Часть 1. Исследование теплового режима рэс при естественной конвекции

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой.

3.2. Получить задание у преподавателя на установку термодатчиков и на величину коэффициента перфорации. Рассчитать коэффициент заполнения прибора К_з. Определить h_з. Рассчитать среднеобъемный перегрев нагретой зоны аппарата.

3.3. Замерить температуру окружающей среды t₀. Включить установку и выставить заданную мощность.

3.4. Снимать показания температур со всех датчиков через 5…10 минут до установления стационарного режима. Результаты свести в таблицу. Определить время, необходимое для достижения стационарного перегрева , по формуле

где t₀ – температура окружающей среды;  = t - t₀; _з – начальный перегрев, не равный нулю. Сравнить расчетное и экспериментальное значения. По граду-ировочной кривой определить температуры элементов. Сравнить с расчетными значениями.

3.5. Изменить мощность в соответствии с заданием и повторить измерения для второго значения мощности.

3.6. Далее следует выключить прибор и провести измерения процесса ох-лаждения также через 5…10 минут до достижения температуры окружающей среды.

3.7. Построить тепловые характеристики РЭС и его элементов. Сравнить с тепловой характеристикой, полученной расчетным путем.

Форма таблицы

№№ датчиков	Значения температур в град. Цельсия или в омах
	Нагревание. Точки измерения				Охлаждение. Точки измерения
	1	2	…	n	1	2	…	n
Датчик №1
Датчик №2
………….

Примечание. Измерения проводятся через 5…10 минут.

3.8. Построить кривые нагревания и охлаждения в обычном и полулога-рифмическом масштабах. Определить темп нагревания и охлаждения. Срав-нить значение темпа охлаждения с величиной темпа охлаждения, полученной расчетным путем.

3.9. Рассчитать эффективный коэффициент теплоотдачи радиаторов. Ис-пользуя материал, изложенный в [2], с. 82…94 и в [7], с. 234…236, оценить эффективность примененных радиаторов.

Часть 2. Исследование теплового режима рэс при внутреннем перемешивании воздуха или внешнем обдуве

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой после выполнения части 1.

3.2. Установить термодатчики в тех же точках и на тех же расстояниях от исследуемого элемента, что и при выполнении первой части. Рассчитать сред-необъемный перегрев нагретой зоны.

3.3. Замерить температуру окружающей среды. Включить установку и выставить ту же начальную мощность, что и в части один. Производительность вентилятора задается преподавателем.

3.4. Произвести замеры температур в тех же точках, что и в первой части. Результаты свести в таблицу. По градуировочной кривой определить темпера-туры элементов.

3.5. Построить тепловые характеристики аппарата и его элементов. Срав-нить с расчетной тепловой характеристикой и с тепловыми характеристиками, полученными при выполнении первой части.

3.6. Выключить аппарат и провести замеры температур через 5…10 минут. При этом целесообразно оставить включенным вентилятор. Построить кривые нагревания и охлаждения в обычном и полулогарифмическом масшта-бах. Определить темп нагревания и охлаждения. Сравнить значение темпа охлаждения со значением, полученным в первой части.

3.7. Рассчитать эффективный коэффициент теплоотдачи радиаторов. Используя материал, изложенный в [2], оценить эффективность примененных радиаторов. Сравнить с величиной _э , полученной в первой части.

4. Содержание отчета

4.1. Цель и краткое содержание работы, основные теоретические положения.

4.2. Схемы установок.

4.3. Таблицы полученных данных, расхода вентилятора и градуиро-вочные кривые.

4.4. Расчеты: К_з, h_з, температуры нагретой зоны, темпа охлаждения, _э радиаторов.

4.5. Тепловые характеристики прибора и его элементов.

4.6. Кривые нагревания и охлаждения в обычном и полулогарифми-ческом масштабах, темп нагревания и охлаждения для всего прибора и для отдельных его элементов.

4.7. Сравнительный анализ эффективности примененных радиаторов.

4.8. Краткие выводы по работе, включая сравнительный анализ получен-ных результатов по обеим частям работы.

Литература: [2], с. 29…34, 58…67, 75…94; [7], с.199…206; [1], с. 121…124

Лабораторная работа № 2. Обеспечение теплозащиты

полупроводниковых приборов

1. Цель работы. Исследование тепловых режимов полупроводниковых приборов, их термочувствительных параметров, изучение методов и средств отвода тепла.

2. Основные теоретические положения

Тепловой пробой в полупроводниковых приборах

Одной из причин, ограничивающих возможность использования полу-проводниковых приборов (ППП) в тяжелых условиях эксплуатации, является их неустойчивость против тепловых воздействий. Как известно, диапазон тем-ператур германиевых приборов ограничивается величиной +85 С, а кремниевых - + (100…150) С.

Тепловой режим ППП определяется совокупностью воздействий темпе-ратуры окружающей среды и мощности, рассеиваемой на p-n-переходе. Если величина нагрева за счет температуры окружающей среды может быть сведена к минимуму, то тепло, выделяемое за счет рассеиваемой мощности, в сильной степени сказывается на параметрах и характеристиках ППП.

При высоких температурах возможно ухудшение качества внутренних спаев и могут происходить процессы вплавления или диффузии. В области низких температур действуют термические напряжения на спаи и на p-n-пере-ход прибора. Поэтому надежность работы схемы будет сильно зависеть от таких факторов, как температура p-n-перехода, мощность рассеяния, напря-жение на переходе. Так, при работе ППП в режиме больших рассеиваемых мощностей наблюдаются частые отказы, основной причиной которых является тепловой пробой.

При некоторых величинах обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу, обратный ток через переход начинает резко возрастать. Область рез-кого роста обратного тока называют областью пробоя p-n-перехода. Если усло-вия работы перехода таковы, что в нем выделяется в единицу времени больше тепла, чем отводится, то происходит накопление тепла, вызывающее рост тем-пературы перехода и тепловой пробой.

Характерной чертой теплового пробоя является наличие участка отрицательного сопротивления на обратной ветви вольт-амперной характе-ристики p-n-перехода.

Тепловые и термочувствительные параметры ППП

Для расчета или определения тепловых режимов ППП необходимо знать их тепловые параметры, которые характеризуют работу прибора. Этими пара-метрами устанавливается связь между рассеиваемой мощностью и темпера-турой различных областей ППП. Последние характеризуются следующими параметрами:

- температурой Т_п p-n-перехода;

- мощностью Р, рассеиваемой p-n-переходом;

- тепловым сопротивлением переход – корпус R_ПК ;

- тепловым сопротивлением корпус – среда R_кс.

Определяющим тепловым параметром с точки зрения тепловой устой-чивости является температура p-n-перехода.

Для ППП в качестве допустимой температуры задается максимальная температура перехода, при которой прибор сохраняет работоспособность, или максимальная допустимая температура корпуса Т_кmax при воздействии огово-ренных токов и обратных напряжений.

Связь рассеиваемой мощности в ППП и температуры p-n-перехода в статическом тепловом режиме имеет вид

.

Температуру p-n-перехода непосредственным образом измерить нельзя, поэтому в настоящее время используют различные термочувствительные пара-метры, т. е. параметры, обладающие определенными функциональными зави-симостями от температуры.

К термочувствительным параметрам предъявляются следующие требо-вания: высокая чувствительность к температурным изменениям, стабильность параметра на протяжении определенного периода времени, постоянство темпе-ратурного закона для различных образцов приборов одного и того же типа, если не производится отдельная градуировка каждого ППП. Параметр не дол-жен быть чувствительным к изменениям напряжения и тока.

В качестве термочувствительных параметров используются обратные токи переходов I_ко, I_до, прямые падения напряжений на переходах U_ПР; коэф-фициент передачи по току. Обратный ток коллекторного перехода I_ко обус-ловлен генерацией пар электрон-дырка в областях коллектора и базы на рассто-янии диффузной длины L носителей тока от коллекторного p-n-перехода. Следовательно, при изменении температуры ток I_ко дает усредненный резуль-тат по объемам базы и коллектора на расстоянии L. При увеличении темпера-туры среды, а также при увеличении температуры перехода в результате превышения допустимой мощности рассеивания на коллекторе ток I_ко растет по закону

,

т. е. возрастает вдвое при повышении температуры на каждые 10 С. В этой формуле - ток при температуреt ′.

Измеряя температуру по параметру I_ко, контроль температуры коллек-торного перехода можно проводить с точностью не менее +2 С при условии предварительной температурной градуировки индивидуального образца.

Метод измерения температуры в диодах по величине I_до используется редко ввиду сложности процесса измерения и неудовлетворительной точности результатов.

Зависимость прямого падения напряжения на p-n-переходе от темпера-туры можно получить из выражения для вольт-амперной характеристики перехода в следующем виде:

где k – постоянная Больцмана; g – заряд электрона; I_ПР – прямой ток через p-n-переход.

Прямое падение напряжения U_ПР , как термочувствительный параметр, получило наиболее широкое распространение для измерения температуры в диодах вследствие своих очевидных преимуществ перед обратным током перехода. Во-первых, параметр U_ПР при постоянном токе через термочувст-вительный элемент зависит от температуры линейно для всех существующих типов ППП, во-вторых, температурное приращение параметра U_ПР легко измеряется.

Методы отвода тепла

Выделяемое ППП тепло может быть отведено от поверхности кристалла и передано за пределы аппаратуры несколькими способами. Из них наиболее распространены следующие: естественный воздушный, принудительный воз-душный, принудительный жидкостный, термоэлектрический и кондуктивный. Вопросы, связанные с улучшением отвода тепла, изложены в [1] и [2].

Максимальная мощность, которую может рассеять транзистор с одно-сторонним оребрением, определяется как

где Т_р-n – максимально допустимая температура коллекторного перехода; Т_с – температура среды.

Тепловое сопротивление теплоотвода определяется по формуле

где Р – мощность, рассеиваемая транзистором; q – коэффициент, учиты-вающий неравномерный характер распределения температуры по теплоотводу (q0,9).

Расчет поверхности S радиатора можно провести по формуле

где S – поверхность теплоотвода; k_Т – коэффициент теплопередачи (для мато-вой черной поверхности в спокойном воздухе при нормальном давлении k_Т = =(1,2…1,4)10^-3); R_Т – тепловое сопротивление ППП.

Расчет мощности, рассеиваемой на ППП, производится по формулам:

где Р_к , Р_Д – мощность, рассеиваемая на ППП; U_КЭ , U_Д – падение напряжения, измеренное вольтметром; I_Н , I_Д– ток нагрузки ППП (транзистора или диода), измеренный миллиамперметром.

Определение температуры р-n-перехода исследуемых ППП производится по предварительно снятым номограммам, которые представляют собой графи-ки зависимости термочувствительного параметра (в данном случае I_ко или I_до) от температуры корпуса Т_к конкретных ППП, т.е. I_обр=f(Т_к).

Определив по номограмме Т_к по известному I_обр , находят температуру р-n-перехода:

3. Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой и с типами исследуемых ППП. Получить у преподавателя необходимые градуировочные кривые и гра-фики зависимости обратного тока от температуры корпуса.

3.2. Включить установку и произвести замеры падения напряжения U_ко и

U_Д , токи нагрузки, обратные токи и температуру окружающей среды Т_со.

3.3. Используя градуировочные кривые, определить температуры корпусов Тк для ППП.

3.4. Рассчитать рассеиваемые на ППП мощности Р и температуры пере-ходов Т_П.

3.5. Результаты измерений и расчетов свести в таблицу по форме.

3.6. Рассчитать коэффициент тепловой нагрузки ППП , под которым понимается отношение для всех испытанных ППП и постро-ить диаграмму изменения для всех ППП при Т_со , где Т_Пдоп – максимально допустимая температура перехода.

3.7. Поместить установку в термостат и выдержать её там при Т_с = 50 С в течение 30 мин.

3.8. Повторить пп. 2…6 для Т_с = 50 С.

3.9. Проанализировать полученные результаты.

