Versuch EL-V6: Thermische Modellierung elektronischer

Versuch EL-V6: Thermische Modellierung
elektronischer Schaltungen am Beispiel einer
geregelten Widerstandslast
Inhaltsverzeichnis
1 Überblick
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Vorausgesetzte Kenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Informationen zu MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
2
2
2 Einleitung
2
3 Vorbereitungsaufgaben
3.1 Temperaturmessung mit Platin-Messwiderständen
3.2 Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Thermisches Ersatzschaltbild des Messaufbaus . .
3.4 Numerische Bestimmung der Modellparameter . .
3.5 Lüftersteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4
4
5
5
8
9
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11
11
12
12
12
4 Gesamtsystem
4.1 Übersicht .
4.2 Anschlüsse .
4.3 Bedienung .
4.4 Messpunkte
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5 Messaufgaben
14
5.1 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.2 Heizschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.3 Bestimmung des thermischen Widerstands des Kühlkörpers . . . . . . . . . . 15
5.4 Änderung des thermischen Kühlkörperwiderstandes durch erzwungene Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6 Anhang
19
Literaturverzeichnis
21
EL-V6 - 1
1 Überblick
1.1
Motivation
In realen elektronischen Schaltungen sind Ohm’sche Verluste durch parasitäre Widerstände
nicht zu vermeiden. Dies führt zu einer Erwärmung der betroffenen Bauelemente. Bei zu
hohen Temperaturen können Bauelemente Schaden nehmen und irreversibel zerstört werden.
In diesem Praktikumsversuch werden daher die thermischen Eigenschaften eines exemplarischen Messaufbaus untersucht. Als elektrischer Verbraucher wird eine Widerstandslast
genutzt, zu deren Kühlung ein Aluminiumkühlkörper mit zuschaltbarer aktiver Lüftung
vorgesehen ist.
Ziel des Versuchs ist, die Erwärmung des Messaufbaus mit Hilfe eines thermischen Ersatzschaltbildes abzuschätzen, zu simulieren und durch Messung zu verifizieren. Dies erfordert
die Anwendung geeigneter Schaltungskonzepte zur Temperaturmessung und zur Erzeugung
einer definierten Verlustleistung, die ebenfalls in diesem Versuch erarbeitet werden.
1.2
Vorausgesetzte Kenntnisse
• Vorlesung "Elektronische Schaltungen", Prof. Dr.-Ing. T. Musch
• Schriftlich gelöste und zum Versuchstermin mitgebrachte Vorbereitungsaufgaben
1.3
Informationen zu MATLAB
• In der ETIT-CIP-Insel ist MATLAB installiert und kann zur Vorbereitung und Auswertung des Versuches genutzt werden
• Für Studierende der RUB steht eine Campuslizenz für die nichtkommerzielle Nutzung
zur Verfügung. Das Programm kann über das Rechenzentrum bezogen werden:
http://www.rz.rub.de/dienste/software/beschaffung/firmen/matlab.html
• Literatur: siehe Ende des Versuchsberichts
2 Einleitung
Bei der Realisierung elektronischer Schaltungen ist eine adäquate thermische Auslegung des
Aufbaus von großer Bedeutung. Elektronische Bauelemente nehmen beim Überschreiten
ihrer maximal zulässigen Temperatur irreversiblen Schaden. Insbesondere bei Baugruppen
mit hoher elektrischer Verlustleistung PV ist daher für ausreichende Kühlung Sorge zu
tragen.
In diesem Versuch werden am Beispiel einer Widerstandslast unterschiedliche Arten der
Kühlung miteinander verglichen und quantitativ gegenübergestellt. Um diese Untersuchung
durchführen zu können muss die Temperatur an unterschiedlichen Punkten des Aufbaus
EL-V6 - 2
messtechnisch erfasst werden. Ein dazu geeignetes Messkonzept ist daher ebenfalls Bestandteil des Versuchs.
EL-V6 - 3
3 Vorbereitungsaufgaben
Das im Versuch untersuchte System ist aus mehreren Komponenten zusammengesetzt. In
diesem Abschnitt werden zunächst die theoretischen Grundlagen der einzelnen Teilsysteme
behandelt.
