Как защитить электронные устройства от перегрева

Исторически в электронике в качестве активных элементов первыми начали применяться электровакуумные приборы. Они характеризовались малым коэффициентом полезного действия, так как значительная часть расходуемой энергии затрачивалась на поддержание необходимой температуры нити накаливания радиоламп.

Первая в мире лампа для радиопередатчика мощностью 1,5 кВт была создана в середине 1920 г. в СССР в Нижегородской радиолаборатории под руководством известного учёного и изобретателя М. А. Бонч-Бруевича. Анод такой лампы состоял из четырёх камер с жидкостным теплоотведением. В качестве хладагента применялась проточная вода.

Уже в конце этого же года на Ходынской радиостанции заработал передатчик с усилителем на нескольких таких лампах мощностью почти 5 кВт. Охлаждение радиопередатчика также осуществлялось водой.

С развитием полупроводников тепловыделение аппаратуры существенно снизилось, но проблема отвода тепла от электронного оборудования остаётся актуальной.

Причины нагрева можно разделить на две группы: игнорирование пользователем условий эксплуатации аппаратуры и ошибки, допущенные проектировщиками на стадии разработки электроники или заводской брак.

К первой группе можно отнести следующие факторы:

Ко второй группе причин относятся:

Проблема защиты электронной техники от перегрева может быть решена несколькими способами. Все методы охлаждения электроники можно разделить на две группы: пассивные и активные.

Для анализа возможных последствий перегрева рассмотрим схему стабилизированного источника питания. Она изображена на следующем рисунке.

Похожая схемотехника заложена в основу большинства однокристальных линейных стабилизаторов, например, серии LM317 или аналогичной К142ЕН12. Эти микросхемы отличаются от рассматриваемого источника питания наличием системы защиты от перегрузок по току и возможностью регулировки выходного напряжения.

При перегреве неправильно выбранного при проектировании блока трансформатора Т1 возможно межвитковое замыкание и возгорание этого элемента.

При превышении допустимой температуры нагрева диодного моста, произошедшего в результате перегрузки стабилизированного блока питания, может наступить пробой диодов. При этом переменное напряжение со вторичной обмотки Т1 попадёт на электролитический конденсатор С1. В результате конденсатор взорвётся и пульсирующее напряжение поступит в нагрузку, подключённую к клеммам «+» и «-».

Если нагрузка пассивная (например, электроинструмент или паяльник) и пользователь быстро отключит источник питания от сети, может быть, она уцелеет. Если нагрузка — это электронная схема, то, скорее всего, исход будет летальным.

То же самое произойдёт при перегреве и последующем пробое регулирующего транзистора Т1. Это может случиться в результате подключения к блоку слишком большой нагрузки, короткого замыкания на выходе или неправильного расчёта и изготовления теплоотвода регулирующего транзистора. При недостаточном охлаждении этого полупроводникового прибора он также придёт в негодность.

Кроме того, постоянная высокая температура внутри корпуса блока питания приводит к высыханию электролита в конденсаторе С1. В результате уменьшается его ёмкость. По этой причине увеличивается амплитуда пульсаций напряжения на выходе источника. В результате электроника, которая получает питание от этого прибора, может прийти в негодность.

Схема высокочастотного усилителя мощности на биполярном транзисторе изображена на следующем рисунке.

При неправильном выборе теплового режима работы элементов входной цепи L1 и Rдоп из-за перегрева они выйдут из строя. Поэтому возможен пробой перехода база-эмиттер высокочастотного транзистора и отказ предварительного усилителя мощности.

По этой же причине перегорят дроссель L2 и катушка индуктивности выходного фильтра L3.

При недостаточном охлаждении мощного транзистора он выйдет из строя. Это деталь дорогая и дефицитная.

При пробое разделительного конденсатора С3 постоянный ток от источника питания усилителя мощности будет протекать через транзистор и через Rн. Это вызовет перегрузку блока питания и его отказ.

Многие антенны согласуются с питающим фидером с помощью четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа. Для постоянного тока такие антенно-фидерные устройства будут представлять собой короткозамкнутую цепь. Поэтому при пробое разделительного конденсатора С3 выход источника питания окажется в режиме короткого замыкания и источник будет выведен из строя.

Другими последствиями перегрева могут быть:

Предотвращение перегрева электронных компонентов может достигаться конструктивными, схемотехническими, эксплуатационными способами и их сочетанием.

Конвекционное охлаждение бывает естественным или принудительным.

Естественное обеспечивается за счёт циркуляции воздуха, при которой нагретый воздух поднимается из корпуса прибора вверх, а более холодный поступает извне снизу. Для обеспечения беспрепятственного движения воздуха в корпусе аппаратуры имеются вентиляционные отверстия. Чтобы посторонние предметы не попадали через эти отверстия внутрь прибора, их закрывают мелкой металлической сеткой.

Принудительная вентиляция обеспечивается ускоренным прохождением воздуха через аппарат. Для этого используется один или несколько вентиляторов. Для улучшения теплообмена между охлаждаемым радиоэлементом и внешней средой он размещается на радиаторе.

Радиаторы охлаждения

Существуют следующие виды радиаторов:

Радиаторы изготавливают из теплопроводящих материалов, то есть способных хорошо проводить тепло. Как правило, это медь или алюминий.

Из-за неплотного прилегания детали к радиатору и наличия специальной изолирующей прокладки между ними, температура объекта и радиатора отличаются. Эту разницу характеризуют тепловым сопротивлением. Чем оно меньше, тем выше эффективность теплоотведения. На величину теплового сопротивления также влияет чистота обработки контактирующих поверхностей.

Для улучшения теплового контакта поверхности активного элемента и радиатора покрывают специальной термопастой.

Вентиляторы для электроники

По ориентации потока воздуха различают осевые, центробежные и гибридные устройства.

Изделие отличается тем, что создаёт существенный поток воздуха при относительно низком давлении. Может использоваться как в приточных, так и в вытяжных системах. Эти особенности стали причиной широкого применения таких вентиляторов для охлаждения оборудования.

Изделия такого типа создают высокое давление в узконаправленном воздушном потоке. Объём прокачиваемого ими воздуха меньше по сравнению с осевыми кулерами. Поэтому центробежные кулеры применяют для обдува отдельной части прибора, например, модуля источника питания.

Диагональный агрегат представляет собой гибридное изделие. Он сочетает конструктивные преимущества двух рассмотренных выше вентиляторов. Направление воздушного потока показано стрелками. Конструкция отличается большой скоростью обдува и создаёт значительное давление воздуха. Применяется для обдува аппаратуры с большой плотностью монтажа.

Он также относится к гибридным изделиям, но отличается большим объёмом прокачиваемого воздуха и равномерностью его распределения по охлаждаемому объёму. Напор создаваемого воздушного потока значительно меньше по сравнению с устройствами, рассмотренными выше.

Совместное применение радиаторов и вентиляторов для отвода тепла позволяет получить максимальную эффективность системы теплоотвода.

Тепловые трубки

Этот хладопровод входит в состав жидкостной системы охлаждения замкнутого типа.

Принцип его работы основан на перемещении внутри медной трубки хладагента с низкой температурой кипения, который переносит тепло от горячего конца трубки к холодному. На горячем конце жидкость испаряется, а на холодном конденсируется. При перемещении хладагента по трубке происходит отбор тепла от охлаждаемого элемента. Затем жидкость снова возвращается на горячий конец.

Различают гладкостенные трубки и трубопроводы с наполнителем.

В устройствах первого типа конденсат стекает в область испарения в результате воздействия силы тяжести. Чтобы схема работала, область конденсации должна располагаться выше области испарения.

В трубопроводах с наполнителем хладагент доставляется в место испарения из-за капиллярного эффекта. Такой теплообменник может располагаться в пространстве произвольным образом.

Испарительные камеры

Эти приборы работают по тому же принципу, что и тепловые трубки. Коэффициент полезного действия испарительных камер значительно больше, чем у трубок. Камеры повторяют конфигурацию охлаждаемых блоков, поэтому обеспечивается хороший тепловой контакт с нагретыми поверхностями. Кроме того, они имеют больший по сравнению с трубками внутренний объём. По сути, камеры — это огромные тепловые трубки. Существенный минус такого решения — высокая цена. Камеры применяются в видеокартах, игровых смартфонах и ноутбуках премиального ценового сегмента.

Термоэлектрические модули

В таких охладителях отбор тепла от охлаждаемого объекта происходит за счёт охлаждения полупроводника при протекании через него тока определённого направления. Это явление называется эффектом Пельтье.

В свою очередь, для охлаждения элемента Пельтье применяются радиаторы и вентиляторы. Термоэлектрические модули не создают акустических шумов и обладают высокой надёжностью. При конструировании приборов с повышенной холодильной мощностью их соединяют каскадно.

В ряде случаев возникает необходимость охлаждения отдельных элементов радиоаппаратуры до сверхнизких температур. Такое охлаждение называется криогенным. Оно необходимо в малошумящих усилителях диапазона СВЧ и фотоприёмниках инфракрасного участка спектра, которые очень критичны к температуре окружающей среды, ограничивающей их чувствительность. Криогенное охлаждение применяется в быстродействующих компьютерах.

Использование элементов Пельтье в герметизированном теплоизолирующем корпусе позволяет получить температуру до 40 °К (около –233 °C).

Рассмотрим конструкцию криогенного устройства поддержания температуры инфракрасного фотоприёмника.

Цифрами на рисунке обозначены:

В аппарате в качестве хладагента используется жидкий азот, прокачиваемый через криостат под давлением. В таком приборе обеспечивается температура до 40°К, что соответствует минус 173°С.

Благодаря нескольким схемотехническим приёмам можно поддерживать оптимальный температурный режим работы радиоэлектронной аппаратуры:

Также важную роль играют алгоритмы управления вентиляцией и теплоотводом, реализуемые на уровне встроенного программного обеспечения. Интеллектуальные системы регулировки скорости вентиляторов, в зависимости от текущей нагрузки и температуры, позволяют достичь баланса между эффективным охлаждением и минимальным уровнем шума. Обеспечивая тем самым стабильную и долговечную работу оборудования.

При установке, эксплуатации и техническом обслуживании аппаратуры должны соблюдаться рекомендации компании-производителя:

Площадь и объём помещения для монтажа большого количества электронного оборудования рассчитываются на основании суммарного количества выделяемого тепла. Оно зависит от мощности, потребляемой аппаратурой.

Проектирование радиоэлектронной аппаратуры с учётом тепловых нагрузок состоит из нескольких пунктов:

При выборе типа системы теплоотведения необходимо применять современные технологии теплоотведения.