Форма таблицы

Измеряемые величины	Значения величин для ППП (номер и тип)
Uкэ, Uд, В
Iн, мА Тсо=___С
Р, Вт
Iобр, мкА Тсо=__С
ТП, Тсо=
Iобр, мкА Тс=50 С
ТП, Тс=50 С
Iн, мА Тсо=50 С
Тк при Тсо= __С
Тк при Тс=50 С

4. Содержание отчета

4.1. Цель и краткое содержание работы, основные теоретические положения.

4.2. Схема установки.

4.3. Таблицы полученных данных, градуировочные кривые и графики зависимости обратного тока от температуры корпуса ППП.

4.4. Расчеты и сравнительный анализ полученных результатов.

4.5. Краткие выводы по работе.

Литература: [2], с. 29…40, 75…94

Лабораторная работа № 3. Исследование эффективности радиаторов

1. Цель работы. Исследование эффективности радиаторов различной конструкции, ознакомление с методами и средствами измерения температур.

2. Основные теоретические положения

Как известно, перегрев ППП можно уменьшить путем увеличения теплоотдающей поверхности, т.е. установки ППП на радиатор. Для систем воздушного охлаждения широко используют следующие типы радиаторов: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, типа “краб”, жалюзийные, петельно-проволочные. Наибольшей эффективностью обладают игольчато-штыревые радиаторы.

Исходными данными для проектирования или выбора радиаторов являются: предельная температура рабочей области прибора t_р; рассеи-ваемая прибором мощность Р ; температура окружающей элемент среды t₀; внутреннее тепловое сопротивление прибора между рабочей областью и корпусом R_вн; тепловое сопротивление контакта между прибором и радиа-тором R_к. Тепловая модель ППП с радиатором приведена на рис. 21 [2], с. 85. Вопросы проектирования и расчета радиаторов приведены в [3], с. 75…94. В качестве термодатчиков используются термометры сопротив-лений. Вопросы, связанные с применением указанных термодатчиков, рас-смотрены в [7].

Поверочные расчеты радиаторов различного конструктивного испол-нения и методика их применения изложены в [2]. Для выбора типа радиатора используется график на рис. 22 [2], с. 85; а для определения коэффициента эффективной теплоотдачи в условиях свободной и вынуж-денной конвекции используются графики на рис. 23,…26 [2], с. 88…91 для игольчато-штыревых и ребристых радиаторов и на рис. 27 и 28 [2], с. 92 для радиаторов жалюзийного типа и петельно-проволочных.

Для выполнения работы необходимо использовать материал пособия по регуляризации температурных полей тел и системы тел [2], с. 58…67.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой, с типами исследуемых радиаторов и их параметрами.

3.2. Измерить геометрические параметры исследуемых радиаторов.

3.3. Измерить температуру среды t₀.

3.4. Включить макеты и провести измерения температуры радиаторов при заданных преподавателем значениях мощности.

3.5. Построить тепловые характеристики радиаторов.

3.6. Выключить макет и снять кривые охлаждения.

3.7. Построить кривые охлаждения в обычном и полулогарифмическом масштабах. Определить темп охлаждения. Сравнить его с величиной темпа охлаждения, полученной расчетным путем (см. лабораторную работу № 1).

3.8. Рассчитать значения коэффициента активной теплоотдачи _э исследуемых радиаторов и построить зависимость _э=f(_р), где _р – перегрев радиатора.

3.9. Провести поверочный расчет радиаторов по методике 2, изложенной в [2], с. 82…94.

4. Содержание отчета

4.1. Цель и краткое содержание работы.

4.2. Таблицы полученных данных (форма в лабораторной работе № 1), тепловая модель ППП с радиатором, градуировочные кривые.

4.3. Расчеты и тепловые характеристики радиаторов, зависимости _э от _р.

4.4. Поверочные расчеты радиаторов, кривые нагревания и охлаждения в обычном и полулогарифмическом масштабах, определение темпа нагревания и охлаждения для исследуемых радиаторов.

4.5. Сравнительный анализ полученных результатов.

4.6. Краткие выводы по работе.

Литература: [2], с. 75…94; [7], с. 199…206

Лабораторная работа № 4. Исследование эффективности

экранирования РЭС

1. Цель работы. Исследование зависимости эффективности экрани-рования (ЭЭ) от длины волны, конструкции экрана, геометрических размеров и материала экрана, технологии изготовления.

2. Основные теоретические положения

Наиболее удобным как для построения расчетной формы, так и для её использования является выражение ЭЭ произведением ряда сомножителей, каждый из которых определяет влияние одного из факторов или одной группы близких факторов, см. с. 67…71.

3. Порядок выполнения работы

Исследования проводятся путем моделирования расчетных зависимостей на ПЭВМ в дисплейном классе СЗТУ.

3.1. Ознакомиться с методикой и программой исследования.

3.2. Получить у преподавателя задание и указания по характеру их изменения.

3.3. Руководствуясь предложенной в задании последовательностью исследований, открыть программу и провести необходимые исследования.

3.4. Распечатать полученные результаты или скопировать их на собственный флэш-диск.

3.5. Провести предварительный анализ полученных зависимостей и в случае необходимости повторить расчеты.

3.6. Скопировать программу на свой флэш-диск, так как получаемые файлы можно просмотреть и распечатать только в ней.

4. Содержание отчета

4. 1. Цель и краткое содержание работы.

4.2. Основные теоретические положения, лежащие в основе исследо-вания.

4.3. Краткое описание программы моделирования.

4.4. Исходные данные, листинги полученных результатов, графики полу-ченных зависимостей.

4.5. Анализ полученных зависимостей.

4.6. Краткие выводы по работе.

Литература: [3], с. 87…103, 142…158; [16]

Лабораторная работа № 5. Исследование собственных частот колебаний печатных плат

1. Цель работы. Исследование зависимости собственных частот колеба-ний (СЧК) печатных плат (ПП) и пластин от их размеров, нагружения, способа закрепления, упругопластических свойств материала и числа слоев, а также наличия и конструкции ребер жесткости.

2. Основные теоретические положения. В основу исследования поло-жены зависимости, приведенные на с. 75…78. Следует четко представлять, что ПП – это многослойная пластина, состоящая из неоднородных изотропных и упругих слоев. Следовательно, для использования этих зависимостей, полу-ченных для пластин, ПП необходимо привести к однородной однослойной пластине. Для этого надо знать упруго-пластические характеристики мате-риалов рассматриваемой ПП. Методика этой процедуры и расчетные формулы приведены также в [1], с. 20…31. Влияние других факторов рассмотрено в [1]. Значения коэффициентов для различных вариантов закрепления пластин (ПП) приведены в табл. 2, с. 76. В табл. 2 сделаны следующие обозначения: штри-ховка соответствует жесткому закреплению стороны пластины (нет угловых и линейных перемещений; иначе, нет прогиба и угла поворота на краю пластины; например: пайка, зажим и в некоторых случаях прижатие или закрепление винтами); пунктир – шарнирной опоре (нет линейного перемещения, но возможен поворот по опертой стороне; иначе, прогиб и изгибающий момент равны нулю; например: направляющие и в некоторых случаях закрепление винтами или разъемом); без обозначения – свободная сторона, допускающая линейные и угловые перемещения (иначе, изгибающий момент и перерезывающая сила равны нулю).

3. Порядок выполнения работы

Исследования проводятся путем моделирования расчетных зависимостей на ПЭВМ в дисплейном классе СЗТУ.

3.1. Ознакомиться с методикой и программой исследования.

3.2. Получить у преподавателя задание и указания по характеру измерений.

3.3. Руководствуясь предложенной в задании последовательностью исследований, открыть программу и провести необходимые исследования.

3.4. Распечатать полученные результаты или скопировать их на собственный флэш-диск.

3.5. Провести предварительный анализ полученных зависимостей и в случае необходимости повторить расчеты.

3.6. Можно скопировать программу на свой флэш-диск, так как ее можно использовать при написании дипломного проекта.

4. Содержание отчета

4.1. Цель и краткое содержание работы.

4.2. Основные теоретические положения, лежащие в основе исследования.

4.3. Краткое описание программы моделирования.

4.4. Исходные данные и листинги полученных результатов, графики полученных зависимостей.

4.5. Анализ полученных зависимостей.

4.6. Краткие выводы по работе.

Литература: [1], с.19…39, 49…70; [19]; [4]