Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Конструкції теплоелектронних елементів



Виготовлення двоканальної теплової лінії в єдиному технологічному циклі можливо, коли канали теплового зв'язку об'єднані з однієї чи з двох сторін (рис. 3.4). У першому випадку теплова лінія має вид стрижня (рис. 3.4,а), у другому – кільця (рис. 3.4,б). У площині симетрії стрижневої лінії корисна складова теплового сигналу θ = 0, а на кінцях стрижня, у зв'язку з відсутністю тепловідводу, виконується межова умова dθ/dn = 0, де n – нормаль до поверхні теплової лінії. На обох кінцях кожного каналу кільцевої теплової лінії виконується межова умова θ = 0.

 
 

 

 


а)

 
 

 

 


б)

 

1 – джерело теплоти; 2 – датчик температури; 3 – теплова лінія

 

Рисунок 3.4 – Конструкції двоканальних теплових ліній

 

При досить великій довжині і ширині джерела тепла, малій товщині джерела, термочутливого елемента і стрижня гармонійні теплові процеси в лініях описуються рівнянням теплопровідності:

 

(3.12)

 

де θ – перепади температури в тепловій лінії;

γ2 = jω/æ;

ω = 2πf – кутова частота;

æ і λ – коефіцієнт відповідно температуропровідності і теплопровідності матеріалу теплової лінії;

q=P/2αS – питома потужність джерела тепла;

– ширина джерела тепла;

S=bd – площа поперечного перерізу теплової лінії;

b, d – ширина і товщина теплової лінії.

 

Розв’язки рівняння (3.12) для стрижневої лінії можна представити у вигляді:

 

(3.13)

 

де 2l – довжина теплової лінії;

х1 – координата центра джерела тепла.

При частоті сигналу ω → 0 вираз (3.13) приймає вигляд:

 

, (3.14)

 

де RT – характеристичний тепловий опір стрижневої лінії;

RT=l/λbd.

Максимальне значення θ(0) приймає при x1=l-α. Значення температури біля теплоізольованого кінця теплової лінії при цьому виявляється трохи вище, ніж при розміщенні датчика температури з іншої сторони джерела.

Використовуючи вирази (3.13) і (3.14), можна записати передаточну функцію теплової лінії у вигляді:

 

(3.15)

 

В області високих частот (γ→∞) вираз (3.15) перетвориться до вигляду:

 

(3.16)

 

Якщо x=x1 чи x=x1+α, передаточна функція (3.16) перетвориться до передатної функції інтегруючої ланки з крутизною амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) 6 дБ/октава:

 

, (3.17)

 

де р=jω – комплексна частота;

τ – стала часу теплової лінії.

Значення сталої часу теплового зв'язку залежить від розміру джерела тепла і координати датчика температури:

 

 

Збільшення τ відбувається при збільшенні координати джерела. Однак умови фізичної реалізації обмежують це значення величиною x=x1. Максимальні значення сталої часу теплової лінії визначаються виразами:

 

(3.18)

 

Значення τm при розміщенні датчика температури біля теплоізольованого кінця стрижня виявляється в 2 рази більше, ніж при x=x1. Перегріви датчиків температури в обох випадках мають однакове значення:

 

(3.19)

 

Теплоелектронні елементи мають сталу часу від одиниць мікросекунд до десятків секунд. Найменші сталі часу мають напівпровідникові теплові лінії, у яких використовуються локальні перегріви, що виникають у напівпровідниковому кристалі поблизу джерел тепла малих розмірів (рис. 3.5,а).

Збільшення розмірів джерел тепла приводить до збільшення сталої часу і зменшенню передаточного теплового опору від джерела тепла до термочутливого елемента. Для зменшення потужності, що розсіюється, необхідно зменшити площу поперечного перерізу напівпровідникового кристала, що виявляється можливим при використанні діелектричної ізоляції між напівпровідниковими кристалами, розташованими на підкладці із матеріалу з малою теплопровідністю (рис. 3.5,б). Товщина і ширина таких теплових ліній досягає десятки мікрон, сталі часу досягають одиниць мілісекунд при теплових опорах до 500 К/Вт. Можливе виготовлення стрижневих, кільцевих і інших ліній зі складною конфігурацією каналу теплового зв'язку.

Сталі часу від часток до десятків секунд мають гібридні теплові лінії (рис. 3.6), виготовлені у вигляді гібридних інтегральних схем. При малих сталих часу використовують лінії з джерелами тепла малих розмірів, що створюють значні перепади температури на підкладці інтегральної схеми.

Сталі часу збільшуються до одиниць і десятків секунд у стрижневих теплових лініях з повітряною ізоляцією каналу теплового зв'язку (рис. 3.6,б).

       
   
 

 

 


а) б)

 

1 – напівпровідниковий кристал; 2 – джерело теплоти; 3 – ізолюючий шар;

4 – термочутливий елемент; 5 - підкладка

 

Рисунок 3.5 – Напівпровідникові теплові лінії

 

Аналогічні параметри мають кільцеві теплові лінії, що містять два стрижні з джерелами тепла і датчиками температури і встановлюються на тепловідводах паралельно один одному (рис. 3.6,в). Механічна міцність таких конструкцій більше, ніж стрижневих теплових ліній. У каналах теплових зв'язків гібридних теплових ліній використовується широкий набір матеріалів, що дозволяє забезпечити необхідну температурну стабільність параметрів теплоелектронних елементів.