Tomá Fukátko Jaroslav Fukátko
TEPLO A CHLAZENÍ V ELEKTRONICE
II. Praha 2006
Kniha má umonit ètenáøi získat rychlý pøehled o problematice tepla a chlazení v oblasti elektroniky. Obsahuje øadu øeených praktických pøíkladù a je doplnìna grafy a tabulkami, které umoòují rychlý návrh chladicích obvodù. Publikace je rozdìlena do tøí èástí. První obecná èást se vztahuje k teorii tepla. Druhá oblast se zaobírá odvodem tepla z elektronických zaøízení, a to jak jednoduchých (pouhé chladièe), tak na celé elektronické soustavy (stojany). Tøetí èást pojednává o zpùsobech mìøení tepla. Kniha je urèena pøedevím praktikùm, kteøí se zabývají stavbou elektronických zaøízení, a studentùm støedních odborných kol.
Tomá Fukátko, Jaroslav Fukátko
Teplo a chlazení v elektronice II. Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autoøi a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechny registrované nebo jiné obchodní známky pouité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Vekerá práva vyhrazena © Tomá Fukátko, Jaroslav Fukátko, Praha 2006 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Tomá Fukátko, Jaroslav Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II. BEN technická literatura, Praha 2006 1. vydání
ISBN 80-7300-199-3
OBSAH 1
Vliv tepla na spolehlivost elektronických souèástek
2
Druhy umu
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
3
11
Tepelný um (Johnsonùv) nazývaný rovnì bílým umem 11 Výstøelový um (Schottkyho um) 11 Blikavý um 12 Praskavý um 12 Celkový um 12
Nauka o teple
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
4
9
13
Tepelný stav Tepelná energie Mìøení teploty Tepelný obsah, tepelná kapacita Skupenské teplo
Vliv tepla na roztanost látek
13 13 13 14 16
17
4.1
Tepelná roztanost tuhých látek
17
4.2 4.3
Tepelná roztanost kapalin Tepelná roztanost plynù
19 19
4.1.1 4.1.2 4.1.3
A
Délková roztanost Ploná roztanost Objemová roztanost
Obsah
17 18 18
3
5 5.1 5.2 5.3
6
Základní zpùsoby pøenosu tepla
20
Pøenos tepla (sdílení tepla) vedením Sdílení tepla konvekci (proudìním) Pøenos tepla záøením (radiací sáláním)
21 22 26
Chlazení elektronických souèástek (pøedevím polovodièových)
6.1
Ztrátový výkon elektronických souèástek
6.1.1 6.1.2 6.1.3
7
30 31
Trvalé (klidové) výkonové zatíení Pulzní výkonové zatíení (pro pravoúhlý impulz) Tepelný odpor chladicího obvodu
31 31 32
Rùzné zpùsoby chlazení pouívané v elektronice
35
7.1
Chlazení vzduchem
7.2
Výpoèet chlazení elektronického zaøízení pomocí odvodu tepla do klidného okolního vzduchu Nucené chlazení proudícím vzduchem Chlazení pomoci kapalinového média Zvlátní zpùsoby kapalinového chlazení Vyuití zmìny skupenství (fázové promìny) pro chladicí úèely Vyuití bublinového varu k chladicím úèelùm v elektronice Vyuití tepelných trubic k chlazení v elektronice Chlazení v elektronice pomocí zkapalnìlých plynù
