Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Która płytka wytrzyma gorąco?

ghost666 25 Maj 2019 11:29 2661 18
  • Która płytka wytrzyma gorąco?
    Wdrażane rozwiązania Internetu Rzeczy integrowane są z naszym światem w miliardach sztuk. Zbierają one rozmaite dane w różnych warunkach. W niektórych sytuacjach zachodzi konieczność, aby stosowany przez nas system mógł wytrzymać pracę w gorącym środowisku, takim jak np. wnętrze przedziału silnikowego samochodu, systemy rolnicze, piece czy nawet zmywarki. Dodatkowo, wysoka odporność na ciepło wymagana jest także w systemach monitorujących np. akumulatorach czy też systemach fotowoltaicznych.

    Aby określić, które jednopłytkowe komputery i proste moduły mikrokontrolerowe mogą wytrzymać podwyższoną temperaturę, autorzy prezentowanego artykułu przetestowali szereg z nich: Arduino Uno, Arduino Nano (oba z układem ATmega328P), Adafruit Huzzah (oparte o ESP8266) i Sparkfun Micro (z układem ATmega32U4). Równolegle przetestowano Raspberry Pi 3 z czterordzeniowym SoC Broadcom BCM2837, a także Raspberry Pi Zero z układem Broadcom BCM2836.

    Płytki te reprezentują dostępne na rynku opcje do prototypowania oraz do konstrukcji systemów hobbystów. Nie oznacza to jednakże, że moduły takie nie mogą znaleźć się w komercyjnych, masowo produkowanych urządzeniach.

    Która płytka wytrzyma gorąco?
    Układ testowy

    Aby sprawdzić, który z tych modułów wytrzymuje wysokie temperatury, każda z nich została umieszczona wewnątrz piekarnika nagrzanego do temperatury 65°C, 93°C i 121°C. W takich warunkach płytka spędzić musiała pięć minut.

    Na każdym z modułów uruchomiono prosty program - miganie diodą LED lub przełączanie naprzemiennie dwóch diod LED (w przypadku Pro Micro). Podczas eksperymentu obserwowano moment, w którym dioda gasła i już się nie zapalała, co wskazywało na uszkodzenie płyty. Zasilanie dla modułu zapewnił kabel USB poprowadzony pomiędzy drzwiczkami a korpusem piekarnika.

    Temperatury te zostały wybrane do testów, ponieważ w temperaturze 121°C złącza zaczęły wykazywać już znaczące oznaki odkształcenia, co sprawiło, że moduł i tak nie mógłby być użytkowany w takiej temperaturze, chyba że zastosowano by specjalne złącza odporne na wysoką temperaturę. Biorąc pod uwagę, że Raspberry Pi obniża prędkość procesora, gdy ten 85°C, a zakres temperatur pracy dla układu ATmega328P wynosi od -40°C do 85°C, to wybrane progi temperatury wydają się być sensownym zakresem w którym, z jednej strony, układy w teorii mogłyby pracować, a z drugiej strony, wyjść poza wyspecyfikowane bezpieczne dla nich temperatury, co może powodować awarie.

    Która płytka wytrzyma gorąco?
    Wyniki testów

    Co zaskakujące, mimo że temperatura każdego z modułów przekroczyła dopuszczalne granice, to każdy z nich migał diodą LED przez cały czas trwania testu. Można by podejrzewać, że same układy scalone nigdy nie osiągnęły ustawionej temperatury pieca w ciągu pięciu minut przebywania w nim. Układy zaprojektowane są do rozpraszania ciepła, które same generują, dlatego są raczej cienkie i niezbyt zaizolowane od otoczenia. Sugeruje to, że układy mogły być bardzo gorące, co potwierdziły też organoleptyczne badania po wyjęciu modułów z piecyka.

    Chociaż może używanie takiego typu modułu w piekarniku nie jest najlepszym pomysłem, to wydaje się, że tego typu układ wytrzymuje dosyć dobrze krótkotrwałe wybuchy ciepła. W dłuższej perspektywie z pewnością chcielibyśmy pozostać przy zakresach specyfikowanych przez producenta, zwłaszcza w aplikacjach wymagających większej mocy obliczeniowej, gdy procesor sam generuje więcej energii cieplnej.

    Jednakże w starannie zaprojektowanych aplikacjach, w których dany moduł ma być jednorazowy - na przykład jako element większej aparatury naukowej - ta jednorazowość przy wytrzymałości na podwyższoną temperaturę, nie wydaje się być poważnym problemem.

    Która płytka wytrzyma gorąco?
    Śmierć Arduino Nano

    Chociaż uzyskane wyniki są zaskakujące - ciężko oczekiwać było, że którykolwiek z modułów będzie w stanie wytrzymać temperatury wykraczające poza to, co zostało podane przez producenta. Konieczne zatem było pójście krok dalej i zwiększenie temperatury pieca do wyższej temperatury - ponad 230°C. Niestety taka temperatura okazała się niestabilna z fragmentami sklejki, na jakich umieszczano moduły, by nie leżały one bezpośrednio na kratce piekarnika. Dlatego też finalne testy przeprowadzono w temperaturze 177°C.

    Po rozgrzaniu piekarnika umieszczono w nim migający klon Arduino Nano, oczekując, że dołączona dioda LED przestanie migać w czasie nie większym niż pięć minut. Kiedy ten czas minął, dioda wciąż jeszcze mrugała. Biorąc pod uwagę, że było to środowisko o temperaturze o niemalże 90°C wyższej niż maksymalna temperatura znamionowa mikroprocesora. Było to naprawdę zaskakujące, a ta temperatura była na granicy tego, co było możliwe do osiągnięcia w układzie eksperymentalnym.

    Mimo tak imponującej solidności postanowiono pozostawić ten moduł w piecu na kolejne pięć minut. Po dziewięciu minutach wydawało się, że moduł i z tego wyjdzie obronną ręką, ale nagle dioda LED przestała migać. Było to wynikiem odlutowania się od płytki złącza USB, przez które podawano zasilanie do układu. Sam kabel USB też już powoli się topił.

    Chociaż podczas projektowania systemów należy bezwzględnie przestrzegać zaleceń producentów, warto zauważyć, że przynajmniej przez krótki okres czasu te układy mogą wytrzymać znacznie wyższą temperaturę otoczenia. Oczywiście nikt nie zachęca do instalowania urządzeń IoT w piekarniku, jednakże przy odpowiedniej izolacji termicznej, mikrokontroler umieszczony blisko źródła ciepła powinien poradzić sobie bardzo dobrze.

    Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/what-microcontrollers-can-take-the-heat

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • PCBway
  • #2
    Tumiwisizm
    Poziom 22  
    Co to ma oznaczać (jak dla mnie brak znaków interpunkcyjnych)?:
    ghost666 napisał:
    Wdrażane rozwiązania Internetu Rzeczy integrowane są z naszym światem w miliardach sztuk
    Albo to:
    ghost666 napisał:
    Niestety taka temperatura okazała się niestabilna z fragmentami sklejki
    . Poza tym artykuł pomocny. Przynajmniej wiem czy mogę Arduino Nano umieścić blisko źródła ciepła, nie kupując dwóch sztuk i jednej przy tym zniszczyć.
  • PCBway
  • #3
    szczepan999
    Poziom 11  
    W takich miejscach umieszcza się proste mikrokontrolery a nie wyżyłowane SoC.
  • #4
    emil
    Poziom 15  
    Witam.

    Eksperyment ciekawy ale niezbyt profesjonalnie przeprowadzony ponieważ procesor powinien być "obciążony" pełna mocą obliczeniową, a miganie diody na pewno tego nie powoduje. Wiadomo, że przy małym obciążeniu procesora jego temperatura jest mała, a podczas pełnego obciążenia wzrasta dość sporo i gdzieś to ciepło musi być wypromieniowane. Jeżeli temperatura zewnętrzna jest wyższa niż obciążonego procesora to jego czas pracy drastycznie spada i ten czas będzie znacznie krótszy przy pełnym "obciążeniu" procesora niż przy nieznacznym jego "obciążeniu".


    emil
  • #5
    Janusz_kk
    Poziom 21  
    Dla temp od 65 do 121 st 5 minut to mało, płytki powinny być w piecu minimum 30 minut żeby się temp płytki i proca ustabilizowała,
    dopiero taki test ma jakąś wartość.
  • #6
    Galareta
    Poziom 21  
    Zamiast sklejki możesz zastosować biały pustak, wytrzymuje rozgrzanie do czerwoności. Sam jest materialem izolacyjnym. Co do obciążenia, instrukcja delay(); obciąża raczej procek.
  • #7
    Janusz_kk
    Poziom 21  
    Raczej rdzeń :) bo procek to coś więcej :)
    Aby go dociążyć to trzeba mu wszystko wykorzystać, czyli timery, adc i co tam jeszcze ma.
  • #8
    tmf
    Moderator Mikrokontrolery Projektowanie
    Galareta napisał:
    Zamiast sklejki możesz zastosować biały pustak, wytrzymuje rozgrzanie do czerwoności. Sam jest materialem izolacyjnym. Co do obciążenia, instrukcja delay(); obciąża raczej procek.

