Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Зависимость параметров транзисторов от температуры и режима электропитания

Зависимость параметров транзисторов от температуры и режима электропитания

Влияние температуры. Изменение температуры окружающей среды влияет на температуру /7-я-переходов транзистора. Температурная зависимость параметров и характеристик транзисторов обусловлена температурными изменениями свойств полупроводниковых материалов. При изменении температуры изменяется концентрация носителей зарядов, их подвижность, скорость диффузии, вероятность рекомбинации и другие процессы.

Значительное повышение температуры вызывает усиленную генерацию (ионизацию) пар носителей зарядов — электронов и дырок в каждом полупроводнике р- и я-типа. В частности, в области /7-типа возрастает число свободных электронов — неосновных носителей зарядов, и они переходят в «-область, где компенсируют положительные неподвижные ионы донорной примеси. В результате резко снижается потенциальный барьер и возрастает прямой ток через /7-я-переход.

Повышение температуры приводит к увеличению теплового коллекторного тока /к обр, так как увеличивается число неосновных носителей зарядов в базе и коллекторе за счет процесса генерации. Этот ток незначителен по сравнению с током экстракции (/к) в активном режиме и практически не изменяет коллекторный ток (/к) при неизменном токе в эмиттерном переходе. Однако ток /Кобр существенно влияет на ширину диапазона активного режима, уменьшая коэффициент усиления транзистора.

Понижение температуры окружающей среды ниже +5 °С существенно влияет на параметры и характеристики транзистора. В этом случае уменьшается подвижность носителей зарядов, а ширина потенциального барьера резко возрастает, что снижает процесс инжекции в эмиттерном переходе и экстракцию в коллекторном переходе.

Влияние режима электропитания. Параметры транзистора сильно зависят от напряжения на коллекторном переходе и тока эмиттера.

Коэффициент передачи тока зависит от напряжения на коллекторном переходе. Чем больше UK, тем тоньше база, и тем больше коэффициент переноса носителей зарядов от эмиттерного перехода к коллекторному в базе (5П) и коэффициент передачи тока базы h2. Увеличение тока эмиттера /э также приводит к уменьшению коэффициента передачи тока базы, так как уменьшается коэффициент инжекции у .

Дифференциальные сопротивления /*э диф и гк диф переходов обратно пропорциональны току /э. Сопротивление гк диф резко уменьшается при повышении UK из-за возникновения ударной ионизации в коллекторном переходе, а гэ диф практически не изменяется. При большом токе /э растет концентрация неосновных носителей заряда в базе и уменьшается ее объемное сопротивление гБ, а увеличение UK приводит к уменьшению толщины базы и ее сопротивления гъ.

Диффузионная емкость эмиттерного перехода Сэ дифф линейно возрастает при увеличении /э. Изменение UK также существенно влияет на Сэ дифф, так как изменяется ширина потенциального барьера коллекторного перехода. При увеличении t/K диффузионная емкость Сэ дифф уменьшается, так как снижается число основных носителей в базе.

Зависимость тока эмиссии от температуры. Определение работы выхода

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения . Формула для впервые была получена Ричардсоном из следующих соображений.

Представим, что в накаленном металле у его поверхности имеется полуоткрытая полость. При статистическом равновесии концентрация электронов n в этой полости в соответствии с распределением Больцмана, будет равна

где — концентрация свободных электронов в металле, А — работа выхода электронов из металла, k — постоянная Больцмана, Т — температура по шкале Кельвина, е — основание натуральных логарифмов (е 2,718).

Плотность тока термоэлектронной эмиссии равна отношению числа электронов, ежесекундно вылетающих из отверстия рассматриваемой полости, отнесенному к площади отверстия.

Величина пропорциональна произведению средней скорости теплового движения электронов в полости на концентрацию электронов в полости.

Так как средняя скорость теплового движения электронов пропорциональна то в соответствии с (4), получим:

где — постоянная величина. Это и есть формула Ричардсона.

Однако из опыта следовало, что плотность тока эмиссии возрастает с ростом температуры быстрее, чем по закону Ричардсона. Основываясь на квантовой теории, Дешман показал, что формула (5) должна быть заменена следующей формулой:

где А — работа выхода электронов из металла, Т — абсолютная температура катода, С1 -постоянная, которая для всех металлов с совершенно чистой поверхностью должна иметь одно и то же значение, k— постоянная Больцмана, k = 1,3807 10 -23 Дж/К.

Данная формула, называемая формулой Ричардсона — Дешмена, хорошо согласуется с экспериментом.

Аналогичная формула имеет место и для тока насыщения , определяемого на эксперименте

S — площадь поверхности катода.

Логарифмируя обе части формулы (7), имеем:

Читайте так же:
Углеродный нагревательный провод для теплого пола

Первое слагаемое в правой части последней формулы () для данного диода представляет собой постоянную величину, не зависящую от Т. Так как второе слагаемое () изменяется с изменением Т очень медленно по сравнению с A/(kT), то с большой степенью точности можно записать :

где В — постоянная величина. Уравнение (8) представляет собой линейную зависимость логарифма тока насыщения от обратной величины абсолютной температуры катода 1/Т. Поэтому экспериментальные точки на графике зависимости от 1/Т должны хорошо укладываться на усредняющую прямую линию (рис. ).

Величину работы выхода можно определить по модулю тангенса угла наклона этой прямой к оси обратных температур (оси абсцисс):

Следует иметь в виду, что величина определяется не путем непосредственного измерения угла на графике (этот угол зависит от масштаба по координатным осям), а как отношение приращения логарифма тока насыщения к приращению обратной температуры. Данное отношение не зависит от масштабов по осям. Обе эти величины ( и ) определяются из графика (рис. 6). Для этого через экспериментальные точки проводится усредняющая прямая. На прямой выбираются 2 точки, (рис. 5) и определяются их абсциссы 1/T1, 1/T2 и ординаты: lnIн1, lnIн2, по которым и определяются соответствующие приращения:

Полученные значения и подставляют в формулу (10). При этом значение не зависит от масштаба по осям. В качестве точек 1 и 2 не следует брать крайние экспериментальные точки, так как при этом может возникнуть дополнительная погрешность, которая значительно уменьшается при проведении усредняющей прямой.

Для определения температуры катода используется зависимость его сопротивления от температуры по известному закону:

где Ro — сопротивление катода при 0 о С, R — сопротивление при t о С, б — температурный коэффициент сопротивления материала катода. Из данной формулы по известной величине б и измеренным значениям Ro и R можно определить температуру по шкале Цельсия, а затем и по шкале Кельвина. Величина R определяется из отношения напряжения на катоде к току Ik, протекающему по нему. Под напряжением на катоде Uk подразумевается разность потенциалов между двумя выводами катода, один из которых имеет нулевой потенциал. Обе эти величины, Ik и Uk, определяются путем прямых измерений. Величина Ro приводится в рабочей инструкции. Там же приведен график зависимости отношения R/R от температуры по шкале Цельсия.

Зависимость теплового тока от температуры

Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитывать радиаторы так, чтобы не пролетать в прикидках на пару порядков очень полезно любому электронщику.

Тепловые расчеты очень просты и имеют очень много общего с расчетами электронных схем. Вот, посмотрите на обычную задачу теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для 5-вольтового линейного стабилизатора, который питается от 12вольт максимум и выдает 0.5А. Максимальная выделяемая мощность получается (12-5)*0.5 = 3.5Вт

Погружение в теорию

Для того, чтобы не плодить сущностей, люди почесали тыковку и поняли, что тепло очень похоже на электрической ток, и для тепловых расчетов можно использовать обычный закон Ома, только

В итоге, закон Ома заменяется на свой тепловой аналог:

ohm_law

 

Небольшой замечание – для того, чтобы обозначить, что имеется ввиду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R,  дописывают букву тэта:на клавиатуре у меня такой буквы нет, а копировать из таблицы символов лень, поэтому я буду пользоваться просто буквой R.

Продолжаем

Тепло выделяется в кристалле стабилизатора, а наша цель – не допустить его перегрева (не допустить перегрева именно кристалла, а не корпуса, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

image

Обычно, предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = переход – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура переходов равна температуре кристалла)

Без радиатора

Попробуем рассчитать, до какой температуры нагреется кристалл, если не ставить радиатор.

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора, в даташитах пишут тепловое сопротивление кристалл-атмосфера (Rj-a) (что такое j вы уже в курсе, a = ambient = окружающая среда)

Заметьте, что температура “земли” не нулевая, а равняется температуре окружающего воздуха (Ta). Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор Если стоит на открытом воздухе, то можно положить Ta = 40 °C, а вот, если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Записываем тепловой закон Ома: Tj = P*Rj-a + Ta. Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 267.5 °C. Многовато, однако!

Читайте так же:
Для чего нужно тепловое действие тока

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе становится вот такой:

    Rj-c – сопротивление от кристалла до теплоотвода корпуса (c = case = корпус ). Дается в даташите. В нашем случае – 5 °C/Вт – из даташита

Rc-r – сопротивление корпус-радиатор. Тут не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. К примеру, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт/(м*°C), а паста КПТ-8 – 0.75Вт/(м*°C). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

R = толщина прокладки/(коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

Часто Rc-r вообще можно игнорировать. К примеру, в нашем случае (используем корпус TO220, с пастой КПТ-8, средняя глубина пасты, взятая с потолка – 0.05мм). Итого, Rc-r = 0.5 °C/Вт. При мощности 3.5вт, разница температур корпуса стабилизатора и радиатора — 1.75градуса. Это – не много. Для нашего примера, возьмем Rc-r = 2 °C/Вт

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3.5*(5+2+12.5) + 40 = 108.25 °C

Это значительно меньше, чем предельные 150 °C. Такой радиатор можно использовать. При этом, корпус радиатора будет греться до Tc = 3.5*12.5 + 40 = 83.75 °C. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее-всего, у вас уже валяется куча радиаторов, которые можно задействовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это этого нужно сопротивление и источник питания.

Лепим сопротивление на радиатор, используя термопасту:

resistor

 

Подключаем источник питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некая мощность. Лучше, конечно, нагревать радиатор той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Я обычно оставляю такую конструкцию на пол часа, чтобы она хорошо прогрелась.

После того, как измерили температуру, можно рассчитать тепловое сопротивление

Rr-a = (T-Ta)/P. К примеру, у меня радиатор нагрелся до 81 градуса, а температура воздуха – 31 градус. таким образом, Rr-a = 50/4 = 12.5 °C/Вт.

Прикидка площади радиатора

В древнем справочнике радиолюбителя приводился график, по которому можно прикинуть площадь радиатора. Вот он:

diagram

Работать с ним очень просто. Выбираем перегрев, который хочется получить и смотрим, какая площадь соответствует необходимой мощности при таком перегреве.

К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 250см^2 радиатора. Этот график дает завышенную оценку площади, и не учитывает кучу факторов как то принудительный обдув, геометрия ребер, итп.

> если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Температура в коробке считается совершенно так же, просто в цепочку добавляются дополнительные сопротивления — стенок, прослойки воздуха в корпусе, перехода стенка-атмосфера…

Елси коробка находится на прямом солнечном свету, то ГОСТ 15150 (который про климатические исполнения) рекомендует к температуре окружающей среды тупо прибавить 15 градусов , если оболочка имеет белый или серебристо-белый цвет, и 30 градусов при любом другом.

Впрочем, нагрев солнцем тоже можно учесть, зная поглощающую способность поверхности и энергию солнечного излучения.

>Температура в коробке считается совершенно так же
Это да, но нужно учесть тепловыделение ВСЕХ компонентов схемы.

>тупо прибавить 15 градусов
Спасибо, не знал!

> I=U*R
ошибочка U=I*R , а I=U/R

>>>К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 150см^2 радиатора

промазали с пересечением, понадобится 250см^2 радиатора

и спасибо за статью)

Сергей, спасибо за статью! очень пригодилась!

> Tj = P*Rj-a + Ta.
> Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 227.5 °C.

Где-то читал, что срок службы кремниевых полупроводниковых приборов при температуре кристалла 60 градусов составляет 50-75 лет, при температуре 125 градусов — 1000 часов. Интересно, при какой температуре полупроводник прослужит 100 000 часов. Нигде не могу найти зависимость срока службы от температуры. Кто-нибудь может добавить полезной информации?

Обычно все подобного рода процессы экспоненциальны. Так как ты знаешь два числа, легко можешь посчитать коэффициенты при экспоненте.

Спасибо, за идею измерения теплового сопротивления радиаторов. Почему-то сам не догадался и не попадалась раньше.
Но думаю реализация требует некоторого уточнения.
Резистор при нагреве «отдаёт тепло» по всем 4-м граням равномерно в отличии от полупроводниковых элементов (конструкция которых обычно оптимизируется для передачи бОльшей части тепла именно радиатору), а это значит, что из рассеиваемой на резисторе мощности радиатором будет получена далеко не вся мощность, что приведёт к значительному занижению полученного значения теплового сопротивления (завышение теплорассеивающей способности радиатора, что нехорошо).
Как вариант либо теплоизолировать свободные грани резистора например силиконовым герметиком толщиной в несколько миллиметров, либо применить в качестве нагревателей биполярные или полевые транзисторы в связке с ОУ (генератор стабильного тока), тем более, что при этом не будет возникать сложность с креплением нагревателя на радиаторе.
С уважением, Вячеслав.

Читайте так же:
Как проходит тепловое действие тока

Зависимость теплового тока от температуры

Говоря о законе Ома (§ 1.7), мы подчеркивали требование неизменности таких физических условий, как температура и давление. Дело в том, что обычно сопротивление проводников зависит от температуры:

сопротивление металлических проводов увеличивается с нагреванием.

Для медных проводов увеличение температуры на каждые 2,5 °С вызывает увеличение сопротивления приблизительно на 1 % (на одну сотую их первоначального сопротивления), или сопротивление увеличивается на 0,4 % при увеличении температуры на 1 °С. Те значения удельных сопротивлений, которые были приведены выше, соответствуют темйературе 20 °С.

Пример 1. Покажем, как можно подсчитать удельное сопротивление при изменении температуры.

Пусть, например, требуется определить удельное сопротивление меди при температуре 45 °.

Мы знаем, что при 20 °С оно было равно 0,0178 Ом на 1м длины при сечении 1 мм2. Мы знаем, что каждые 2,5 ° оно возрастает на 1 %, т. е. на

Новая температура превосходит 20° С на 25° С.

Значит, искомое удельное сопротивление на 10 % больше, чем 0,0178: удельное сопротивление при 45° равно Ом на 1 м при сечении 1 мм2.

Зависимостью сопротивления от температуры часто пользуются для определения температуры медных проводов в электрических машинах.

Этой же зависимостью сопротивления от температуры пользуются для устройства электрических термометров, основанных на измерении сопротивления куска проволоки (часто намотанного в форме спирали), расположенного в том помещении, температуру которого хотят определить.

При таком измерении температуры легко сосредоточить в одном месте наблюдение за температурой разных частей помещения (например, в холодильниках) или разных частей промышленных установок.

При этом можно пользоваться единственным стрелочным измерительным прибором, переводя переключатель в разные положения: при каждом новом положении для измерения включаются проволочные спирали, расположенные, например, на разных этажах холодильника.

Пример 2. Сопротивление обмотки электрической машины при 20 ° С было равно 60 Ом. После часовой работы машины сопротивление обмотки возросло до 69,6 Ом. Определить, насколько нагрелась обмотка, если при повышении температуры на каждые 10 ° С сопротивление увеличивается на 4 %. ,

Прежде всего ищем, на сколько процентов увеличилось сопротивление:

Теперь легко находим, что температура возросла на 40° С, т. е. стала равной 20+40 = 60° С.

