Versuch El-v6: Thermische Modellierung Elektronischer

Transcript

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 5 5 8 9 . . . . 11 11 12 12 12 4 Gesamtsystem 4.1 Übersicht . 4.2 Anschlüsse . 4.3 Bedienung . 4.4 Messpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 RV 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 RV , 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 K W # 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. EL-V6 - 6 PV RTh,jc RTh,cs RTh,sa ∆Tjc ∆Tcs ∆Tsa Tj Tc Ts TUmgebung Bild 3: Thermisches Ersatzschaltbild des Messaufbaus (statische Betrachtung) Hinweis: Beachten Sie bei der Berechnung die Parallelschaltung der Heizwiderstände. Vorbereitungsaufgabe 3.8: Geben Sie je eine Formel für die Temperaturen Tj , Tc und Ts in Abhängigkeit von TUmgebung 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 TUmgebung 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. Im Folgenden soll der Zeitverlauf der Kühlkörpererwärmung ∆Tsa für einen Lastwechsel untersucht werden. Ein vereinfachtes Ersatzschaltbild ist in Bild 5 dargestellt. Der Schalter wird im Zeitpunkt t0 geschlossen, sodass gilt: ( PV (t) = 0 ∀t < 0 PˆV ∀t ≥ 0 Vorbereitungsaufgabe 3.10: Stellen Sie eine geeignete Differentialgleichung für ∆Tsa (t) auf und geben Sie deren Lösung an. EL-V6 - 7 PV CTh,jc CTh,cs CTh,sa RTh,jc RTh,cs RTh,sa ∆Tjc ∆Tcs ∆Tsa Tj Tc TUmgebung Ts Bild 4: Thermisches Ersatzschaltbild des Messaufbaus (transiente Betrachtung) t0 PR (t) PC (t) PV CTh,sa RTh,sa ∆Tsa (t) Bild 5: Thermisches Ersatzschaltbild des Kühlkörpers (transiente Betrachtung, vereinfacht) Hinweis:   (t−t ) d und d 1 − e− τsa0 und bestimmen Sie ∆T Nutzen Sie als Lösungsansatz ∆Tsa (t) = ∆T 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 Programm MATLAB die Parameter TUmgebung , ∆Tsa , τda und t0 ermittelt werden. 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 EL-V6 - 8 Sie zusätzlich die Umgebungstemperatur TUmgebung in der Modellfunktion. Drucken Sie den Ergebnis-Plot 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 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. − 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 UˆRampe 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. Hinweis: Der Operationsverstärker wird einseitig versorgt: U+ = +UB , U− = 0 V Für die mittlere Ausgangsspannung UA gilt: EL-V6 - 9 USchwelle ,URampe UˆRampe ˆRampe U 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 UA = USchwelle tein UB = UB tPeriode UˆRampe 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 TUmgebung 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 TUmgebung und TKühlkörper 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 in während der gesamten Versuchsdurchführung in der unteren Stellung befinden. Die Temperatur-Differenz-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 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 mit 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 im eingeschalteten Zustand die Referenzspannung und tragen Sie den Messwert in Tabelle 1 ein. Berechnen Sie den Messstrom IPT für beide Anordnungen. 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 TUmgebung und TKühlkörper . Berechnen Sie anschließend die Umgebungstemperatur TUmgebung und die Kühlkörpertemperatur TKühlkörper . 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 im ausgeschalteten Zustand den Heizwiderstand RH,gesamt und tragen Sie das Ergebnis in Tabelle 3 ein. Messaufgabe 5.4: Messen Sie bei eingeschalteter Heizung die Spannung UH über dem Heizwiderstand und tragen Sie das Ergebnis in Tabelle 3 ein. 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 TKühlkörper mit dem Multimeter-Eingang. Nutzen Sie zur Steuerung der Messdatenerfassung das Programm BVP_EL_V6. Tragen Sie in das Feld IPT den in Aufgabe 5.1 bestimmten Wert des PT100-Messtroms IPT,Kühlkörper . Wählen Sie einen Speicherodner 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 betrieben. Vor der Messung muss der Jumper für die Heizungssteuerung aufgesteckt sein. EL-V6 - 15 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 danach zeitnah die Heizung ein, indem Sie den Jumper für die Heizungssteuerung entfernen. Messdauer / s ∆Tsa / ◦C 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. 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. EL-V6 - 16 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. Beginnen Sie mit der Messdatenerfassung, bevor Sie die Heizung aktivieren. tM / s LüfterTastverhältnis 0 % (Tabelle 4) 450 10 % 300 25 % 300 50 % 200 75 % 150 100 % 150 ∆Tsa / ◦C K RTh,sa / W τTh,sa / s Tˆj / ◦C UˆH / V Tabelle 5: Messreihe: Erwärmung bei unterschiedlicher Lüfterdrehzahl Messaufgabe 5.9: Zeichnen Sie den Verlauf des thermischen Kühlkörperwiderstands RTh,Kühlkörper in Abhäntein gigkeit des Lüfter-Tastverhältnisses r = tPeriode in Bild 11 ein und skalieren Sie die RTh -Achse sinnvoll. Messaufgabe 5.10: Bestimmen Sie für alle Messreihen die interne Widerstandstemperatur Tˆj 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, wie weit die Heizspannung UˆH erhöht werden kann, ohne dass die im Datenblatt angegebenen Maximalwerte überschritten werden. Tragen Sie den jeweiligen Wert 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 EL-V6 - 22