Одним из этапов обучения инженеров-конструкторов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является, проведение лабораторных работ по курсу “Тепломассообмен в РЭА”. Целью подобных работ является изучение и исследование различных способов охлаждения, как отдельных радиоэлектронных элементов, так и оценка эффективности охлаждения элементов конструкций и корпусов РЭА. Одной из задач при проведении лабораторных работ является измерение значений температуры теплонагруженного элемента и радиатора (системы охлаждения) РЭА. Классически подобная задача решается применением так называемого контактного способа измерения температуры. Суть способа состоит в следующем: на поверхности исследуемого объекта закрепляется датчик, т. е. происходит непосредственный контакт поверхностей температурного датчика и исследуемого объекта. Как правило, разная степень чистоты обработки поверхностей температурного датчика и исследуемого объекта приводит к возникновению зазора между ними (рис. 1).
Рис. 1.
Этот зазор необходимо заполнить вязким материалом с известным и достаточно высоким коэффициентом теплопроводности. В качестве такого материала используют теплопроводные пасты (например, отечественная КПТ-8), а если не требуется разбора связи датчик температуры — исследуемый объект и одновременно необходимо обеспечить прочность их соединения без дополнительных элементов, то применяют теплопроводные клеи (например, отечественный теплопроводный клей Радиал-Т). К тому же отсутствие лишних элементов вносит положительный вклад в оценку объективности эксперимента, поскольку элементы крепления датчика часто становятся причиной погрешностей при измерении температуры, особенно если выполнены из материалов обладающих хорошей теплопроводностью.
В качестве датчиков при контактном способе часто используют термопары, термосопротивления (терморезисторы), полупроводниковые датчики температуры, в качестве последних возможно использование полупроводниковых диодов. Все эти приборы допускают размещение непосредственно на поверхности теплонагруженного элемента или его радиатора. Однако в начале 90-х годов прошлого столетия разработаны и с успехом используются по сей день датчики температуры со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Подобные датчики объединяют в себе температурно зависимый элемент, схему предварительного усиления сигнала этого элемента и схему оцифровки данных о температуре. К таким устройствам относятся микросхемы DS1621+, LM75 и т. п. Изначально эти датчики предназначены для измерения температуры воздуха, и в частности используются в качестве датчиков температуры материнских плат персональных компьютеров. Достаточно интересно рассмотреть работу подобных датчиков при непосредственном контакте их корпуса с поверхностью исследуемого объекта. И в качестве примера кратко рассмотрим отдельные моменты применения датчиков температуры со встроенным АЦП в учебном лабораторном стенде [1–5].
Стенд предназначен для исследования работы основных типов радиаторов применяемых в радиоэлектронной аппаратуре плоского, ребристого, комбинированного и т. д. В ранних модификациях этого стенда в качестве температурных датчиков использовались термопары и термосопротивления компании “Овен”. При переходе на новые виды датчиков выбор был сделан в пользу датчиков DS1621+ использующих интерфейс связи с внешними устройствами по хорошо известной шине I2C. Была выбрана модификация микросхемы в корпусе DIP-8. Исходя из технической документации на эту микросхему, данный корпус обладает меньшим тепловым сопротивлением. Была выбрана следующая схема расположения датчиков на поверхности исследуемого радиатора — четыре датчика располагаются по периметру радиатора, в его центре расположен теплонагруженный элемент, в данном случае транзистор. На транзисторе выделяется фиксированная мощность. Корпуса термодатчиков приклеены к основанию радиатора термоклеем с известными параметрами, тепловое сопротивление корпуса микросхемы также хорошо известно и приведено в документации на неё. Все эти данные обязательны и необходимы затем для коррекции результатов измерения.
Было проведено множество натуральных экспериментов с различными типами датчиков, в ходе которых были получены данные о зонах перегрева радиатора при разной мощности рассеиваемой на теплонагруженном элементе. Эксперименты подтвердили возможность использования температурных датчиков со встроенным АЦП при контактном способе измерения температуры. Однако результат необходимо корректировать из-за наличия дополнительных тепловых сопротивлений [6] между температурно-зависимым элементом датчика и поверхностью радиатора, это следующие сопротивления — переход кристалл температурно-зависимого элемента –> корпус микросхемы –> переход корпус микросхемы — >заполнитель зазора –> переход заполнитель зазора — >радиатор. Подобную коррекцию удобно производить в том же устройстве, которое и обрабатывает данные с датчиков, например это может быть персональный компьютер.
Конечно, для сравнения можно привести пример бесконтактного, не разрушаемого способа контроля температуры основанного на применение тепловизоров и инфракрасных датчиков температуры. Преимуществ у подобного способа достаточное количество — это и возможность удалённого контроля температуры, качественная и наглядная визуализация результата измерений, но всё же подобные приборы остаются довольно дорогими (особенно тепловизор) для применения их в учебном процессе. Также следует отметить, что пирометры не обладают достаточной разрешающей способностью.
На каф. “Конструирование и Производство Радиоаппаратуры” Пензенского государственного университета создан учебный лабораторный стенд исследования эффективности радиаторов и систем охлаждения РЭА [1, 2, 7, 8–16]. Стенд позволяет проводить изучение и исследование работы радиаторов и систем охлаждения РЭА [17–21] без применения дорогостоящих приборов [9, 10] (тепловизор и т. п.). Приборами снятия тепловых параметров исследуемого объекта в стенде являются датчики температуры со встроенным АЦП.
Литература:
1. Горячев Н. В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162–166.
2. Горячев Н. В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 239–240.
3. Горячев Н. В. Структура автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 119–120.
4. Горячев Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433–436.
5. Горячев Н. В. Структура и программно-информационное обеспечение информационно-измерительного лабораторного комплекса / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 130. № 5. С. 169–173.
6. Горячев Н. В. К вопросу выбора вычислительного ядра лабораторного стенда автоматизированного лабораторного практикума / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2009. № 10. С. 128–130.
7. Дульнев Г. Н. и др. Методы расчёта теплового режима приборов/ Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфёнов, А. В. Сигалов. — М.: Радио и связь, 1990 г.
8. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков //Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385–391.
9. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.
10. Горячев Н. В. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. М. Трифоненко, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 396–399.
11. Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 534–540.
12. Горячев Н. В. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в САПР электроники Altium Design / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120–122.
13. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в области выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 238–238.
14. Горячев Н. В. Обзор современных симплексных ретрансляторов радиосигналов/ Сивагина Ю. А., Граб И. Д., Горячев Н. В., Юрков Н. К.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 74–76.
15. Горячев Н. В. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2010. № 11. С. 171–176.
16. Горячев Н. В. Концептуальное изложение методики теплофизического проектирования радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2013. № 17. С. 214–215.
17. Горячев Н. В. Проектирование топологии односторонних печатных плат, содержащих проволочные или интегральные перемычки / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 122–124.
18. Горячев Н. В. Автоматизированный выбор системы охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, К. С. Петелин, В. А. Трусов, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 4. С. 136–143.
19. Горячев Н. В. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий/ А. Ю. Меркульев, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. — 2013. — № 11. — С. 143–145.
20. Горячев Н. В. Программные средства теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. 2013. № 10. С. 128–130.
21. Горячев Н. В. Тепловая модель сменного блока исследуемого объекта / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 263–263.