    Procek może i obciąża, problem w tym, że samo miganie diodą ma małe szanse wykryć nieprawidłowości w jego działaniu. Rdzeń powinien wykonywać jakieś obliczenia, warto by sprawdzić ich wyniki. Niemniej jednostkowe testy niczego nie dowodzą. Producent określa maksymalne parametry zakładając, że np. 99,999% procesorów jest w stanie je osiągnąć. Część z nich osiąga parametry znacznie lepsze, ale to nie dowodzi, że dowolny procesor również je osiągnie.
    Druga i IMHO poważniejsza sprawa - retencja danych w pamięci FLASH. Producent gwarantuje określoną trwałość zapisu dla określonej temp. Degradacja zawartości FLASH postępuje wykładniczo ze wzrostem temperatury. Co z tego, że procesor będzie przez parę godzin pracował np. w 120 stopniach, jeśli szybko pojawią się błędy we FLASH i w efekcie program pójdzie w maliny. Dlatego program testowy powinien zajmować praktycznie całą pamięć, aby było możliwe wykrycie przekłamań jej zawartości.
    Trzeba by też sprawdzić jak się zachowa procesor po obciążeniu IO nominalnym prądem (dla ATMegi o ile pamiętam jest to max 200 mA na wszystkie piny). W takich warunkach struktura może osiągnąć te kilkanaście stopni więcej, co dodatkowo pogorszy sytuację.
    Podsumowując - jako ciekawostka test ok, wartość praktyczna - żadna.
  • #9
    metalMANiu
    Poziom 16  
    Według mnie "lekką przesadą" jest wystawianie układów na działanie temperatury topnienia cyny :)
  • #10
    dondu
    Moderator Mikrokontrolery Projektowanie
    Do tego co napisał Tmf dodam, że mikrokontroler to tylko jeden z elementów płytki, a jest ich tam sporo np. kwarc, który także ma istotne ograniczenia temperaturowe w zależności od tego jaki został zastosowany.

    O ile katowanie takiego sprzętu w wysokich temperaturach jest raczej tylko ciekawostką, o tyle sytuacja wystawienia takiego sprzętu na niskie temperatury jest już bardziej życiowa (czytaj występuje częściej). Proponuję wykonać kolejny eksperyment w tym zakresie :)
  • #11
    Galareta
    Poziom 21  
    Jaką temperaturę rozumiesz jako niską?
  • #13
    tmf
    Moderator Mikrokontrolery Projektowanie
    dondu napisał:
    O ile katowanie takiego sprzętu w wysokich temperaturach jest raczej tylko ciekawostką, o tyle sytuacja wystawienia takiego sprzętu na niskie temperatury jest już bardziej życiowa (czytaj występuje częściej). Proponuję wykonać kolejny eksperyment w tym zakresie :)

    Gdzieś widziałem próbę przetaktowywania ATMegi - płytka Arduino była umieszczona w ciekłym azocie. Działało wszystko ok, tylko LED zmienił kolor świecenia. Bardziej bym się obawiał o trwałość lutów w niskiej temperaturze - nie wiem jak cyna bezołowiowa się zachowa w takich warunkach...
    O, tu jest film:

    Link
  • #15
    CosteC
    Poziom 27  
    Test potwierdził zdolność wymienionych komputerów do migania diodą w wysokich temperaturach :) a tak serio to 5 minut to bardzo krótko, zwłaszcza jak wziąć pod uwagę jak wygląda proces lutowania.

    Parę godzin weryfikacji pamięci flash w kółko + testy całego RAMu to by było coś. Analogowe podzespoły raczej stracą parametry szybko po opuszczeniu temperatur dopuszczalnych.

    Drugie trudne zagadnienie to odporność na cykle temperaturowe, stała temperatura, nawet wysoka to przy tym naprawdę mały problem :)
  • #16
    Użytkownik usunął konto
    Poziom 1  
  • #18
    Chrusta
    Poziom 22  
    Jak wyżej, jako ciekawostka - ok. Bardziej by mnie zainteresowało jakieś urządzenie które wystawiało by testowany przedmiot na stres. Na początek np. "zamrażarko/piekarnik" na ogniwach peltiera. Ogniwa o jak największej mocy, by zapewnić jak najszybsze zmiany temperatury. Wrzucamy delikwenta, oprogramowanego w 100% (jak było powiedziane wyżej), ustawiamy zakres i czekamy :D. Jeszcze jakiś kontroler wilgotności i robi się fajnie.
  • #19
    Luklukowaty
    Poziom 19  
    Moim zdaniem to kombinujecie. Płytka - wiadomo ile wytrzyma, a informacje takie są zawarte w karcie katalogowej materiałów. Zwykłe mają Tg na poziomie 130 stopni co dla długotrwałej pracy daje max 100 stopni. Materiały z górnej półki mają Tg do 180 stopni, a Rogery jeszcze wyższe.

    Co do testów procka. W karcie katalogowej ATtiny wysokotemperaturowego jest wykres z którego można odczytać, że producent gwarantuje czas życia układu 1000 godzin w temperaturze 150 stopni. Są również mikrokontrolery z Texasa na 175 stopni, ale kosztują powyżej 800zl za sztukę.

    Powyższy test nic nie daje w moim odczuciu, bo gorsze chwilowe warunki panują w piecu i elementy później działają.

    Dodatkowo są to testy jednego elementu i w żaden sposób nie można tego przełożyć na inne.