АНАЛИЗ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Электротехника
  • Элементы электрических цепей
  • Схемы замещения источников
    электрической энергии
  • Анализ цепи переменного тока
     и входящих в нее элементов
  • Параллельное соединение резистивного
    и индуктивного элементов
  • Машины постоянного и переменного тока
  • Принцип действия асинхронного
    и синхронного двигателей
  • Принцип действия машин постоянного тока
  • Трансформаторы и электромагнитные устройства
  • Трансформатор
  • ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
  • ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ
  • ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
  • СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
  • Машины переменного тока
  •  Электрические машины разделяются
    на генераторы и электродвигатели
  • Коллекторные двигатели переменного тока
  • Разборка и сборка электродвигателя
    постоянного тока
  • Выполнению ремонтных работ
  • Электроника
  • Электрические и электронные аппараты
    и устройства
  • Некоторые лампы СВЧ диапазона
  • Полупроводниковые диоды
  • Тиристоры.
  • Выпрямители и инверторы промышленной частоты
  • Электронные усилители
  • Обратная связь в усилителях
  • Катодный и эмиттерный повторители
  • Усилители мощности
  • Повторитель напряжения
  • Шумы в усилителях
  • Генераторы электрических колебаний
  • RC-генераторы
  • Ждущий мультивибратор
  • Мультивибратор на ОУ
  • Цифровые электронные устройства
  • Реализация сложных логических функций
    на интегральных микросхемах
  • Последовательные цифровые устройства
  • Счётчик
  • Регистр
  • Комбинационное цифровое устройство
  •  Сумматоры
  • Импульсные генераторы
    на цифровых микросхемах
  • Охлаждение полупроводниковых приборов
  • Способы охлаждения полупроводниковых
    приборов
  • Воздушное, естественное
    и принудительное охлаждение
  • Системы охлаждения силовых модулей
  • Основные методы охлаждения
  • Расчет параметров охладителей
  • Выбор охладителя
  • Дискретные приборы
  •  

    Основные методы охлаждения

    Все способы охлаждения РЭА по методу действия можно разделить на две основные группы: на пассивный и активный методы. Для первого характерен естественный путь отвода тепла при помощи конвекции, теплопроводности и излучения. Для второго — принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоэлектроохладителей и омывающих жидкостей.

    Самый простой и потому часто применяющийся способ — пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Этот метод основан на явлениях теплопроводности материалов и естественной конвекции.

    часть 1 рис6Обдув радиатора воздушной струей от вентиляторов решает эту проблему и значительно усиливает теплоотвод.

    Подпись: Рис 1.11. Устройство термоэлектроэлемента ПельтьеНамного успешнее с задачей справляются жидкости, теплоемкость которых существенно выше. Система охлаждения при этом выглядит так: миниатюрный резервуар закрепляется на поверхности охлаждаемого чипа. Через шланг, с помощью микропомпы, напоминающей бытовой аквариумный насосик, охлаждающая жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор.

    часть 1 рис7Он, в свою очередь, может обдуваться струей воздуха от специального вентилятора.

    Подпись: Рис 1.12. Устройство типового термоэлектромодуляОсобый тип жидкостной системы охлаждения — тепловые трубки. Тепловые трубки всегда входят в состав систем иного рода в качестве средства повышения эффективности теплопередачи. Трубка выполняется из материалов с высокой теплопроводностью и внешне не отличается от обычных медных трубок. Внутри она полая, а ее стенки покрыты пористым материалом, по которому жидкий теплоноситель стекает от радиатора к горячему концу. Нагреваясь, жидкость испаряется, поглощая тем самым тепло охлаждаемого компонента. Горячий пар по внутренней полости трубки свободно поднимается вверх, к радиатору, где, остывая, вновь превращается в жидкость, впитывается пористым материалом стенок и стекает к горячему концу. Покрывая стенки пористым материалом с капиллярной структурой, удается достичь подъема жидкости даже против действия сил притяжения.

    Подпись: Рис 1.13. Каскадный термоэлектромодульчасть 1 рис8Еще одна современная технология охлаждения — применение термоэлектроохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. Суть явления заключается в том, что при подаче постоянного тока в цепь, составленную из двух разнородных проводников, в местах контактов, в зависимости от направления тока, будет выделяться или поглощаться тепло. Количество теплоты зависит от свойств материалов и величины тока.

    Устройство полупроводникового термо-электроэлемента приведено на рис. 1.11, а на рис. 1.12 изображен типовой модуль. Часто оказывается, что для надежного охлаждения детали вполне достаточно простого модуля. Но иногда для достижения большей эффективности теплоотвода модули каскадируются. В этом случае на горячую поверхность первого модуля устанавливается второй чуть большего размера. Иногда собирается целая пирамида модулей. С ее помощью можно достичь разницы (ДТ) температур в 70-75 °С при температуре окружающей среды 25 °C. Пример составного (каскадного) модуля приведен на рис. 1.13.

     

     

    Основные понятия о законах вентиляции

    Вентиляторы создают воздушный поток, который, преодолевая сопротивление среды, распространяется через охлаждаемое оборудование. Свежий, более прохладный воздух обдувает электронные компоненты, унося с собою избыточное тепло. Движение воздуха через пространство шкафа возможно, только если существует перепад давления в начале и в конце отрезка пути, по которому он движется.

    Если течение воздуха через оборудование затрудняется какими-либо крупноразмерными компонентами или перегородками и изгибами, то поток будет уменьшаться. Практически всегда существует сколько-нибудь заметное сопротивление потоку.

    В приложении к закрытым шкафам (каркасам, крейтам) РЭА картинка будет далека от идеала. Вместе с ростом сопротивления движению воздуха наблюдается пропорциональное уменьшение воздушного потока и рост статического давления. Струя наталкивается на препятствие, и вентилятору становится труднее «проталкивать» ее через закрытое пространство. Скорость вращения крыльчатки уменьшается. Величина воздушного потока соответственно меняется тоже.

    часть 2 рис11Конструктивные особенности устройства, в частности мощность двигателя, частота вращения, диаметр рабочего колеса, число лопастей, их геометрия и т. д., определяют различия в поведении вентиляторов при меняющихся величинах давления и потока воздуха.

    Подпись: Рис 1.14. Характеристическая кривая вентилятораТак, например, осевые вентиляторы обычно имеют минимальные габариты и поэтому оснащаются относительно маломощными электродвигателями. Это означает, что их скорость вращения зависит от нагрузки и может изменяться очень значительно. Различия в поведении вентиляторов описываются характеристической кривой (рис. 1.14).

    часть 2 рис12Итак, есть четкая взаимосвязь между условиями работы вентилятора, величинами потока и давления. Для каждой среды такая зависимость строго индивидуальна, и она может быть измерена экспериментально.

    Подпись: Рис 1.15. Рабочая точка вентилятораНаблюдая взаимодействие закрытой среды и вентилятора, в конце концов придем к некой точке пересечения кривой производительности вентилятора и кривой воздушного сопротивления системы (эта область выделена цветом на рис. 1.15.). Эта точка называется рабочей точкой: она показывает, какой должна быть величина воздушного потока вентилятора при работе на заданной величине давления воздуха в данных условиях и в данном оборудовании.

    Последовательность действий при подборе подходящего вентилятора:

    Первым шагом является определение полного набора требований по охлаждению.

    Три фактора являются критическими:

    1) количество теплоты, которое должно быть удалено из каркаса;

    2)тепловой перенос, выраженный в ваттах по отношению к изменению температуры;

    3) величина воздушного потока, необходимого для удаления избыточного тепла, выраженная в м3/мин или CFM (кубических футах в минуту). Для пересчета величин воздушного потока из CFM в м3/мин или обратно следует воспользоваться таблицей 1.4.

    Формула для определения необходимого воздушного потока:

    (1.1)

    где: Q — требуемый воздушный поток, выраженный в м3/мин или в CFM,

     Р — рассеиваемая мощность в ваттах (для выполнения расчетов нуж

     но знать реальное значение рассеиваемой мощности, но для упрощения

     можно полагать, что вся потребляемая мощность превращается в теп

     ло)

    Подпись: Таблица 1.4. Соотношение различных единиц измерения воздушного потока. Типовые величины мощности РЭА и воздушного потока.
    часть 2табл 23

      - требуемое изменение температуры в градусах Кельвина.

    Таблица 1.4., разработанная инженерами фирмы EBM-Papst, призвана облегчить подбор вентилятора. Рекомендуется подбирать вентиляторы, имеющие производительность на 20–30% выше, чем была рассчитана ранее.

    На втором этапе нужно определить полный системный импеданс или системную характеристическую кривую. Все элементы, которые препятствуют потоку воздуха, создают подъем давления в пределах системы. Это изменение давления [ΔР] есть статическое давление, выраженное в дюймах (или миллиметрах) водяного столба.

    Кривая системного сопротивления рассчитывается по формуле:

      (1.2.)

    где K — системная константа,

     Q — воздушный поток в CFM,

     n — коэффициент турбулентности: n = 1 для ламинарного и n = 2 для

      турбулентного потока.

    Для построения кривой нужно рассчитать хотя бы одну точку. Точное значение системного импеданса можно установить только опытным путем.

    Конечный шаг в решении вопроса о выборе устройства перемещения воздуха — это наложение системной характеристической кривой на рабочие характеристики выбранных устройств. Точки пересечения являются «возможными соответствиями».

    Подпись: Рис 1.17. Диаграмма для определения воздушного потокаПодпись: Рис 1.16. Параллельная и последовательная работа вентиляторов.часть 2 рис14часть 2 рис13Лучший воздушный нагнетатель для вашего приложения будет обладать параметрами, заданными точкой пересечения кривой системного импеданса и рабочей характеристики. Из нескольких полученных вариантов предпочтительнее то устройство, производительность которого соответствует или слегка превышает рассчитанную ранее. Если ни одно из известных вам устройств не обладает требуемой производительностью то можно прибегнуть к каскадированию вентиляторов. При этом следует помнить, что параллельная работа двух одинаковых вентиляторов позволяет получать удвоение воздушного потока, а последовательная установка вентиляторов позволяет удвоить статическое давление в системе. Точную величину можно определить по характеристическим кривым, принцип построения которых иллюстрируется на рис. 1.16..

    Специалистами компании EBM-Papst разработана диаграмма, позволяющая даже неспециалисту легко определить величину необходимого воздушного потока в зависимости от допустимого роста температуры в устройстве определенной мощности (рис. 1.17.)

    Преимущества размещения вентилятора на стороне впуска:

    • В шкафу поддерживается положительное (повышенное) давление, что препятствует проникновению пыли снаружи.

    • Усиление турбулентности потока внутри системы увеличивает общий отвод тепла на выходе.

    • Время безотказной работы вентилятора увеличивается, так как двигатель работает в струе входного потока при невысоких температурах и в комфортных условиях.

    часть 2 рис15Следует сказать, что на продолжительности работы вентилятора сказываются такие факторы, как тип и число подшипников, сбалансированность системы «статор — ротор» (точность изготовления узлов и качество сборки), температура внешней среды, стабильность параметров электрического питания и др., среди которых температура является одним из главных факторов.

    Подпись: Рис 1.18. Зависимость времени работы вентилятора от температуры окружающей среды и типа подшипников (материалы компании Sunon)Влияние температуры на время безотказной работы вентилятора поясняется графиками на рис. 1.18.

    Преимущества размещения вентилятора на выпускной стороне:

    • Лучшее управление воздушным потоком за счет размещения впускных отверстий вблизи источников тепла.

    • Уменьшение уровня шума за счет того, что выходное отверстие обычно располагается вдали от пользователя, на удаленной стороне шкафа.

    • Тепло, выделяемое электродвигателем вентилятора, не воздействует на работу РЭА и отводится в сторону от оператора аппаратуры.

    Помните, что эффективность охлаждения зависит:

    1) от объемов и скорости потока воздуха;

    2) от разницы температур в подводимом и отходящем потоке;

    3) от площади охлаждаемой поверхности;

    4) от теплопроводности и теплоемкости материала;

    5) от сопротивления воздушной среды;

    6) от расположения компонентов и наличия застойных зон;

    7) от мощности двигателя: даже при большом сопротивлении среды мощный вентилятор не будет перегреваться и прослужит дольше.

    Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах