control de la temperatura. En los sistemas IoT, podría no haber mucho espacio libre para ventiladores, o energía suficiente para hacerlos funcionar. Pero los ventiladores modernos ofrecen funciones que pueden solventar algunos de estos problemas. Por ejemplo, la gama 9RF de ventiladores de Sanyo Denki (136-0687) puede suministrar un flujo de aire en ambos sentidos, lo que reduce el espacio necesario para el control térmico. Los ventiladores también incorporan control de velocidad PWM que permiten al diseñador ahorrar energía mediante una utilización eficiente, y reducir el ruido.
En algunos casos, no será posible confiar únicamente en las técnicas de refrigeración, y se deben tomar medidas para intentar erradicar los efectos térmicos, o planificar considerando una vida útil del producto reducida. Por suerte, los efectos del calor en los componentes electrónicos componentes ya son bien conocidos. Las pruebas de fatiga térmica ya se utilizan para poner los componentes a prueba de manera acelerada. A partir de estas pruebas, podemos deducir cómo reaccionarán los componentes a diferentes temperaturas ambiente. Por ejemplo, un ventilador funcionando a 40°C de temperatura ambiente puede durar 70.000 horas, mientras que el mismo ventilador funcionando a 60°C podría durar solamente 40.000 horas. Los diseñadores también pueden sobrecompensar, aumentando la especificación de los componentes para hacer frente a una temperatura excesiva. Muchos fabricantes ofrecen orientación acerca de ajustes de disminución de potencia en la documentación de sus productos.
Muchos sistemas de IoT se encontrarán en exteriores o en lugares inhóspitos, como los congeladores industriales. El frío puede afectar también al funcionamiento de los sistemas electrónicos, especialmente reduciendo la capacidad de las baterías, por lo que las pantallas LCD responderán peor, y produciendo condensación, lo que puede provocar cortocircuitos en los componentes. Para los sistemas que deben funcionar en estas condiciones, puede ser necesario un calentador para mantener el funcionamiento normal del sistema. Stego fabrica una familia de calentadores compactos especialmente para este escenario. La gama de Stego incluye calentadores de convección y de panel, así como calentadores de ventilador para distribuir el calor de manera uniforme. Stego también ofrece calefactores diseñados para trabajar en entornos explosivos con su nueva familia CREx, disponible próximamente (144-7579).
Resumen
El IoT ofrece enormes oportunidades para quienes puedan proporcionar los productos adecuados en el momento adecuado. Estas oportunidades también conllevan retos, principalmente ambientales. Es posible crear sistemas electrónicos para entornos hostiles, pero se requiere una planificación cuidadosa durante todo el ciclo de diseño para garantizar el mayor rendimiento y la máxima duración.