3.1
Temperaturmessung mit Platin-Messwiderständen
Für die thermische Analyse des Messaufbaus muss die Temperatur an unterschiedlichen
Stellen im System messtechnisch erfasst werden. Zur Temperaturmessung werden in diesem
Versuch Platin-Messwiderstände vom Typ PT100 eingesetzt. Hierbei wird der stark ausgeprägte Temperaturkoeffizient des Elements Platin ausgenutzt. Wird in den Messwiderstand
ein konstanter Strom IPT eingeprägt, besteht zwischen der Widerstandstemperatur T und
der Spannung UPT ein näherungsweise linearer Zusammenhang. Die hierzu eingesetzte Schaltung wird im Folgenden näher betrachtet.
Stromquelle
Zur Einprägung eines konstanten Stroms in den Messwiderstand wird die Schaltung in Bild
1 genutzt. Der Operationsverstärker kann als ideal angenommen werden. Die Referenzspannung beträgt URef = 5 V.
UPT
RRef
URef
IPT
ϑ
PT100
−
OP
+
Bild 1: Stromquellenschaltung
Vorbereitungsaufgabe 3.1:
Zeichnen Sie die Eingangsdifferenzspannung Ud des Operationsverstärkers in Bild 1 ein.
Vorbereitungsaufgabe 3.2:
Geben Sie an, ob die Operationsverstärkerschaltung mit- oder gegengekoppelt ist. Welche
Annahme kann aufgrund dieser Eigenschaft für Ud getroffen werden?
EL-V6 - 4
Vorbereitungsaufgabe 3.3:
Dimensionieren Sie den Widerstand RRef , sodass der Strom durch den Messwiderstand
IPT = 500 µA beträgt.
Der Temperaturkoeffizient von Platin-Widerständen ist positiv und beträgt 0,39083
Weiterhin gilt: RPT100 (T = 0 ◦C) = 100 Ω
%
◦C
.
Vorbereitungsaufgabe 3.4:
Geben Sie eine Formel zur Berechnung des Widerstandswerts RPT100 (T ) in Abhängigkeit
der Widerstandstemperatur T an.
Vorbereitungsaufgabe 3.5:
Geben Sie eine Formel zur Bestimmung der Temperatur T in Abhängigkeit von UPT und
IPT an.
Hinweis:
In Bild 12 ist die Kennlinie des PT100-Widerstandswerts in Abhängigkeit der Temperatur
dargestellt.
3.2
Heizung
Um die thermischen Eigenschaften des Messaufbaus untersuchen zu können, wird in diesem
Versuch als Heizelement eine Parallelschaltung von vier Leistungswiderständen vom Typ
Riedon PF2472 genutzt, die auf einem Kühlkörper vom Typ Fischer SK 69 montiert sind.
In Bild 2 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Heizstufe dargestellt.
Die Heizung wird mit Hilfe des Leistungs-MOSFETs T1 geschaltet. Für die Einzelwiderstände gilt: RH = 50 Ω. Die Versorgungsspannung beträgt UB = 12 V. Der LeistungsMOSFET kann zunächst als ideal aufgefasst werden. Im ausgeschalteten Zustand liegt
Us,aus = 0 V am Gate-Anschluss an. Zum Einschalten wird das Gate von T1 auf Us,an = UB
aufgeladen.
Vorbereitungsaufgabe 3.6:
Berechnen Sie den Gesamt-Heizwiderstand RH,gesamt und die Heizleistung PH .
3.3
Thermisches Ersatzschaltbild des Messaufbaus
Im Betrieb elektronischer Schaltungen führen Ohm’sche Verluste zu einer Erwärmung der
verwendeten Bauelemente. Zur Beschreibung der Temperatur an unterschiedlichen Stellen
des Messaufbaus dient das thermische Ersatzschaltbild. Die thermische Berechnung ist
analog zu der elektrischer Netzwerke. Die Verlustleistung PV einer Schaltung entspricht dabei
dem thermischen Strom, während die Temperatur T als thermische Spannung aufgefasst
EL-V6 - 5
+UB
RH
RH
RH
RH
UH
T1
Us
Bild 2: Ansteuerung der Heizwiderstände
werden kann. Für die Temperaturdifferenz ∆T am thermischen Übergangswiderstand RTh
gilt analog zum Ohm’schen Gesetz für elektrische Netzwerke:
∆T = RTh · PV
Statische Betrachtung
Für den statischen Fall kann die thermische Systemcharakteristik mit Hilfe des Ersatzschaltbilds in Bild 3 beschrieben werden. Die Verlustleistung wird auf dem Chip innerhalb der
Heizwiderstände RH aus Bild 2 in Wärme umgesetzt. Die Temperatur an dieser Stelle wird
als Tj (j: Junction, engl. Sperrschicht) bezeichnet. Der Widerstandschip ist in ein TO-247Gehäuse integriert, sodass eine thermische Kopplung zwischen Chip und Gehäuse besteht.
Eine Erwärmung des Chips zieht somit eine Erwärmung des Gehäuses nach sich. Dabei
ist die Gehäusetemperatur Tc (c: Case, engl. Gehäuse) aufgrund der endlichen thermischen
Leitfähigkeit des Übergangs geringer als die Chiptemperatur Tj . Die Temperaturdifferenz
∆Tjc fällt über dem thermischen Übergangswiderstand RTh,jc ab.
In gleicher Weise beschreiben die thermischen Übergangswiderstände RTh,cs zwischen Widerstandsgehäuse und Kühlkörper (s: (Heat)sink, engl. Kühlkörper) sowie RTh,sa zwischen
Kühlkörper und der Umgebung (a: Ambient, engl. Umgebung) die weiteren Wärmeübergänge im System.
Vorbereitungsaufgabe 3.7:
Geben Sie mit Hilfe der Datenblätter im Anhang für den vorliegenden Aufbau RTh,jc und
RTh,sa an. Die Länge des Kühlkörpers beträgt l = 100 mm.
Hinweis:
Beachten Sie bei der Berechnung die Parallelschaltung der Heizwiderstände.
EL-V6 - 6
PV
RTh,jc
RTh,cs
RTh,sa
∆Tjc
∆Tcs
∆Tsa
Tj
Tc
Ts
Ta
Bild 3: Thermisches Ersatzschaltbild des Messaufbaus (statische Betrachtung)
Vorbereitungsaufgabe 3.8:
Geben Sie je eine Formel für die Temperaturen Ts , Tc und Tj in Abhängigkeit von Ta an.
Hinweis:
K
Nehmen Sie für den Übergang vom Gehäuse zum Kühlkörper RTh,cs ≈ 0,5 W
an.
Vorbereitungsaufgabe 3.9:
Bis zu welcher Umgebungstemperatur Ta kann die Schaltung ohne Überschreiten der im
Datenblatt spezifizierten Maximaltemperatur betrieben werden?
Transiente Betrachtung
Das statische thermische Ersatzschaltbild beschreibt das System nur im thermisch eingeschwungenen Zustand. Dieser stellt sich jedoch erst ein, wenn alle transienten Vorgänge
abgeschlossen sind. Um auch den Einschwingvorgang beschreiben zu können, bedarf es einer
Erweiterung des thermischen Ersatzschaltbildes um thermische Kapazitäten, wie in Bild 4
dargestellt.
PV
Tj
CTh,jc
CTh,cs
CTh,sa
RTh,jc
RTh,cs
RTh,sa
∆Tjc
∆Tcs
∆Tsa
Tc
Ts
Ta
Bild 4: Thermisches Ersatzschaltbild des Messaufbaus (transiente Betrachtung)
Im Folgenden soll der Zeitverlauf der Kühlkörpererwärmung ∆Tsa für einen Lastwechsel
untersucht werden. Ein vereinfachtes Ersatzschaltbild ist in Bild 5 dargestellt. Der Schalter
EL-V6 - 7
wird im Zeitpunkt t0 geschlossen, sodass gilt:
(
PV (t) =
t0
0 ∀t < t0
PˆV ∀t ≥ t0
PR (t)
PC (t)
PV
CTh,sa
RTh,sa
∆Tsa (t)
Bild 5: Thermisches Ersatzschaltbild des Kühlkörpers (transiente Betrachtung, vereinfacht)
Vorbereitungsaufgabe 3.10:
Stellen Sie eine geeignete Differentialgleichung für ∆Tsa (t) auf und geben Sie deren Lösung
an.
Hinweis:
(t−t )
− τ 0
d und
d
und bestimmen Sie ∆T
Nutzen Sie als Lösungsansatz ∆Tsa (t) = ∆Tsa 1 − e sa
sa
τsa durch einen Koeffizientenvergleich. Als Randbedingung gilt: ∆Tsa (t = t0 ) = 0 ◦C.
3.4
Numerische Bestimmung der Modellparameter
In Aufgabe 3.10 wird die Erwärmung des Kühlkörpers analytisch mit Hilfe eines Ersatzschaltbildes untersucht. Um die thermischen Eigenschaften realer Systeme beschreiben zu
können, müssen die Modellparameter numerisch aus Messdaten bestimmt werden. Im Folgenden sollen aus einem gegebenen Zeitverlauf der Kühlkörpererwärmung mit dem Prod , τ und t ermittelt werden.
gramm MATLAB die Parameter Ta , ∆T
sa
sa
0
Vorbereitungsaufgabe 3.11:
Starten Sie MATLAB und laden Sie die Datei V6Beispiel.mat in den Arbeitsbereich. Starten
Sie die Curve Fitting Toolbox durch Eingabe des Befehls cftool in die Konsole.
Vorbereitungsaufgabe 3.12:
Nähern Sie den Einschwingvorgang mit Hilfe einer geeigneten Modellfunktion an, deren
Form der Lösung der Differentialgleichung aus Aufgabe 3.10 entspricht. Berücksichtigen Sie
zusätzlich die Umgebungstemperatur Ta in der Modellfunktion. Drucken Sie den ErgebnisPlot des Fits und notieren Sie die resultierenden Werte aller Parameter der Modellfunktion.
Hinweis:
Wählen Sie als X-Werte die Variable Zeit und als Y-Werte die Variable Temperatur. Geben
EL-V6 - 8
Sie die Modellfunktion unter dem DropDown-Eintrag Custom Equation an. Verwenden Sie
die in der Beispieldatei enthaltene Funktion expsp als e-Funktion, die wie folgt definiert ist:
(
esp (x) =
3.5
ex ∀x ≤ 0
1 ∀x > 0
Lüftersteuerung
Der thermische Übergangswiderstand RTh,sa zwischen Kühlkörper und Umgebung ist sowohl
von der Kühlkörpergeometrie, als auch von den Strömungseigenschaften der Umgebungsluft
abhängig. In ruhender Luft beruht der Wärmetransport auf dem Prinzip der freien Konvektion. Zur Verringerung von RTh,sa werden häufig Lüfter verwendet, die Wärmetransport durch
erzwungene Konvektion ermöglichen. Im Rahmen dieses Versuchs sollen diese Kühlungsarten
quantitativ miteinander verglichen werden.
Auf dem Messaufbau sind daher vier Ventilatoren montiert, deren Drehzahl in festgelegten Stufen einstellbar ist. Die Steuerung erfolgt nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation,
wie in Bild 6 verdeutlicht wird.
+UB
−
OP
+
URampe
USchwelle
UA
Bild 6: Schaltung zur Pulsweitenmodulation
Zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Ausgangssignals wird ein Operationsverstärker in Komparatorschaltung verwendet. An dessen invertierendem Eingang liegt ein periodisches Rampensignal zwischen ÛRampe und 0 V mit der Periodendauer tPeriode an. Am nichtintein
vertierenden Eingang wird zur Einstellung des Tastverhältnisses r = tPeriode
die Spannung
USchwelle angelegt. Die Zeitverläufe der beiden Eingangsspannungen und der resultierenden
Ausgangsspannung UA sind in Bild 7 dargestellt.
Für die mittlere Ausgangsspannung UA gilt:
UA =
USchwelle
tein
UB =
UB = r · UB
tPeriode
ÛRampe
EL-V6 - 9
USchwelle ,URampe
ÛRampe
ÛRampe
2
USchwelle
URampe
0V
0
1
2
3
4
5
6
7
8
UA
+UB
UA
UA
0V
0
1
2
3
4
5
6
t
tPeriode
Bild 7: Signal-Zeitverläufe bei Pulsweitenmodulation
EL-V6 - 10
7
8
4 Gesamtsystem
4.1
Übersicht
In diesem Versuch wird das thermische Verhalten einer Widerstandslast auf einem Kühlkörper mit freier und erzwungener Konvektion untersucht. Ein schematisches Blockschaltbild
des Messaufbaus ist in Abbildung 8 dargestellt.
Leistungsteil
Steuereinheit
Funktionsgenerator
Lüftersteuerung
Labornetzteil
Ta
Lüfter
ZTh,sa
ϑ
ϑ
Multimeter
Kühlkörper
PT100
Temperaturmessung
Heizungssteuerung
PT100
RH
Ts
ZTh,cs + ZTh,jc
PV
Bild 8: Gesamtsystem: Vereinfachtes Blockschaltbild
Der Messaufbau lässt sich in drei Bereiche unterteilen:
1. Steuereinheit
Die Steuereinheit beinhaltet die Stromquellen und Messverstärker für die Temperaturmessung, den Umgebungstemperatursensor sowie die Ansteuerungssignalerzeugung
für Heizstufe und Lüfter.
2. Leistungsteil
Im Leistungsteil befinden sich die Heizwiderstände und Lüfter mit den jeweiligen
Schalttransistoren sowie der Kühlkörpertemperatursensor, der thermisch an den Kühlkörper angekoppelt ist.
3. Kühlkörper
Die Heizwiderstände sind thermisch leitend auf dem Kühlkörper montiert. Die in der
Heizstufe umgesetzte Verlustleistung PV stellt den thermischen Strom im Ersatzschaltbild dar. Die Lüfter ermöglichen eine Variation des thermischen Übergangswiderstands
RTh,sa zwischen Kühlkörper und Umgebung.
EL-V6 - 11
4.2
Anschlüsse
Das Gehäuse des Messaufbaus umfasst folgende Anschlüsse:
1. Spannungsversorgung
Über drei Laborbuchsen wird die Spannunngsversorgung bereitgestellt (rot: 12 V,
schwarz: 0 V, blau: −12 V).
2. Signaleingang für das Rampensignal
Über die BNC-Buchse wird dem System vom Funktionsgenerator das Rampensignal
zur Erzeugung der PWM-Ansteuersignale für Heizung und Lüftung zugeführt. Die
Periodendauer ist auf 10 ms einzustellen. Die minimale Rampenspannung beträgt 0 V,
als Maximalwert ist 6 V einzustellen. Achten Sie darauf, den Funktionsgenerator im
Hi-Z-Modus zu betreiben.
3. Temperatur-Messanschlüsse
Für die Temperaturmesskanäle Ta und Ts stehen je zwei Laborbuchsen zur Verfügung,
an die das Multimeter angeschlossen werden kann. Es wird jeweils die Spannung über
dem PT100-Messwiderstand gemessen.
4.3
Bedienung
Sowohl Heizung als auch Lüftung werden mit Hilfe von Jumpern konfiguriert. Die Positionen
der einzelnen Jumper sind in Bild 9 hervorgehoben. Am unteren rechten Platinenrand
befindet sich die Heizungseinstellung in Form eines Jumpers. Ohne Jumper ist die Heizstufe
ein-, mit aufgestecktem Jumper ist die Heizstufe ausgeschaltet.
Links vom Heizungseinstellungsjumper befinden sich 5 Jumper zum Einstellen der Lüfterdrehzahl. Ohne Jumper laufen die Lüfter mit maximaler Drehzahl. Nutzen Sie jeweils einen
Jumper, um die Drehzahl auf 0 %, 10 %, 25 %, 50 % und 75 %, der maximalen Drehzahl
festzulegen.
Hinweis:
Die Moduswahl-Jumper, die mittig rechts auf der Platine vorgesehen sind, müssen sich während der gesamten Versuchsdurchführung in der unteren Stellung befinden. Die TemperaturDifferenz-Jumper am unteren linken Platinenrand werden für die Versuchsdurchführung
nicht benötigt.
4.4
Messpunkte
Die Messpunkte für die Stromquellen-Referenzspannung URef befinden sich auf der Steuerplatine an der in Bild 9 gekennzeichneten Stelle.
Die Messpunkte für den Gesamt-Heizwiderstand RH,gesamt befinden sich auf der Leistungsplatine an der in Bild 10 gekennzeichneten Stelle.
EL-V6 - 12
U
U
Ref,Umgebung
Ref,Kühlkörper
Modus-Jumper
Lüfter-Einstellung
Heizungseinstellung
Bild 9: Layout: Bedienelemente und Messpunkt für URef auf der Steuerplatine
RH
Bild 10: Layout: Messpunkt für RH,gesamt im Leistungsteil
EL-V6 - 13
5 Messaufgaben
Die Gesamtschaltung steht am Laborplatz zur Verfügung. Zum Betrieb wird eine Versorgungsspannung von ±12 V benötigt, welche am Gehäuse an die dafür vorgesehenen Buchsen
angeschlossen werden muss. Für die Versuchsdurchführung stehen ein Multimeter und ein
Funktionsgenerator zur Verfügung.
Machen Sie sich vor der Inbetriebnahme mit der Bedienung aller Komponenten vertraut.
Schalten Sie die Versorgungsspannung erst nach Freigabe des Versuchsbetreuers ein.
5.1
Temperaturmessung
Zunächst sind die Stromquellen für die Temperaturmessung zu charakterisieren.
Messaufgabe 5.1:
Messen Sie bei anliegender Versorgungsspannung die Referenzspannung URef und tragen Sie
den Messwert in Tabelle 1 ein. Berechnen Sie den Messstrom IPT für beide Anordnungen
unter Berücksichtigung des in Aufgabe 3.3 berechneten Wertes für RRef .
Einzutragende
Werte
Referenzspannung
URef / V
PT100-Messstrom
IPT / A
Berechneter Wert
Umgebungstemperatur
Kühkörpertemperatur
Tabelle 1: Kennwerte der Temperaturmessschaltung
Messaufgabe 5.2:
Messen Sie die Spannungen an den Messanschlüssen für Ta und Ts . Berechnen Sie anschließend die Umgebungstemperatur Ta und die Kühlkörpertemperatur Ts . Tragen Sie die
ermittelten Werte in Tabelle 2 ein.
5.2
Heizschaltung
In diesem Abschnitt werden die Kenndaten RH,gesamt und PH messtechnisch bestimmt.
Nutzen Sie hierfür das Multimeter und kontaktieren Sie den angegebenen Messpunkt mit
den beiliegenden Messspitzen.
EL-V6 - 14
Einzutragende Werte
UPT / V
T /◦C
Umgebung
Kühlkörper
Tabelle 2: Temperaturen im Ruhezustand
Messaufgabe 5.3:
Messen Sie bei ausgeschalteter Versorgungsspannung den Heizwiderstand RH,gesamt und
tragen Sie das Ergebnis in Tabelle 3 ein.
Messaufgabe 5.4:
Messen Sie bei eingeschalteter Versorgungsspannung und Heizung die Spannung UH über
dem Heizwiderstand und tragen Sie das Ergebnis in Tabelle 3 ein. Schalten Sie die Heizung
anschließend wieder aus. Berechnen Sie zudem die in den Widerständen umgesetzte Leistung
PH .
Einzutragende Werte
RH,gesamt / Ω
UH / V
PH / W
Berechneter Wert
Gemessener Wert
Tabelle 3: Kennwerte der Widerstandslast
5.3
Bestimmung des thermischen Widerstands des Kühlkörpers
Für die weiteren Messaufgaben erfolgt die Messdatenerfassung der Kühlkörpertemperatur Ts zeitgesteuert über den Praktikums-PC. Verbinden Sie zunächst den Messausgang
Ts mit dem Multimeter-Eingang. Nutzen Sie zur Steuerung der Messdatenerfassung das
Programm BVP_EL_V6. Tragen Sie in das Feld Imess den in Aufgabe 5.1 bestimmten
Wert des PT100-Messstroms IPT,Kühlkörper . Wählen Sie einen Speicherordner aus und geben
Sie für jede Messung einen Dateinamen an. Tragen Sie alle gewünschten Speicherzeitpunkte
in die Liste ein.
Hinweis:
Pro Speicherzeitpunkt wird eine .mat-Datei mit allen Daten vom Beginn der Messung bis
zum jeweiligen Speicherzeitpunkt gespeichert.
Im Folgenden soll der thermische Widerstand des Kühlkörpers bei freier Konvektion
messtechnisch bestimmt werden. Hierzu wird die Heizschaltung mit konstanter Leistung
EL-V6 - 15
betrieben. Vor der Messung muss der Jumper für die Heizungssteuerung aufgesteckt sein.
Stellen Sie zudem sicher, dass der Lüfter-Einstelljumper für ein Tastverhältnis r = 0 %
aufgesteckt ist.
Messaufgabe 5.5:
Geben Sie die Zwischenspeicherpunkte gemäß Tabelle 4 an.Beginnen Sie anschließend die
Messdatenerfassung. Schalten Sie etwa 10 s später die Heizung ein, indem Sie den Jumper
für die Heizungssteuerung entfernen.
Messdauer / s
d / ◦C
∆T
sa
RTh,sa /
K
W
τTh,sa / s
60
120
240
300
450
Tabelle 4: Messreihe: Erwärmung ohne Lüfter
Messaufgabe 5.6:
Laden Sie die aufgezeichneten Daten in den MATLAB-Workspace und charakterisieren Sie
mit dem Curve Fitting Tool den Aufheizvorgang des Kühlkörpers. Geben Sie dabei die
Kenngrößen RTh,Kühlkörper und τTh,Kühlkörper in Tabelle 4 an. Geben Sie für jedes Fit-Ergebnis
an, ob die resultierenden Werte plausibel sind.
Messaufgabe 5.7:
Ab welcher Messdauer kann der Einschwingvorgang akkurat durch den Fit beschrieben
werden? Nennen Sie zwei Einflussfaktoren, die das Fit-Ergebnis bei zu kurzer Messdauer
beeinträchtigen.
5.4
Änderung des thermischen Kühlkörperwiderstandes durch erzwungene Konvektion
Nun soll untersucht werden, welchen Einfluss die Lüftung auf den thermischen Widerstand
RTh,sa hat. Hierzu wird bei fünf verschiedenen Drehzahleinstellungen jeweils ein Einschwingvorgang aufgezeichnet und analysiert.
EL-V6 - 16
Vor Beginn aller folgenden Untersuchungen muss der Kühlkörper auf Raumtemperatur
heruntergekühlt werden. Schalten Sie hierzu die Heizung aus und aktivieren Sie die maximale
Lüfterdrehzahl mit den entsprechenden Jumpereinstellungen.
Messaufgabe 5.8:
Nehmen Sie für jede Lüftereinstellung jeweils eine Messreihe mit den in Tabelle 5 aufgelisteten Parametern auf. Bestimmen Sie für jede Messung mit dem Curve Fitting Tool die
Parameter ∆Tsa , RTh,sa und τTh,sa und dokumentieren Sie die Ergebnisse in Tabelle 5.
Hinweis:
Stellen Sie die Lüfterdrehzahl ein. Starten Sie auch hier die Messdatenerfassung etwa 10 s
vor der Aktivierung der Heizung.
tM / s
LüfterTastverhältnis
0 % (Tabelle 4)
450
25 %
300
50 %
200
100 %
150
d / ◦C
∆T
sa
K
RTh,sa / W
τTh,sa / s
Tj / ◦C
UH,max /
V
Tabelle 5: Messreihe: Erwärmung bei unterschiedlicher Lüfterdrehzahl
Messaufgabe 5.9:
Zeichnen Sie den Verlauf des thermischen Kühlkörperwiderstands RTh,Kühlkörper in Abhäntein
in Bild 11 ein und skalieren Sie die RTh -Achse
gigkeit des Lüfter-Tastverhältnisses r = tPeriode
sinnvoll.