Естественно теперь должен возникнуть вопрос: не меняется ли сопротивление электрических ламп, когда в них накаляется нить? Ответ: да, конечно, сопротивление нити холодной лампы меньше, чем сопротивление в рабочем состоянии. К этому и относилось наше примечание, сделанное в § 1.7.

Заметим только, что очень часто нелинейность характеристики объясняется чисто электрическими явлениями. Так обстоит дело в случае варистора, характеристика которого приведена на рис. 1.14.

В ряде измерительных приборов и в специальной аппаратуре часто требуется, чтобы их сопротивление не изменялось с температурой. Для таких изделий разработаны сплавы, сопротивление которых практически не зависит от температуры.

Из таких сплавов чаще всего используются манганин и константан.

Многие проводники заметно изменяют свое сопротивление при их растяжении или сжатии. Это свойство проводников тоже нашло важное техническое применение: в настоящее время часто по изменению электрического сопротивления специально изготовленных элементов судят о давлениях и малых перемещениях, возникающих, например, при нагрузках балок, рельсов, частей машины и т. п.

Тепловые цепи

Попробую здесь рассказать о теплопроводности, тепловом сопротивлении и оценочном расчете последнего для элементарной и сложной цепи применительно к конструкции современного процессора. Общие принципы расчета применимы и в других случаях.

Теплопроводность — это способность вещества пропускать через свой объём тепловую энергию. Теплопроводность обусловлена передачей кинетической (колебательной) энергии атомов (молекул), составляющих тело (вещество), в горячей области к менее нагретым областям. В результате чего, средняя кинетическая энергия атомов (молекул) выравнивается, как и температура в объеме тела (вещества).

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме поток энергии (JE), передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры (dT) на единице пути этого потока.

Знак минус указывает, что энергия переносится в направлении убывания температуры.

Коэффициент пропорциональности λ обуславливает взаимосвязь входящих в формулу элементов и служит для количественной оценки способности материала (вещества) проводить тепло. Его называют коэффициентом теплопроводности материала, он имеет размерность Вт/(м·K).

Читайте так же:
Магний проводит ток или тепло

Полная запись размерности теплопроводности (Вт*м)/(м 2 *К), что дает после деления числителя и знаменателя на м размерность Вт/(м·K).

Когда речь идет о стационарном потоке тепла распространяющимся от одной большой грани параллелепипеда к другой:

P — полная мощность тепловых потерь Вт (тепловой поток дж/сек ),
S
— площадь области теплообмена м 2 ,
ΔT — перепад температур на контролируемом участке град.С,
h
— толщина тепло проводящего слоя м,
λ — коэффициент теплопроводности Вт/(м·K).

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление определяет падение температуры на пути прохождения теплового потока.

Rt = Δ T/P К/ Вт или (°С/Вт) [4]

Это значит Rt — определяется отношением разности температур горячей и холодной поверхности Δ T тепло проводящего материала к проходящему по нему тепловому потоку P.

С другой стороны тепловое сопротивление Rt равно:

Тепловая цепь имеет полную аналогию токовой цепи.

Аналогии электрических и тепловых величин
Электрическая цепьТепловая цепь
НаименованиеОбозначение,
формула
Ед. измеренияНаименованиеОбозначение,
формула
Ед. измерения
Удельное
сопротивление
ρ(ом*м2)/м
или
ом*м
Удельная теплопроводностьλ
1/λм*К/Вт
(Вт*м)/(м 2 *К)
или
Вт/(м·K)
Электрическое сопротивлениеR=ρ*(l/S)(ом)Тепловое
сопротивление
Rt=1/λ*h/S(°С/Вт)
ТокI(Ампер)Тепловой потокP(Дж/сек, Вт)
НапряжениеV(Вольт)Перегревθ(К, °С)
ПотенциалφВольтТемператураT(К, °С)

Все э то относится к каждому элементу (слою) тепловой цепи и цепочки элементов составляющих сложную цепь.

Тепловая цепь

Как существует аналогия между параметрами электрической и тепловой цепей, так же можно проводить аналогию между схемой тепловой и электрической цепями.

На рис. 1 показана схема, которая описывает тепловую цепь кулера процессора.

R кр — тепловое сопротивление кристалла процессора, не может быть равно нулю,

R ти — тепловое сопротивление термоинтерфейса кристалл — тепло распределительная крышка,

R ТРк — тепловое сопротивление тепло распределительной крышки процессора,

R проц — суммарное тепловое сопротивление процессора ( R проц = R кр + R ти + R ТРк )

Rти — тепловое сопротивление термоинтерфейса процессор — кулер,

Rкул — тепловое сопротивление кулера.

Эта цепь полностью эквивалентна последовательной электрической цепи с током из 5 (3*) последовательно включенных резисторов.

*- элементы R кр, R ти, R ТРк могут быть заменены элементом R проц имеющим параметры эквивалентные суммарным параметрам трех перечисленных элементов.

Тепловое сопротивление каждого входящего в цепь узла (как правило, состоящего из нескольких элементов) может в свою очередь описываться своей схемой из нескольких элементов. Пример R проц на рис. 1. Практика расчетов показывает, что чем более подробна схема каждого элемента цепи (содержит больше элементов) тем точнее получается ее расчет.

В тепловой цепи имеет место падение температуры от температуры генератора (источника тепловыделения) к температуре окружающей среды при прохождении теплового потока мощностью Р.

На каждом элементе цепи, в этом случае, имеет место падение температуры Δ t. Аналог падению напряжения Δ U в на резисторе при прохождении тока I в электрической цепи.

Например на тепловом сопротивлении термоинтерфейса — R ти (рис.1) при прохождении теплового потока P, имеет место падение температур (Δ t ) величина которого определяется как:

Применение Rt в расчетах тепловых цепей

Параметры элемента тепловой цепи (например — термоинтерфейса) можно рассчитать используя формулы приведенные ниже.

Из [5] имеем выражение для теплового сопротивления:

Здесь: Rt — тепловое сопротивление участка цепи, h — толщина термоинтерфейса (м), S — площадь эффективной теплопередачи м 2 , λ — коэффициента теплопроводности Вт/(м·K).

Данная формула позволяет, зная коэффициент теплопроводности, контактную площадь и толщину материала рассчитать его тепловое сопротивление. С учетом некоторых требований описанных в следующем разделе.

Падение температуры на тепловом сопротивлении Rt равно:

Δ t = Rt* P ( К или °С )

Перепад температуры Δ t на пути прохождения теплового потока мощностью Р через участок тепловой цепи c сопротивлением Rt пропорционален его величине (Rt) и проходящему через него тепловому потоку Р.

По приведенным формулам можно рассчитать как Rt и Δ t для участка тепловой цепи, так и ее суммарные параметры.

Например имеются данные для полной загрузки процессора:

Температура воздуха на выходе из кулера процессора равна t1= 33°С или t1=25 °C,
Температура ядра (контролируется встроенным датчиком) процессора 65°С,
TDP (тепловыделение процессора) — 90 Вт.

Суммарное тепловое цепи для T1=33°C равно:
Rt = Δ T/P = 32/90 = 0,35 °С/Вт,

А суммарное тепловое цепи для T1= 25 °C равно:
Rt = 0,44 °С/Вт.

Результат подтверждает мнение, что:

Читайте так же:
Как подобрать тепловое реле для электродвигателя 380в по току

Чем ниже температура в корпусе компьютера тем меньшие требования могут предъявляться к тепловому сопротивлению системы охлаждения.

Или другой вариант,

Чем ниже температура воздуха в корпусе ПК тем большая мощность может быть отведена от охлаждаемого объекта при прочих равных условиях.

Применение приведенных формул, позволяет оценить:

  1. При измеренном перепаде температур Δ t и известном Rt — тепловой поток Р по тепловой цепи,
  2. При известном тепловом потоке Р и Rt перепад температуры Δ t на участке тепловой цепи,
  3. При известном перепаде температур Δ t на участке тепловой цепи и тепловом потоке Р определить тепловое сопротивление Rt .

Это практически все необходимые параметры при расчете тепловых цепей, которые можно иметь при минимальных измерениях (измерения перепада температур) и знании характеристик тепловыделяющих элементов.

Реальная толщина, площадь элемента тепловой цепи

Часто рассчитанные значения теплового сопротивления не соответствуют практически полученным (измеренным) значениям. На результат, в первую очередь, влияет соответствие используемых величин реальным значениям.

На первый взгляд может показаться что площадь элемента тепловой цепи определить проще всего. Бери штангенциркуль, измеряй размер — это и будет площадь.

Просто только там где есть непосредственно тепловыделяющий элемент (кристалл процессора), там можно измерить площадь поверхности теплообмена.

Но, не просто в современных конструкциях!

Где существуют промежуточные узлы типа тепло распределительных крышек современных процессоров.

Особенно сложно это сделать в некоторых конструкциях процессоров где в качестве термо интерфейса между ТР крышкой и кристаллом процессора используются теплороводящие компаунды, а не пайки.

В том и другом случае трудно оценить их влияние на результат расчетов.

— сами ТР крышки, которые выполняются из достаточно тонкой ( h = 1-1,5 мм) медной пластины с гальваническим покрытием. Площадь контактной поверхности в этом случае не равна площади кристалла, а больше него. В то же время в расчетах нельзя использовать полную площадь ТР крышки. Потому, что тепловое сопротивление тонкой пластины вдоль нее велико и уже на расстоянии 5 -10 толщин ТР пластины от источника тепла, его величина соизмерима с тепловым сопротивлением рассматриваемого участка цепи. Поэтому реальная площадь контактной поверхности меньше ТР пластины и ограничена размерами кристалла плюс 5-10 h от него.

— в случае применения компаунда, может оказывать существенное влияние на тепловое сопротивление цепи, поскольку характеристики компаунда неизвестны и обычно компаунды имеют меньшую теплопроводность чем теплопроводность металла.

В случае пайки ТР пластины к кристаллу процессора величина теплового сопротивления контактной поверхности должна учитываться только при точных расчетах, а при прикидочных расчетах его можно считать пренебрежимо малым.

Для точного расчета нужно знать и площадь кристалла и толщину тепло проводящей крышки.
Обычно толщина нормального теплового интерфейса, при заданной его вязкости и расчетном прижимном усилии, лежит в пределах 25 — 75 мкм (см рис 1б по этой ссылке). Это тоже достаточно большой разброс не только для точных расчетов, но и для оценочных.

Имеет место сильная зависимость толщины теплового интерфейса от его вязкости, что делает нежелательным его применение уже через пару месяцев после вскрытия упаковки, особенно это относится к тепло проводящим пастам имеющих в своем составе легко испаряющиеся компоненты. Признаком их наличия является указанная в их документации задержка в достижении номинального теплового сопротивления через N циклов или через NN часов работы.

Точные измерения толщины теплового интерфейса требуют специальных методик из нескольких этапов и наличия контрольно — измерительных приборов.

для измерения толщины теплового интерфейса требуется установка для создания статической прижимной силы и комплекс аппаратуры для измерения емкости теплового интерфейса. Через которую можно установить его толщину.

Учитывая сложность определения реальной площади теплообмена и толщины термо интерфейса для экспериментаторов не имеющих опыта тепловых расчетов и там где производитель не предоставляет этих данных, главным параметром становится температура в заданной точке тепловой цепи. Поэтому можно рекомендовать при практических работах и экспериментах на системах охлаждения использовать Δ t формулу [4]. И только при обнаружении «узких мест» (участков с аномально высоким тепловым сопротивлением) применять формулу [5] для оценки влияющих на тепловое сопротивление факторов. При этом необходимо применять паспортные значения теплового интерфейса (в том числе и его толщину).

Иначе необходимо проводить экспериментальные работы по исследованию характеристик конкретного термо интерфейса и оценке площади теплообмена. Это может потребовать больших затрат времени и денег.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector