ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki ELEMENTY ELEKTRONICZNE dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel , piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 51; tel , ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl ZAGADNIENIA TERMICZMNE W ELEMENTACH ELEKTRONICZNYCH E+EiT 018 r. PD&IB 1

2 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA P R O B L E M? Jeden z tranzystorów układu scalonego o wymiarach 1µm x 1µm x 1µm rozprasza 1mW mocy elektrycznej (np. MOS. I D =1mA przy U DS =1V) Jaką gęstość mocy zanotujemy:? P? [W/m 3 ]!!! V E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 3 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA Gęstość mocy we wnętrzu układu scalonego jest większa niż w reaktorze jądrowym!!! W 1 =10 15 W/m 3!!! W 1 >W W E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 4

3 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA SPRZĘŻENIE ELEKTROTERMICZNE Wydzielana w układzie moc Zmiana temperatury w sąsiedztwie elementu mocy Zmiana parametrów elektrycznych mikrostruktury pod wpływem zmian temperatury E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 5 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA DROGI ROZPRASZANIA CIEPŁA Q T P(t) moc wydzielana w układzie Q L P(t) Q B ciepło rozpraszane przez dolną powierzchnię układu scalonego Q B Q T ciepło rozpraszane przez górną powierzchnię układu scalonego Q L ciepło rozpraszane przez wyprowadzenia układu scalonego E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 6 3

4 SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA PRZEWODZENIE E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 7 SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA KONWEKCJA Konwekcja, inaczej unoszenie ciepła, jest procesem przekazywania ciepła z powierzchni ciała stałego do otaczającego płynu (gaz lub ciecz). Przekazywanie ciepła odbywa się zatem nie tylko przez przewodnictwo cieplne, ale i poprzez ruch swobodnych molekuł. Naturalna konwekcja jest spowodowana miejscową różnicą gęstości medium i w jej procesie rozrzedzony płyn unosi się ku górze w obecności pola grawitacyjnego. RADIACJA W procesie radiacji nie uczestniczy żadne medium pośredniczące. Ciepło jest transmitowane do otoczenia poprzez fale elektromagnetyczne (najskuteczniej w próżni). Ilość emitowanego ciepła zależy tylko od temperatury i emisyjności powierzchni materiału z którego jest wykonana. Procesem radiacji rządzi prawo Stefana- Boltzmanna, zgodnie z którym energia radiacji jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury. E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 8 4

5 REZYSTANCJA TERMICZNA T x, y, z, t wx, y, z, t C T x, y, z, t t gdzie: - współczynnik przewodności cieplnej [W/mK], C - pojemność cieplna właściwa [J/m 3 K], w rozkład gęstości generowanej mocy cieplnej [W/m 3 ] To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) (, l, c, m, S ) Tj ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) - przewodność cieplna, l grubość warstwy, c ciepło właściwe, m masa, S powierzchnia warstwy E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 9 REZYSTANCJA TERMICZNA To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) (, l, c, m, S ) ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) Tj T j (t) R th_1 R th_ R th_3 T 0 (t) P(t) Tj T P l l l T PR R R th_1 th_ th_3 S1 1 S S 3 3 E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 10 5

6 POJEMNOŚĆ TERMICZNA To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) (, l, c, m, S ) ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) Tj C 4C l S th Rth 4 C c T j (t) R th_1 R th_ R th_3 T 0 (t) P(t) C th_1 C th_ C th_3 E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 11 MODEL TERMICZNY Przykładowy model elektrotermiczny obudowy układu scalonego Q T Q T Q L radiator Q B mikrostruktura metaliczne wyprowadzenia z mikrostruktury P(t) Q L dolna część obudowy mikrostruktury Q B E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 1 6

7 CIEPŁO, CZY ZAWSZE PROBLEM? Element wprowadzany w ruch zmianami temperatury p-si p-si p-si p-si E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 13 CIEPŁO, CZY ZAWSZE PROBLEM? MIKROMASZYNY MEMS 1 µm 'Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiT(TM) Technologies, E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 14 7

8 MODUŁ PELTIERA 30mm q c Cu 3mm 30mm (-) (+) q h q h E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 15 MODUŁ PELTIERA E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 16 8

9 MODUŁ PELTIERA E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 17 MODUŁ PELTIERA x 1 P N P N P N 3 T Temperatura względna 1 radiator, moduł termoelektryczny, 3 - mikroukład Q h Q U I c pel E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 18 9

10 MODUŁ PELTIERA Q h = *T h (t)*i pel (t) x Al O 3 Cu Bi Te 3 T h (t) P j =R*I pel(t) Cu T c (t) Al O 3 Q c = *T c (t)*i pel (t) E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 19 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO SEEBECKA Zjawisko Seebecka opisuje indukowanie się siły termoelektrycznej w obwodzie składającym się z dwóch różnych przewodników, których połączenia znajdują się w różnych temperaturach. Indukowane napięcie termoelektryczne U zależy od temperatury. Współczynnik s jest charakterystyczny dla zastosowanego materiału przewodnika. T+T T Przewodnik Przewodnik T+T T+T U=s 1 T-s (T-T)-s T= =s 1 T=(s 1 -s ) T U s T... 1 T s E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 0 10