Messaufgabe 5.10:
Bestimmen Sie für alle Messreihen die interne Widerstandstemperatur Tj im eingeschwungenen Zustand auf Basis der in Aufgabe 3.8 getroffenen Annahmen. Tragen Sie die Werte
in Tabelle 5 ein und interpretieren Sie die Ergebnisse.
Messaufgabe 5.11:
Geben Sie an, auf welchen Wert ÛH,max die Heizspannung erhöht werden kann, ohne dass die
im Datenblatt angegebenen Maximalwerte überschritten werden. Tragen Sie den jeweiligen
Wert ÛH,max für jede Messreihe in Tabelle 5 ein.
EL-V6 - 17
K
RTh,Kühlkörper / W
0
10
25
50
75
100
tein
/%
tPeriode
Bild 11: Änderung des thermischen Kühlkörperwiderstands durch erzwungene Konvektion
EL-V6 - 18
6 Anhang
140
135
130
RPT100 /Ω
125
120
115
110
105
100
95
90
−10
0
10
20
30
40
50
60
T / ◦C
Bild 12: PT100-Kennlinie
EL-V6 - 19
70
80
90
100
PF2470 Series
In Stoc k a t
DIGI-KEY
TO-247 Power Thin Film Resistors
•
•
•
•
•
•
•
TO-247 Housing
Rated Power to 140 Watts
Resistances from 0.02 to 51K Ohms
High Stability Film Resistance Elements
Resistance Tolerance to ±1%
Low Inductance ( <50nH )
Isolated Back Plate
SPECIFICATIONS
Type
Power Rating
Heatsink1
Free Air2
Resistance Range3
Thermal
Resistance
Min
Max
Tolerances
Temperature
Coefficients
PF2473
140W
5W
0.9°C/W
0.02W
51KW
±1% ( R ≥0.10W )
±5%
±50ppm/°C ( R≥10W )
±100ppm/°C ( 0.1W ≤ R < 10W )
±250ppm/°C ( R < 0.1W )
PF2472
100W
3W
1.3°C/W
0.02W
51KW
±1% ( R ≥0.10W )
±5%
±50ppm/°C ( R≥10W )
±100ppm/°C ( 0.1W ≤ R < 10W )
±250ppm/°C ( R < 0.1W )
Power rating based on 25°C Flange Temperature
Power rating based on 25°C Ambient Temperature
Consult Factory for Higher or Lower Values
1
2
3
Specification
Value
Temperature Range
-55°C to +155°C
Dielectric Strength
2500 VAC
Max. Operating Voltage
700 V or √P*R, whichever is less
Insulation Resistance
>1000 Meg-Ohm
Environmental Performance
DR
Test Conditions
Load Life
±1% + 0.05W
25°C, 90 min ON, 30 min OFF, 1000 hr
Humidity Resistance
±1% + 0.05W
40°C, 90-95% RH, DC 0.1W, 1000 hr
Temperature Cycle
±0.25% + 0.05W
-55°C for 30 min, +155°C for 30 min, 1000 hr
Solder Heat
±0.1% + 0.05W
+350°C, 3s
Vibration
±0.25% + 0.05W
Riedon Inc.
07/13
300 Cypress Avenue
IEC60068-2-6
Alhambra CA 91801
www.riedon.com
(626) 284-9901
Bild 13: Datenblattauszug: Rideon PF2470 Series [1]
EL-V6 - 20
(626) 284-1704
Bild 14: Datenblattauszug: Fischer SK 69 [2]
Literatur
[1] Riedon Inc. Datenblatt: Riedon PF2470 Series 2013.
[2] Fischer Elektronik GmbH Webpräsenz: Strangkühlkörper SK 69
http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/Kühlkörper
/A01/Standardstrangkühlkörper/PR/SK69_/$productCard
/additionalInfos/index.xhtml, 19.10.2015
EL-V6 - 21
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