2 Устройства функциональной теплоэлектроники
2.1 Процессоры сигналов
Одним из примеров использования тепловых приборов может служить электротепловой преобразователь — теплотрон (рис. 4) Такой прибор можно рассматривать как преобразователь Uвых=f(Uвх).
Рисунок 4 – Тепловые процессы в теплотроне
Выделенное в резисторе генератора Rп джоулево тепло передается по теплопроводящему каналу на терморезистор RT, являющийся детектором. В этом приборе можно осуществить некоторые нелинейные преобразования функций, а также гальваническую развязку входа и выхода.
Теплопередающий элемент содержит входной электротепловой (ЭТП) и выходной теплоэлектрический (ТЭП) преобразователи. Входной ЭТП преобразует напряжение U1 в мощность P1, изменяющую температуру θ1 . Выходной ТЭП преобразует изменение температуры θ2 в выходное напряжение U2. Функции ЭТП преобразователей могут выполнять пленочные резисторы и транзисторы, а ТЭП преобразователей – транзисторы, у которых зависимость UЭБ = f(T) является линейной. Ее температурный коэффициент составляет 2…3 В/К.
На рис. 5 показан один из вариантов реализации электротеплового функционального элемента с резистивным ЭТП и транзисторным ТЭП, где 1 – резистивный нагреватель; 2 – теплопередающий элемент; 3, 4 – транзисторы дифференциального ТЭП; 5 – подложка; 6 – корпус микросхемы.
Рисунок 5. Электротепловой функциональный элемент
Такие функциональные элементы могут применяться для создания ФНЧ и ФВЧ в сочетании с операционными усилителями с обратными связями. При больших значениях коэффициента усиления ФВЧ превращается в генератор.
При создании частотно - избирательных устройств низких и сверхнизких частот в микроэлектронном исполнении сравнительно сложно реализовать реактивные элементы (емкости, индуктивности) из-за больших геометрических размеров. Более предпочтительны и надежны функциональные элементы, использующие инерционность тепловых процессов в твердых телах. Это явление заключается в том, что теплосодержание элементарного объема твердого тела не может измениться мгновенно в силу ограниченной мощности источников тепла.
Дифференциальное уравнение теплопроводности для теплоизолированного стержня постоянного сечения S и длины l.
|
(1) |
аналогично уравнению распространения потенциала U в RC-линии с распределенными параметрами
, |
(2) |
где a=λ/c ρ – температуропроводность материала; λ – теплопроводность; с – теплоемкость; ρ – плотность; Q(x,t)=T(x,t)-T(x,0); R1, C1 – погонные параметры линии.
Если и временные масштабы электрических и тепловых процессов одинаковы, уравнения (1) и (2) тождественны.
Следовательно, можно представить эквивалентную электрическую схему (рис. 1) тепловой модели, в которой - погонное тепловое сопротивление, CT = ρcS – погонная тепловая емкость.
Рисунок 1 – Эквивалентная схема тепловой модели
Как видно из эквивалентной схемы (рис. 1), теплопередающий элемент является фильтром нижних частот (ФНЧ) с постоянной времени = R1T C1T, где R1T = RTl, C1T = CT l, – полное тепловое сопротивление и емкость соответственно.
Коэффициент передачи K такого фильтра представляет собой отношение выходной реакции (перегрев θ2) к выходному воздействии (мощность P) и может быть найден с учетом электротепловой аналогии (входной ток I1 – тепловая мощность P1, входное напряжение U1 – перегрев θ1, выходное напряжение U2 – перегрев θ2) по соотношениям для RC – структур:
.
Кроме того, использование явления инерционности накопления тепловой энергии позволяет создавать интеграторы, квадраторы, измерители частоты следования импульсов.
Тепловые устройства с квадратичным преобразованием основаны на инерционном преобразовании теплового воздействия с переходной характеристикой h(t) в выходную функцию Uвых. Базовой структурой может быть умножитель X, реализуемый с помощью квадраторов, и инерционное звено h(t) (рис.6).
Рисунок 6 – Базовая конструкция тепловых процессоров
Эта структура может выполнять функции преобразования спектров, гетеродинирования, синхронного детектора, квадратичного детектора и т.п. При этом необходимо, чтобы инерционное звено имело коэффициент преобразования К(jω) фильтра нижних частот (ФНЧ). Возможна реализация полосового фильтра, центральная частота которого определяется периодом T гармонической функции Y(t) (рис. 7).
Рисунок 7 – Пример реализации фильтра с применением тепловых структур