CC BY
61
3. Гордов А. Н., Ходунков В. П. Проявление эффекта Томсона в образцовых температурных лампах // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1984. Т. 27, № 3. С. 80—82.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1977. 421 с.
5. Рудницкий А. А. Термоэлектрические свойства благородных металлов и их сплавов. М.: Изд-во АН СССР, 1956. С. 18—20, 36—132.
6. Пелецкий В. Э., Тимрот Д. Л., Воскресенский В. Ю. Высокотемпературные исследования тепло- и электропроводности твердых тел. М.: Энергия, 1971. 182 с.
Сведения об авторе
Вячеслав Петрович Ходунков — канд. техн. наук; НИУ по скрытности и защите кораблей ВУНЦ ВМФ
„Военно-морская академия им. Н. Г. Кузнецова", Санкт-Петербург; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
компьютерной теплофизики и 24.04.12 г.
энергофизического мониторинга СПбНИУ ИТМО
УДК 536.6
В. А. Кораблев, Д. А. Минкин, Л. А. Савинцева, А. В. Шарков
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ЭЛЕКТРОННОЙ И ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Представлен метод измерения мощности тепловыделений в полупроводниковых приборах и импульсных газоразрядных лампах. Рассмотрен один из способов реализации метода.
Ключевые слова: калориметр, внутренние источники тепла, передаточная функция, микросборка.
При исследовании тепловых режимов электронных и оптоэлектронных приборов необходимо знать мощность тепловыделений в их отдельных элементах. Вследствие того что в электронных элементах существует отток энергии по выводам и проводам, а электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, теоретически рассчитать мощность тепловыделений довольно сложно. Экспериментальные методы определения источников тепла с использованием биокалориметров или тепломеров в данных случаях не применимы из-за сложности реализации, невозможности обеспечить нормальный тепловой режим исследуемых элементов и неточностей, связанных с оттоками теплоты к соседним поверхностям.
В настоящей статье рассматривается калориметрический метод измерения мощности тепловыделений внутренних источников тепла в элементах электронной и оптоэлектронной техники.
Суть метода заключается в том, что исследуемый объект устанавливается в калориметрическое устройство, которое, в свою очередь, помещается в оболочку. Калориметрическое устройство содержит датчик температуры. После подачи электропитания на исследуемый объект производится запись изменения температуры калориметрического устройства, и по скорости его разогрева и перегрева относительно оболочки судят о мощности тепловыделений в исследуемом объекте. Тепловые процессы, происходящие в данной системе, можно описать следующим образом. Теплота от исследуемого элемента передается калориметрическому устройству, и его температура начинает расти, при этом часть теплоты поступает через зазор в оболочку. Тепловой баланс можно описать следующей системой уравнений:
Исследование мощности тепловыделений
99
сг
О» + а0£ (То-Тк) = ф(т);
а т
аТк
Ска- + °ок (Тк-То) + Окс (Тк-Тс) = 0,
а т
(1)
(2)
где Со и Ск — теплоемкость электронного элемента и калориметрического устройства соответственно; т — время; Окс — тепловая проводимость между калориметрическим устройством и оболочкой; аок — то же, между электронным элементом и калориметрическим устройством; То, Тк и Тс — температура электронного элемента, калориметрического устройства и оболочки соответственно; Ф — мощность тепловыделений в исследуемом элементе.
Система уравнений (1) позволяет определить мощность источника тепла в электронном элементе, но при этом появляется погрешность, вызванная неравномерностью во времени температурных полей калориметра и исследуемого элемента. Для анализа данной погрешности предложено использовать метод передаточных функций [1], основанный на интегральном преобразовании Лапласа, который позволяет рассчитать мощность тепловыделений как функцию временной зависимости температуры ядра калориметра.
Для определения передаточной функции перегрева калориметра в зависимости от мощности тепловыделений в элементе система уравнений (1) была преобразована по Лапласу и в результате получена следующая система [2]:
Со ^+°ок1 -°окН = 9; СкМ + акN - ОокЬ + ОксЫ = о,, где Ь и N — изображение по Лапласу перегрева электронного элемента и перегрева оболочки соответственно; 9 — изображение по Лапласу мощности Ф(т); 5 — параметр преобразования Лапласа.
По виду передаточной функции было установлено, что калориметрическое ядро является инерционным звеном, и определена его передаточная функция
Ь [ (т)] = Зст V- - —
V 5 5 + т
где — изображение по Лапласу перегрева калориметра; $ст — стационарное значение перегрева калориметра, т = а^/Ск — темп его охлаждения.
Для определения коэффициентов передаточной функции была создана экспериментальная установка (рис. 1). Электронный элемент 1 установлен на калориметрическом ядре 2, и эти элементы помещены в оболочку 3. Теплоемкость ядра 2 должна превышать теплоемкость элемента 1 не менее чем в 1о раз, а теплоемкость оболочки 3 должна превышать теплоемкость ядра 2 не менее чем в 2о раз. Теплота от элемента 1 передается ядру 2, и его температура начинает расти, при этом часть теплоты поступает через зазор в оболочку. На схеме также показаны кабель электропитания 4 и датчики температуры 5 и 6.
На 1-м этапе производилась градуировка установки. На элемент наматывался дополнительный проволочный нагреватель, на который подавалась калиброванная мощность (2, 4, 6 Вт), и измерялся перегрев ядра калориметра. После обработки полученных графиков зависимости перегрева ядра калориметра от времени
6
Рис. 1
определялся темп остывания. На основе вычисленных параметров передаточной функции рассчитана мощность тепловыделений транзистора и по сопоставлению с поданной мощностью определена погрешность метода.
В качестве примера реализации метода можно привести анализ мощности тепловыделений в микросборке (рис. 2), в которой наибольшие мощности рассеивают диод 1, транзистор 2 и трансформатор 3. Так как электрические сигналы, проходящие через эти элементы, имеют сложную форму, то определить средние значения мощности тепловыделений в них затруднительно. Элементы установлены на калориметрах, выполненных в виде цилиндров из меди, и длинными проводами подсоединены к плате 4, которая, в свою очередь, подсоединена к источнику питания. В качестве нагрузки используется остеклованный резистор 5. Калориметры в период измерений обеспечивают нормальный тепловой режим исследуемых элементов. До начала опыта каждый калориметр помещался в теплоемкую оболочку, а установленная в нем термопара подключалась к многоканальной измерительной системе. После подачи питания на микросборку записывались изменения температуры калориметра. В результате обработки данных получены значения мощности тепловыделений в элементах микросборки.
Многократное повторение опытов позволило оценить погрешность данного метода, которая не превышает 8 %. Предложенный метод исследования мощности тепловыделений использован при измерении теплоты внутренних источников в полупроводниковых приборах и импульсных газоразрядных лампах.
Рис. 2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мирошник И. В. Теория автоматического управления. Линейные системы. СПб: Питер, 2005. 336 с.
2. Диткин В. А., Прудников А. П. Интегральное преобразование и операционное исчисление. М.: Физматгиз, 1961.
Владимир Антонович Кораблев
Дмитрий Алексеевич Минкин
Людмила Алексеевна Савинцева
Александр Васильевич Шарков —
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга
Сведения об авторах
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: [email protected]
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; ассистент; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: [email protected]
д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 24.12.09 г.
