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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