7.1.1 7.1.2 7.1.3
7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9
4
36
Pøirozené chlazení vzduchem Deskové chladièe ebrované (profilované) chladièe
T. Fukátko, J. Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II.
36 40 41
45 47 53 58 59 61 66 67
A
Pøíloha 1 Vybrané typy chladièù pro odvod tepla z polovodièových souèástek
70
P1.1 Speciální chladièe pro polovodièové usmìròovaèe (diody, tyristory, triaky) P1.2 Chladiè pro chlazení proudícím vzduchem P1.3 Chladiè s lokálním ventilátorem pro chlazení procesorù P1.4 Velkokapacitní chladicí agregáty P1.5 Chladièe pro vodní chlazení
71 72 72 73 74
Pøíloha 2 Teplomìry a mìøení teploty v elektronice
76
P2.1 Pøímo ukazující teplomìry
76
P2.2 Nepøímo ukazující teplomìry P2.3 Regulátory teploty P2.4 Snímaèe teploty
78 78 81
P2.5 Polovodièové souèástky citlivé na teplotu
85
P2.1.1 Teplomìry pracující na principu roztanosti kapalin nebo plynu
P2.4.1 P2.4.2 P2.4.3 P2.4.4
Kontaktní (nespojité) snímaèe teploty Materiály pro zhotovení termoelektrických snímaèù Termoelektrické snímaèe pro nízké teploty Termoelektrické snímaèe pro vyí teploty
P2.5.1 Termistory
76
81 83 84 84
85
P2.6 Vliv teploty na vlastnosti polovodièových diod a tranzistorù 87 P2.7 Pouití polovodièových diod pro mìøení teploty 89 P2.7.1 Závislosti velikosti proudu diodou na teplotì v propustném smìru 89 P2.7.2 Závislosti velikosti proudu diodou na teplotì v nepropustném smìru 91
P2.8 Vliv teploty na odpor kovù P2.9 Kovové odporové snímaèe teploty P2.10 Mìøení oteplení vinutí elektrických strojù
A
Obsah
92 93 93
5
Pøíloha 3 Ventilátory
95
P3.1 Volba vhodného ventilátoru
100
Pøíloha 4 Pøíklady výpoètu chladicích obvodù Pøíklad Pøíklad Pøíklad Pøíklad Pøíklad Pøíklad
1 2 3 4 5 6
101 101 102 103 104 105 105
Literatura
107
Adresy prodejen technické literatury
111
Pár slov o nakladatelství
112
Seznam tabulek Tab. 1 Tab. 2 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 5 Tab. 6 Tab. 7 Tab. 8 Tab. 9 Tab. 10 Tab. 11 Tab. P2.1 Tab. P2.2 Tab. P3.1
6
Hodnoty mìrného tepla cp pro rùzné látky Hodnoty skupenského tepla pro rùzné látky Koeficienty délkové teplotní roztanosti látek Koeficienty objemové teplotní roztanosti kapalin Koeficienty tepelné vodivosti látek Rùzné zpùsoby stykù polovodièe s chladièem Jednotlivé druhy proudìní chladicího media Tepelné vlastnosti vzduchu pøi atmosférickém tlaku v závislosti na teplotì Koeficient sálavosti Ekvivalentní velièiny a zákony tepelnì-elektrické analogie Korekèní faktory podle plochy chladicí desky Termoelektrické napìtí Mìrný odpor a teplotní koeficient u diod a tranzistorù Tabulka ventilátorù vyrábìných firmou Sunon
T. Fukátko, J. Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II.
15 16 17 18 22 23 24 26 27 28 34 80 92 98
A
Knihy nakladatelství BEN technická literatura
NA TÉMA TEPLO A CHLAZENÍ JI VYLO
Teplo a chlazení v elektronice Publikace je urèena k jednoduchému návrhu chladièù elektrotechnických souèástek. V úvodní èásti rekatpituluje poznatky z oblasti fyziky tepla, podstatné pro øeenou problematiku, v dalí èásti ukazuje náhradu reálných tepelných obcodù náhradními schématy a jejich øeení pomocí tepelnì-elektronických analogií. Obsahuje rovnì vysvìtlující pøíklady a grafické závislosti tepelného odporu na rozmìrech vybraných typù chladièù. Úspìné vyuití pøíruèky pøedpokládá znalost základù fyziky tepla a znalost øeení jednoduchých lineárních elektronických obvodù pomocí Ohmova a Kirchhoffových zákonù. Jaroslav Fukátko, Tomá Fukátko,Jiøí indelka, 32 stran A5, obj. èíslo 120884, 49 Kè DOPRODEJ http://shop.ben.cz/120884
Mìøení teploty senzory a mìøicí obvody V knize jsou pøehlednì zpracovány fyzikální principy senzorù teploty a dle tìchto principù jsou pak senzory rozdìleny do jednotlivých kapitol jako jsou odporové kovové a polovodièové, termoelektrické, dilataèní, speciální a bezdotykové senzory. U jednotlivých typù senzorù jsou uvedeny konstrukce, charakteristiky a tabulky, mìøicí obvody. Pøíloha knihy obsahuje podrobné tabulky kovových a termoelektrických senzorù a emisivit materiálù. Nedílnou souèástí knihy jsou statické a dynamické vlastnosti senzorù teploty. V souladu s øadou mezinárodních pøedpisù je vyjadøování pøesnosti mìøení uvádìno prostøednictvím nejistot mìøení. Vzhledem k tomu, e v technické praxi zatím není pojem nejistota mìøení bìnì pouívaný, je v úvodní èásti knihy uveden podrobný výklad. Marcel Kreidl, 240 stran B5, obj. èíslo 121194, 299 Kè http://shop.ben.cz/121194
Detektory pro bezdotykové mìøení teplot Kniha pojednává o detektorech, principech jejich èinnosti a aplikacích pøi bezdotykovém mìøení teplot. Více je vìnováno kvantovým typùm detektorù, jejich parametrùm a nestabilitám. Závìr je vìnován metodám bezdotykového mìøení teploty. Pro snadnìjí pochopení je text doplnìn velkým mnostvím tabulek a grafù. Pouitý matematický aparát odpovídá rozsahu pøednáeném na technických vysokých kolách. Kniha je urèena studentùm, technikùm a inenýrùm pracujícím v oblasti mìøicí a øídicí techniky. Fyzikálnì-technologické problémy zmiòovaných detektorù nejsou náplní této knihy. Vladimír Lysenko, 160 stran B5, obj. èíslo 121253, 199 Kè http://shop.ben.cz/121253
A
Obsah
7
Úvodní slovo V roce 1997 vydalo nakladatelství BEN technická literatura drobnou brouru autorù J. Fukátka, T. Fukátka a J. indelky s názvem Teplo a chlazení v elektronice. O brouru byl relativnì velký zájem pøedevím mezi studenty støedních odborných kol. Kniha Teplo a chlazení v elektronice II. na tuto brouru navazuje a roziøuje problematiku chlazení elektronických obvodù o oblast celých elektronických blokù a stojanù vèetnì ménì bìných zpùsobù chlazení (kapalinové, bublinový var, tepelné trubice, chlazení pomocí zkapalnìných plynù
). Obsahuje øadu grafù a tabulek vèetnì øeených pøíkladù a tím umoòuje rychlý a praktický návrh chladicích obvodù. Publikace je èlenìna do tøí kapitol Základní nauka o teple, Rùzné zpùsoby chlazení v elektronice a tøetí èást uvádí pøehled o Mìøení teploty v elektronice. Pøílohy obsahují vybrané typy chladièù pro odvod tepla z polovodièových souèástek, teplomìry a mìøení teploty v elektronice, ventilátory a pøíklady výpoètu chladicích obvodù. Autoøi se snaili u vech literárních pramenù, ze kterých èerpali, uvádìt pùvodní literaturu. Uvedené prameny umoòují ètenáøí pøípadné vyhledání dalích informací. Kniha je urèena iroké technické veøejnosti, pøedevím pak studentùm støedních odborných kol a praktikùm, kteøí se zabývají vývojem elektronických zaøízení. autoøi Praha 22. 3. 2006
8
T. Fukátko, J. Fukátko: Teplo a chlazení v elektronice II.
A
