Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов

Горячев Н.В.,Лысенко А.В., Граб И.Д., Юрков Н.К.

Пензенский государственный университет

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООТВОДОВ ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ

Не секрет, что процесс миниатюризации электронных средств (ЭС) обострил проблему обеспечения их нормального теплового режима. Для обеспечения такого режима используют как одиночные системы охлаждения (СО) так и их сочетания.Классификация СО основанная на работе [1] , представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация СО

Выбор СО как всего ЭС, так и его отдельных элементов осуществляется на этапе теплофизического проектирования.

При теплофизическом проектировании современных ЭС используются программные комплексы и системы [2]. В существующих системах теплофизического проектирования таких как Ansys Icepak, FloTherm, Elmer, Analog Workbench, Qfin, APM FEM (КОМПАС-3D), Betasoft, COSMOS, COLDPLATE, Microwave

Office, MSC Nastran, PRAC и российского комплекса программ ТРиАНА (АСОНИКА-Т) недостаточно внимания уделяется компоненту, необходимому для исследования физических моделей элементов ЭС, обеспечивающих тепловой режим, что делает процесс теплофизического проектирования недостаточно полным. Работа этих систем направлена на анализ полученных решений за счёт исследования математических моделей СО. В наше время нет реально функционирующих исследовательских лабораторий, специализирующихся на исследовании физических моделей СО. Исходя из этого, авторами разработана структура и действующий образец информационно-измерительного лабораторного комплекса (ИИЛК) исследования теплоотводов электрорадиоэлементов(ЭРЭ) ЭС.

Структура ИИЛК показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура ИИЛК:

БОД - блок обработки данных; СБИО - сменный блок исследуемого объекта

Блок обработки данных (БОД) включает вычислительное ядро (микроконтроллер) [3], подсистему автоматизированного управления, подсистему сбора передачи и обработки данных, а также часть рабочего места пользователя (модуль индикации и локальные органы управления).

Сменный блок исследуемого объекта СБИО состоит из подсистемы измерений и объектовой подсистемы. Подсистема измерений - это набор первичных преобразователей физических величин (датчиков). Объектовая подсистема представляет собой исследуемый объект.

Предложенная структура ИИЛК отличается от существующих образцов лабораторного практикума пространственным разделением ИО и блока обработки данных, что позволяет без изменения архитектуры БОД, (простой сменной СБИО и изменением программы исследования, заложенный в БОД), организовать лабораторный практикум по разным дисциплинам. Например, при исследовании теплоотвода транзистора

по курсу «Основы конструирования и технологии производства РЭС» объектовая подсистема СБИО содержит исследуемую СО. Предложенная структура предусматривает возможность связи ИИЛК с ПЭВМ посредством двух стандартных шин передачи данных RS-485 и USB. Впервые в системе объединены возможности удалённой работы лабораторного практикума и непосредственного использования возможностей ИИЛК. Последнее стало возможным благодаря введению в структуру ИИЛК модуля локального управления и индикации .

Согласно разработанной структуре, ИИЛК состоит из аппаратной (БОД и набор СБИО) и программной частей. Программной частью ИИЛК является программно-информационное обеспечение, функционирующее на ПЭВМ.

Разработанное программно-информационное обеспечение реализовано с использованием кроссплатформенного инструментария разработки ПО на языке программирования C++ - Qt. Это позволяет

запускать программно-информационное обеспечение ИИЛК в большинстве современных операционных системах (ОС) путём простой компиляции программы для каждой ОС без изменения исходного кода. Программно-информационное обеспечение ИИЛК позволяет в графической и табличной формах отображать экспериментальные данные, с последующим созданием и редактированием отчетов проведенного эксперимента в форматах odt, pdf и html.

Программная реализация позволяет:

1. Определять тип подключенного стенда;

2. Сохранять полученные значения, как в виде отчета, так и в двоичном виде, что дает возможность проведения дальнейшего анализа;

3. Сохранять отчета о проведённом исследовании в форматах odt, html и pdf;

4. Проводить объединение до 8- результатов исследований на одном графике;

5. Составлять и редактировать отчёты с помощью встроенного WYSIWYG текстового редактора.

Интерфейс пользователя программно-информационного обеспечения ПЭВМ показан на рисунке 3. Основное окно состоит из панели параметров, рабочей области и главного меню.

Рабочая область

Рисунок 3 - Интерфейс пользователя

Общий вид разработанного ИИЛК с набором СБИО теплоотводов различной геометрии и площади показан на рисунке 4. В состав СБИО разных модификаций введены функциональные узлы, реализующие дополнительные, вспомогательные функции, например индикацию включения нагрева и т.п.

Рисунок4 - ИИЛК с набором СБИО

На лицевой панели БОД расположен жидкокристаллический индикатор (ЖК) отображающий информацию необходимую для работы с ИИЛК.

Методика исследования теплоотвода или СО заложена в микроконтроллер и в разработанной версии ИИЛК состоит из следующих последовательно выполняемых этапов:

исследование теплоотвода в рабочем режиме с естественным охлаждением;

исследование теплоотвода в рабочем режиме с принудительным охлаждением;

исследование заранее нагретого теплоотвода с принудительным охлаждением, при выключенном нагреве ;

исследование заранее нагретого теплоотвода с естественным охлаждением, при выключенном нагреве .

Перепрограммируемый микроконтроллер БОД позволяет модифицировать или дополнять приведённую выше методику исследования.

Выбранные для реализации ИИЛК контактные датчики температуры обладают погрешностью измерения температуры не более 0,5°С во всём диапазоне измеряемых температур [4].

Таким образом, разработанный ИИЛК исследования теплоотводов ЭРЭ позволяет снимать временную зависимость температуры перегрева исследуемой СО. Информация, полученная с помощью ИИЛК, может помочь выявить недостатки конструкции СО на ранних стадиях проектирования ЭС.

Разработанный в лаборатории кафедры "КиПРА" Пензенского гос. университета ИИЛК исследования теплоотводов ЭРЭ, входит в состав автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов [5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по

спец. "Конструир. и произв. радиоаппарартуры". - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с.

2. Горячев, Н. В. Комплексы и системы теплофизического проектирования электронной аппаратуры /

Н. В. Горячев, Ю. А. Сивагина, Е. А. Сидорова // Цифровые модели в проектировании и производстве

РЭС. - 2011. - Вып. 16. - С. 178-186.

3. Горячев, Н. В. К вопросу выбора вычислительного ядра лабораторного стенда автоматизированного лабораторного практикума / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Междунар. НТК "Современные информационные технологии - 2009". Вып.9. - Пенза : изд-во ПГТА. - 2009. - С. 128-130.

4. Горячев, Н. В. Выбор датчиков температуры учебного стенда ИКОС / Н. В. Горячев, И. Д. Граб,

А.В. Лысенко, Н.К. Юрков // Materialy VII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji

«Perspektywiczne opracowania nauk^ i technikami - 2011» Volume 56. Techniczne nauki.:

Przemysl. Nauka i studia - str. 3-4.

5. Горячев Н. В. Структура автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. / Под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ. - 2011. - 2 т. - С. 119-120.