Научная статья на тему 'Исследование мощности тепловыделений в элементах электронной и оптоэлектронной техники'

Исследование мощности тепловыделений в элементах электронной и оптоэлектронной техники Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
167
57
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КАЛОРИМЕТР / CALORIMETER / ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА / INTERNAL HEAT SOURCES / ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ / TRANSFER FUNCTION / МИКРОСБОРКА / MICROASSEMBLY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Кораблев Владимир Антонович, Минкин Дмитрий Алексеевич, Савинцева Людмила Алексеевна, Шарков Александр Васильевич

Представлен метод измерения мощности тепловыделений в полупроводниковых приборах и импульсных газоразрядных лампах. Рассмотрен один из способов реализации метода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Кораблев Владимир Антонович, Минкин Дмитрий Алексеевич, Савинцева Людмила Алексеевна, Шарков Александр Васильевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF HEAT GENERATION POWER IN THE ELEMENTS OF ELECTRONIC AND OPTO-ELECTRONIC TECHNIQUE

A method for measurement of heat generation in semiconductor devices and in pulsed gas discharge lamps is considered. One of possible realizations of the method is described in details.

Текст научной работы на тему «Исследование мощности тепловыделений в элементах электронной и оптоэлектронной техники»

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: walkerearth@mail.ru

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: 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

Поступила в редакцию 24.12.09 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.