熱涉及能量從熱力學(xué)系統(tǒng)向或從熱力學(xué)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移."熱流"雖然常用,但是一個多余的術(shù)語,因為熱被定義為熱能的流動(或轉(zhuǎn)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn) 2 也叫牛頓米。

溫度的概念用來確定熱的預(yù)期方向.當(dāng)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(dāng)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(xué)第二定律,當(dāng)有傳遞路徑時,熱能總是從一個更熱的物體轉(zhuǎn)移到一個更冷的物體。這種轉(zhuǎn)移叫做熱。

當(dāng)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(dǎo)致動能從高溫物質(zhì)轉(zhuǎn)移到低溫材料。在這兩種物質(zhì)處于同一溫度并處于"熱平衡狀態(tài)"之前,熱能轉(zhuǎn)移將繼續(xù)下去。

熱能轉(zhuǎn)移的過程可以通過與導(dǎo)電和歐姆定律進(jìn)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(xué) ): V = I * R 電學(xué) .

就基本的、沒有內(nèi)部熱生成的穩(wěn)態(tài)傳熱問題而言,能量(熱)的轉(zhuǎn)移與溫度差成正比:Q=K*A*(T/T-X),其中Q是熱(能量的轉(zhuǎn)移),K是材料的導(dǎo)熱性,A是能量轉(zhuǎn)移的正常區(qū)域,X是能量轉(zhuǎn)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(shè)計電子設(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)中熱電阻的總和,用于量化給定熱管理設(shè)計所期望的冷卻效果。為了確定結(jié)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(diǎn)是絕對零度,這一點(diǎn)沒有分子或原子運(yùn)動,任何實驗都還沒有達(dá)到。攝氏零度是水的冰點(diǎn),而100度是水的沸點(diǎn)。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(biāo)尺,調(diào)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(hù)裝置。熱電偶是廣泛使用的,是簡單,便宜,自我能源設(shè)備。用兩個不同的導(dǎo)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(shè)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(yù)定的溫度閾值內(nèi)快速變化.

· 負(fù)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(diào)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(shù)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(shè)備都為設(shè)計者提供了一套不同的性能權(quán)衡。熱敏電阻通常在-100至300℃之間運(yùn)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(shù)很少使用在660℃以上,適合于精密應(yīng)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(shè)計者提供了不同的權(quán)衡。

紅外溫度計和熱成像

熱成像相機(jī)和非接觸紅外溫度計通過檢測紅外輻射并將其轉(zhuǎn)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(shè)計中需要進(jìn)一步關(guān)注的熱點(diǎn),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(biāo)上的單個點(diǎn)測量溫度。一個熱成像相機(jī)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(shè)計人員可以發(fā)現(xiàn)各種潛在的熱問題。例如,如果工作負(fù)載分布不均勻,則可以在大芯片上開發(fā)熱點(diǎn),如現(xiàn)場可編程門陣列(fpg-Gas)。一個熱相機(jī)可以識別這些不平衡,并幫助達(dá)成一個更熱平衡和可靠的設(shè)計。

圖:熱相機(jī)可用于設(shè)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(yùn)行的電路板的圖像進(jìn)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(yīng)用

一般來說,熱和電子系統(tǒng)不太協(xié)調(diào)。一個常見的例外是,當(dāng)一個新的設(shè)計正在進(jìn)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(yīng)速率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用這種關(guān)系,電子設(shè)備可以在高于其正常使用溫度的溫度下進(jìn)行測試,以快速識別設(shè)計缺陷和弱點(diǎn)。這種方法的一個限制是它不會識別與熱循環(huán)有關(guān)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(dāng)進(jìn)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(dāng)于在正常環(huán)境下運(yùn)行10多年。

概括的

在設(shè)計電子系統(tǒng)時,熱是一個重要的概念.所有電子設(shè)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(shè)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(shè)備,如熱電偶、rds和熱成像設(shè)備可以成為分析和監(jiān)測電子設(shè)備熱性能的有價值的工具。在進(jìn)行加速壽命測試以確定設(shè)計中的潛在弱點(diǎn)時,高溫也可能是一個重要的工具。