STUDY OF HEAT GENERATION POWER IN THE ELEMENTS OF ELECTRONIC AND OPTOELECTRONIC TECHNIQUE
98
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:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3
Исследование мощности тепловыделений
99
C0
dT0 dτ
+
σ0k
(T0
− Tk
)
=
Φ(τ);
⎫ ⎪⎪
Сk
dTk dτ
+ σ0k (Tk
− T0 ) + σkс (Tk
⎬ − Tс ) = 0,⎪⎪⎭
(1)
где C0 и Ck — теплоемкость электронного элемента и калориметрического устройства соот-
ветственно; τ — время; σkс — тепловая проводимость между калориметрическим устройст-
вом и оболочкой; σ0k — то же, между электронным элементом и калориметрическим уст-
ройством; T0 , Tk и Tс — температура электронного элемента, калориметрического устройст-
ва и оболочки соответственно; Φ — 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 погрешно-
сти предложено использовать метод передаточных функций [1], основанный на интегральном
преобразовании Лапласа, который позволяет рассчитать мощность тепловыделений как функ-
цию временной зависимости температуры ядра калориметра.
Для определения передаточной функции перегрева калориметра в зависимости от мощ-
ности тепловыделений в элементе система уравнений (1) была преобразована по Лапласу и в
результате получена следующая система [2]:
C0sL + σ0k L − σ0k N = θ; Ck sN + σ0k N − σ0k L + σkc N
=
⎫ 0,⎬⎭
(2)
где L и N — изображение по Лапласу перегрева ϑ0 электронного элемента и перегрева обо-
лочки соответственно; θ — изображение по Лапласу мощности Φ(τ) ; s — параметр преоб-
разования Лапласа.
По виду передаточной функции было установлено, что калориметрическое ядро являет-
ся инерционным звеном, и определена его передаточная функция
L
[ϑk
(τ)]
=
ϑcт
⎛ ⎜⎝
1 s
−
s
1 +
m
⎞ ⎠⎟
,
где ϑk — изображение по Лапласу перегрева калориметра; ϑcт — стационарное значение пере-
грева калориметра, m = σkc Ck — темп его охлаждения.
Для определения коэффициентов передаточной функции была создана экспериментальная установка
12
(рис. 1). Электронный элемент 1 установлен на кало-
риметрическом ядре 2, и эти элементы помещены в
5
оболочку 3. Теплоемкость ядра 2 должна превышать
теплоемкость элемента 1 не менее чем в 10 раз, а теп-
лоемкость оболочки 3 должна превышать теплоем-
кость ядра 2 не менее чем в 20 раз. Теплота от элемента
1 передается ядру 2, и его температура начинает расти, 4 при этом часть теплоты поступает через зазор в обо-
лочку. На схеме также показаны кабель электропитания 4 и датчики температуры 5 и 6.
На 1-м этапе производилась градуировка уста-
6 Рис. 1
3
новки. На элемент наматывался дополнительный проволочный нагреватель, на который по-
давалась калиброванная мощность (2, 4, 6 Вт), и измерялся перегрев ядра калориметра. После
обработки полученных графиков зависимости перегрева ядра калориметра от времени
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3
100 В. А. Кораблев, Д. А. Минкин, Л. А. Савинцева, А. В. Шарков
определялся темп остывания. На основе вычисленных параметров передаточной функции
рассчитана мощность тепловыделений транзистора и по сопоставлению с поданной мощно-
стью определена погрешность метода.
В качестве примера реализации метода можно привести
5 анализ мощности тепловыделений в микросборке (рис. 2), в которой наибольшие мощности рассеивают диод 1, транзистор
2 и трансформатор 3. Так как электрические сигналы, прохо-
4
дящие через эти элементы, имеют сложную форму, то определить средние значения мощности тепловыделений в них за-
труднительно. Элементы установлены на калориметрах, вы-
полненных в виде цилиндров из меди, и длинными проводами
подсоединены к плате 4, которая, в свою очередь, подсоеди-
нена к источнику питания. В качестве нагрузки используется
остеклованный резистор 5. Калориметры в период измерений
обеспечивают нормальный тепловой режим исследуемых эле-
ментов. До начала опыта каждый калориметр помещался в те-
21 Рис. 2
3 плоемкую 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 теп-
ловыделений в элементах микросборки.
Многократное повторение опытов позволило оценить погрешность данного метода, ко-
торая не превышает 8 %. Предложенный метод исследования мощности тепловыделений ис-
пользован при измерении теплоты внутренних источников в полупроводниковых приборах и
импульсных газоразрядных лампах.
