ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ЭЛЕКТРОННОЙ И ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
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