熱涉及能量從熱力學系統(tǒng)向或從熱力學系統(tǒng)的轉移."熱流"雖然常用,但是一個多余的術語,因為熱被定義為熱能的流動(或轉移)。熱能是分子和原子的動能.焦耳(j)是國際熱、功和能的系統(tǒng)單位。它被定義為另一個硅單位,牛頓(n)。牛頓被定義為1千克*m/s2,或給質量1千克和每秒1米加速度的平方。1j等于1n移動物體1米時的能量,j=千克*m 2 /標準 2 也叫牛頓米。
溫度的概念用來確定熱的預期方向.當分子和原子移動相對較快時,就會有更高的平均動能。物體叫做"熱"。當分子和原子移動相對緩慢時,平均動能就會降低。物體叫做"冷"。根據(jù)熱力學第二定律,當有傳遞路徑時,熱能總是從一個更熱的物體轉移到一個更冷的物體。這種轉移叫做熱。
當兩種材料,一種是高溫材料,另一種是低溫材料,在沒有中間絕緣層的情況下相互接觸時,分子之間的碰撞會導致動能從高溫物質轉移到低溫材料。在這兩種物質處于同一溫度并處于"熱平衡狀態(tài)"之前,熱能轉移將繼續(xù)下去。
熱能轉移的過程可以通過與導電和歐姆定律進行類比來描繪。歐姆定律指出,在給定電壓(V)下,電路中流動的電流(I)量與電阻(R)成正比。 電學 ): V = I * R 電學 .
就基本的、沒有內部熱生成的穩(wěn)態(tài)傳熱問題而言,能量(熱)的轉移與溫度差成正比:Q=K*A*(T/T-X),其中Q是熱(能量的轉移),K是材料的導熱性,A是能量轉移的正常區(qū)域,X是能量轉移的距離,T是溫度差 .
在與歐姆定律的熱類比中: 第 , where R 第 是熱電阻,歐姆x/(k*a)。和電阻一樣,熱電阻在較長的距離上更高,在較小的橫截面面積上更高。
熱電阻的概念不僅僅是一個有趣的類比。在設計電子設備的熱管理系統(tǒng)時,它是一個有用的工具,可以防止它變得太熱。熱電阻,或更復雜結構中熱電阻的總和,用于量化給定熱管理設計所期望的冷卻效果。為了確定結果,通常需要測量溫度。
測量溫度--有多熱?
溫度是以度來衡量的,它有許多名稱,有幾個尺寸。開爾文是在SI系統(tǒng)中使用的名稱,而攝氏度與開爾文有相同的尺寸,通常用于工程。開爾文的起點是絕對零度,這一點沒有分子或原子運動,任何實驗都還沒有達到。攝氏零度是水的冰點,而100度是水的沸點。另外兩種常見的溫度是華氏度和朗肯度。像開爾文和攝氏,華氏和蘭坎有相同的尺寸。朗克因使用華氏標尺,調整后使0攝氏度等于絕對零度。在提到溫度時,通常使用的符號是:C、F和R(或R)。與其他測量方法不同的是,開爾文沒有使用"°"符號。
雖然許多溫度計是用來測量溫度的,但它們很少用于電子產(chǎn)品。熱電偶、熱敏電阻和電阻溫度檢測器是電子系統(tǒng)中首選的溫度測量和熱保護裝置。熱電偶是廣泛使用的,是簡單,便宜,自我能源設備。用兩個不同的導體形成熱電偶。每根電線的熱梯度產(chǎn)生電壓.這些熱梯度之間的差別代表了連接處的溫度。在連接處不產(chǎn)生電壓,電壓差可以用來測量溫度。熱電偶的精確度有限,設計誤差小于1攝氏度的測量系統(tǒng)是一項挑戰(zhàn)。
熱敏電阻有兩種類型:熱電偶產(chǎn)生一個可變電壓,熱敏電阻有一個基于溫度的可變電阻。熱敏電阻能在預定的溫度閾值內快速變化.
· 負溫度系數(shù) (NTC)電阻隨溫度上升而降低的熱敏電阻。NTC通常用作溫度傳感器或涌流限制器。
· 正溫度系數(shù) (PTC)電阻隨溫度上升而增加的熱敏電阻。PTC常被用作可重置引信和防止過電流或自我調節(jié)加熱元件。
rtds是用一條薄薄的電線包裹在一個玻璃或陶瓷芯上或使用薄膜技術制作的。它們是用鉑、鎳或銅等純金屬制成的。最常見的一種rds是用鉑制作的pt100,電阻在0-20秒C時為100電子。變化的速度是。一個典型的RTDPT100RTD可能有一個變化率?0.00385 Ω/Ω/?C .pt1000的電阻在0-VC時為1,000電子分,比pt100的小溫度變化提供了更大的分辨率和更高的精度。
這三種設備都為設計者提供了一套不同的性能權衡。熱敏電阻通常在-100至300℃之間運行(但在范圍限于-90℃至130℃時更精確),熱電偶的范圍更廣,為180℃至2,320℃。傳統(tǒng)技術很少使用在660℃以上,適合于精密應用。
圖:熱敏電阻器、rds和熱電偶在敏感度和有用溫度范圍方面為設計者提供了不同的權衡。
紅外溫度計和熱成像
熱成像相機和非接觸紅外溫度計通過檢測紅外輻射并將其轉化為溫度讀數(shù)來測量溫度非接觸。在產(chǎn)品開發(fā)過程中,他們可以識別出設計中需要進一步關注的熱點,在制造過程中,他們可以識別出某些類型的制造和裝配缺陷。
紅外溫度計具有很高的選擇性,可以為目標上的單個點測量溫度。一個熱成像相機提供了一個由整個熱成像中每個像素的溫度讀數(shù)組成的圖像。在原型開發(fā)過程中,設計人員可以發(fā)現(xiàn)各種潛在的熱問題。例如,如果工作負載分布不均勻,則可以在大芯片上開發(fā)熱點,如現(xiàn)場可編程門陣列(fpg-Gas)。一個熱相機可以識別這些不平衡,并幫助達成一個更熱平衡和可靠的設計。
圖:熱相機可用于設計分析或電路板檢測。
同樣,使用熱成像,操作員可以通過簡單地將測試電路板的熱圖像與正常運行的電路板的圖像進行比較,快速識別某些類別的缺陷,如冷接頭。 .
阿雷尼烏斯方程-溫度的實際應用
一般來說,熱和電子系統(tǒng)不太協(xié)調。一個常見的例外是,當一個新的設計正在進行"恒定溫度加速壽命測試"時,這種測試也可以被稱為"高溫加速壽命測試",它基于阿雷尼烏斯方程,建立了溫度和反應速率之間的數(shù)學關系。利用這種關系,電子設備可以在高于其正常使用溫度的溫度下進行測試,以快速識別設計缺陷和弱點。這種方法的一個限制是它不會識別與熱循環(huán)有關的失效模式。
確定測試的最佳溫度是很重要的。如果溫度太低,加速度系數(shù)也會很低。如果溫度過高,在正常操作過程中可能不會發(fā)生故障。當進行高溫加速壽命測試時,分析失敗也是明智的,以確保它們代表了在正常工作溫度下可能發(fā)生的失敗類型。如果有正確的加速度系數(shù),在高溫下測試1,000小時就相當于在正常環(huán)境下運行10多年。
概括的
在設計電子系統(tǒng)時,熱是一個重要的概念.所有電子設備都能產(chǎn)生熱量,可靠的操作需要有效的熱管理.熱管理系統(tǒng)設計中的兩個重要元素是需要管理的熱量和不同部件和系統(tǒng)元件的熱阻力。各種測量設備,如熱電偶、rds和熱成像設備可以成為分析和監(jiān)測電子設備熱性能的有價值的工具。在進行加速壽命測試以確定設計中的潛在弱點時,高溫也可能是一個重要的工具。
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