Диплом. Диплом Ионов А.В. 1. Теоретическая часть

• Название: 1. Теоретическая часть
• Анкор: Диплом
• Дата: 26.11.2019
• Размер: 1.71 Mb.
• Имя файла: Диплом Ионов А.В.docx
• Тип: Документы; #97181
• страница: 5 из 13

1.7.2 Керамические подложки

Один из вариантов теплоотвода – керамические подложки с предварительно нанесенными токоведущими трассами, непосредственно к которым подпаиваются светодиоды. Охлаждающие конструкции на базе керамики отводят примерно в 2 раза больше тепла по сравнению с обычными вариантами металлических охлаждающих элементов



Рисунок 13. Сравнение конструкций

Фирма CeramTec применила для охлаждения светодиода керамический элемент CERAM COOL «Рис.13». Сравнение обычной конструкции (слева) с керамическим вариантом.

1.7.3 Теплорассеивающие пластмассы

В последние годы все больше появляется информации об альтернативном использовании теплорассеивающих пластмасс в качестве материала радиаторов. Это объясняется технологическими свойствами и их более низкой стоимостью по сравнению с широко применяемым для этих целей алюминием. С целью проверки свойств теплорассеивающих пластмасс (Теплосток Т6-Э5-7, ООО «СпецПласт-М») с теплопроводностью 8 Вт/(м-К). Проводилось сравнение радиаторов из алюминия (полностью одинаковых размеров) и из данной теплорассеивающей пластмассы. На «Рис 14». приведены результаты этого сравнения.



Рисунок14. Рабочие характеристики. Сравнение алюминиевого радиатора с радиатором из теплорассеивающей пластмассы
Теплорассеивающие пластмассы с гораздо более низким коэффициентом теплопроводности (8 Вт/(м-К)) по сравнению с алюминием или его сплавами (220-180 Вт/(м-К)) вполне конкурентоспособны и справляются со сбросом тепла в условиях естественной конвекции. Действительно, в ходе этих экспериментов наблюдалось возрастание температур в зоне подвода тепла приблизительно на 4-8% в зависимости от величины тепловой нагрузки при замене алюминиевого радиатора на радиатор из теплорассеивающей пластмассы (при прочих равных условиях).

1.8 Элемент Пельтье

В основе работы термоэлектрического охлаждающего модуля лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье, который в 1834 г. обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло. При этом количество этой теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников «Рис.15».


Рисунок. 15 Схема действия эффекта Пельтье

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (p- или n-).

Эффект Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале p-n перехода, с тепловыми колебаниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и, соответственно, тока, происходит нагрев (Th) или охлаждение (Tc) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (p-n или n-p переходу).

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qс), поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n (Qh).



Рисунок16. Структура Термоэлектрического модуля

Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин «Рис. 16».

Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах - от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки, например, селен и сурьму. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая и она изображается снизу.

Для работы модуля необходимо, чтобы через него протекал постоянный ток. Пульсации постоянного тока не должны превышать 5 %. Если уровень пульсаций будет выше, это не приведет к выходу из строя, но его параметры будут хуже. Постоянный ток может быть создан как источником тока, так и источником напряжения, но последние используются более широко. Источник тока стремится поддерживать постоянство заданной силы тока, источник напряжения - соответственно напряжения. Подаваемое на модуль напряжение должно выбираться исходя из максимального напряжения модуля Umax и выбранного режима работы (максимальной холодильной мощности или максимального холодильного коэффициента). Максимальный ток (мощность) источника должен выбираться исходя из величины напряжения и сопротивления модуля переменному току. Следует отметить, что рабочая величина тока в стационарном режиме может быть меньше своего первоначального значения примерно на 20-35 %, поскольку благодаря эффекту Зеебека величина тока зависит от разности температур.

Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, величина максимального напряжения для которых составляет примерно 16 В. На эти модули обычно подается напряжение питания 12 В, т. е. примерно 75 % от величины Umax. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным и позволяет обеспечить, с одной стороны, достаточную мощность охлаждения, а с другой стороны, достаточную экономичность (холодильный коэффициент). При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности будет слабым, а потребляемая мощность будет резко увеличиваться. При понижении напряжения питания экономичность будет расти, холодильная мощность будет уменьшаться, но линейно, что очень удобно для организации плавного регулирования температуры. Для модулей с числом пар ветвей отличным от 127, напряжение можно выбирать по тому же принципу, - чтобы оно составляло 75 % от Umax, но при этом необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны, и возможности источников питания.

Принципиальная возможность применения элементов Пельтье для охлаждения мощных компонентов электроники известна довольно давно. С ростом единичной мощности электронных компонентов в последние годы и, следовательно, увеличением количества выделяющегося тепла задача охлаждения.