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
Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный иссле-
довательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; ассистент; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга
Поступила в редакцию 24.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3
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:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3
Исследование мощности тепловыделений
99
C0
dT0 dτ
+
σ0k
(T0
− Tk
)
=
Φ(τ);
⎫ ⎪⎪
Сk
dTk dτ
+ σ0k (Tk
− T0 ) + σkс (Tk
⎬ − Tс ) = 0,⎪⎪⎭
(1)
где C0 и Ck — теплоемкость электронного элемента и калориметрического устройства соот-
ветственно; τ — время; σkс — тепловая проводимость между калориметрическим устройст-
вом и оболочкой; σ0k — то же, между электронным элементом и калориметрическим уст-
ройством; T0 , Tk и Tс — температура электронного элемента, калориметрического устройст-
ва и оболочки соответственно; Φ — 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 погрешно-
сти предложено использовать метод передаточных функций [1], основанный на интегральном
преобразовании Лапласа, который позволяет рассчитать мощность тепловыделений как функ-
цию временной зависимости температуры ядра калориметра.
Для определения передаточной функции перегрева калориметра в зависимости от мощ-
ности тепловыделений в элементе система уравнений (1) была преобразована по Лапласу и в
результате получена следующая система [2]:
C0sL + σ0k L − σ0k N = θ; Ck sN + σ0k N − σ0k L + σkc N
=
⎫ 0,⎬⎭
(2)
где L и N — изображение по Лапласу перегрева ϑ0 электронного элемента и перегрева обо-
лочки соответственно; θ — изображение по Лапласу мощности Φ(τ) ; s — параметр преоб-
разования Лапласа.
По виду передаточной функции было установлено, что калориметрическое ядро являет-
ся инерционным звеном, и определена его передаточная функция
L
[ϑk
(τ)]
=
ϑcт
⎛ ⎜⎝
1 s
−
s
1 +
m
⎞ ⎠⎟
,
где ϑk — изображение по Лапласу перегрева калориметра; ϑcт — стационарное значение пере-
грева калориметра, m = σkc Ck — темп его охлаждения.
Для определения коэффициентов передаточной функции была создана экспериментальная установка
12
(рис. 1). Электронный элемент 1 установлен на кало-
риметрическом ядре 2, и эти элементы помещены в
5
оболочку 3. Теплоемкость ядра 2 должна превышать
теплоемкость элемента 1 не менее чем в 10 раз, а теп-
лоемкость оболочки 3 должна превышать теплоем-
кость ядра 2 не менее чем в 20 раз. Теплота от элемента
1 передается ядру 2, и его температура начинает расти, 4 при этом часть теплоты поступает через зазор в обо-
лочку. На схеме также показаны кабель электропитания 4 и датчики температуры 5 и 6.
На 1-м этапе производилась градуировка уста-
6 Рис. 1
3
новки. На элемент наматывался дополнительный проволочный нагреватель, на который по-
давалась калиброванная мощность (2, 4, 6 Вт), и измерялся перегрев ядра калориметра. После
обработки полученных графиков зависимости перегрева ядра калориметра от времени
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3
100 В. А. Кораблев, Д. А. Минкин, Л. А. Савинцева, А. В. Шарков
определялся темп остывания. На основе вычисленных параметров передаточной функции
рассчитана мощность тепловыделений транзистора и по сопоставлению с поданной мощно-
стью определена погрешность метода.
В качестве примера реализации метода можно привести
5 анализ мощности тепловыделений в микросборке (рис. 2), в которой наибольшие мощности рассеивают диод 1, транзистор
2 и трансформатор 3. Так как электрические сигналы, прохо-
4
дящие через эти элементы, имеют сложную форму, то определить средние значения мощности тепловыделений в них за-
труднительно. Элементы установлены на калориметрах, вы-
полненных в виде цилиндров из меди, и длинными проводами
подсоединены к плате 4, которая, в свою очередь, подсоеди-
нена к источнику питания. В качестве нагрузки используется
остеклованный резистор 5. Калориметры в период измерений
обеспечивают нормальный тепловой режим исследуемых эле-
ментов. До начала опыта каждый калориметр помещался в те-
21 Рис. 2
3 плоемкую 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 теп-
ловыделений в элементах микросборки.
Многократное повторение опытов позволило оценить погрешность данного метода, ко-
торая не превышает 8 %. Предложенный метод исследования мощности тепловыделений ис-
пользован при измерении теплоты внутренних источников в полупроводниковых приборах и
импульсных газоразрядных лампах.
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
Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный иссле-
довательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; ассистент; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf.grv@ifmo.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга
Поступила в редакцию 24.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3