Тепловая диагностика радиоэлектронного оборудования

Теплопередача — это перераспределение энергии между двумя телами, находящимися в контакте между собой, когда их температуры различны. Эта энергия передаётся в виде теплоты Q. Единица измерения его количества — джоуль (J/Дж). Когда говорится о количестве теплоты, передаваемой за единицу времени, подразумевается тепловой поток, измеряемый в Дж/с (или что аналогично, в ваттах W/Вт), а когда о его передаче на единицу площади, подразумевается плотность теплового потока, который измеряют в Дж/с*м2 (или Вт/м2).

Энергия естественным образом перетекает от тела (или из системы), температура которого выше, к телу, где она ниже. Это происходит до тех пор, пока у обоих тел (систем) они не сравняются и не наступит тепловое равновесие. Это правило именуется вторым началом или вторым законом термодинамики:

Существует три способа, какими происходит передача тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

Она происходит, когда тепловая энергия передаётся из одной части тела в другую из-за разницы температур. Из-за относительно высокой плотности твёрдых тел теплопроводность в большей степени характерна им, хотя она происходит (естественно, в меньшей степени) в жидкостях и (ещё в меньшей) в газах.

В любом веществе частицы (атомы и молекулы), его образующие, постоянно находятся в хаотичном (беспорядочном) тепловом движении. Чем выше температура, тем оно энергичнее. Когда атомы и молекулы движутся, они сталкиваются с соседними частицами. При этих столкновениях кинетическая энергия передаётся от быстродвижущихся частиц к движущимся медленнее. Таким образом, в высокотемпературных областях частицы имеют большую кинетическую энергию и скорость движения. Они передают часть своей энергии соседним атомам и молекулам с более низкой энергией, увеличивая скорость их движения, их кинетическую энергию и температуру конкретной области тела. Таким образом, тепло перемещается из более горячей области в холодную, пока терморежимы всех областей не станут равными: не наступит тепловое равновесие.

Каждый материал проводит тепло с разной интенсивностью, в зависимости от его коэффициента теплопроводности. Наибольшим обладают металлы, такие как, серебро и медь, наименьшим — газы, например, воздух.

Как и электрическая проводимость с сопротивлением идут «рука об руку», так и рядом с теплопроводностью всего сосуществует термическое сопротивление. Оно количественно определяет сопротивление теплопередаче, оказываемое веществом или материалом. Чем термосопротивление выше, тем труднее тепло передаётся через теплопроводность.

Конвекция происходит в жидкостях и газах и включает движение этих сред как средство передачи тепла. Фактически конвекция делится на два процесса: теплопроводность на микроуровне (описанное ранее взаимодействие атомов и молекул) и адвекция (движение самого вещества) на макроуровне.

Адвекция работает следующим образом. Когда область жидкости или газа нагревается, частицы вещества в ней приобретают кинетическую энергию, среднее расстояние между частицами увеличивается, вещество в этой области становится менее плотными и стремится подняться. Тогда как в более холодной области жидкости или газа частицы вещества имеют более низкую кинетическую энергию, большую плотность и стремятся опуститься. Это движение создаёт условие для циркуляции жидкости или газа. Когда нагретая жидкость или газ поднимается, а холодная — опускается, говорят о наличии конвективного потока. При движении жидкости или газа происходит перенос тепла: оно передаётся из горячих областей в более холодные.

Конвекция бывает естественной (свободной) или вынужденной (несвободной), в зависимости от того, вызвано ли движение жидкости естественной разницей температур или внешними силами соответственно.

При контакте относительно горячего твёрдого тела с относительно холодной жидкостью передача тепла происходит по мере нагревания жидкости, контактирующей с твёрдым телом: от твёрдого тела к жидкости тепло передаётся из-за теплопроводности, а в жидкости — уже с помощью конвекции.

Каждая среда тоже имеет конвективную теплопередачу с разной интенсивностью. Она зависит от коэффициента теплопроводности и оказываемому термическому сопротивлению.

Наконец, излучение — это испускание электромагнитных волн инфракрасного диапазона всеми объектами, имеющими температуру выше значения абсолютного нуля. Этот способ теплопередачи зависит от терморежима и излучательной способности поверхности объекта. Коэффициент излучения — это безразмерная величина, отражающая эффективность испускания объектом инфракрасного излучения. Коэффициент излучения имеет диапазон от 0 до 1, где за 1 принята излучательная способность абсолютно чёрного тела (теоретически существующего объекта, полностью поглощающего всё попадающее на него излучение и излучающего непрерывный спектр, диктуемый только его температурой).

Объекты способны поглощать инфракрасное излучение, когда они подвергаются его воздействию. Количество поглощённого излучения зависит от коэффициента поглощения материала.

Некоторые материалы прозрачны для инфракрасного излучения: не поглощают и не отражают его. У других же прозрачность частичная, следовательно, поглощают или отражают часть инфракрасного излучения. Сколько теплового излучения отражается и сколько пропускается, зависит от коэффициента отражения и коэффициента пропускания материала.

В композитных средах, когда контактируют разнородные материалы, иногда наблюдается сильное падение интенсивности теплопередачи на границе раздела этих материалов. Это явление известно как контактное термическое сопротивление, обусловленное физическими особенностями материалов, к примеру, пористостью или шероховатостью контактирующих поверхностей материалов: на границе раздела имеются точки или пятна контакта, перемежающиеся с зазорами, заполненными воздухом. Для его уменьшения применяются различные методы: шлифовка, полировка сопрягаемых поверхностей, применение промежуточных материалов-заполнителей (тонкая медная фольга, специализированные термопрокладки, жидкости, пасты и другие), диффузия материалов друг в друга и иные.

Передача тепла в радиоэлектронике происходит всеми рассмотренными способами, но в основном посредством теплопроводности и конвекции. Но откуда оно там берётся?

Теплогенерация в электронных компонентах в основном происходит из-за их электросопротивления. Когда электрический ток проходит через проводник или элемент схемы, часть энергии преобразуется в тепло, количество которого прямо пропорционально квадрату протекающего электрического тока и сопротивлению проводника или электронного компонента:

Тепло излучают все компоненты и части радиоэлектронного оборудования. «Горячими точками» выступают резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы, дорожки печатных плат, разъёмные соединения, провода. А также другие составные части электроники. Но наибольшее (и сильнее всего влияющее на работоспособность устройства) тепловыделение сопровождает работу мощных резисторов, силовых транзисторов и тиристоров, а также высокопроизводительных микросхем (микроконтроллеров, микропроцессоров, драйверов блоков питания, усилителей и других).

Ещё к источникам повышенного тепловыделения относятся все электровакуумные лампы: мощные усилительные или генераторные лампы требуют принудительного воздушного или водяного охлаждения; лампы, используемые в высококачественном или гитарном звукоусилении специальных мер по теплоотведению не требуют, но подразумевают их открытое размещение для естественной передачи тепла окружающему воздуху.

Мощные углеродные и проволочные резисторы (смотри статью «Как проверить резистор мультиметром?») используются в различных цепях радиоаппаратуры, к примеру, в качестве гасящих в простейших блоках питания невысокой мощности. Тепловыделение резисторов — что ни на есть нормальный режим работы, и при отсутствии превышения максимальной мощности рассеивания компонент проработает долго. Но повышенное тепловыделение мощных резисторов сказывается на расположенных рядом компонентах: высокая температура меняет режим работы. Наиболее чувствительны к нагреву электролитические конденсаторы: постоянный нагрев корпуса конденсатора снизит срок его службы в несколько раз.

Также негативному высокотемпературному влиянию подвергается плата. Конкретно — паяные соединения мощных резисторов и близкорасположенных деталей. Постоянный циклический нагрев паяных соединений с сопутствующим их охлаждением сопровождаются механической деформацией, которая после нескольких сотен циклов приведёт к образованию трещин и снижению качества электрического контакта вплоть до полной его потери.

Силовые полупроводниковые транзисторы (смотри статью «Что такое полупроводник?»), применяемые в усилительном и коммутационном режиме, — тоже источники повышенного тепловыделения. Фактором, определяющим их высокое тепловыделение, служит ненулевое сопротивление p-n-переходов, а также, в случае полевиков, потери энергии в виде тепла при перезарядке ёмкости затвора (при открытии и закрытии). Усилительный режим работы транзистора с частичным открытием и, следовательно, относительно высоким сопротивлением канала «эмиттер-коллектор» или «сток-исток» подразумевает, что на нём будет падать значительное напряжение, которое, естественно, будет «превращено» в нагревание. Ключевой режим работы компонента в плане тепловыделения более экономичный, так как транзистор, биполярный или полевой, находится только в одном из состояний: открыт или закрыт. Первое состояние характеризуется относительно низким (но не нулевым!) сопротивлением канала и относительно низкими же потерями энергии на тепловыделение; второе состояние характеризуется относительно высоким (от десятков до сотен мегаом) сопротивлением и низкой силой тока в канале, предопределяющими практически полное отсутствие тепловыделения.

Переход из одного состояния в другое хоть и происходит очень быстро, но всё равно не единомоментно: требуется некоторое время для открытия или закрытия. Во время этого переходного процесса канал имеет некоторое сопротивление, следовательно, падение напряжения на нём с сопутствующим нагревом. Современные мощные силовые полевые транзисторы (MOSFET) имеют очень низкое сопротивление открытого канал (от тысячных долей ома) и высокую скорость открытия/закрытия: за счёт этого идеальны в качестве силовых ключей в высокоэффективных блоках питания и преобразователях напряжения (смотри статью «Источники питания. Разновидности и сферы применения»). Нагрев также свойственен выпрямительным диодам и силовым тиристорам, тоже имеющим далеко не нулевое сопротивление проводящего канала даже в открытом состоянии.

Современные высокопроизводительные микросхемы, такие как центральные и процессоры, состоящие из миллионов и миллиардов транзисторов-полевиков (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»), выделяют дополнительное тепло также и в момент переключения: каждое состоит из зарядки или разрядки ёмкости затвора, что приводит к рассеиванию энергии в виде нагрева.

Микропроцессор часто служит главным источником тепловыделения в современной электронике. Ключевой фактор, влияющий на это — тактовая частота. Чем она выше, тем быстрее удаётся выполнять вычисление, но это приводит к большему тепловыделению. Это связано с тем, что на более высокой частоте число операций переключения в единицу времени возрастает, увеличивая тем самым рассеивание энергии через нагрев. Обычно вычислительные системы работают на более низких номинальных тактовых частотах, чем те, которые физически способен достичь микропроцессор, входящий в их состав. Чтобы получить дополнительную вычислительную мощность, микропроцессор «разгоняют» до увеличенной частоты. Наибольшей проблемой, возникающей при разгоне, становится повышенное тепловыделение, которое зачастую не ликвидировать штатным теплоотводом. Тогда прибегают к применению высокопроизводительных систем на тепловых трубках, жидкостного охлаждения, конструктивно близких к автомобильным, а при экстремальном разгоне — охладителям на основе жидкого азота.

Микросхемы (также и чипы, от англ. chips), по сути, представляют собой крошечную пластину из полупроводникового материала, как правило, кремния, на котором вытравлена сложная сеть электронных компонентов и соединительных проводников. Микросхемы состоят из различных компонентов, таких как транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы, размещённых на одном полупроводниковом кристалле. Когда чипы имеют «на борту» несколько узлов, к примеру, центральный и графический процессор, а также контроллер памяти, они называются «системой на кристалле» или «однокристальной» (System-on-a-Chip, SoC). Такие сборки более дешевы в производстве, следовательно, снижают стоимость готового компьютера, но из-за размещения нескольких кристаллов близко друг к другу требуют эффективного теплоотведения, способного поддерживать оптимальный терморежим всех узлов.

Кристаллы микросхем смонтированы на плате-кристаллодержателе, а также дополнительно бывают закрыты крышками-теплоотводами (смотри рисунок выше). Весь этот конструктив предназначен для надёжного электрического соединения, но кроме того, рассеивает тепло, что делает его первым уровнем в организации приемлемого теплового режима компонента. Несмотря на свою способность его рассеивать, кристаллодержатель и крышка не предназначены специально для этого: их производительности совершенно недостаточно для этого. Для этого применяются разные виды охлаждения: от пассивных алюминиевых или медных радиаторов до активных, использующих жидкий азот.

Теплоотвод и термоконтроль в радиоэлектронике имеют архиважное значение. При несоблюдении терморежима высокие температуры приводят к снижению производительности и сокращению срока службы устройства, вплоть до его выхода из строя. Поэтому разработано несколько методов охлаждения, которые помогают в контроле терморежимов. А также различные методы и оборудование для этого.

Все методы делятся на активные и пассивные.

Обеспечивается естественным рассеиванием тепла. Конструктивно его элементами служат теплоотводы корпусов электронных компонентов, печатные платы, радиаторы, теплопроводные трубки, корпуса радиоэлектронного оборудования, а также различные промежуточные термоинтерфейсы, к примеру, термо(проводные)пасты. Все эти элементы предназначены для увеличения эффективной площади рассеяния тепла, а также снижения контактного термического сопротивления. К нему также относится проектирование радиоэлектронной аппаратуры таким образом, чтобы наиболее «горячие» компоненты располагались выше и ближе к вентиляционным отверстиям.

Обеспечивается принудительным рассеиванием тепла. Его элементами служат вентиляторы, насосы и арматура установок жидкостного охлаждения, а также, для экстремального снижения температуры, компрессоры и оснащение фреоновых холодильных машин и установок подачи жидкого азота. Его применение позволяет очень сильно повысить эффективность пассивного охлаждения при значительном уменьшении эффективной площади рассеяния (следовательно, габаритов). Если нужен отвод значительного количества тепла (несколько сотен ватт и более), применяют только активное охлаждение.

Печатные платы, как было упомянуто выше, также выступают хорошими пассивными теплоотводами (смотри статью «Проектируем отличную печатную плату. Часть 1»). Медная фольга, служащая проводником электрического тока, тоже неплохо справляется с задачей теплоотвода и распределения его по площади платы. Наиболее эффективные «радиаторы» — медные полигоны большой площади, используемые в качестве общего заземляющего или экранного проводника (смотри статью «Проектируем отличную печатную плату. Часть 2»).

Электронные компоненты крепятся к плате с помощью контактных площадок методом пайки, обеспечивающей отличный термоинтерфейс. Тепло распределяется от компонентов, по тем же самым дорожкам, по которым они получают или отдают электрическую энергию. Гораздо меньше его проводится через текстолитовую подложку, но всё же даже «старый добрый» FR-4 рассеивает какую-то часть (смотри статью «Проектируем отличную печатную плату. Часть 3»).

Практически все современные высокопроизводительные микропроцессоры и микроконтроллеры (смотри статью «ТОП-10 узлов в схемотехнике цифровых устройств»), имеют встроенные датчики, которые измеряют температуру и тактовую частоту. Однокристальные системы содержат специальный термочувствительный элемент, встроенный непосредственно в его кремниевый кристалл. Он обычно представляет собой диод, который имеет сильную зависимость падения напряжения на переходе от температуры. Подсистема аппаратного мониторинга также включает в себя аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые измеряют напряжение на диоде, преобразовывают данные в цифровой вид, доступный программному обеспечению, отвечающему за контроль температурного режима работы центрального или графического процессора практически в режиме реального времени. Эта информация чрезвычайно важна для бесперебойной и надёжной работы устройства.

Помимо встроенных, применяются различные датчики, интегрированные в устройство с той или иной глубиной. В качестве датчиков выступают полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы и различные интегральные, к примеру, ультрараспространённый DS18B20. Они порой имеют совершенно различное конструктивное исполнение, к примеру, закрепляются на пассивном радиаторе. Сигналы с них обрабатываются аналоговым, цифровым или программным способом.

Это особый вид термоизмерительного датчика. Собственно термопару образует место сварки двух проводников из разнородных металлов: в этом месте, благодаря термоэлектрическому эффекту, возникает разность потенциалов, пропорциональная степени нагрева датчика. Регистрация температуры производится высокочувствительным вольтметром, к которому подключена термопара со специально проградуированной шкалой, а также после оцифровки с помощью аналогово-цифрового преобразователя аппаратными или программными методами, например, цифровым мультиметром.

Есть несколько типов термопар в зависимости от пары металлов, из которых они изготовлены. Каждый тип имеет разный температурный диапазон и подходит для точного измерения в определённых условиях.

Термопары миниатюрны, достаточно точны при крайней дешевизне. Термоизмерительные датчики на основе термопар применяются повсеместно. При работе с радиоэлектронным оборудованием термопары применимы для измерения фактической температуры практически любых компонентов, но самым востребованным применением становится измерение терморежима внутренней среды оборудования, входящего и выходящего воздуха, радиаторов и так далее. Термоизмерительное оборудование на основе термопар достаточно универсально при проведении широкого спектра работ по обслуживанию и наладке радиоэлектронного оборудования. Методология применения термоизмерительного оборудования проста и заключается в контроле соответствия фактических температур узлов и отдельных компонентов радиоэлектронного устройства предельным значениям, указанным в паспорте и справке, к примеру, в справочных листках (datasheets).

Это наиболее универсальные и удобные в эксплуатации термоизмерительные приборы. Принцип их действия основан на измерении интенсивности (мощности) инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. Измерение температуры происходит бесконтактным способом, с высокой точностью и скоростью позволяет регистрировать быстропротекающие процессы.

Одним из главных преимуществ бесконтактного пирометра перед контактными термоизмерительными приборами стало то, что ему не нужно физически контактировать с измеряемым объектом. Это делает его пригодным для непростых измерений, включая очень горячие или химически агрессивные материалы, которые способны повредить другие типы датчиков. Бесконтактные пирометры также имеют очень быстрое время отклика и измеряют даже температуру движущихся объектов, к примеру, роторов электродвигателей. Кроме того, бесконтактный пирометр не влияет на объект, в отличие от контактного термометра, который забирает тепло у него посредством теплопроводности и изменяет его температуру. Это делает пирометр идеальным для измерения объектов, которые движутся, имеют быстро меняющийся температурный профиль или подвержены влиянию либо повреждению при использовании контактного датчика.

В практике радиолюбителей и профессионалов инфракрасные пирометры имеют широкое поле для применения: они используются для измерения температуры электронных компонентов, радиаторов, диагностики неисправностей. Только с помощью инфракрасного пирометра и тепловизора (будет рассмотрен далее) легко локализовать место короткого замыкания, к примеру, при пробое транзистора или микросхемы. Подавая на исследуемое устройство электропитание через лабораторный блок питания с ограничением силы тока, с помощью пирометра выявляют участок с запредельным нагревом из-за чрезмерно большой для этого участка силы тока. Также только с помощью дистанционного метода получается измерить температуру токоведущих дорожек, шин и проводов, а также выявить повышенный нагрев в местах паек и разъёмных соединений.

Как его ещё называют инфракрасная (тепловизионная) камера, формирует визуальное изображение на основе полученного инфракрасного излучения. То есть работает аналогично обычной камере, которая тоже формирует изображение, но на основе видимого света. Вместо того чтобы улавливать видимый свет, отражённый объектами, инфракрасные камеры обнаруживают излучение, испускаемое ими, и преобразуют его в изображение. Это изображение отображает распределение температуры объектов, причём каждая представлена разными цветами и оттенками.

Тепловизоры конструктивно бывают как отдельными приборами, портативными или стационарными, так и в виде приставки для смартфона или компьютера.

Помимо контроля температуры, тепловизоры применяются радиолюбителями и мастерами или инженерами для поиска неисправностей в разного рода радиоэлектронном оборудовании. Изображение, полученное с помощью тепловизора, показывает участки, нагретые до запредельных значений. Они явно говорят, как минимум, о сложном терморежиме в этом месте, как максимум, о неисправности. Например, пробое электронного компонента и коротком замыкании.