11 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO PELTIERA Zjawisko Peltiera opisuje procesy zachodzące na złączu dwóch różnych przewodników przy przepływie prądu elektrycznego. W zależności od kierunku przepływu prądu złącze pochłania lub wydziela ciepło do otoczenia. Efektywność zachodzących procesów zależy od różnicy poziomów energetycznych pasm przewodnictwa zastosowanych przewodników. q c przewodnik_1 e q h Ciepło pochłaniane przez złącze Temperatura obniża się e przewodnik_ Ciepło wydzielane przez złącze Temperatura wzrasta E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 1 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO PELTIERA pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa poziom E Fermiego Metal_1 Q T poziom Fermiego T Półprzewodnik T poziom Fermiego Metal_ p I pel pasmo przewodnictwa E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 11

12 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO THOMSONA Zjawisku Thomsona musi towarzyszyć przepływ prądu elektrycznego pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia. Jeżeli jednorodny przewodnik znajduje się w polu gradientu temperatury, to w zależności od kierunku przepływającego prądu ciepło jest pochłaniane lub wydzielane z jego objętości T 1 q c T 1 +T Q t e q h e dt T I dx gdzie: T współczynnik Thomsona [Vm/K], I prąd elektryczny [A] x E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 3 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO JOULE A Q j I R Z uwagi na zależność rezystywności od temperatury oraz ze względu na znaczne gradienty temperatury występujące w pracujących modułach termoelektrycznych, właściwą formułą opisującą wydzielane w nich ciepło Joule'a jest wzór: Q j l ( T I S 0 ) dx gdzie: (T) rezystywność materiału [m], l długość przewodnika [m], S powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika [m ] E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 4 1

13 MODUŁ PELTIERA Q c I R pel BiTe3 Tc I pel Bi Te3 T h T c Q h I R pel BiTe3 Th I pel Bi Te3 T h T c E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 5 MODEL MODUŁU PELTIERA Zależności termiczne parametrów modułów Peltiera [W/ o C] R [Ω] %.4 80% [mv/ o C] T [ o C] T [ o C] % T [ o C] E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 6 13

14 MODEL MODUŁU PELTIERA Ekwiwalentny model modułu termoelektrycznego E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 7 MOC CIEPLNA MODUŁU PELTIERA P. Górecki : Ogniwa Peltiera, Elektronika Praktyczna 1/96, Warszawa 1996 E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 8 14

15 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY ubiquitous computing s dream of wireless sensors everywhere is accompanied by the nightmare of battery replacement and disposal Przykład: Gęstość energii we współczesnych bateriach osiąga 3.8 kj/cm 3. Aby zagwarantować 10-letni okres nieprzerwanej pracy dla urządzenia o średnim poborze mocy 1mW trzeba wyposażyć go w baterię o objętości 100cm 3!? Szybkość procesorów, gęstość pamięci, szerokość pasma sieci transmisyjnych wzrastała w ostatnich latach w tempie eksponencjalnym. Ta właściwość nie była udziałem baterii, znaczące zmiany w tym względzie nie są nawet antycypowane w przyszłości! EiT 014` r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 9 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Źródła energii pochodzącej ze środowiska DRGANIA piezoelectric ~00µW electrostatic µW CIEPŁO <0µW 10 o C gradient ŚWIATŁO <10µW TŁO ELEKTRO-MAGNETYCZNE <1µW Szacunkowa moc elektryczna otrzymywana w obiektach zamkniętych z 1cm lub 1cm 3 materiału konwertera E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 30 15

16 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY I PEL Radiator R L U S Moduł Peltiera (TEM) P=I PEL R L ŹRÓDŁO CIEPŁA Ciepło odpadowe z procesów przemysłowych, geotermiczne, izotopy, paliwa kopalne Radiator Antena Moduł Peltiera Układ przetwarzający napięcie Węzeł sieci bezprzewodowej Źródło ciepła Układ magazynujący energię E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 31 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY T h TEG T c T a U S T a I L Moc wyjściowa P L w funkcji obciążenia prądowego I l dla różnych gradientów temperatury E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 3 16

17 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 33 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Ciepło ciała ludzkiego jako źródło energii do zasilania układów elektronicznych P human Przepływ mocy cieplnej P human generowanej przez ciało człowieka (~30mW/cm ) P el = ok. 3% P human E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 34 17

18 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Ciepło ciała ludzkiego jako źródło energii do zasilania układów elektronicznych Przy całkowitym bezruchu człowiek uwalnia ok. 80W mocy cieplnej Podczas wysiłku fizycznego przemiana materii wzrasta i może sięgnąć aż 800W! E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 35 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Źródło: Joseph A. Paradiso, Thad Starner, Energy scavenging for mobile and wireless electronics, Published by the IEEE CS and IEEE ComSoc, 005 E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 36 18

19 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY E+EiT 018 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 37 19