close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Бурмель Алексей Вадимович. Исследование процесса термостабилизации ПЗС-матриц

код для вставки
4
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 6
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПЗС-МАТРИЦ .............................. 9
1.1 Принцип работы приборов с зарядовой связью ..................................................... 9
1.2 Темновой ток, как основная причина дефектов на изображениях .................... 10
1.3 Способы охлаждения и термостабилизации ПЗС-матриц .................................. 12
1.4 Постановка технического задания на разработку модуля управления
термостабилизацией ПЗС-матрицей............................................................................ 16
2.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССА
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПЗС-МАТРИЦЫ ............................................................. 19
2.1 Исследование зависимости температуры поверхности микросхемы ПЗСматрицы .......................................................................................................................... 19
2.2 Построение трехмерной теплофизической модели микросхемы ПЗС-матрицы
......................................................................................................................................... 21
2.3 Построение двухмерной теплофизической модели микросхемы ПЗС-матрицы
......................................................................................................................................... 29
2.4 Расчет предельно допустимых значений температуры поверхности ПЗСматрицы .......................................................................................................................... 31
2.5 Рассмотрение модели системы автоматического управления температурой ... 32
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА ПЕЛЬТЬЕ ....................................................... 40
3.1 Структура и принцип работы термоэлектрического модуля.............................. 40
3.2 Моделирование элемента Пельтье в среде COMSOL Multiphysics ................... 44
4. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЕЙ ПЗСМАТРИЦЫ ..................................................................................................................... 52
4.1 Чопперная схема ...................................................................................................... 52
4.2 Разработка принципиальной схемы и конструкции ............................................ 59
4.3 Расчет регулятора .................................................................................................... 62
4.4 Разработка программного обеспечения ................................................................ 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................. 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................................... 73
5
ВВЕДЕНИЕ
ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD, Charge-Coupled Device)—
обобщенное наименование типа полупроводниковых приборов, в которых
применяется технология управляемого переноса заряда в объёме полупроводника.
Основной представитель приборов данного типа — ПЗС-матрица. [24]
Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом
Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). [24]
Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные
заменители фотодиодов, матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗСматрицы регистрировали слабые световые потоки в таких отраслях, как
микробиофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика.[4]
Долгое время широкому применению ПЗС-приемников в телевизионной
технике
препятствовали
светочувствительных
недостатки
элементов
—
в
технологиях
кристаллических
основ
изготовления
необходимого
размера. Светоприемная область была неоднородна по квантовому выходу,
наблюдалась заметная геометрическая нестабильность (плавающее низкое
разрешение), присутствовали разного рода шумы как на малых масштабах (от
пиксела к пикселу), так и на больших пространственных масштабах (на шкалах
10-100 пиксел).[5]
Только с развитием и совершенствованием технологии создания ПЗС и с
существенным скачком в развитии сопутствующих электронных средств и,
прежде всего, с увеличением мощностей и быстродействия АЦП, стало
возможным более широкое применение ПЗС. Поставив на конвейер производство
изначально дорогих чипов, многие фирмы добились резкого снижения их
себестоимости. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение
их габаритов и веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в
эксплуатации позволили применять их не только в профессиональных студиях, в
научных исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня
телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях
6
производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту.
Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами
пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии,
микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной
микровидеотехники. [7]
Область
практического
применения
ПЗС
постоянно
расширяется.
Современное развитие большинства отраслей науки, народного хозяйства связано
с дистанционным зондированием земной поверхности с борта космических
аппаратов. Основной функциональный блок системы получения изображения –
фотоприёмный узел (ФПУ) с фоточувствительной ПЗС-матрицей на приборах с
зарядовой связью (ФМПЗС). Надежность и точность этих приборов гарантирует
получение изображений высокого качества в течение длительного периода полета
космического аппарата. [5]
Однако работа таких устройств требует охлаждения, что усложняет процесс
разработки и производства, а, следовательно, и удорожает их.
Идея охлаждения и термостабилизации электронных блоков не является
новой. Она уже много лет находит применение, в камерах, работающих с
использованием
ПЗС-матриц.
Охлаждение
ПЗС-матрицы
позволяет
скомпенсировать высокий уровень темновых токов, являющихся одной из
основных причин появления дефектов на изображении, получаемом с матрицы.
[30]
В настоящее время существует большое количество методов борьбы с
темновыми токами. Существует масса различных систем охлаждения: с
использованием
радиаторов,
кулеров,
жидкого
азота,
батарей
Пельтье,
холодильников Стирлинга и т. д. Также существуют программные методы борьбы
с темновым током. Такое многообразие обусловлено широким набором отраслей,
в которых применяются ПЗС. Применение сложных, габаритных и энергоемких
систем возможно лишь в условиях, где нет жестких требований по массе,
габаритам и энергопотреблению. В полевых же камерах и приборах такой размах
не представляется возможным, поэтому используются более простые системы.
7
Таким
образом,
актуальной
становится
разработка
такой
системы
термостабилизации фотоприёмного узла, которая бы обеспечила плавный
переходный процесс охлаждения, учитывающий характеристики ПЗС-матрицы,
максимальное отношение сигнал/шум, наилучшую квантовую эффективность, а,
следовательно, повышение качества изображения с фотоприёмного узла, не
нарушая при этом температурный режим работы ПЗС-матрицы. [30]
Целью магистерской работы является увеличение времени регулирования
переходного процесса, повышение надёжности системы.
Объект исследования: ПЗС-матрица.
Предмет исследования: Математическая модель системы автоматического
управления температурой термоэлектрического элемента для охлаждения ПЗСматрицы.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1.
Провести
анализ
существующих
систем
охлаждения
и
термостабилизации.
2.
Разработать
теплофизическую
модель
температурного
поля
микросхемы фотоматрицы.
3.
Рассмотреть существующие модели систем охлаждения и предложить
улучшенную модель.
4.
Смоделировать переходный процесс в охлаждающем элементе.
5.
Рассчитать регулятор, обеспечивающий соблюдение характеристик
ПЗС-матрицы, получить уравнение переходного процесса для всей системы.
6.
Разработать
электрическую
схему
модуля
управления
термостабилизацией ПЗС-матрицы.
7.
Разработать конструкцию модуля управления термостабилизацией
ПЗС-матрицы.
8.
Провести экспериментальное исследование разработанной системы.
8
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПЗС-МАТРИЦ.
1.1 Принцип работы приборов с зарядовой связью.
Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу
близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрикполупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были
найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность
дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника. Тем самым уже
через 10 лет были заложены предпосылки для изобретения приборов с зарядовой
связью.[30]
С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в
них представлен не током или напряжением, как в большинстве других
твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности
тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые
пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие
приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью. [30]
На рис. 1.1 показана структура одного элемента, линейного трехфазного
ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка),
изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Один из
электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним
происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа, получают добавлением
(легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов
бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные
положительно заряженные носители — дырки. Дырки в полупроводнике р-типа
являются основными носителями заряда: свободных электронов там очень мало.
Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов
ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым
потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным
электродом образуется область обедненная основными носителями — дырками.
9
Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это
означает, что под электродом формируется потенциальная яма. [30]
Рисунок 1.1 - Структура пиксела
Изображение, полученное с фотоматрицы, представляет собой матрицу
чисел. Каждый элемент этой матрицы, называемый пикселем, отвечает какойлибо характеристике местности в определенной зоне электромагнитного спектра.
Размер этого участка зависит от разрешения снимка. Данные поступают в
цифровом виде, что позволяет использовать для их обработки современные
компьютерные технологии. [30]
1.2 Темновой ток, как основная причина дефектов на изображениях.
В результате выброса электронов из катода при термической активации в
пикселах возникает темновой ток.
Темновой ток – это результат спонтанной генерации электронно-дырочных
пар. Возникновение данного процесса неизбежено, однако существуют способы
борьбы с темновым током. Величина темнового тока довольно мала. А сам он в
ПЗС
определяется
двустадийной
генерацией
через
промежуточные
энергетические уровни в запрещённой зоне (как и обратные токи в других
кремниевых приборах). Чем меньше концентрация этих уровней – а она
определяется качеством исходного кремния, чистотой реактивов и степенью
совершенства технологии – тем меньше темновой ток.
10
Темновые токи значительно ограничивают время накопления информации,
а, следовательно, и чувствительность камеры. Ячейки ПЗС формируются на
подложках. В структуре полупроводника этой подложки существует ряд
дефектов. Данные дефекты, размеры которых меньше или сравнимы с размерами
подложки,
приводят
к
неоднородности
темнового
тока.
В
приборах,
использующих линейное сканирование это приводит к возникновению светлых
полос, а в ПЗС-камерах появляются светлые точки на изображении – "горячие
пиксели" (Рисунок 1.2). [30]
“Горячие пиксели” – центры повышенной генерации темнового тока. Их
яркость монотонно возрастает при разогреве матрицы во время продолжительной
работы. Данный дефект напрямую зависит от времени экспозиции в режиме
электронного затвора и температуры микросхемы. Чем они больше, тем ярче
проявляется точечный дефект. [30]
Рисунок 1.2 - Дефект "горячие пиксели"
При комнатной температуре типовые значения темнового тока для
современных ПЗС самого высокого класса лежат в диапазоне сотых долей
нА/см2.
Это несколько сотен электронов на ячейку в секунду (рис 2).
Для
вещательного телевидения (время накопления 20 или 40 мс) такой темновой ток
без специальных средств незаметен и является приемлемым, но для научной
практики, где при измерениях регистрируются потоки всего лишь в десяток
фотонов на элемент, даже такой малый темновой ток оказывает критическое
влияние. Действительно, время накопления в малокадровых системах, скажем,
11
флуоресцентной микроскопии достигает минут, а в астрономии, когда нужно
получить спектр звезды 20-й величины (совершенно типовое дело), – часов. Как и
любой другой термодинамический процесс, возникновение темнового тока
сильно зависит от значения температуры. В этом случае на помощь приходит
охлаждение матриц. Существует зависимость: «При уменьшении температуры на
каждые 7–8 градусов темновой ток уменьшается вдвое» (Рисунок 1.3). [30]
Рисунок 1.3 - Зависимость темнового тока от температуры
1.3 Способы охлаждения и термостабилизации ПЗС-матриц.
Для охлаждения фотоматриц в приборах c зарядовой связью применяется
широкий спектр разнообразных систем охлаждения и теплоотвода. В полевых
камерах
характеристики
габаритов
и
массы
существенно
ограничивают
применение систем охлаждения и теплоотвода. В качестве теплообменника в
таких камерах зачастую используется металлический корпус камеры. В
лабораторной и студийной технике ограничений по габаритам и массе в
большинстве случаев нет. Помимо этого допускается высокое энергопотребление
12
охлаждающих систем. Охлаждающие системы делятся на пассивные и активные.
[30]
Самый простой пример пассивной системы теплообмена – радиатор.
Радиаторы изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью, чаще
всего — из металла. Контактирующая с атмосферой поверхность радиатора
должна иметь форму, обеспечивающую максимальную площадь рассеивания
тепла.
Самой
большой
площадью
рассеивания
располагают игольчатые
радиаторы. Зачастую поверхность радиатора обдувается микровентилятором
(кулером) для ускорения теплообмена. Так как микровентилятор при работе
потребляет электроэнергию, системы, в которых они используются называются
«активными». Но кулеры не могут охладить устройство до температуры ниже
атмосферной. При температуре окружающего воздуха выше 40° эффективность
таких систем охлаждения и теплоотвода резко падает. [32]
Активные
системы
охлаждения
предназначены
для
обеспечения
температуры устройства ниже окружающего воздуха за счет химических или
электрических процессов. При работе таких систем в атмосферу выделяется как
тепло охлаждаемого устройства, так и тепло системы охлаждения. Типовым
примером активной системы охлаждения является обычный холодильник.
Впрочем,
несмотря
на
высокий
КПД,
массогабаритные
характеристики
холодильников неприемлемы даже для студийной и лабораторной фототехники.
Поэтому ее активное охлаждение обеспечивается системами Пельтье, работа
которых основана на использовании одноименного эффекта, когда при наличии
разности потенциалов на концах двух проводников, изготовленных из разных
материалов, на стыке этих проводников в зависимости от полярности напряжения
будет выделяться, либо поглощаться тепловая энергия. Причиной тому является
внутренняя контактная разность потенциалов стыка проводников. За счет этой
разности потенциалов происходит ускорение либо замедление электронов. [30]
Возможно каскадное использование элементов Пельтье — комбинация
полупроводников n-типа и p-типа, в которых при взаимодействии электронов и
«дырок», происходит теплообмен и возникает максимальный теплопроводный
13
эффект. Причём, поскольку, помимо поглощения тепла, происходит и его
выделение, элементы необходимо комбинировать таким образом, чтобы одна
сторона элемента была «горячей», а другая — «холодной». В результате такого
каскадного
комбинирования
температура
«горячей»
стороны
наиболее
удалённого от матрицы элемента Пельтье значительно выше, чем у окружающего
воздуха, а его тепло в дальнейшем рассеивается в атмосфере с помощью
пассивных устройств (радиаторов и микровентиляторов). [30]
Использующие эффект Пельтье активные системы охлаждения могут
сильно понизить температуру сенсора, кардинально снижая уровень темнового
тока.
Однако
чрезмерное
охлаждение
ПЗС-матрицы
грозит
выпадением
конденсата влаги из окружающего воздуха и коротким замыканием электроники.
Помимо этого возможна деформация матрцицы из-за высокой разности
температур между охлаждаемой и светочувствительной плоскостями. [30]
Для охлаждения фотоматриц могут применяться системы с использованием
жидкого азота. Но они очень сложны в производстве и использовании, а также
требуют наличия станций по его производству. А это ведет к отсутствию
автономности в использовании приборов. Такое решение может применяться в
военной авиации. [30]
Еще один способ охлаждения — холодильники стирлинга. Двигатель
Стирлинга — разновидность двигателя внешнего сгорания. Принцип его работы
основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением
энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Двигатель
Стирлинга является обратимой машиной. Если приложить к ней тепло с одной
стороны, а холод с другой, то мы получим механическую энергию, а если
приложить механическую энергию, то мы сделаем одну сторону двигателя
холодной, а другую горячей. Это свойство можно использовать как холодильную
машину или попросту холодильник.
К сожалению, холодильники Стирлинга обладают низким ресурсом
наработки, поэтому их использование сильно ограничено по количеству циклов
включения/выключения. [30]
14
Существует также программный метод борьбы с темновым током,
основанный на так называемых черных пикселах (dark reference pixels). Эти
пикселы представляют собой столбцы и строки по краям матрицы, покрытые
непрозрачным материалом (Рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Типовая структура ПЗС-матрицы
При различных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и
самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.), уровень темнового тока будет
отличаться. Определить этот уровень можно как усредненное значение для всех
фототоков черных пикселов. При использовании полученного значения в качестве
«точки отсчёта», то есть вычитая его из фототока для каждого пиксела, можно
определить, какой именно заряд создан упавшими на ПЗС-элемент фотонами и
уменьшить количество дефектов на получаемом изображении. [32]
Таким образом, наиболее эффективной системой охлаждения для ПЗСматрицы является система с использованием батарей Пельтье. Такая система
позволит добиться наилучшего соотношения сигнал/шум при минимальных
габаритах, потреблении электроэнергии и затратах на её разработку, производство
и обслуживание. Помимо прочего, такие системы удобно и легко использовать в
сочетании с пассивным охлаждением (радиаторами и кулерами). [30]
15
1.4 Постановка технического задания на разработку модуля управления
термостабилизацией ПЗС-матрицей.
В организации ООО «НПП «Астрон Электроника» разрабатывается камера
на базе фотоматрицы CCD47-20. Для улучшения качества получаемых с камеры
изображений необходимо разработать модуль управления термостабилизацией
ПЗС-матрицы.
Назначение:
Модуль предназначен для определения значения температуры корпуса
микросхемы
фотоматрицы,
термоэлектрического
модуля,
формирования
который
управляющего
позволит
сигнала
регулировать
для
уровень
температуры микросхемы для уменьшения уровня темнового тока.
Конструктивные характеристики:
Конструктивно
изделие
выполняется
в
виде
печатной
платы
для
подключения термоэлектрического модуля.
Габариты печатной платы представлены на рисунке 1.5.
Габариты фотоматрицы представлены на рисунке 1.6.
Технические характеристики:
Для охлаждения микросхемы фотоматрицы должен использоваться элемент
Пельтье.
Требуемая температура микросхемы фотоматрицы: -20 ºС.
Максимальная скорость нагрева/охлаждения фотоматрицы: 5 ºС/мин.
Питание модуля: +9В постоянного напряжения.
Максимальная мощность потребления: 15Вт.
Условия эксплуатации:
Диапазон воздействующих температур — 0...40 ºС.
Относительная влажность — 80% при температуре +25 ºС.
16
Рисунок 1.5 - Габариты печатной платы
17
Рисунок 1.6 - Габариты фотоматрицы
Выводы по главе 1
1. Изучена ПЗС-матрица, как технический объект: её назначение, структура,
основные принципы работы, особенности эксплуатации.
2. Выявлен основной источник искажений на изображении, получаемом с
ПЗС-матрицы. Определена необходимость создания температурных условий,
соответствующих требованиям, предъявляемым к прибору на её основе на
протяжении активного срока его эксплуатации.
3. Произведён обзор способов охлаждения и термостабилизации ПЗСматрицы. Определён наиболее оптимальный из них — элемент Пельтье.
4. Сформулировано техническое задание на разработку модуля управления
термостабилизацией ПЗС-матрицы.
18
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПЗС-МАТРИЦЫ.
2.1 Исследование зависимости температуры поверхности микросхемы
ПЗС-матрицы
Поверхность
ПЗС-матрицы,
как
и
любого
радиоэлемента,
имеет
особенность нагреваться под действием электрического тока.
Рассмотрим такой параметр, как тепловое сопротивление.
Тепловое сопротивление Rt – параметр тепловыделяющей системы,
характеризующий ее способность отводить тепло от источника к стоку (например,
в окружающую среду). Данное понятие характерно для линейных тепловых
режимов. При установлении такого режима, связь между тепловым потоком и
полем температур, аналогично электрическому сопротивлению проводника R,
выражается линейно. [17]
Проведя аналогию между напряжением U и температурой t, а также
электрическим током I и тепловым потоком P, закон Ома для электрической цепи
I·R = U1 – U2 можно выразить следующим образом:
 ∙  = вх − вых ,
(2.1)
где tвх – температура активной области радиоэлемента, через которую поток
входит в тело;
tвых – температура поверхности, через которую поток вытекает из тела
(граница контакта элемента с окружающей средой).
Таким образом, тепловое сопротивление для линейного режима описывает
стационарные тепловые свойства тела:
 =
вх − вых

(2.2)
Более точным описанием динамических тепловых свойств элемента
является задание переходной тепловой характеристики. В этом случае расчет
температуры активной области осуществляется с помощью интегральных
преобразований:
19

()
( − ),

−∞
вх = вых + ∫
(2.3)
где tвх, tвых – температура активной области радиоэлемента, температура
поверхности, через которую поток вытекает из тела, соответственно;
Р – мощность, рассеиваемая в активной области;
 – установившееся значение превышения температуры k-области над (k+1)областью в момент отключения мощности разогрева и начала процесса
остывания;
 – переходная тепловая характеристика зависит от времени τ и определяется
по формуле:
 ( ) =
вх () − вых
.

(2.4)
Средняя температура источника с равномерным распределением потока
рассчитывается по формуле:
1
ср () = ( ) ∫ ∫ (, , 0, ).
0 0
(2.5)
Мощность источника:
 = − ∫ ∫
0


⃒=0  = {
,
0

(2.6)
где S0 – площадь поверхности источника.
Из выражений (2.5) и (2.6) можно сделать вывод о том, что изменение
мощности элемента P за промежуток времени τ влечет за собой изменение
температуры поверхности, после чего наступает равновесие. Следовательно, для
измерения температуры поверхности элемента следует добиться стабильного
режима работы.
На тепловую картину также могут влиять такие дефекты как: обрыв
проводника, трещина, пора, раковина и др. Все они влекут за собой
перераспределение тепловых потоков. В местах скопления большого количества
подобных дефектов возникают очаги повышенного выделения тепла, которое,
20
распределяясь по всей поверхности микросхемы, может привести к выходу из
строя всего элемента.
2.2 Построение трехмерной теплофизической модели микросхемы ПЗСматрицы
При подаче питания на микросхему фотоматрицы её поверхность
разогревается до температуры выше температуры окружающей среды и в
окружающую
среду
начинает
выделяться
тепло.
Данный
теплообмен
производится с помощью конвекции, теплопроводности и излучения.[22]
Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается
струями и потоками.
Она
определяется
разностью
температур
между
поверхностью
и
окружающей средой, находящейся в непосредственной близости к элементу.
Количество отведенного тепла колеблется в широком диапазоне: в вакууме равно
нулю; при использовании систем, создающих принудительный поток холодного
воздуха, с поверхности микросхемы возможно отвести до 90% теплоты; в
нормальных условиях потери за счет конвекции составляют порядка 10-15%
общего количества удаленного тепла. [20]
Теплопроводность — способность материальных тел к переносу энергии от
более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому
хаотически движущимися частицами тела.
Передача тепла посредством теплопроводности производится в объёме
твердого вещества. Эти потери зависят от физического контакта между
микросхемой и поверхностью, на которую она смонтирована.
Фотоприёмный узел представляет собой герметичное изделие, поэтому
термостабилизация ПЗС-матрицы осуществляется в основном посредством
теплопроводности. Данная задача решается за счет создания активной системы с
обратной
связью.
Контроль
температуры
микросхемы
осуществляется
термодатчиком. [21]
Потери через излучение подчиняются закону Стефана—Больцмана.
21
 =  4
(2.7)
Эти потери составляют около 10% общих тепловых потерь.
В реальном устройстве нет четкого разделения между отдельными
механизмами теплопередачи, а тепловая модель определяется взаимодействием
этих механизмов между собой.
Модель
ПЗС-матрицы
можно
представить
в
виде
прямоугольного
параллелепипеда (рисунок 2.1). Задача расчета температурного поля микросхемы
рассматривается в трехмерной системе координат. На рисунке 2.1 условно
показаны направления осей, а также начало координат.
Рисунок 2.1 – Фоточувствительная ПЗС-матрица
Q(x,y,z) – удельная мощность источника тепла в точке с координатами (x,y,z);
Q’(x,y,z) – удельная мощность теплоотдачи во внешнюю среду за счет конвекции
и радиационного излучения в точке (x,y,z); Q”(x,y,z) – удельная мощность
теплоотдачи через фокальную поверхность в точке (x,y,z); a,b,l – геометрические
размеры матрицы; 1 – кристалл ФМПЗС; 2 – керамическая подложка; 3 – золотые
контактные площадки; 4 – фокальная поверхность блока.
22
Из-за
многообразия
процессов
теплопередачи
и
конструктивных
особенностей матрицы для расчета температурного поля микросхемы ПЗСматрицы под действием электрического тока, приняты следующие допущения:
а) Теплофизические свойства
материалов не зависят от изменения
температуры. Это малым перепадом температур при работе в штатном режиме
работы
и
слабой
зависимостью
параметров
материалов,
из
которых
изготавливаются фотоматрицы, от температуры;
в) На границах между элементами конструкции идеальный тепловой
контакт,
полностью
отсутствует
тепловое
сопротивление.
Современные
технологии изготовления фотоматриц позволяют приближенно реализовать это
допущение;
г) Конвекция и излучение участвуют только в теплообмене на поверхности
микросхемы. Во всем внутреннем объеме конструкции теплообмен производится
исключительно за счет теплопроводности.
Для определения температурного режима радиоэлемента Дульневым Г.Н.
предложено трехмерное нестационарное уравнение теплообмена[22]:






((, , ) ) +
((, , ) ) + ((, , ) ) +  (, , , ) −






− ′ (, , , ) −  ′′ (, , , ) = (, , ) ∙  (, , )

,

(2.8)
где (, , ) – теплопроводность материала в точке с координатами (x,y,z),
[Вт/м·К];
t – температура в точке с координатами (x,y,z), [К];
Q(x,y,z,τ) – удельная мощность источника тепла в точке (x,y,z), [Вт/м3];
Q’(x,y,z,τ) – теплообмен с внешней средой за счет конвекции и радиационного
излучения в точке с координатами (x,y,z), [Вт/м3];
Q”(x,y,z,τ) – удельная мощность теплоотдачи через фокальную поверхность в
точке (x,y,z), [Вт/м3];
(, , ) – плотность материала для точки с координатами (x, y, z), [кг/ м3];
с(x,y,z) – удельная теплоемкость, [Дж/кг·К];
τ – время, [с].
23
Временные и геометрические условия, в которых лежит область решения
уравнения, определяются как:
 ∈ [0;  ],  ∈ [0; ],  ∈ [0; ],  ∈ [0;  ].
(2.9)
При этом справедливы следующие выражения:
1) на верхней поверхности матрицы (z = 0) плотность теплового потока при
τ>0 определена как:


⃒=0 = {−(,)

0 вне пластины
на поверхности микросхемы
(2.10)
2) плотность теплового потока и температуры на границе двух соседних
слоев различных материалов непрерывны:
 
+1 
⃒ =
⃒+1 ;


(2.11)
(, ,  , ) = (, , +1 , );
(2.12)
Начальная температура микросхемы определяется выражением:
0 = (, ,  , 0)при = 0
(2.13)
В работе принимается, что радиационный и конвективный теплообмен
учитываются только на соответствующих гранях корпуса фотоматрицы, при этом
коэффициент конвективного теплообмена зависит от температуры:
уравнение для левой боковой грани фотоматрицы:

−(, )

4)
=  ()( −  ) + об ∙ ( 4 − ос
при x=0, y∈[0;b], z∈[0;l],
(2.14)
уравнение для правой боковой грани фотоматрицы:
(, , )


4)
=  ()( −  ) + об ∙ ( 4 − ос
при x=a, y∈[0;b], z∈[0;l],
(2.15)
уравнение для передней грани фотоматрицы:
−(, )


4)
=  ()( −  ) + об ∙ ( 4 − ос
при x∈[0;a], y=0, z∈[0;l],
(2.16)
уравнение для задней грани:
(, , )


4)
=  ()( −  ) + об ∙ ( 4 − ос
при x∈[0;a], y=b, z∈[0;l],
(2.17)
уравнение для верхней поверхности фотоматрицы:
−(, )


4)
=  ()( −  ) + об ∙ ( 4 − ос
при x∈[0;a], y∈[0;b], z=0,
(2.18)
24
уравнение для фокальной плоскости фотоматрицы:
(, ,  )


4)
=  ()( −  ) + об ∙ ( 4 − ос
при x∈[0;a], y∈[0;b], z=l,
(2.19)
где (x, y, z) – теплопроводность материала в точке (x,y,z), [Вт/м·К];
(t) – коэффициент конвективного теплообмена с внешней средой, [Вт/м2·К];
tос – температура окружающей среды, [К];
t – температура объекта в точке с координатами (x,y,z), [К];
εоб – коэффициент теплового излучения объекта;
σ – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67·10-8 Вт/(м2·К4).
Коэффициент конвективного теплообмена с внешней средой согласно [49]
выражается следующим образом:
 () = (1.42 − 1.4 ∙ 10−3 ∙  ) ∙  ∙ [( −  )⁄]1⁄4 ,
(2.20)
где tm – среднее арифметическое значение температур окружающей среды и
поверхности тела, [К];
N – коэффициент, зависящий от ориентации поверхности в пространстве, для
горизонтальной поверхности микросхемы, рассеивающей потоки вверх, равен 1,3.
L – определяющий размер поверхности, [м].
Таким образом, с учетом граничных и начальных условий трехмерное
нестационарное уравнение теплопроводности (2.8) можно решить, используя
метод конечных разностей.
Решение разностных аналогов уравнения осуществляется по схеме
расщепления по координатам. Полученные одномерные разностные уравнения
решаются в два этапа:
1. По закону Стефана-Больцмана радиационный теплообмен с окружающей
средой является причиной нелинейности граничных условий. Для решения
данной
проблемы
осуществляется
построение
итерационного
цикла.
На
предшествующем временном слое задается значение сеточной функции. Затем,
подставляя
начальное
приближение
в
уравнение,
определяется
первое
приближение. Переход к следующему слою осуществляется при выполнении
условия:
 ≥  | − −1 |,
(2.21)
25
где δ – точность вычисления, принятая равной δ = 0,005 К.
s – номер итерации.
2.
Широкое
теплопроводности
распространение
получил
метод
для
математического
прогонки
с
описания
применением
схемы
аппроксимации. Метод используется на каждом шаге итерационного цикла.
Построение разностных аналогов осуществляется введением равномерной
прямоугольной сетки с координатами пространственных узлов (xj, yp, zr) и узлами
времени в точках (τn), которые определяются следующими выражениями:

 =  ∙ ℎ , гдеℎ = , при = 0,1, … , ;


, при = 0,1, … , ;


 =  ∙ ℎ , гдеℎ = , при = 0,1, … , ;

 =  ∙ ℎ , гдеℎ =
  =  ∙ , при = 0,1, … , .
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
где hx, hy, hz – шаги прямоугольной сетки с координатами x, y, z;
τ – шаг временной сетки.
Тогда, разностные аналоги удельной тепловой мощности источника и
температуры будут определяться следующим образом:

,,
= ( ,  ,  ,   );
(2.26)

,,
= ( ,  ,  ,   ).
(2.27)
Первая и вторая производная температуры по времени в разностном
выражении:
+1

− ,,
 ,,
=
;


+1

+1
− 2,,
+ ,,
 2  ,,
=
.
 2
ℎ2
(2.28)
(2.29)
Схема расщепления при переходе от n к n+1 реализуется с применением
трех дробных шагов, тогда уравнение (2.8) можно представить в виде системы
уравнений:
26
1
,,3
+
,, ∙ ,,
−

,,

1
3
+1,,
+
= ,, (
−
1
2,,3
ℎ2
+
+
1
3
−1,,
+
2
3
,−1,
+
)+
+1 
1 ′
1 ′′
,, − ,,
− ,,
;
3
3
3
2
,,3
+
,, ∙ ,,
−
1
,,3
+

2
3
,+1,
+
= ,, (
−
2
2,,3
ℎ2
+
+
)+
+1 
1 ′
1 ′′
,, − ,,
− ,,
;
3
3
3
,, ∙ ,,
+1
,,
−
2
,,3
+

= ,, (
+1
,,+1
−
+1
2,,
(2.30)
+
1
3
,,−1
+
ℎ2
)+
+1 
1 ′
1 ′′
,, − ,,
− ,,
.
3
3
3
При
этом
модель
приближается
к
реальному
(2.31)
процессу
за
счет
попеременного распространения тепла по осям x, y, z.
Решение одного из уравнений данной системы заключается в определении
температуры на разных временных слоях с помощью метода прогонки, при этом в
качестве граничных условий используются разностные аналоги уравнений (2.142.19).
Тогда
1
3
+1,,
+
=− (
1
1
,, ∙ ,, ∙ ℎ2
+
+
3
3
− (2 +
) ∙ ,, + −1,,
=
 ∙ ,,
,, ∙,, ∙ℎ2 
,,
∙,,
+
1 ℎ2
3 ,,

′
′′
(,,
− ,,
− ,,
)).
Упростим уравнение, введением коэффициентов:
+
1
3
+
1
3
+
1
3
 +1,, −  ,, +  −1,, = − , где
,, ∙ ,, ∙ ℎ2
 = 1,  = 2 +
,  = 1,
 ∙ ,,
(2.32)
27
,, ∙ ,, ∙ ℎ2 
1 ℎ2

′
′′
 =
,, +
(,,
− ,,
− ,,
).
 ∙ ,,
3 ,,
(2.33)
Дополнительное введение вспомогательных коэффициентов mj и qj
позволит в упрощенной форме рассчитать значение температуры ti. Для этого
путем прямой прогонки определяются их значения, затем рассчитывается ti путем
обратной прогонки.
Согласно методу прогонки, вспомогательные коэффициенты выражаются
следующими зависимостями:
+1 =

, где ∈ [1;  − 1];
 −  
(2.34)
+1 =
  + 
, где ∈ [1;  − 1];
 −  
(2.35)
 = +1 +1 + +1 , где =  − 1;  − 2, … ,1,0.
(2.36)
Используя разностные аналоги уравнений граничных условий, определим
коэффициенты m1, ql, tJ:
−,,
1 − 0
4 )
=  (0 )(0 −  ) + об ∙ (04 − 
.
ℎ
(2.37)
ℎ
4 )
( (0 )(0 −  ) + об ∙ (04 − 
).
,,
(2.38)
Отсюда следует:
0 = 1 +
Используя формулу метода прогонки 0 = 1 ∙ 1 + 1 , получим:
1 = 1, 1 =
ℎ
4 )
( (0 )(0 −  ) + об ∙ (04 − 
).
,,
(2.39)
Разностный аналог другого граничного условия будет иметь вид:
,,
 − −1
4
= ( )( −  ) + об ∙ (4 − 
).
ℎ
(2.40)
После преобразования получим:
 =
 +
, при этом ≠ 1.
ℎ
4 )
( (0 )(0 −  ) + об ∙ (04 − 
)
,,
1 − 
(2.41)
28
2.3 Построение двумерной теплофизической модели микросхемы ПЗСматрицы
Описанная выше трехмерная модель теплопереноса сложна, поэтому её
расчеты
занимают
большое
количество
времени
и
требуют
большой
вычислительной мощности. Поэтому оптимальной является двумерная модель,
которая позволила бы сократить время на построение тепловой картины
поверхности микросхемы ПЗС-матрицы.
При условии, что на верхней границе Q”(x,y,τ) стремится к нулю, а также
учитывая особенности конструкции микросхемы и теплофизические процессы,
протекающие в ней, задачу построения модели теплопереноса возможно свести к
решению двумерного нестационарного уравнения:


((, )


)+


((, )


) +  (, , ) −  ′ (, , ) =
= (, ) ∙ (, )


(2.42)
где (x,y) – теплопроводность материала в точке с координатами (x,y), [Вт/м·К];
tос – температура окружающей среды, [К];
t – температура объекта в точке с координатами (x, y), [К];
Q(x,y,τ) – удельная мощность источника тепла в точке (x, y), [Вт/м3];
Q’(x,y,τ)– удельная мощность теплоотдачи во внешнюю среду за счет
конвекции и радиационного излучения, [Вт/м3];
τ – время, [с];
(x,y) – плотность материала в точке с координатами (x, y), [кг/м3];
с(x,y) – удельная теплоемкость, [Дж/кг·К].
Двумерная модель подразумевает, что источник тепловыделения в плоский.
Суммарная площадь боковых граней источника примерно равна площади верхней
грани, поэтому теплообмен между ними и окружающей средой учитывается за
счет увеличения мощности дополнительных источников в зоне тепловыделения.
4 )
 ()( −  ) + об ∙ ( 4 − 
 = (
),

′
(2.43)
29
где k – коэффициент пропорциональности, учитывающий теплоотвод с
боковых поверхностей, который равен 2.
Тогда уравнение теплообмена в двумерной постановке имеет вид:


((, )


)+


((, )


) +  (, , ) − 
4 )
()(− )+об ∙( 4 −
=


(, ) ∙  (, ) .
(2.44)

Введение четвёртого слагаемого произведено для учета теплообмена с
окружающей средой за счет конвекции и радиационного излучения. Решение
уравнения осуществляется методом конечных разностей с применением схемы
расщепления по координатам. Затем полученные одномерные разностные
уравнения решаются с помощью построения итерационного цикла, при этом на
каждом шаге итерации линейная система уравнений решается методом прогонки
с использованием неявной разностной схемы аппроксимации.
Таким образом, задача сводится к решению системы уравнений:
+1
+1
+1
+1,
−2,
+−1,
, (
2
ℎ
1
+1
()(,
− )
2
ℎ,

) + (,
+ , (
= , ∙ ,
+1
,
+
− ,
4
+
+1
4 )
об ∙∙((,
) −
ℎ,
)) =
1
2
.

(2.45)
После преобразования первого уравнения данной системы получим:
1
2
+1,
+
, ∙, ∙ℎ2 
,
∙,
−
(
+
1
1
, ∙ , ∙ ℎ2
+
+
2
2
− (2 +
) ∙ , + −1,
=
 ∙ ,
1 ℎ2
1
+
()(, 2 − )

,
+ ,
2 ,
ℎ,
1 4
+
4 )
об ∙∙((, 2 ) −
+
(
(
)))
Упростим уравнение, введением коэффициентов:
1
2
 +1,
+
+
(2.46)
ℎ,
1
2
−  , +
где  = 1,  = 2 +
1
2
 −1,
+
, ∙, ∙ℎ2
∙,
= − ,
,  = 1,
30
 =
, ∙, ∙ℎ2 
,
∙,
+
1 ℎ2
1
+
()(, 2 − )

,
+ ,
2 ,
ℎ,
1 4
+
4 )
об ∙((, 2 ) −
+
. (2.47)
ℎ,
(
(
))
Оба уравнения системы решаются методом прогонки.
Построение двумерной модели теплового процесса, протекающего под
действием электрического тока в микросхеме ПЗС-матрицы, позволяет в любой
момент времени в любой точке её поверхности определить температуру, при этом
в
значительной
мере
сокращая
вычислительные
ресурсы
и
время
на
моделирование.
2.4 Расчет предельно допустимых значений температуры поверхности
ПЗС-матрицы.
В связи с особенностями конструкции, допуском на теплофизические и
электрические параметры микросхемы, погрешностями измерения, расчетные
значения температуры задают диапазон допуска температуры поверхности
матрицы для максимально эффективного режима работы.[21]
При выполнении условия tmin ≤ t ≤ tmax режим работы считается
оптимальным. В случае выхода полученного значения температуры поверхности
объекта за пределы указанного диапазона режим работы считается не
оптимальным. [21]
Определение предельно допустимых значений температурного диапазона
производится с помощью выражений[21]:
 = () − 3();
(2.48)
 = () + 3(),
(2.49)
где tmin, tmax – соответственно минимальное и максимальное значения
температуры;
() – математическое ожидание температуры поверхности фотоматрицы;
 ( )
–
фотоматрицы.
среднеквадратическое
отклонение
температуры
поверхности
31
Математическое ожидание m(t) определяется как[21]:
∑=1 
 ( ) =
,

(2.50)
где ti – температура поверхности фотоматрицы, определенная как разность между
температурой объекта tобi и температурой окружающей среды tосi в i-м цикле[21];
i – количество измерений (i = 1, 2, …, n).
Среднеквадратическое
отклонение
σ(t)
температуры
поверхности
микросхемы рассчитывается следующим образом[21]:
() = √(),
(2.51)
где D(t) – дисперсия температуры, выраженная формулой[21]:
2
∑=1(п − (п ))
 ( ) =
.
−1
(2.52)
Таким образом, определяется диапазон допустимых значений температуры
поверхности ПЗС матрицы [tmin, tmax] для выбранного режима. Температура
объекта tоб используется для определения температуры t, сравнивается со
значениями tmin, tmax. В случае, когда t ϵ [tmin, tmax] режим считается оптимальным, в
противном случае – не оптимальным. [21]
2.5
Рассмотрение
модели
системы
автоматического
управления
температурой.
Автоматизация технологических процессов осуществляется с помощью
систем автоматического регулирования (САУ).
Любая подобная система включает в себя четыре основные составляющие:
1.
Объект управления (ОУ) – часть системы, параметром которой
необходимо управлять.
2.
Регулятор
–
устройство,
которое
вырабатывает
для
системы
управляющие сигналы.
3.
Исполнительный орган (ИО) – устройство, передающее управляющее
воздействие от регулятора на объект управления, обеспечивающее усиление по
мощности и изоляцию регулятора от объекта управления.
32
4.
Датчик регулируемой величины (Д) – устройство, преобразуещее
регулируемую величину из физического вида в вид, удобный для обработки.
Главный принцип построения таких систем – принцип обратной связи
(feedback control). Типовая структура системы представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - Типовая структура системы автоматического управления
Математически поведение этих составляющих в системе описывается
передаточными функциями.
Пусть u(t) – входной сигнал линейной стационарной системы, а y(t) –
выходной сигнал. Для такой системы передаточная функция будет иметь вид:
 ( ) =
 ( )
,
 ( )
(2.53)
где Y(s) – преобразование Лапласа для выходного сигнала,
U(s) – преобразование Лапласа для входного сигнала.
+∞
() −  ;
() = {()} = ∫
(2.54)
−∞
+∞
() = {()} = ∫
() − .
(2.55)
−∞
В области систем автоматического управления температурой существует
множество полезных моделей и изобретений. В данной работе в качестве базовой
модели рассматривается патент на изобретение «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
КОНДИЦИОНЕР».
Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха для
контроля и автоматического поддержания комфортной температуры в
транспортном средстве. Термоэлектрический кондиционер содержит блок
33
термоэлектрических батарей, датчик температуры, электронную схему
программного задания температуры, блок предварительного усиления,
мостовую схему и дроссель. Датчик температуры подключен к электронной
схеме программного задания температуры, выходы которой подключены к
блоку
предварительного
усиления.
Выходы
блока
предварительного
усиления соединены с входами транзисторов мостовой схемы, к одной
диагонали которой подключен источник напряжения, а к другой, через
дроссель,
подключен
блок
термоэлектрических
батарей.
Технический
результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик и
обеспечении плавного регулирования режимов работы термоэлектрического
кондиционера. [2]
Термоэлектрический
кондиционер
основан
на
использовании
физического эффекта Пельтье, при котором полупроводниковые элементы,
при пропускании через них электрического тока формируют на своих концах
разность температур, что используется при построении экологически чистых
кондиционеров бытового и промышленного применения. [2]
Основное достоинство системы - плавное регулирование режимов
работы кондиционера. [2]
Для уменьшения тока и обеспечения его регулирования транзистор
переходит в режим широтно-импульсной модуляции времени открытого
состояния. Изменяя скважность его работы, можно получить требуемое
значение производительности тепла на выходе. [2]
Целью
заявляемого
технического
решения
является
улучшение
эксплуатационных характеристик термоэлектрического кондиционера путем
улучшения контроля за изменением температуры и плавное регулирование
режимов работы термоэлектрического кондиционера. [2]
Достигается
это
следующим
образом:
в
систему
кондиционера
вводится электронный задатчик температуры (ЗТ), состоящий из датчика
температуры (1) и устройства программного задания температуры (2),
который формирует сигнал управления коммутационно-регулирующим
34
устройством (КРУ), состоящим из последовательно включенных блока
предварительного усиления (3) и мостовой схемы из транзисторов (4-7).
Коммутационно-регулирующее устройство по командам ЗТ «охлаждение»,
«нагрев»,
«слабо»,
«вентиляция»
осуществляет
подачу
бортового
напряжения прямой и обратной полярности на блок термоэлектрического
кондиционирования,
что
обеспечивает
изменение
силового
тока
кондиционера, соответственно включение и выключение вентиляторов
кондиционирующего и технологического контуров. [2]
Для управления процессом используется мостовая схема из четырех
транзисторов (4-7). [2]
Основное достоинство системы - плавное регулирование режимов
работы кондиционера. [2]
Для уменьшения тока и обеспечения его регулирования транзистор
переходит в режим широтно-импульсной модуляции времени открытого
состояния. Изменяя скважность его работы, можно получить требуемое
значение производительности тепла на выходе БТК. [2]
Силовая схема КРУ, обеспечивающая подачу питания на кондиционер,
отличается
тем,
что
блок
термоэлектрического
кондиционера
(9)
подключается через дроссель (8) в диагональ мостового преобразователя (47). [2]
Все
используемые
элементы
являются
элементами
широкого
применения. [2]
Достигаемый эффект заключается в том, что система имеет плавное
регулирование режимов работы элементов, что уменьшает количество
коммутаций включения и выключения и тем самым продлевает срок службы
кондиционера. [2]
Устройство работает следующим образом:
Данные о температуре поступают от датчика 1 через устройство
программного управления 2 и усилитель 3 на мостовую схему из четырех
транзисторов 4, 5, 6, 7. [2]
35
В выключенном режиме открыты транзисторы 5 и 7, транзисторы 4 и 6
закрыты. [2]
В режиме «Охлаждение» открыты транзисторы 4 и 7, а транзисторы 5 и
6
закрыты.
Минус
блока
термоэлектрического
кондиционера
(9)
подключается к плюсу источника питания, и через блок термоэлектрического
кондиционера
(БТК)
протекает
максимальный
ток,
определяемый
сопротивлением БТК. [2]
Для уменьшения тока и обеспечения его регулирования транзистор 7
переходит в режим широтно-импульсной модуляции времени открытого
состояния. Изменяя скважность его работы, можно получить требуемое
значение холодопроизводительности на выходе БТК. [2]
В режиме «Нагрев» открыты транзисторы 6 и 5. Транзисторы 4 и 7
закрыты. Плюс БТК подключается к плюсу источника питания, и через БТК
протекает
максимальный
ток
в
другом
направлении,
определяемый
сопротивлением БТК. [2]
Для уменьшения тока и обеспечения его регулирования транзистор 5
переходит в режим широтно-импульсной модуляции времени открытого
состояния. Изменяя скважность его работы, можно получить требуемое
значение производительности тепла на выходе БТК. [2]
Силовая схема КРУ, обеспечивающая подачу питания на кондиционер,
отличается
тем,
что
блок
термоэлектрического
кондиционера
(БТК)
подключается через дроссель 8 в диагональ мостового преобразователя. [2]
Все
используемые
элементы
являются
элементами
широкого
применения. [2]
Формула изобретения:
Термоэлектрический
кондиционер,
содержащий
блок
термоэлектрических батарей, отличающийся тем, что, с целью повышения
эксплуатационных характеристик, в него введены датчик температуры,
электронная
схема
программного
задания
температуры,
блок
предварительного усиления, мостовая схема и дроссель, причем датчик
36
температуры подключен к электронной схеме программного задания
температуры, выходы которой подключены к блоку предварительного
усиления, выходы которого соединены с входами транзисторов мостовой
схемы, к одной диагонали которой подключен источник напряжения, а к
другой, через дроссель, подключен блок термоэлектрических батарей. [2]
Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Структурная схема термоэлектрического кондиционера
Математическая модель данной системы будет описываться передаточными
функциями датчика, усилителя, коммутационно-регулирующего устройства и
батарей Пельтье.
Для построения математической модели разомкнутой системы необходимо
воспользоваться правилом последовательного соединения динамических звеньев
(рис. 2.4):
Рисунок 2.4 - Правило последовательного соединения динамических
звеньев
37
Таким образом модель разомкнутой системы примет вид:
р () = д ∗ у ∗ КРУ ∗ БТК
(2.56)
Замкнутая система описывается уравнением:
з () =
р
1 + р
(2.57)
Для замкнутой системы модель примет вид:
з () =
д ∗ у ∗ КРУ ∗ БТК
1 + д ∗ у ∗ КРУ ∗ БТК
(2.58)
Для управления процессом термостабилизации ПЗС-матрицы с целью
повышения надёжности вместо коммутационно-регулирующего звена в данную
систему необходимо ввести дополнительную обратную связь по току, которую
обеспечит чопперный стабилизатор напряжения, а также для соответствия
требованиям ко времени и типу переходного процесса необходимо звено ПИДрегулятора. Так как управляющая камерой ПЛИС не имеет в своём составе
необходимой периферии для формирования управляющего напряжения, перед
регулятором
необходима
микросхема
ЦАП.
Структура
новой
модели
представлена на рисунке 2.4
Формула изобретения:
Модуль
управления
процессом
термостабилизации
ПЗС-матрицы,
содержащий термоэлектрическую батарею и датчик температуры, отличающийся
тем, что с целью управления временем и типом переходного процесса в него
введён ПИД-регулятор, а также с целью повышения надёжности устройства в
качестве
испонительного
органа
введён
чопперный
стабилизатор
содержащий дополнительную обратную связь.
Рисунок 2.5 - Структура разрабатываемой САУ
тока,
38
Для описания новой модели необходимо применить ещё одно правило для
замкнутого контура с положительной обратной связью
Рисунок 2.6 - Правило параллельного соединения динамических звеньев
Таким образом рассматриваемая модель примет вид:
р () =
ст
∗ п ∗ д ∗ ЦАП
1 + ст
(2.60)
р ∗ ст
∗ п ∗ д ∗ ЦАП
1 + ст
з () =
р ∗ ст
1+
∗ п ∗ д ∗ ЦАП
1 + ст
(2.61)
Выводы по главе 2
1.
Изучены различные виды процессов теплообмена нагретого тела с
окружающей средой.
2.
Описана
трехмерная
теплофизическая
модель
процесса,
протекающего в микросхеме фотоматрицы под действием электрического тока.
3.
В связи со сложностью и трудоемкостью вычисления трехмерной
теплофизической
модели
предложена
двумерная
модель
теплообмена
с
поверхности микросхемы фотоматрицы.
4.
Была рассмотрена модель расчета предельно допустимых значений
температуры поверхности ПЗС-матрицы.
5.
Был рассмотрен патент на изобретение «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
КОНДИЦИОНЕР», описана его математечская модель.
6.
На основе рассмотренной модели предложена система управления
термостабилизацией ПЗС-матрицы, содержащая дополнительную обратную
связь и ПИД-регулятор.
39
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА ПЕЛЬТЬЕ
3.1 Структура и принцип работы термоэлектрического модуля.
В
настоящее
время
термоэлектрические
модули
(ТЭМ)
широко
применяются в оптоэлектронике, лазерной технике, а также для охлаждения
мощных тепловыделяющих объектов. Применение данных устройств для
охлаждения и термостабилизации узлов самых различных электронных средств
позволяет добиться: минимального коэффициента шума, более широкого
диапазона рабочих температур.
Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической
цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников,
контакты между которыми находятся при различных температурах. [38]
В небольшом интервале температур термо-ЭДС E можно считать
пропорциональным разности температур. [38]
 = 12 (1 − 2 ),
(3.1)
где α12 — коэффициент термо-ЭДС.
В большинстве расчетов коэффициент термо-ЭДС определяется только
материалом проводника, однако он также зависит от температуры. А в некоторых
случаях при её изменении даже меняет знак.
Поэтому более корректное выражение выглядит так:

 = ∫ 2 12 ()
1
(3.2)
Термоэлектрический эффект заключается в преобразовании градиента
температуры в электрическое напряжение и наоборот. Коэффициент того, как
приложенная разница температур приводит к индуцированному напряжению,
описывается коэффициентом Зеебека.
В принципе, все материалы имеют коэффициент Зеебека, но некоторые из
них имеют достаточно значимые коэффициенты, чтобы быть полезными.
Термоэлектрические преобразователи используют принцип, обратный
эффекту Зеебека эффект Пельтье.
40
Если через два разнородных проводника или полупроводника (n-типа и pтипа), соединенных как показано на Рисунке 3.1, пропустить ток, то одна область
их соединения начнет нагреваться, а другая охлаждаться. При изменении
направления тока меняются местами области нагрева и охлаждения. На Рисунке
3.2 стрелками показано движение основных носителей (в полупроводнике n-типа
это электроны, p-типа это дырки), как видно из рисунка направление
перемещение теплового потока совпадает с направлением движения основных
носителей в полупроводнике, которые и вносят основной вклад в перенос тепла в
материале. Это явление называется эффектом Пельтье. [38]
Эффект Пельтье — термоэлектрические явление переноса энергии при
прохождении электрического тока в месте контакта двух разнородных
проводников.
Рисунок 3.1 - Схема соединения разнородных проводников
41
Рисунок 3.2 - Структура элемента Пельтье
Этот эффект Пельтье описал в 1834г. На основе этого эффекта созданы
термоэлектрические модули (далее – ТЭМ элементы). Единичным элементом
ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника p-типа и одного
проводника n-типа. Конструктивно термоэлектрический модуль представляет
собой плиту, состоящую из двух керамических пластин, между которыми
размещены термопары. При этом термопары гальванически соединены между
собой таким образом, чтобы обеспечить одно направление тока, и расположены
так, чтобы направление тепловых потоков в каждой из них было параллельным.
Количество термопар определяет холодопроизводительность ТЭМ элемента, это
позволяет создавать ТЭМ с холодопроизводительностью от десятых долей ватта
до
сотен
ватт.
Для
достижения
наибольшей
холодопроизводительности
термопары изготавливают из теллурита висмута, который для получения нужного
типа проводимости легируют селеном или сурьмой. [34]
Основные технические характеристики ТЭМ элементов[34]:
1. Максимальная разность температур – это разница температур между
холодной и горячей гранями ТЭМ элемента, при температуре горячей грани 27ºС
и отсутствии тепловых притоков из вне на холодной грани. Измеряется в градусах
и имеет обозначение Δtmax.
42
2. Максимальный ток - это ток, при котором достигается максимальная
разница температур между теплой и горячей гранями ТЭМ элемента. Измеряется
в амперах и имеет обозначение – Imax.
3. Максимальное напряжение – это напряжение на ТЭМ элементе при
максимальном токе, проходящем через него. Измеряется в вольтах и обозначается
– Umax.
4. Максимальная холодопроизводительность - это количество теплоты,
отнимаемое от охлаждаемого объекта в единицу времени при максимальном токе,
проходящем через ТЭМ элемент, при нулевой разнице температур между теплой
и горячей гранями элемента и при температуре горячей грани равной 27ºС. Эта
величина обычно измеряется в ваттах и имеет обозначение – Qmax. В
действительности большая холодопроизводительность достигается при большем
токе (т.к. максимальному току соответствует максимальная разность температур
между холодной и горячей гранями ТЭМ элемента). Сегодня термоэлектрические
модули сотнями тысяч штук в год выпускаются ведущими в области электроники
и микроэлектроники фирмами в таких странах как США, ФРГ, России, Японии и
др. К причинам по которым следует отдать предпочтение в использовании ТЭМ
элементов,
по
сравнению
с
традиционными
системами
охлаждения,
построенными с использованием компрессионного метода, относятся:
• Экологическая и токсилогическая чистота;
• Отсутствие промежуточных газообразных и жидких хладагентов;
•
Отсутствие
требований
по
герметизации
системы
охлаждения,
обеспечивающей сохранность хладагента;
• Высокая надежность и практически неограниченный ресурс работы;
• Переход на режим охлаждения в режим нагревания за счет реверсирования
тока и т.п.;
• Независимость от ориентации в пространстве;
• Бесшумность;
• Малые габаритные размеры, возможность создания миниатюрных
устройств;
43
• Устойчивость к транспортным перевозкам;
• Возможность охлаждения (и нагрева) оборудования, в т.ч. локального;
• Возможность получения генерации электроэнергии при протекании через
термоэлектрический модуль тепловых потоков;
• Простота эксплуатации и ремонта.
3.2 Моделирование элемента Пельтье в среде COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics - интерактивная среда для моделирования и расчетов
научных и инженерных задач, основанных на дифференциальных уравнениях в
частных производных (PDE) методом конечных элементов. Расчет не требует
глубокого знания физики или математики. Это возможно благодаря встроенным
физическим режимам, где коэффициенты PDE задаются в виде понятных
физических свойств и условий, таких как: теплопроводность, теплоемкость,
коэффициент теплоотдачи, объемная мощность и т.п. в зависимости от
выбранного
физического
коэффициенты
раздела.
математических
Преобразование
уравнений
этих
происходит
параметров
в
автоматически.
Взаимодействие с программой возможно стандартным способом – через
графический интерфейс пользователя (GUI).
Согласно техническому заданию п.1.4, фотоматрица имеет габаритные
размеры 42x22.73мм и обеспечивает приемлемый уровень темнового тока (менее
электрона на ячейку в секунду) при температуре -20°C (рисунок 3.3).
44
Рисунок 3.3 - Зависимость темнового тока от температуры для фотоматрицы
CCD47-20
Термоэлектрические эффекты Пельтье — Зеебека — Томсона можно
смоделировать путем связывания физических модулей, предназначенных для
расчета электрических токов и температуры в твердых телах.
В начале моделирования необходимо в графическом редакторе среды
COMSOL Multiphysics необходимо нарисовать из блоков типовую структуру
ячейки термоэлектрического модуля.
Полученная структура представлена на рисунке 3.4.
45
Рисунок 3.4 - Структура ячейки Пельтье
Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного
проводника p-типа и одного проводника n-типа, соединённых медным
проводником. При последовательном соединении некоторого количества таких
термопар поглощаемая на контакте типа n-p теплота выделяется на контакте
типа p-n. Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких
термопар. Термопары помещаются между двух керамических пластин. В
результате данного процесса происходит нагрев или охлаждение зоны,
непосредственно примыкающей к p-n переходу и появляется перепад температур
между разными сторонами элемента Пельтье.
Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленных
материалов обладает теллурид висмута, который легируется селеном или сурьмой
для получения необходимого типа проводимости. Используем его в качестве
термоэлектрического материала. Материалами проводника и керамической
пластины в данной модели используем медь и оксид аллюминия соответственно.
Затем,
размножив
типовую
ячейку,
получим
конечную
структуру
моделируемого элемента Пельтье, зададим значение параметра напряжения и
приложим его, согласно рисункам 3.5 и 3.6.
46
Рисунок 3.5 - Конструкция ячеек
Рисунок 3.6 - Структура модели элемента Пельтье.
47
Меняя значения напряжения, подаваемого на элемент Пельтье, получим
тепловую модель с перепадом температур, которая удовлетворяет условиям
технического
задания
(Рисунок
Рисунок 3.7 - Тепловая модель элемента Пельтье
График переходного процесса представлен на рисунке 3.10.
Рисунок 3.8 - Переходный процесс термоэлектрического элемента
3.7).
48
Как видно на полученном графике переходного процесса, смоделированный
элемент Пельтье достигает уставки. Но время переходного процесса от момента
подачи питания до достижения технического оптимума 95% не соответствует
поставленной в пункте 1.5 задаче по максимальной скорости охлаждения 5
°С/мин. Из этого следует, что для постепенного охлаждения фотоматрицы
недостаточно
установить
постоянное
напряжение
на
элементе
Пельтье.
Необходимо программно или с помощью аппаратного регулятора менять
значение напряжения, подаваемого на термоэлектрический модуль в течение
всего времени переходного процесса.
Из промышленных вариантов для охлаждения фотоматрицы CCD47-20
наиболее близок к модели элемент Пельтье ТВ-63-1.0-1.3 от компании
«КРИОТЕРМ». Технические характеристики модуля представлены в таблице 3.1
и на рисунке 3.9.
Таблица 3.1 Характеристики ТВ-63-1.0-1.3.
Параметр
Значение
Максимальный ток, А
3,6
Максимальное напряжение, В
7,8
Максимальная разность температур, °С
69
Максимальная мощность, Вт
17,1
Сопротивление, Ом
1,6
Допуск, %
±10
Рабочий диапазон температуры, °С
-50…+80
49
Рисунок 3.9 - Характеристики ТВ-63-1.0-1.3.
50
Выводы по главе 3:
1. Были рассмотрены структура, основные принципы работы, физические и
конструктивные особенности элементов Пельтье.
2.
В
универсальной
программной
платформе
для
моделирования
прикладных задач COMSOL Multyphysics была смоделирована динамическая
тепловая модель термоэлектрического модуля Пельтье.
3. Получен график переходного процесса термоэлектрического модуля
Пельтье.
51
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЕЙ ПЗС-МАТРИЦЫ
4.1 Чопперная схема
Чопперная схема - это схема DC/DC-конвертора, которая обычно
применяется для замены обычных аналоговых стабилизаторов, когда последние
не могут обеспечить передачу больших значений токов, сохраняя при этом малые
габариты. Использование данной схемы наиболее целесообразно при значениях
токов более ампера. Основные элементы схемы силовой части чоппера показаны
на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Основные элементы схемы силовой части чоппера
Входное напряжения Uin подается на входной фильтрующий конденсатор
Cin. Ключевой элемент VT, в качестве которого может быть использован
транзистор
любого
типа
(биполярный,
MOSFET,
IGBT),
осуществляет
высокочастотную коммутацию тока. Кроме этого, в составе buck конвертора
должны быть разрядный диод VD, дроссель L, конденсатор Сout образующие
выходной LC-фильтр, а также схема управления, осуществляющая стабилизацию
напряжения или тока нагрузки с сопротивлением RH. Как видно из рисунка,
ключевой элемент VT, дроссель и нагрузка включены последовательно, поэтому
этот стабилизатор относят к классу последовательных схем. [1]
Транзистор VT может работать только в двух режимах — проводимости и
отсечки. Если указанные состояния сменяют друг друга с постоянной
периодичностью Т, то коэффициент заполнения можно определить как:
52
=
и
и +п

= и,
Т
(4.1)
где и - время проводимости,
п - время паузы.
Графическая интерпретация коэффициента заполнения показана на рисунке
4.2.
Рисунок 4.2 - Коэффициент заполнения
Нулевое значение D означает постоянное нахождение ключа в режиме
отсечки, единица же напротив, характеризует режим постоянной проводимости.
В состоянии отсечки напряжение на нагрузке равно нулю, в состоянии
полной проводимости наблюдается равенство входного и выходного напряжений.
В промежутке между «нулем» и «единицей» работа чоппера складывается из двух
фаз: накачки энергии и разряда.
Итак, фаза накачки энергии протекает на протяжении времени tu, когда
ключевой элемент VT открыт, то есть проводит ток (рис. 4.3, а). Этот ток далее
проходит через дроссель L к нагрузке, шунтированной конденсатором Сout.
Накопление энергии происходит как в дросселе, так и в конденсаторе. Ток iL
увеличивается. После того, как ключевой элемент VT переходит в состояние
отсечки, наступает фаза разряда (рис. 4.3, б), продолжающаяся время tn.
Поскольку любой индуктивный элемент стремится воспрепятствовать изменению
направления и величины тока, протекающего через его обмотку, в данном случае
ток дросселя iL мгновенно уменьшиться до нуля не может, и он замыкается через
разрядный диод VD. Источник питания в фазе разряда отключен, и дросселю
53
неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому разряд происходит по цепи «диоднагрузка». Отсюда родилось название диода — «разрядный». [1]
По истечении времени Т процесс повторяется — вновь наступает фаза
накачки энергии.
Рисунок 4.3 - Фазы работы чоппера
Отдельным вопросом стоит выбор индуктивности для данной схемы.
Номинал дросселя можно выбрать достаточно большим, тогда ток, протекающий
через него, может не стечь к моменту начала следующей фазы, либо номинал
может быть мал – в этом случае ток каждый раз будет нарастать с нулевого
значения. Первый вариант режима работы называется режимом неразрывных
токов, а второй – режим разрывных токов. В нагрузке ток не прерывается никогда
в силу того, что конденсатор, выделяя постоянную составляющую, выполняет
роль источника ЭДС. [1]
Временные диаграммы напряжения на разрядном диоде и токи в
индуктивном элементе для обоих режимов показаны на рисунке 4.4
54
Рисунок 4.4 - Режимы работы чоппера
Поясним необходимость наличия в схеме сглаживающего LC-фильтра.
Представим, что мы на время исключили фильтр из схемы и, подключив нагрузку
к точке соединения ключевого элемента и разрядного диода, наблюдаем по
осциллографу за формой питающего напряжения. В таком случае напряжение на
нагрузке будет иметь характер прямоугольных импульсов с амплитудой Uin, что
повторяет характер импульсов напряжения UVD, изображенных на рис. 4.4, а.
Естественно, питать аппаратуру таким напряжением нельзя. [1]
В данной ситуации на помощь приходит классический сглаживающий Гобразный
LC-фильтр.
Математически
сглаживание
сигнала
записывается
следующим образом:
1

 = ∫0  (),

(4.2)
где  () – мгновенное значение напряжения на входе фильтра.
Вычислив мгновенные значения входного напряжения для каждого момента
времени внутри периода, необходимо затем сложить их и усреднить по времени
периода. [1]
Поскольку на протяжении фазы накачки энергии к фильтру подводится
постоянно входное напряжение величиной Uin, а в фазе разряда входное
напряжение равно нулю, выражение (4.2) приводится к следующему виду:
 =
и

 =  × 
(4.3)
55
Как видно, напряжение на нагрузке прямо пропорционально ширине
импульса, а значит, и величине коэффициента заполнения D.
Таким образом, при наличии хорошего сглаживающего фильтра, управляя
только
коэффициентом
заполнения,
то
есть
увеличивая
или
уменьшая
длительность открытого состояния ключа, мы можем легко регулировать
напряжение на нагрузке. [1]
Значение КПД классического чопперного стабилизатора находится в
пределах 93…95%. Это довольно высокий показатель, однако модульные
стабилизаторы зачастую не имеют специальных теплоотводов, поэтому тепло
может рассеиваться через силовые или сигнальные выводы. [1]
Главный источник этой проблемы – разрядный диод VD. Падение
напряжения на данном элементе может достигать 1,5В. Данную проблему может
решить использование диодов Шоттки, падение на которых составляет 0,4…0,7В.
Однако даже они не всегда способны решить эту проблему, поскольку падение
напряжения на разрядном диоде и величина выходного напряжения становятся
соизмеримы. [1]
В таком случае на помощь приходят полевые транзисторы. В случае их
использования в качестве разрядного диода удается повысить КПД на 10...13%
даже по сравнению с вариантом включения диода Шоттки. Как мы уже знаем,
цепь
«сток-исток»
сопротивление,
сопротивлением,
использованием
полевого
поэтому,
уменьшаем
двух
транзистора
выбирая
падение
представляет
экземпляр
с
напряжения.
транзисторов
показан
собой
возможно
Переход
на
к
активное
меньшим
схеме
рис.
с
4.5.
Рисунок 4.5 - Переход к синхронной схеме чопперного стабилизатора
Схема управления такого преобразователя, называемого синхронным,
должна формировать управляющие сигналы транзистора VT1 и синхронного
56
транзистора VT2. Причем VT1 и VT2 в этой схеме должны коммутироваться
противофазно: на протяжении времени открытого состояния VT1 транзистор VT2
должен быть закрыт, и наоборот. При разработке синхронных схем всегда нужно
принять меры для исключения сквозных токов. Фронт и спад импульса не
мгновенны, поэтому при одновременной коммутации двух управляющих
транзисторов возможно возникновение момента, когда открыты оба ключа. При
этом возникают большие значения сквозного тока протекающего напрямую на
землю, минуя нагрузку (рис. 4.6). [1]
Рисунок 4.6 - Сквозной ток
Сквозной ток принципиально не может появиться в классическом чоппере,
так как открывающийся транзистор VT1 автоматически переведет диод VD в
запертое состояние. А вот в синхронной схеме транзистор VT1 может открыться
тогда, когда еще не подан запирающий импульс на затвор синхронного
транзистора VT2, и ток будет проходить через малое сопротивление «сток-исток»
обоих транзисторов. Конечно, транзисторы могут выйти из строя. Поэтому между
моментами включения обоих транзисторов должна быть введена короткая
защитная пауза – dead-time. Dead-time представляет собой некоторую задержку
между выключением одного транзистора и включением другого. Её можно
реализовать как программно, так и аппаратно, например, при помощи диода в
цепи
затвора.
Микросхемы
управления
синхронными
стабилизаторами,
выпускаемые серийно, формируют необходимую величину защитной паузы, но
при разработке схемы управления самостоятельно об этой паузе не стоит
забывать. Временная диаграмма работы транзисторов представлена на рис. 4.7. [1]
57
Рисунок 4.7 - Временная диаграмма работы транзисторов, включенных по
синхронной схеме
В своем составе транзистор MOSFET имеет паразитный диод. В схеме
синхронного выпрямителя этот паразитный диод оказывается включенным в том
же направлении, что и разрядный диод.
Полевой транзистор должен работать в этой схеме при отрицательных токах
и напряжениях. Исследования показали, что в условиях отрицательных токов и
напряжений характеристики MOSFET, применяемого в качестве синхронного
элемента, даже лучше, чем в условиях положительных токов и напряжений.
На рисунке 4.8 показаны направления токов: a — положительное
направление, б — отрицательное.
58
Рисунок 4.8 - Направления токов в транзисторах чоппера
4.2 Разработка принципиальной схемы и конструкции
Принципиальная схема модуля управления термостабилизацией ПЗСматрицы
представляет
собой
понижающий
стабилизатор
напряжения,
основанный на синхронной чопперной схеме.
На рынке существует множество микросхем от различных производителей,
позволяющих без труда спроектировать данное устройство (Maxim, Texas
Instruments, STMicroelectronics, НТЦ «СИТ», Motorola).
Разрабатываемое
устройство
основано
на
микросхеме
LM25116,
производимой компанией Texas Instruments. Данная микросхема представляет
собой синхронный чопперный контроллер, предназначенный для понижения
высокого входного напряжения и обеспечивающий широкий диапазон входного
тока.
Метод управления основан на контроле токового режима с использованием
эмулированной формы тока. Использование эмулированной формы тока снижает
чувствительность к шуму широтно-импульсной модуляции цепи, обеспечивая
надежный контроль даже при очень малой скважности, необходимый при
высоком входном напряжении. Рабочая частота контроллера варьируется от
50кГц до 1МГц. Микросхема обеспечивает адаптивный dead-time контроль для
внешних транзисторов. Дополнительные функции включают в себя регулятор
напряжения смещения, автоматическое переключение к внешнему смещению для
лучшей эффективности, термальное выключение, синхронизацию частоты,
59
контроль предельного тока на цикл и настраиваемый уровень напряжения
отключения стабилизатора. Типовая схема включения микросхемы LM25116
показана на рис. 4.9, описание выводов представлено в таблице 4.1.
Рисунок 4.9 - Типовая схема включения микросхемы LM25116
Таблица 4.1 Описание выводов LM25116
Номер
Название
Описание
1
VIN
Напряжение питания.
2
UVLO
Для нормального функционирования напряжение на
выводе должно быть выше 1,215В.
3
RT/SYNC
Вход для подключения резистора,
настраивающего
внутренний генератор.
4
EN
Для нормального функционирования этот вывод должен
быть подтянут к напряжению выше 3,3В.
5
RAMP
Вход для контроля формы тока. Настраивается внешним
конденсатором.
6
AGND
Земля.
60
7
SS
Вывод для настройки плавного пуска.
8
FB
Вход для обратной связи.
9
COMP
Выход внутреннего усилителя ошибки.
10
VOUT
Вход для мониторинга выходного напряжения.
11
DEMB
Вход
для
мониторинга
напряжения
на
нижнем
транзисторе.
12
CS
Вывод для контроля тока.
13
CSG
Вывод для контроля тока.
14
PGND
Земля.
15
LO
Управляющий вывод для нижнего транзистора.
16
VCC
Вывод
питания.
Подключается
к
PGND
через
конденсатор.
17
VCCX
Опциональный вывод для внешнего питания.
18
HB
Драйвер
питания.
загрузочного
Подключается
диода
и
к
катоду
положительному
диода
выводу
загрузочного конденсатора.
19
HO
Управляющий вывод для верхнего транзистора.
20
SW
Узел переключателя. Подключается к отрицательному
выводу нагрузочного конденсатора и истоку верхнего
транзистора.
EP
EP
Подключается к земле.
Управление скважностью выходов HO и LO микросхемы LM25116
осуществляется подачей на вход обратной связи FB управляющего напряжения,
формируемого операционным усилитилем DA5. Формирование этого напряжение
производит микросхема DA3 (TLV5638).
Данная
микросхема
представляет
собой
цифро-аналоговый
преобразователь, подключаемый к основному блоку управления по интерфейсу
SPI.
61
Таким образом, повышая выходное напряжение на микросхеме DA3,
микросхема, стремясь к уставке, меняет скважность на выходах HO и LO,
увеличивая тем самым ток, подаваемый на элемент Пельтье.
Конструктивно данная схема выполнена на двухслойной печатной плате,
габариты которой приведены в пункте 1.4.
3D модель печатной платы показана на рисунке 4.10.
Рисунок 4.10 - 3D модель печатной платы модуля управления ТЭМ.
4.3 Расчет регулятора
Регулятор — устройство, которое следит за состоянием объекта управления
как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы.
На первом этапе расчета регулятора должна быть получена математическая
модель приведённого объекта управления в форме передаточной функции,
включающая в себя передаточную функцию регулятора (Р), исполнительного
органа (ИО), объекта управления (ОУ) и датчика (Д).
Структурная
схема
системы
автоматического
разрабатываемой системы представлена на рисунке 4.10.
управления
для
62
Рисунок 4.10 - Структура САУ
Получим передаточные функции элементов системы.
ЦАП преобразует код на цифро-аналоговом преобразователе в напряжение,
подаваемое
в
последствии
на
сумматор
перед
ШИМ-контроллером.
Максимальное выходное напряжение: 5В. Диапазон значений кода в пределах
0x7FF ≥ Значение ≥ 0x000. В таком случае передаточная функция ЦАП будет
иметь вид:
 () = 0,002 (4.4)
ОУ: Объектом управления в данной системе является элемент Пельтье.
Исходным для него, как для нагревательного элемента, является уравнение
теплового баланса:


∗



+  = , (4.5)

где C- теплоемкость объекта,
A
– теплоотдача объекта,
T – температура,
Q– подводимая к объекту тепловая энергия.
Затем перейдём к операторной форме и запишем следующее уравнение
( + 1) ⋅ () =  ⋅  (), (4.6)
где  – постоянная времени объекта,
K – коэффициент передачи.
Следовательно, передаточная функция электрической печи
 ( ) =
Рассчитаем параметр K.
 ( )

=
 ()  + 1
(4.7)
63
Исходя из характеристик выбранного элемента Пельтье, показанных на
рисунке 3.9 известно, что изменение потребляемой мощности батареи Пельтье на
2Ватта ведет к изменению разности температуры батареи на 10градусов Цельсия.
Следовательно,
значение
коэффициента
передачи
для
элемента
Пельтье
определяется:
=

=5

(4.8)
Также из процесса моделирования известно, что уровня 95% от
установившегося значения переходный процесс достигает за 17 секунд, а
постоянная времени  = 7с.
Подставив полученные значения, получаем
передаточную функцию вида:
 ( ) =

5
=
 + 1 7 + 1
(4.9)
ИО: Исполнительный орган в данной системе – ШИМ-контроллер. Его
функцией является преобразование напряжения, выходящего с сумматора в
мощность, подаваемую на батарею Пельтье. Максимальная выходная мощность =
17Вт при максимальном напряжении на выходе регулятора = 5В. В
сопроводительной документации к ШИМ-контроллеру сказано, что частота его
обработки сигнала обратной связи задаётся выходным фильтром и равняется
100Гц. Таким образом передаточная функция будет иметь вид:
 ( ) =
3,4
0,01 + 1
(4.10)
Д: Сигнал с цифрового датчика температуры подаётся в цифровом виде на
плату управления управления, линейно преобразуя температуру в код. Его
временными характеристиками можно принебречь, а коэффициент усиления
равен 16,2. Следовательно, передаточная функция датчика имеет вид:
 () = 16,2
(4.11)
Тогда общая передаточная функция разомкнутой системы согласно модели
п. 2.5 будет иметь вид:
64
3,4
0,002 ∗ 5
0,01 + 1
р () =
∗
∗ 16,2
3,4
7 + 1
1+
0,01 + 1
(4.12)
В приведённом виде передаточная функция будет иметь вид:
р () =
0,1252


(
+ 1) (
+ 1)
0.143
434,8
(4.13)
Вторым этапом необходимо произвести выбор типа регулятора и расчет его
параметров. Для расчета подойдёт графический метод, использующий построение
логарифмических частотных характеристик.
Время переходного процесса для системы будет наиболее сильно
определяться переходными процессами в охлаждающем элементе Пельтье и будет
равняться единицам секунд. Для достижения изменения температуры на
величину, не превышающую 5 ºС/мин необходимо растянуть переходный
процесс, введя в функцию регулятора компонент задержки.
Передаточная функция приведенного объекта управления не содержит
звено «1/s» типа идеальный интегратор, поэтому для устранения ошибки
регулирования, достижения астатизма и требуемого времени регулирования
выбираем ПИД-регулятор.
рег () =

(⁄ )(1+⁄
∗
)
1+⁄
,
1+⁄
(4.14)
где ωl – частота «нуля»;
ωz = 1/T1;
ωp /ωz = 7;
G – коэффициент передачи переменной составляющей ПИ-регулятора.
Определим корни полинома знаменателя и для досижения требуемой
длительности процесса настроим «нуль ПИ-регулятора» на 45с.
0,1252 ∗ 
р () = 



( + 1) (
)(
+ 1) (
+ 1)
1
0,029 0,029
434,8
(4.13)
Требование апериодического переходного процесса замкнутой САУ
равносильно требованию обеспечения запаса устойчивости по фазе разомкнутой
65
САУ  = 90градусов.
Построим ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой САУ, определим частоту
единичного усиления, сместим ЛАЧХ так, чтобы она проходила через 0дБ на
частоте единичного усиления, и определим коэффициент GдБ = 52.
Коэффициент G определяется выражением:
−дБ
 = 10
20
= 0,8.
(4.15)
Таким образом окончательный вид передаточной функции разомкнутой
системы:
0,099
р () = 



( + 1) (
+ 1) (
)(
+ 1)
1
434,8
0,029 0,029
(4.16)
Определим статическую ошибку. Так как в передаточную функцию было
введено звено типа идеальный интегратор, система должна быть астатичной.
Найдём передаточную функцию замкнутой системы относительно ошибки
регулирования.
1
2.8175 4 + 1227.898 3 + 1260,0805 2 + 35
з () =
=
(4.17)
1 + р () 2.8175 4 + 1227.898 3 + 1260,0805 2 + 35 + 0.099
Абсолютное значение ошибки регулирования может быть найдено из
теоремы о предельных значениях преобразования Лапласа.
 з () =
→0
0
=0
0,099
(4.18)
Вывод: система астатична, ошибка равно нулю.
Для определения устойчивости замкнутой САУ воспользуемся критерием
Гурвица.
Матрица Гурвица для данной системы имеет вид:
Найдём её главный определитель:
2
2.8175
0
35
1260.0805
1227.898
0
0.099
35
∆3 = 82322 > 0
(4.19)
Найдём определитель меньшего порядка:
∆2 = 2422 > 0
(4.20)
66
Вывод: Замкнутая САУ является устойчивой, так как все определители
матрицы Гурвица одного знака и этот знак совпадает со знаком коэффициента
старшей степени знаменателя передаточной функции.
Для построения графика переходного процесса системы и определения
показателей её качества (времени регулирования и относительной величины
перерегулирования) необходимо рассчитать передаточную функцию замкнутой
системы относительно регулируемой величины:
з () =
р
0.099
=
(4.21)
1 + р () 2.8175 4 + 1227.898 3 + 1260,0805 2 + 35 + 0.099
Переходная функция данной САУ (реакция на ступенчатое единичное
воздействие) будет определяться в соответствии с выражением:
ℎ() = −1 {
0.099
1
∗
} (4.22)
2.8175 4 + 1227.898 3 + 1260,0805 2 + 35 + 0.099 
ℎ() = 0.14833 ∗  −0.02529∗ − 1.14825 ∗  −0.00319∗ + 9.85623 − 13 ∗
∗  −434.78260∗ − 0.00008 ∗  −1.00008∗ + 1.0
График переходного процесса САУ представлен на рисунке 4.11.
Рисунок 4.11 - Переходный процесс системы автоматического управления
67
Из полученного графика видно, что технического оптимума 95% система
достигает за 1200с, что соответствует требованию по изменению температуры
ПЗС-матрицы на величину, не превышающую 5 ºС/мин, ошибка регулирования
равна нулю, процесс апериодический.
Схемотехнически регулятор показан на рисунке 4.13
Рисунок 4.12 - Схема ПИД-регулятора
Номиналы резисторов и конденсаторов определяются соотношением:
2
1
1
 =
2С1
1
 =
3С1
1
 =
(1 + 3)С1
=
(4.23)
(4.24)
(4.25)
(4.26)
Таким образом из ряда E12 выбираем номиналы: R20 = 500 кОм, R24 = 400
кОм, R19 =100 кОм C12 = 10 мкФ, C17 = 100мкФ.
68
4.4 Разработка программного обеспечения
Для тестов и испытаний модуля управления термостабилизацией ПЗСматрицы необходимо разработать программное обеспечение. Оно должно иметь
пользовательский интерфейс, позволяющий удалённо управлять модулем и
наглядно демонстрировать работоспособность модуля. Также ПО должно быть
встраиваемым, так как будет являться приложением одной
комплексной
программы для проведения испытаний.
ПО должно обеспечивать:
1.
Возможность
включения/отключения
модуля
управления
термостабилизацией ПЗС-матрицы.
2.
Возможность управления скважностью ШИМ-контроллера.
3.
Графическую
визуализацию
скважности
ШИМ-контроллера
и
показаний датчика температуры.
4.
Возможность сохранения результатов измерений.
Разработка ПО ведётся на языке C#. Проект – «Приложение Windows
Forms».
Для
графической
визуализации
показаний
датчика
температуры
в
графическом дизайнере добавим Chart диаграмму типа Spline.
Для управления скважностью ШИМ-контроллера, его включением и
отключением, а также визуализации скважности подойдут стандартные элементы
TrackBar, CheckBox и ProgressBar соответственно (рис. 4.13).
Рисунок 4.13 - Управление и индикация коэффициента заполнения.
В
качестве
основного
интерфейса
программы
предусмотрен
блок
69
стандартных элементов типа Button (рис.4.14).
Рисунок 4.14 - Интерфейс управления.
Камера,
частью
которой
является
разрабатываемый
модуль
термостабилизации, соединяется с персональным компьютером посредством
интерфейса USB. Поэтому для отправки и приёма пакетов данных будем
использовать ресурс последовательного порта SerialPort. Получаемый пакет
состоит из четырёх байт.
Первый и четвёртый байты представляют собой начало и конец кадра
соответственно.
Второй байт – показания датчика температуры в дополнительном коде,
заранее пересчитанные в градусы Цельсия.
Третий байт – скважность ШИМ-контроллера.
Формат данных представлен в таблице 4.2
Таблица 4.2 Формат принимаемого кадра.
Начало кадра
0x3С
Температура
Значение
Скважность
Конец кадра
Значение
0xC3
Формат данных отправляемого кадра также представляет собой четыре
байта.
Первый и четвёртый байты представляют собой начало и конец кадра
соответственно.
Второй байт – коэффициент заполнения ШИМ-контроллера.
Третий байт – команда включения/отключения модуля.
Формат данных представлен в таблице 4.3
70
Таблица 4.3 Формат отправляемого кадра.
Начало кадра
Скважность
Команда
Конец кадра
0x3С
Значение
Значение
0xC3
При запуске программа получает список всех доступных COM-портов на
компьютере. Перед открытием соединения необходимо выбрать нужный COMпорт, только после этого можно начинать работу с программой.
Команда отправляется по нажатию кнопки «Отправить команду».
Основное окно программного обеспечения для работы с модулем
управления термостабилизацией ПЗС-матрицы представлено на рисунке 4.15.
Рисунок 4.15 Окно программы
Выводы по главе 4:
1.
Выбрана в качестве базовой и рассмотрена чопперная схема DC/DC
преобразователя.
2.
Описаны
основные
элементы
принципиальной
схемы
модуля
управления термостабилизацией ПЗС-матрицы, разработана конструкция модуля
и рассчитан регулятор, обеспечивающий требуемые показатели качества
переходного процесса и разработано ПО для его отладки.
71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были получены следующие результаты:
1.
Были рассмотрены основные принципы работы ПЗС-матрицы и
выявлен основной источник дефектов на получаемом с неё изображении –
темновой ток. Проведён анализ различных аппаратных и программных способов
подавления темнового тока. В качестве наиболее оптимального способа был
предложен элемент Пельтье.
2.
Рассмотрены различные виды процессов теплообмена нагретого тела с
окружающей средой. Описаны трехмерная и двумерная теплофизические модели
при протекании электрического тока в микросхеме фотоматрицы. Была
рассмотрена модель расчета предельно допустимых значений температуры
поверхности ПЗС-матрицы.
3.
Были
рассмотрены
структурная
схема
прототипа
системы
автоматического управления температурой ПЗС-матрицы и её математическая
модель. На её основе предложена новая схема и рассмотрена её математическая
модель.
4.
Были
рассмотрены
структура,
основные
принципы
работы,
физические и конструктивные особенности элементов Пельтье. В универсальной
программной платформе для моделирования прикладных задач COMSOL
Multyphysics
была
смоделирована
динамическая
тепловая
картина
термоэлектрического модуля, получен график переходного процесса.
5.
В
качестве
базы
для
реализации
модуля
управления
термостабилизацией ПЗС-матрицы была предложена чопперная схема. Были
рассмотрены основные принципы работы чоппера, описана принципиальная
схема модуля управления элементом Пельтье на её основе. Для расчета уравнения
переходного процесса системы автоматического управления применена модель,
предложенная во второй главе. Модель обеспечивает требуемые показатели
качества переходного процесса(рис. 4.12) и лучшую надёжность системы,
разработана конструкция модуля, а также программное обеспечение для работы с
модулем в процессе его отладки и прохождения испытаний.
72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. 2-е
изд., испр. — М.: СОЛОН-Пресс, 2015. — 416с.
2.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К
КОНДИЦИОНЕР
ПАТЕНТУ
ОПИСАНИЕ
–
URL:
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2373075&Type
File=html(Дата обращения: 15.03.2018)
3.
Ахполова, Е.А. Измерительно-вычислительная система для контроля
оптико-электронных
преобразователей
/
Е.А.
Ахполова,
С.П.
Орлов
//
Компьютерные технологии в науке, практике и образовании (КТ-2012): Труды XI
Междунар. межвузовской науч.-практич. конф. – Самара: Сам.ГТУ. – 2012. – С.
160-162.
4.
Ахполова, Е.А. Автоматизированный комплекс для испытаний
приборов и электромеханических агрегатов / Е.А. Ахполова, С.П. Орлов, Е.Ю.
Биктимиркин // Перспективные информационные технологии в научных
исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2012): Сборник научных
трудов – Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т. им. С.П. Королева (Национальный
исследовательский университет). – 2012. – С. 39-42.
5.
Ахполова, Е.А. Моделирование процесса диагностики оптико-
электронного преобразователя / Е.А. Ахполова, С.П. Орлов // Перспективные
информационные технологии (ПИТ-2013): Междунар. науч.-технич. конф. –
144 Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т. им. С.П. Королева (Национальный
исследовательский университет). – 2013. – С. 294-296.
6.
Ахполова,
Е.А.
Измерительно-вычислительный
комплекс
при
проведении технологических отбраковочных испытаний оптико-электронного
преобразователя / Е.А. Ахполова // Тр. III Всерос. научно-технич. конф.
«Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (III Козловские чтения). –
Самара: СамНЦ РАН. – 2013. – С. 319-323.
7.
Ахполова,
Е.А.
Компьютерные
технологии
при
проведении
отбраковочных испытаний оптико-электронных преобразователей / С.П. Орлов,
73
Е.А.
Ахполова//
Всероссийская
научно-техническая
конференция
«Информационные технологии в науке и производстве» (ИТНП-2013). – Самара:
Самар. гос. техн. ун-т. – 2013. – С. 160-163.
Ахполова,
8.
Е.А.
Определение
надежности
распознавания
при
диагностике оптико-электронного преобразователя с помощью метрического
метода
разделения
в
пространстве
признаков
/
Е.А.
Ахполова//
XIV
Международная научно- практическая конференция «Современное состояние
естественных и технических наук». – М.: Изд-во «Спутник +», 2014. – С. 41-45.
9.
Ахполова, Е.А. Использование метода Байеса для обработки
статистических
данных
результатов
испытаний
оптико-электронного
преобразователя / Е.А. Ахполова, С.П. Орлов // Вестник СамГТУ. Сер.
«Технические науки». – №1 (41). –2014. – С. 32 - 37.
10.
Ахполова, Е.А. Использование метода термографии при диагностике
оптико-электронного преобразователя / Е.А. Ахполова // XX научно-техническая
конференция молодых ученых и специалистов. – Королев: РКК «Энергия» имени
С.П. Королева, 2014. – С. 148-149.
11.
Ахполова,
Е.А.
Метод
контроля
работоспособности
фоточувствительной ПЗС-матрицы оптико-электронного преобразователя / Е.А.
Ахполова
//
XVI
Международная
научно-практическая
конференция
«Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты». –
Новосибирск: Изд-во «ЦРНС», 2014. – С. 126-130. 145
12.
Ахполова, Е.А. Диагностика функционирования оптико-электронного
преобразователя по результатам испытаний / Е.А. Ахполова // Инновационный
арсенал молодежи: Тр. V научно-технич. конф. молодых ученых. – СПб.: Балт.
гос. техн. ун-т, 2014. – С. 53-56.
13.
Ахполова,
Е.А.
Методика
контроля
технического
состояния
фоточувствительной ПЗС-матрицы с помощью тепловизора / Е.А. Ахполова //
Вестник СамГТУ. Сер. «Технические науки». – №1 (45). –2015. – С. 8 - 12.
14.
Ахполова,
Е.А.
Техническая
диагностика
оптико-электронного
преобразователя системы дистанционного зондирования Земли [Текст] / Е.А.
74
Ахполова, С.П. Орлов// Вестник Волжского университета им. Татищева. - №2(24).
– 2015. – С.63-71
15.
Вавилов,
В.П.
Тепловые
методы
неразрушающего
контроля:
Справочник/ В.П. Вавилов. – М.: Машиностроение, 1991. – 240 с
16.
Давидов,
П.Д.
Анализ
и
расчет
тепловых
режимов
полупроводниковых приборов / П.Д. Давидов. – М.: Энергия, 1967. – 145 с.
17.
Давыдов, П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств
и систем / П.С. Давыдов. – М.: Радио и связь, 1988. – 256 с
18.
Дорожовец, М.М. Система измерения характеристик температурного
поля / М.М. Дорожовец, В.И. Зорий, В.И. Пуцыло // Приборы и техника
эксперимента. – 1987. – № 2. – С. 246.
19.
Дульнев, Г.Н. Методы расчета теплового режима приборов / Г.Н.
Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. – М.: Радио и связь, 1990. – 312 с.
20.
Дульнев, Г.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры / Г.Н.
Дульнев, Н.Н. Тарановский. – Л.: Энергия, 1971. – 248 с.
21.
Дульнев, Г.Н. Тепло- и массобмен в радиоэлектронной аппаратуре:
учеб. пособие для ВУЗов / Г.Н. Дульнев. – М.: Высшая школа, 1984. – 246 с.
22.
Дульнев, Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах / Г.Н.
Дульнев. – Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 291 с.
23.
Евланов, Л.Г. Контроль динамических систем / Л.Г. Евланов. – М.:
Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. – 432 с
24.
ПЗС. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ПЗС (Дата обращения:
07.11.2017)
25.
CCD47–20 Back Illuminated High Performance AIMO Back Illuminated
CCD Sensor. – URL: http://instrumentation.obs.carnegiescience.edu/ccd/parts/CCD4720BI.pdf (Дата обращения: 04.05.2018)
26.
Цифровая ТВ-камера на ПЗС с охлаждением элементом Пельтье. –
URL: http://www.electronics.ru/journal/article/811 (Дата обращения: 04.05.2018)
27.
Приборы с зарядовой связью: Прецизионный взгляд на мир. – URL:
http://www.npp-elar.ru/upload/Lazovsky_CCD.pdf (Дата обращения: 04.05.2018)
75
28.
Тенденции в цифровой фотографии. Часть 3 (ПЗС-матрицы) – URL:
https://3dnews.ru/168017/page-2.html (Дата обращения: 04.05.2018)
29.
Сборник материалов деловой программы «Интерполитех-2012» –
URL: http://e-edition.ru/katalog/sbornik-ipx-2012/files/assets/basic-html/page209.html
(Дата обращения: 09.05.2018)
30.
Бурмель А.В. СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМНОВОГО ТОКА В
ПЗС. В кн: ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СТРАТЕГИИ РАЗВИТИЯ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ: сборник статей Международной научно - практической
конференции (15 мая 2018 г, г. Волгоград). - Уфа: АЭТЕРНА, 2018. – 138 с
31.
LM25116
Wide-Range
Synchronous
Buck
Controller
–
URL:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm25116.pdf(Дата обращения: 02.01.2018)
32.
2.7-V TO 5.5-V LOW-POWER DUAL 12-BIT DIGITAL-TO-ANALOG
CONVERTER WITH INTERNAL REFERENCE AND POWER DOWN – URL:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv5638.pdf(Дата обращения: 02.01.2018)
33.
–
ADR01/ADR02/ADR03/ADR06
URL:
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/adr01_02_03_06.pdf(Дата обращения: 02.01.2018)
34.
Термоэлектрические
модули
фирмы
“Криотерм”
http://www.symmetron.ua/files/krio61.pdf(Дата обращения: 04.05.2018)
–
URL:
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа