1.7. Расчет теплофизических характеристик тепловых режимов эвс Основные понятия и определения

Проблема отвода тепла в ЭВС является одной из важнейших проблем конструирования и разработки радиоэлектронных приборов. С появление интегральных схем (ИС) с очень высокой плотностью размещения активных элементов на кристалле и с появлением плат, содержащих сотни ИС, вопросы обеспечения нормального теплового режима встали перед разработчиками электронной аппаратуры так остро, как никогда прежде.

Разработчика ЭВС интересует не тепловой режим вообще, а нормальный (или заданный) тепловой режим. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если соблюдаются два условия: температура элемента (или окружающий элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него, независимо от изменения окружающей аппаратуру среды; температура элемента должна быть такова, чтобы обеспечивалась его работа с заданной надежностью. Первое условие является обязательным для каждого элемента. Второе – специально оговаривается в техническом задании на разработку аппаратуры.

Под тепловым режимом ЭВС понимают пространственно-временное распределение температуры в зависимости от мощности источников и стоков энергии, геометрических и физических параметров конструкции, внешней среды, куда отводится тепло.

Исходя из этого определения устройства ЭВС представляют собой преобразователи электрической энергии в тепловую. В зависимости от КПД значительная часть тепловой энергии рассеивается в окружающее пространство и идет на нагрев конструктивных деталей, узлов и функциональных элементов. Известно, что в процессе нагрева деталей и элементов их надежность падает за счет снижения изоляционных свойств материалов, изменения плотности и подвижности носителей тока в полупроводниковых элементах, снижения индуктивности насыщения в сердечниках, увеличения интенсивности старения материалов и других факторов, ведущих к отказу деталей и элементов.

Следовательно, обеспечение нормального режима ЭВС – одно из необходимых условий их надежной работы.

Тепловой режим ЭВС считается нормальным, если соблюдаются два условия:

- температуры всех деталей и узлов конструкции при заданных условиях эксплуатации не превышают предельно допустимых температур, указанных в технических условиях или паспортах на детали и узлы;

- температуры всех деталей и узлов конструкции таковы, что обеспечивается работа ЭВС с заданной точностью и надежностью.

Общий баланс энергии в устройстве можно выразить уравнением вида

Е_п = Е₁ + Е₂ + Е₃,

где Е_п – электрическая энергия, подводимая от источника питания; Е₁ - выходная электрическая энергия; Е₂ - тепловая энергия, рассеиваемая в окружающее пространство; Е₃ - тепловая энергия, расходуемая на нагревание деталей, узлов и элементов.

Основной характеристикой преобразователя энергии является КПД, который можно найти по следующей формуле:

Повышение КПД возможно только за счет уменьшения значений Е₂ и Е₃, являющихся функцией качества преобразования энергии устройством.

Как правило, ЭВС обладают невысоким КПД, количественно оцениваемым от долей процента до 50-60% в отдельных устройствах.

Уменьшение показателя Е₃ возможно за счет снижения рассеиваемой мощности элементов, расширения воздушных каналов в местах их компоновки, улучшения теплоотвода и организации твердых теплостоков на холодные поверхности и т.д.

Улучшение показателя Е₂ возможно за счет выбора системы охлаждения (перфорации, принудительной вентиляции), расширения площади теплообменных поверхностей, установки наружных ребер-радиаторов и т.д.

Характерной особенностью теплообменных процессов в ЭВС является их зависимость от временного фактора. Постоянный подогрев конструкций и элементов идет быстрее, чем теплоотдача в окружающее пространство. Установившийся режим обычно наступает при равенстве подогрева и теплоотдачи, но уже после критических предельно допустимых температур для элементов.

Известно, что элементы ЭВС имеют неоднородные по плотности конструкции, что вызывает их различный по интенсивности и времени перегрев. Перегревом принято называть разность между температурой некоторой точки конструкции ЭВС и температурой окружающей среды. С течением времени температура их выравнивается благодаря наличию теплового потока от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. Этот процесс протекает во всех веществах: твердых, жидких и газообразных.

Отвод тепла от любого тела, а следовательно, и от элементов ЭВС может происходить за счет теплопроводности, конвекции и излучения.