Disipadores

En la entrega anterior aprendimos a medir las características mas importantes de nuestro amplificador:

  • Tensión de recorte
  • Sensibilidad a tensión de recorte
  • Potencia de salida
  • Rendimiento
  • Distorsión
  • Respuesta en frecuencia.

Parece que está todo bien medido pero aun falta algo importantísimo; los parámetros térmicos.

Sabemos que los transistores de salida deben montarse sobre un disipador con un aislador de mica y grasa siliconada pero no sabemos cual debe ser la superficie del disipador y su espesor. Inclusive no sabemos cual debe ser su color.

Los parámetros térmicos de los componentes son tan importantes o más que los eléctricos. Inclusive tienen leyes equivalentes a las eléctricas que nos permiten realizar cálculos precisos. Pero luego del cálculo vienen las mediciones y allí fallan hasta los ingenieros mas fogueados. Basta con decir que la temperatura mas importante es la del chip de los transistores de salida y aunque parezca imposible en esta lecciónle vamos a enseñar a medirla sin ningún otro instrumento mas que un simple tester de aguja, los propios transistores de salida y mucho ingenio.

¿Y porque la temperatura del chip es tan importante? Porque los transistores están fabricados con cristal de silicio y este elemento químico pierde su porpiadad como cristal a unos 200ºC destruyéndose el transistor. Pero aun antes de llegar a esas temperaturas la vida de los transistores de potencia depende de la temperatura del chip. En efecto el chip está pegado sobre una lamina de cobre para transferirle su temperatura; y esta lámina se la transfiere al disipador externo. Si el chip llega a temperaturas muy altas se dilata mucho; lo mismo ocurre con la lámina de cobre; pero el coeficiente de dilatación de ambos materiales es muy diferente y se produce un fenómeno de dilatación diferencial que termina despegando progresivamente el chip del cobre con cada calentamiento y enfriamiento. Finalmente el chip se despega por completo y su calor no puede transferirse al exterior; se calienta por arriba de 200ºC y el transistor se destruye.

Por eso la primer premisa es mejorar el rendimiento del amplificador y la segunda es disiparlo adecuadamente. Lo primero implica una medición eléctrica que ya sabemos hacer y lo segundo una medición térmica.

Los disipadores de calor

Un disipador es un componente metálico generalmente de aluminio que se utilizan para evitar que algunos dispositivos electrónicos como, transistores bipolares, reguladores, circuitos integrados etc. se calienten y se dañen.

El calor que produce un dispositivo electrónico no se transfiere con facilidad al exterior del mismo. En incontables ocasiones esto produce daños en el propio componente y sus accesorios deteriorando incluso la plaqueta donde esta montado el transistor. Por ese motivo es necesario dotar al transistor de algún dispositivo que extraiga el calor producido.

Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la juntura (chip) por debajo del máximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente eléctrica por un semiconductor, produce un aumento de la temperatura del chip que llamaremos Tj. Si se quiere mantener la temperatura en un nivel seguro, deberemos evacuar al exterior la energía calorífica generada en el chip. Para que se produzca un flujo de energía calorífica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasará del punto más caliente al más frío, pero diferentes factores dificultan dicho paso. A estos factores se les denomina, resistencias térmicas para asimilarlas a las resistencias eléctricas.

Algunos transistores son de plástico y otros son metálicos. La juntura es el lugar donde se genera el calor y se encuentra localizada en la propia pastilla o “chip”. Se trata de una zona muy pequeña que puede alcanzar fácilmente los 150ºC, lo que suele llevar al transistor a su destrucción. De modo que es muy importante mantener la unión mecánica entre el “chip” y la cápsula (caja o carcasa del transistor) por debajo del máximo y en lo posible con un muy buen margen. La resistencia térmica entre el chip y la cápsula la suministra el fabricante y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo.

Cuando un circuito integrado o un transistor funcionan con una corriente apreciable, su temperatura de unión es elevada. Es importante cuantificar sus límites térmicos, para alcanzar un funcionamiento aceptable en cuanto a confiabilidad. Este límite es determinado por la suma de las partes individuales que consisten en una serie de subidas de temperatura de la unión del semiconductor con relación a la temperatura ambiente. La figura 1 muestra la arquitectura de un circuito integrado y sus componentes resistivos térmicos descritos.

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Fig.1 Transistor o CI con encapsulado plástico para montaje superficial

Los componentes que son metálicos, transfieren con más facilidad el calor que genera el chip, debido a que disponen de una superficie mejor conductora del calor y por convección dicho calor se transfiere al aire que los rodea (Convección: enfriamiento debido al movimiento ascendente del aire caliente y la reposición de aire frio). Al mismo tiempo estos dispositivos nos permiten realizar un mejor acoplamiento con otros elementos metálicos que a su vez absorben calor y además permiten una mayor superficie de contacto con el aire que es el modo más económico de disipar calor.

Los hay muy sofisticados y hasta existen algunos refrigerados por efecto Peltier (enfriamiento por celdas alimentadas por corriente) o por circulación de agua, aceite u otros líquidos.

La ley de Ohm térmica

Se puede afirmar que, extrapolando los términos, estamos ante una revisión de la Ley de Ohm para parámetros térmicos. En este caso la similitud son los términos como temperaturas por tensiones, resistencias térmicas por resistencias óhmicas y flujo de calor por corriente eléctrica. La ley de Ohm térmica puede expresarse como sigue:

Tj – Ta = Pd x Rja [1]

Que significa que la diferencia entre la temperatura de la juntura y la temperatura ambiente es igual a la potencia disipada en el dispositivo multiplicada por la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente. En la formula [1] Rja corresponde a la suma aritmética

Rja = Rjc + Rcd + Rda

es decir que la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente es igual a la resistencia térmica entre la juntura y la carcaza mas la resistencia térmica entre la carcaza y el disipador, mas la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente.

En realidad nos interesa saber cual es la potencia máxima que puede disipar el dispositivo: por lo tanto despejamos el valor de la potencia disipada.

Pd = (Tj – Ta) / Rja = (Tj – Ta) / (Rjc + Rcd + Rda) [2]

Esta fórmula nos indica que la potencia que puede disipar un dispositivo electrónico es función directa de la temperatura máxima adoptada para la juntura (150ºC como máximo) y de la máxima temperatura ambiente e inversa de la resistencia térmica desde la juntura al ambiente (recordando que la resistencia juntura ambiente está fijada por las tres resistencias indicadas anteriormente).

En la figura 2 se muestra el llamado “grafico de reducción de potencia” que como ya se ha mencionado lo suministra el fabricante, además de las características térmicas.

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Fig.2 Curva de reducción de potencia

Este grafico nos indica que si utilizamos un disipador infinito y la temperatura ambiente es de 25ºC la potencia que se puede disipar en este dispositivo en particular es de 115ºC. A medida que el disipador va tornándose mas pequeño comienza a sobrecalentarse con respecto a la temperatura ambiente. Por ejemplo si con un determinado tamaño de disipador la temperatura del mismo llega a 100ºC entonces solo se pueden disipar 55W.

¿Y que importancia tiene esto, por ejemplo para el técnico o el diseñador de un amplificador de potencia de audio? Que simulando el amplificador y midiendo la potencia desarrollada en el/los transistor/es de salida y la temperatura del disipador del dispositivo real, puede determinar si este es apropiado o si debe agrandarlo. Y esto tiene una importancia vital en el costo del amplificador porque el aluminio tiene un precio elevado.

Las características de un disipador no solo dependen de su tamaño:

  • Un determinado perfil de estrucción puede generar bajas resistencias térmicas “disipador ambiente” sin utilizar mucho aluminio. La resistencia térmica es en realidad función de la superficie del disipador y no de la masa de aluminio. Y la forma afecta enormemente a la relación entre la masa y la superficie exterior. De allí que los disipadores tengan aletas.
  • Pero no es el único factor a tener en cuenta ya que un disipador disipa no solo por convección. También existe la radiación térmica (ya que el calor puede considerarse como una onda electromagnética infrarroja) y el color de la superficie afecta la radiación. De allí que los disipadores siempre son de aluminio anodizado negro.

¿Cuándo se debe usar disipador?

Utilizando la formula [2] se puede conocer cual es la potencia máxima TJ que puede disipar nuestro dispositivo sin disipador. Cuando la potencia que va disipar el dispositivo es igual o mayor a ésta, entonces es preciso utilizar un disipador. Por supuesto todo depende de la temperatura ambiente máxima que se puede esperar en la zona donde esta instalado el transistor.

Para entender el problema lo mejor es dar un ejemplo. Empezaremos por buscar algunos datos en la hoja de características o especificación del semiconductor. Por ejemplo:

  • La temperatura máxima de la unión que, depende del dispositivo Tj máxima, Pero recuerde que conviene trabajar con un margen de seguridad importante para alargar la vida del dispositivo, un margen de seguridad adecuado puede ser del 50%.
  • La resistencia térmica entre la unión y el aire ambiente Rjc, que también depende del dispositivo.
  • La resistencia térmica entre la cápsula y el disipador Rcd. Recordando que si se usa aislador de mica o plástico se debe incrementar en un 20% aun usando grasa siliconada.

La incógnita del problema es hallar el coeficiente térmico entre el disipador y el aire Rda. Si el dispositivo de nuestro ejemplo debe disipar 25W, los datos que hemos obtenido son:

  • Pd = 25W
  • TJ = 100 °C
  • TA = 25 °C
  • RJC = 1,52 °c/w
  • RCD = 0,12°c/w

Usaremos la formula [2] de la cual se despeja Rda :

Rda = [(Tj-Ta)/Pd] -Rjc -Rcd

Aplicado a nuestro dispositivo el resultado es:

Rth = 1,36 ºC/W

A continuación solo basta con buscar en catálogos de fabricantes de disipadores algún disipador que tenga una resistencia térmica con el valor que acabamos de calcular. No se debe elegir nunca un disipador que tenga una resistencia térmica mayor, ya que esto implicaría aumentar gravemente la temperatura de trabajo de la juntura, con consecuencias perjudiciales. Según todo lo aprendido hasta ahora la simple medición de la temperatura del disipador en el caso real es suficiente para calcular la temperatura de juntura.

En el siguiente ejemplo, conociendo Rja, podemos calcular la temperatura aproximada que alcanzará la unión del componente Tj ; despejaremos Tj en la formula [1] de la siguiente forma:

Tj = (Pd x Rja)+ Ta

De aquí deducimos que cuanto mayor sea la Tj resultante del calculo con más seguridad debe ponerse un disipador mas grande o con mejor geometría. Por tanto, deberemos calcular el disipador que ayude a evacuar el excedente de calor.

La especificación proporcionara Rjc, también proporciona la Pd o potencia máxima disipable por el dispositivo, normalmente a 25ºC. La Rja resistencia unión ambiente se puede calcular como:

Rja = Rjc + Rca

En definitiva, lo que se pretende hallar es la Rda resistencia del disipador ambiente (en las hojas de datos se suele indicar como Rth). El resto de los parámetros se conoce por el tipo de dispositivo y el cálculo de la potencia que deberá disipar dicho componente; o mas modernamente una simulación del circuito. Así, despejando en la Ley de Ohm térmica, el valor de Rda tendremos que:

Rda = Tj-Ta/Pda – (Rjc + Rcd)

El valor de Rcd suele estar entre 0,5 y 1,0 ºC/W, considerando que la cápsula está unida al disipador con una capa de silicona térmica y no con mica aislante, lo que aumentaría la resistencia alrededor de 2 ºC/W.

Resolvamos el siguiente ejercicio para fijar conceptos: considerando un dispositivo con cápsula TO-3, que disipe 30W en una temperatura ambiente máxima de 35 ºC. Cual sería la resistencia Rth que debe tener su disipador.

La especificación como la mostrada arriba, nos dice que la Rjc es de 1,52 ºC/W, con una Tc máxima de 200 ºC que por seguridad reduciremos a 150 ºC y una Rcd directa con grasa siliconada en 1 ºC/W. Por lo tanto ya podemos hacer el cálculo pedido.

Rda = (150-35)/30 – (1,52 + 1) = 1,3 ºC/W [ºC/W] = [ºC]/[W] – [ºC/W] – [ºC/W]

Ahora podemos calcular la caída de temperatura Tjc (unión carcaza), la Tcd cápsula disipador, la Tc cápsula y el Td disipador.

La diferencia de temperatura Tjc juntura carcaza:

Tj – Ta = Pd x Rjc = 30 W x 1,52 ºC/W = 45,6 ºC

La temperatura Tcd cápsula disipador, por deducción será:

Tc – Td = Pd x Rcd = 30 W x 1 ºC/W = 30 ºC

La temperatura Tc de la carcaza del dispositivo:

Tc = Tj – 45 ºC = 105 ºC

Y la temperatura Td del disipador:

Td = Tc – 30 ºC = 105 ºC – 30 ºC = 75 ºC

Disipadores térmicos comerciales

En el mercado se presentan diferentes tipo de disipadores o radiadores comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la Rda resistencia disipador ambiente (Rth en las especificaciones), algunos para grandes potencias de 0,5 ºC/W. Uno de los fabricantes de disipadores mas grandes se llama Burr Brown y resume los diferentes tipos en su nota de aplicación: sboa021.pdf que puede bajarse con un buscador como el Google. De este lugar se extrajo la tabla de la figura 3.

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Fig.3 Tabla de resistencias térmicas

En la tabla tenemos un ejemplo para una capsula TO-3 montada de dos modos diferentes (1) para usos de alta potencia y (2) para usos de baja potencia. El valor para RJC de 0.8°C/W es para el disipador OPA512 que funciona en condiciones de señal de corriente alterna. Para condiciones de señal de corriente continua, RJC es de 1.4°C/W.

El circuito térmico, permite estimar con cálculos simples la temperatura de juntura. La subida de temperaturas a través de cada interfaz es igual a la potencia total disipada en los varios dispositivos, la resistencia térmica. Una estimación de la temperatura de unión puede ser calculada usando el fórmula siguiente:

TJ = TA + PD * RJA

en donde PD es la potencia disipada y

RJA = RJC + RCD + RDA

En cuanto a los términos de la tabla las explicaciones son las siguientes:

  • TJ (°C)  Temperatura máxima en la “Unión” (dato suministrado por el fabricante).
  • TC (°C)  Temperatura en la carcasa que depende de la potencia que vaya a disipar el dispositivo, el tamaño del disipador y la temperatura ambiente.
  • TD (°C) Temperatura del Disipador, depende de la temperatura ambiente y el valor de RDA (RD)
  • TA (°C)  Temperatura ambiente
  • PD (Watts)  Potencia Disipada en semiconductor.
  • RJC (°C/Watt)  Resistencia térmica entre la Unión y la carcasa
  • RCD (°C/Watt) Resistencia térmica entre Carcasa y Disipador (incluye el efecto de la mica y la grasa siliconada, si es que se utiliza).
  • RDA (°C/Watt)  Resistencia térmica entre el Disipador y el Aire (Resistencia térmica del disipador RD)
  • RJA (°C/Watt)  Resistencia térmica entre la Unión y el aire.

Los cálculos asumen una temperatura ambiente de 25°C en estos ejemplos. Cada componente de resistencia térmica produce una subida de temperaturas igual al producto de la potencia disipada y la resistencia térmica. La temperatura de la unión es igual al producto de potencia disipada y la resistencia térmica

T = PD * θJA

Disipadores especiales

Un disipador clásico es una pieza de estrucción de aluminio o una chapa doblada de aluminio con las perforaciones de montaje para el transistor o circuito integrado. Pero actualmente el costo del aluminio invita a resolver el problema de la disipación de calor por métodos menos ortodoxos que a priori parecen caros pero terminan resultando mas económicos que los disipadores clásicos cuando se trata de disipar grandes potencias.

Una fuente inagotable de disipadores son los cooler para PC. Allí se pueden encontrar disipadores de menos de 0,5 ºC/W a precios realmente bajos debido a la enorme escala de fabricación. Por supuesto que se debe realizar un circuito adecuado para evitar que una turbina rota queme un amplificador. Pero los motores de estas turbinas no tienen carbones ya que funcionan de un modo similar a los motores de impulsión directa de los videograbadores o de algunos DVD de marca. Además tienen tres cables: masa 12V y salida del generador de frecuencia que se puede utilizar para reconocer que la turbina esta funcionando. Si esos pulsos desaparecen el amplificador debe apagarse porque se quedó sin refrigeración por aire forzado. En este curso veremos este tipo de detector cuando analicemos los servomecanismos de protección de un equipo.

Todos sabemos que cuando circula una corriente eléctrica por un circuito real se genera calor. Pero ¿sabia que existen dispositivos que generan frío cuando son circulados por una corriente eléctrica? Se llaman celdas de efecto Peltier y pueden trabajar perfectamente como disipadores de calor aunque su bajo rendimiento agranda excesivamente las fuentes de alimentación.

Peltier utilizó el efecto inverso descubierto por un físico Alemán llamado Seebek: Tome dos alambres de distintos metales, de por ejemplo 1 metro de largo. Realice una soldadura de punto en cada punta del par. Ponga una de las puntas en una mezcla de agua y hielo para garantizar una temperatura de 0ºC. Coloque la otra punta en una pava de agua hirviendo (para garantizar una temperatura de 100 ºC). Cuando las soldaduras tomen la temperatura del medio en que están sumergidas, por los alambres circulara una corriente proporcional a la diferencia de temperatura. Este efecto se utiliza en electrónica en las llamadas termocuplas que conectadas a un tester lo transforman en un termómetro.

Ahora saque los alambres de las fuentes de frío y de calor y haga circular una corriente eléctrica por el par. Una de las soldaduras se calentará y la otra se enfriará creando lo que se llama una bomba de calor. En la figura 4 se puede observar una celda comercial.

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Fig.4 Celda Peltier

Poco después, el francés Jean Charles Peltier descubrió en 1834 el fenómeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a través de un circuito de dos metales soldados, una de las soldaduras se enfría mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una “bomba de calor”.

Medición de la temperatura de juntura

Suponga que tiene que medir la temperatura del chip de un transistor de potencia de un amplificador de simetría complementaria. No hay una forma directa de hacerlo porque el chip no es accesible. Pero si hay una indirecta.

Una barrera de silicio tiene unos 600 mV a una temperatura de 20 ºC. Pero esa barrera no es fija; varía a razón de -2,5 mV/ºC aproximadamente. Si Ud. conmuta el circuito de base de y emisor de un transistor con dos llaves de modo de conectarlo en la disposición normal o de conectarlo a un tester de aguja como para medir una barrera, podrá medir la barrera en frío y luego en caliente y de la diferencia obtener la temperatura del cristal aplicando el coeficiente de -2,5 mV/ºC.

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Fig.5 Circuito del amplificador modificado para medir sobrecalentamiento

Si analiza el circuito verá que es el mismo de siempre pero con el agregado de una llave inversora de dos vías que desconecta el transistor a medir y lo conecta como para medir la tensión de barrera o como está originalmente en el circuito.

  1. La idea es medir la tensión de barrera en frío (llaves hacia arriba).
  2. Luego llevar las llaves hacia abajo y llevar el amplificador a máxima potencia, dejarlo un par de horas funcionando con un tono de 1KHz de entrada al limite del recorte y volver a mover la llave para medir la tensión de barrera.

Es decir que tenemos dos valores de tensión de barrera (tómelos en mV) el correspondiente a temperatura ambiente y el correspondiente a transistor a máxima potencia de salida. Haciendo la diferencia de ambos valores y dividiendo por 2,5 obtenemos la sobreelevación de temperatura entre el cristal del transistor y la temperatura ambiente en ºC.

Por ejemplo si la primer medición es de 700 mV y la segunda es de 600 mV obtenemos 100 mV de diferencia que divididos por 2,5 da 40 ºC. Esto significa que cuando la temperatura ambiente en el lugar donde esta el disipador llegue por ejemplo a 60ºC (caso clásico en un automóvil por ejemplo) la temperatura del cristal estará a 100ºC y el disipador es adecuado. Si diera un valor peligroso habría que colocar un disipador de menor resistencia térmica.

Suponemos que el alumno tendrá varias preguntas para hacer. La primera es la razón por la cual se agregaron los resistores R8, R7 y el diodo D1. R8 es el resistor que hace circular corriente por la juntura para medir la barrera. R7 y el diodo D1 están para que el tester analógico no indique 6V al poner las llaves hacia abajo. ¿Y porque un tester analógico y no el digital que es mas preciso? Porque no hay que darle tiempo a que se enfríe el cristal y en los primeros instantes se enfría muy rápidamente, generando un error de medición. Un tester analógico es mas rápido que uno digital que requiere un segundo por lo menos para hacer la medición.

¿Este método es preciso? Tal como lo aplicamos no es muy preciso. Para que sea preciso se debe calibrar el transistor bajo medición para conocer exactamente cual es su coeficiente de variación de la barrera con la temperatura. Si desea mas precisión calibre el transistor del siguiente modo:

  1. Coloque hielo granizado en un vaso hasta la mitad y agregue agua hasta llenarlo. Revuelva la mezcla espere unos minutos y mientras exista hielo en el vaso sumerja el transistor y mida la tensión de juntura con las llaves del circuito hacia arriba. Este valor es la juntura a cero grado.
  2. Luego caliente agua en una pava y cuando comience a hervir sumerja el transistor a medir y mida la tensión de juntura. Esta será la tensión de barrera a 100 ºC. No se preocupe por el contacto de los terminales del transistor y el agua porque el circuito trabaja con bajas resistencias.
  3. El coeficiente preciso de ese transistor será el valor de la tensión a 100 ºC menos el valor de la tensión a 0ºC dividido por 100, medido en mV/ºC. Ahora la medición es muy precisa si se toma la precaución de medir rápidamente.

Este sistema no se limita a los amplificadores de audio en donde es bastante simple determinar la potencia disipada en el transistor y por lo tanto fácil de determinar la resistencia térmica del disipador en función de la temperatura del mismo. Pero en muchos circuitos digitales en donde la potencia disipada depende de la velocidad de conmutación (por ejemplo un transistor de salida horizontal) el cálculo o simulación es difícil de realizar. Allí esta medición puede ser el única posible.

¿Que se recomienda para el caso de nuestro amplificador elemental como disipador? Aun es muy pronto para realizar un proyecto preciso porque los niveles de potencia que logramos hasta ahora son muy bajos de modo que es preferible que lleguemos a un amplificador mas adecuado antes de diseñar el disipador.

Caso práctico: amplificador para un auto y un parlante de 8 Ohms

¿En nuestro amplificador básico para un auto y un parlante de 8 Ohms se requiere el uso de un disipador? Nuestro amplificador posee una potencia de 2,3W y un rendimiento del 60%; en el articulo anterior calculamos que cada transistor disipa 0,6W. En la especificación del TIP41 o TIP42 se observa que tienen una resistencia térmica juntura ambiente de 62,5 ºC/W es decir que para 0,6W la sobreelevación será:

Sobreelevación = 62,5 x 0,6 = 37,5ºC

Como podemos observar si la temperatura ambiente máxima llega a 60ºC la juntura solo llegará a 60 + 37,5 = 97,5 ºC que puede considerarse aceptablemente buena.

De cualquier modo no consideramos que nuestro amplificador elemental tenga suficiente potencia así que le aconsejamos esperar hasta la próxima entrega para realizar un nuevo cálculo de temperatura de juntura.

Conclusiones

En esta lección nos dedicamos a las características térmicas de los semiconductores y a los dispositivos (disipadores) usados para modificarlas. Un transistor de potencia de audio como los que usamos en nuestro amplificador es prácticamente inservible si no se le agrega un disipador adecuado.

En la próxima lección vamos a potenciar nuestro amplificador para hacerlo mas compatible con las circunstancias actuales. Vamos a construir un amplificador de 10 + 10W y otro de 20 + 20W que como siempre decimos son los mas baratos del mundo y sobre todo vamos a dar los datos prácticos para los disipadores. La idea es muy simple; queremos armar un amplificador estereofónico que se conecte a un “personal player MP3″ o un reproductor MP3 para que Ud. pueda escuchar música en su auto sin infringir la ley utilizando los audífonos.

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