Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
II.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mạch điện tử

II.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mạch điện tử

Tải bản đầy đủ - 0trang

Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



Đặc trưng của khí hậu Việt Nam đó là độ ẩm cao, có sự thay đổi rõ rệt trong các

mùa. Nhiệt độ, độ ẩm có sự dao động khơng nhỏ. Điều này tác động mạnh mẽ đến

thiết bị điện tử nếu không được bảo quản tốt. Hoặc đặc điểm thiết kế khơng thích nghi

được với những biến đổi của khí hậu.





Biến thiên nhiệt độ lớn khiến tuổi thọ mạch điện tử bị suy giảm.







Các linh kiện điện tử được làm bằng kim loại, hợp kim,... rất dễ dãn nở vì nhiệt.

Vì thế, khi nhiệt độ lên quá cao, chúng ở nở ra, thậm chí chảy gây gãy, đứt mạch.

Điều này khiến chúng hỏng mãi mãi, không thể khôi phục lại được. Và nếu có

khơng hư hỏng thì nó cũng khơng thể hoạt động ở hiệu năng bình thường được.

Tác nhân gây ra nhiệt còn đến từ những yếu tố như bụi bẩn lâu ngày kẹt vào bộ



phận tản nhiệt của thiết bị. Vì vậy cần thường xuyên dọn dẹp, vệ sinh bo mạch điện

theo định kỳ để hệ thống được làm mát và hoạt động ổn định nhất.

Cụ thể ảnh hưởng đến các thành phần của mạch điện tử như: Điện trở, tụ điện

và cuộn cảm, linh kiện bán dẫn, các bộ vi xử lý, các IC…v…v…

Khi nhiệt độ tăng các ion kim loại ở nút mạng tinh thể giao động mạnh. Do đó độ

mất trật tự của mạng tinh thể kim loại tăng làm cản trở chuyển động của các electron

tự do dẫn đến điện trở thường tăng.

Hiện tại giải pháp khả thi nhất được dùng trong công nghiệp để giảm nhiệt độ

cho các tủ điện là sử dụng các loại điều hòa, máy lạnh để đảm bảo mơi trường làm việc

cho thiết bị luôn trong trạng thái hoạt động ổn định. Tuy nhiên giá thành khá cao và

cần sự trợ giúp của nhân viên lắp đặt.



30



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



II.2.1: Tìm hiểu chung về một số linh kiện cơ bản:

II.2.1.1: Các đặc điểm cấu tạo của điện trở

II.2.1.1.1: Các loại điện trở có giá trị cố định thường gặp nhất

Nếu phân chia theo cấu tạo, có 5 loại điện trở chính là:





Điện trở than ép dạng thanh chế tạo từ bột than trộn với chất kết dính, nung



nóng hoá thể rắn, được bảo vệ bằng 1 lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn. Điện trở than

có độ ổn định cao là loại phổ biến nhất có cơng suất danh định từ vài W, có giá trị 10

Ω đến 22 MΩ.





Điện trở màng kim loại chế tạo theo cách kết lắng màng Ni-Cr trên thân gốm có



xẻ rãnh xoắn sau đó phủ lớp sơn, loại này có độ ổn định cao hơn loại than nhưng giá

thành cao hơn vài lần.





Điện trở oxit kim loại: Kết lắng màng oxit thiếc trên thanh SiO 2, chịu nhiệt và



chịu ẩm tốt.





Điện trở quấn dây thường dùng khi yêu cầu giá trị điện trở rất thấp hay yêu cầu



dòng điện rất cao.

II.2.1.1.2: Giá trị của mỗi loại điện trở sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ là

khác nhau.

Khi ở trong mơi trường có nhiệt độ thay đổi hoặc khi có dòng điệu chạy qua

(điện trở toả nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ) thì giá trị của điện trở sẽ thay đổi: Trong

phần lớn các loại điện trở khác có cấu tạo từ vật liệu kim loại khi tăng nhiệt độ sự

chuyển động của các nguyên tử trong các ô mạng, các điện tử định xứ, điện tử tự do

tăng lên dẫn tới khả năng va chạm với các điện tử dẫn tăng, cản trở sự dẫn điện của vật

liệu làm tăng giá trị của điện trở, do đó hệ số nhiệt độ của điện trở là dương. Cơng thức

tính điện trở của vật liệu kim loại:

R(T) = R0(1 + αT)

Trong đó:

R0 là điện trở của kim loại ở 0oC

α là hệ số nhiệt điện trở (giá trị phụ thuộc từng loại vật liệu)



31



Hình II-14: Cấu trúc của kim loại



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tơ Anh Dũng



Ngược lại, với các điện trở có cấu tạo từ các vật liệu có tính chất bán dẫn thông

thường khi nhiệt độ tăng, các điện tử ở vùng hóa trị sẽ tách khỏi lỗ trống và nhảy lên

vùng dẫn và trở thành hạt dẫn điện làm cho giá trị của điện trở giảm.



Hình II-15: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn

Cơng thức tính điện trở của vật liệu bán dẫn:

R(T) = R0.(∆E/2kT)

Trong đó:

R0 là điện trở của vật liệu ở 0 oC.

∆E – năng lượng vùng cấm.

k = 1,38.10-23JK-1 hằng số Bônxơman.



II.2.1.1.3: Điện trở biến đổi:

Thường gọi là chiết áp với cấu tạo như đã nêu trên nhưng có dạng cung 270 0 nối

với một cần con chạy quay được nhờ một trục giữa, con chạy tiếp xúc động với vành

điện trở nhờ đó giá trị của nó tính từ 1 trong 2 đầu tới điểm con chạy có thể biến đổi



32



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



khi quay quanh trục con chạy. Khi con chạy dịch chuyển, giá trị điện trở sẽ thay đổi so

với vị trí con chạy có tỷ lệ với vị trí hình học của con chạy khi đó ta có triết áp biến

đổi tuyến tính, trong các trường hợp khác đây là quan hệ hàm logarit (tức là ban đầu

tăng nhanh sau đó con chạy càng dịch xa giá trị điện trở sẽ càng tăng chậm lại).

Cũng có loại chiết áp điều chỉnh trước (hay gọi là bán điều chỉnh – Trimơ), khi đó cần

điều chỉnh bằng cái vặn vít vì khơng có cần quay ở tại trục mà chỉ có vòng quay gắn

với con chạy, loại này khi dùng trong mạch chỉ điều chỉnh 1 lần trong phạm vi góc

quay hẹp của con chạy (vi điều chỉnh).

Khi tính tốn lý thuyết để thiết kế mạch điện, giá trị điện trở nhận được thường

khác với thang giá trị trên, lúc đó cần chọn giá trị trong bảng gần nhất với giá trị đã

tính.

II.2.1.1.4: Phân loại điện trở

Như đã đề cập ở phần trên, điện trở đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện.

Chính vì thế, khi sử dụng điện trở cho một mạch điện thì một phần năng lượng điện sẽ

bị tiêu hao để duy trì mức độ chuyển dời của dòng điện. Nói một cách khác thì khi

điện trở càng lớn thì dòng điện đi qua càng nhỏ và ngược lại khi điện trở nhỏ thì dòng

điện dễ dàng được truyền qua. Khi dòng điện cường độ I chạy qua một vật có điện trở

R, điện năng được chuyển thành nhiệt năng với công suất theo phương trình sau:



Trong đó:

P là cơng suất (W)

I là cường độ dòng điện (A)

R là điện trở ( Ω )



33



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tơ Anh Dũng



Chính vì lý do này, khi phân loại điện trở, người ta thường dựa vào công suất mà

phân loại điện trở. Và theo cách phân loại dựa trên cơng suất, thì điện trở thường được

chia làm 3 loại:

-



Điện trở công suất nhỏ



-



Điện trở công suất trung bình



-



Điện trở cơng suất lớn.



Tuy nhiên, do ứng dụng thực tế và do cấu tạo riêng của các vật chất tạo nên

điện trở nên thông thường, điện trở được chia thành 2 loại:





Điện trở: là các loại điện trở có cơng suất trung bình và nhỏ hay là các điện trở

chỉ cho phép các dòng điện nhỏ đi qua.







Điện trở công suất: là các điện trở dùng trong các mạch điện có dòng điện lớn đi

qua hay nói cách khác, các điện trở này khi mạch hoạt động sẽ tạo ra một lượng

nhiệt năng khá lớn. Chính vì thế, chúng được cấu tạo nên từ các vật liệu chịu

nhiệt.

Để tiện cho quá trình theo dõi, các khái niệm điện trở và điện trở công suất được



sử dụng theo cách phân loại trên.

II.2.1.2: Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của tụ điện

Tụ điện là phần tử có giá trị dòng điện qua nó tỷ lệ với tốc độ biến đổi của điện

áp trên nó theo thời gian. Chúng được chia thành 2 loại chính: loại khơng phân cực và

loại có cực tính xác định khi làm việc (có thể bị hỏng khi nối ngược cực tính).

Tụ điện là linh kiện có chức năng tích trữ năng lượng điện. Chúng thường được

dùng kết hợp với các điện trở trong các mạch điện bởi khả năng tích trữ năng lượng

điện trong một khoảng thời gian nhất định. Đồng thời tụ điện cũng được sử dụng trong

các nguồn điện với chức năng làm giảm độ gợn sóng của nguồn trong các nguồn xoay

chiều (tụ lọc), hay trong các mạch lọc bởi chức năng của tụ nói một cách đơn giản đó

là tụ ngắn mạch (cho dòng điện đi qua) đối với dòng điện xoay chiều và hở mạch đối

với dòng điện 1 chiều.

Để đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện, người ta đưa ra

khái niệm là điện dung của tụ điện. Điện dung càng cao thì khả năng tích trữ năng

lượng của tụ điện càng lớn và ngược lại.



34



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



Giá trị điện dung được đo bằng đơn vị Farad ký hiệu là F. Giá trị F là rất lớn nên

thông thường trong các mạch điện, các giá trị tụ chỉ đo bằng các giá trị nhỏ hơn như

micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF).

II.2.1.3: Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của cuộn cảm

II.2.1.3.1: Cấu tạo của cuộn cảm

Cuộn cảm là một linh kiện điện thụ động, thường dùng trong mạch điện có dòng

điện biến đổi theo thời gian (như các mạch điện xoay chiều).

Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ

trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha so với

điện áp một góc bằng 90°.

Cuộn cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm, đo trong hệ đo lường quốc tế theo đơn

vị henri (H). Cuộn cảm có độ tự cảm càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ

nhiều năng lượng.

Về cấu tạo cuộn cảm có thể chia làm các loại sau: cuộn cảm khơng có lõi, cuộn

cảm có lõi bằng bột từ ép, cuộn cảm có lõi bằng sắt từ và cuộn cảm có thể biến đổi

điện cảm.

Cuộn cảm có thể được làm bằng cách quấn các vòng dây dẫn điện; tùy công suất

và độ tự cảm để chọn thiết diện của dây dẫn và số vòng. Ví dụ, với độ tự cảm 1mH với

cơng suất từ 100W trở xuống thì lấy loại dây đồng có đường kính 0,3mm-0,5mm quấn

10 vòng; cơng suất cao hơn thì chọn đường kính 1,2mm quấn 13-15 vòng.

Từ trường B do cuộn cảm sinh ra khi có dòng điện đi qua sẽ là tổng hợp của hai

thanh phần:





Thành phần từ trường do lõi làm bằng vật liệu từ của cuộn cảm sinh ra B1.







Thành phần từ trường do ống dây cuốn quanh lõi sinh ra B2.

B2 = 4π.10-7.nI



(1.9)



Trong đó:

n = N/l (số vòng dây trên mỗi mét chiều dài ống).

Khi đó độ tự cảm



L = B/I



(1.11)



Nhiệt độ môi trường sẽ tác ảnh hưởng từ trường của cuộn cảm, đến dòng điện

chạy qua cuộn cảm, khi đó sẽ làm độ tự cảm L thay đổi.



35



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



Ở đây trở kháng tổng cộng của cuộn dây kí hiệu là Z L gồm 2 phần như đã nêu và

khi tần số tín hiệu tác động tăng lên, theo (1.11) điện kháng của cuộn dây X L = 2πfL

sẽ tăng tỉ lệ.

Ta thấy nếu tín hiệu có chứa cả thành phần 1 chiều và thành phần xoay chiều cao

tần thì khi tác động vào cuộn dây nó sẽ dễ dàng cho qua thành phần 1 chiều (hay tần số

thấp) và chặn thành phần cao tần lại, cuộn dây có phản ứng với tín hiệu cao tần trái

ngược với phản ứng của tụ điện, tức là cuộn dây khi vận hành phản ứng với tín hiệu

ngược lại với cách phản ứng của tụ điện với tín hiệu.

II.2.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến linh kiện điện tử





Tụ điện, tụ gốm: Thay đổi hằng số điện môi và điện dung, giảm điện trở cách



điện với nhiệt độ cao.





Tụ điện, điện phân: Tăng rò rỉ điện giải; rút ngắn tuổi thọ, thay đổi lớn về điện



dung, tăng sức đề kháng loạt với nhiệt độ thấp.





Tụ điện, Tantalum: Rò rỉ điện giải; thay đổi điện trở cách điện.

Đã có những nghiên cứu chứng minh thiết bị điện tử hoạt động ở quá nhiệt độ



cho phép khoảng 10ºC sẽ làm tuổi thọ giảm đi một nửa. Nhưng nếu hoạt động ở nhiệt

độ mát hơn 10ºC sẽ có thể tăng tuổi thọ của nó gần gấp đơi.

Mặc dù có khả năng sản xuất các thiết bị điện có thể chịu được nhiệt độ cao,

nhiệt độ tối đa được khuyến nghị cho thiết bị thường nằm trong khoảng từ 40ºC đến

50ºC (105ºF đến 122ºF). Một cuộc khảo sát các danh mục của nhà sản xuất xác nhận

điều này, vì vậy rõ ràng cần phải đảm bảo nhiệt độ bao vây được giữ dưới 40ºC

(105ºF).

Ví dụ: Hãy tưởng tượng một sản phẩm quản lý năng lượng được thiết kế để chạy

trong môi trường lên tới 50ºC với chỉ số MTBF là 20.000 giờ. Hoạt động ở 60º sẽ cắt

giảm một nửa tuổi thọ của nó. Tuy nhiên, nếu mơi trường được làm mát để thiết bị

hoạt động chỉ ở khoảng 40oC thì tuổi thọ của MTBF có thể được mở rộng đến 40.000

giờ.

Một ví dụ khác về ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của thiết bị điện tử: Tuổi

thọ của tụ điện, như được tìm thấy trong nhiều thiết bị, có thể là 32 năm ở 45 ºC, 16

năm ở 55oC và chỉ 4 năm ở 80 ºC. Điều này được tính bằng phương trình Arrhenius .



36



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tơ Anh Dũng



Phương trình xác nhận rằng điều quan trọng là nhiệt độ trong vỏ có chứa thiết bị được

giữ ở mức thấp như thực tế.

 Tính chất của nối P-N khi phân cực thuận cũng thay đổi theo nhiệt độ:

- Khi nhiệt độ của khối P-N tăng, điện thế thềm mối nối giảm (nối dễ dẫn

điện hơn). Người ta thấy rằng khi nhiệt độ tăng lên 1 oC thì điện thế thềm

giảm đi 1,8mV ở diode Si và 2,02mV ở diode Ge.

- Một cách tổng quát có thể coi như điện thế thềm giảm đi 2mV khi nhiệt độ

tăng lên 1oC.



 Nhiệt độ của nối P-N cũng quyết định điện thế sụp đổ:

- Nếu nhiệt độ tăng lên đến một trị nào đó thì điện thế sụp đổ sẽ giảm xuống

rất nhỏ và mối nối P-N khơng còn sử dụng được nữa. Nhiệt độ này là 150 oC

đối với Si và 85oC đối với Ge.





Hậu quả thực tế của nhiệt độ môi trường cao:

Một hiện tượng khác cần xem xét là khi các mạch điều khiển điện tử kỹ thuật số



nóng lên, dòng rò trong các mạch tích hợp tăng lên và trên một nhiệt độ nhất định hoạt

động không ổn định xảy ra. Điều này đặc biệt có thể ảnh hưởng đến PLC, máy tính và

thiết bị được trang bị bộ vi xử lý. May mắn thay, trong hầu hết các trường hợp, khơng

có thiệt hại vĩnh viễn xảy ra, nhưng những sự cố như vậy có hậu quả nghiêm trọng đối

với các hệ thống kiểm sốt cơng nghiệp.



37



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



II.3: Ảnh hưởng của độ ẩm đến mạch điện tử.

II.3.1: Hiệu suất

Độ ẩm có thể làm giảm hiệu suất của thiết bị hoạt động trong dải h ồng

ngoại và một số vật liệu như vải, một số chất dẻo và cellulose .

II.3.2: Khử nhiễu

Khử các vật liệu composite có thể ảnh hưởng với một số vật liệu PCB giá

rẻ.

II.3.3: Điện trở bề mặt

Trên PCB, việc giảm điện trở bề mặt có thể làm thay đổi mạch thời gian

(làm thay đổi tần số của mạch dao động), thay đổi mức dòng đi ện trong ngu ồn

dòng khơng đổi, dẫn đến mất độ nhạy hoặc giảm trở kháng đầu vào trên bộ

khuếch đại trở kháng cao.

II.3.3.1: Di chuyển ion

Sự di chuyển ion là hiện tượng trong đó các ion kim loại đ ược r ửa kh ỏi b ề

mặt của nó khi điện áp được đặt vào kim loại ,khi các phân tử n ước có trong

khơng khí bám vào bề mặt kim loại.

Khi q trình di chuyển ion xảy ra, có nguy cơ ngắn mạch do dây dẫn kim

loại liền kề nhau. Hơn nữa, trong hầu hết các trường hợp, mạch bị cháy bởi dòng

điện lớn chảy ngay lập tức khi nó tiếp xúc với dây dẫn chảy, gây ra sự cố sau:

Các phân tử nước chứa trong khơng khí bám vào bề mặt rắn và tạo thành

một màng nước mỏng trên bề mặt.



Hình II-16: Màng nước mỏng trên bề mặt



38



Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



Bề mặt Hình

kim loại

được

đặtnối

điện

áp,các

bắtdây

đầudẫn

rửabằng

dưới cầu

dạngkim

cácloại

ion kim loại ở trạng

II-17:

Cầu

giữa

thái đã nói trên.Màng kim loại đóng vai trò là cầu nối giữa các đây dẫn, gây ra đoản



mạch do đó trở thànhHình

ngun

nhânRửa

gâydưới

ra lỗi.[

CITATION

Hồ02 \l 1033 ]

II-18:

dạng

ion kim loại



Trong hầu hết các trường hợp, màng kim loại được hình thành ở dạng dendrite và

bay hơi và biến mất tại thời điểm ngắn mạch vì nó rất giòn.[ CITATION Hồ02 \l 1033

]

II.4: Ảnh hưởng của một số yếu tố khác

II.4.1: Ảnh hưởng của bụi bẩn

Bụi có khả năng ẩn và tích tụ bên trong các ổ cắm, cổng và bám trên bề mặt

của các linh kiện điện, đường dẫn các bộ phận khác trong các sản phẩm điện tử

của bạn. Nếu một rào cản bụi được tạo ra trong các không gian đó, nó có th ể

dẫn đến một trong những vấn đề sau:





Quá nóng qua cách nhiệt







Dễ hút ẩm



39



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

II.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mạch điện tử

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×