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

AVR kontra niskie temperatury - pytanie do praktyków

AVATAR_PL 16 Mar 2007 17:04 3473 30
  • #1 16 Mar 2007 17:04
    AVATAR_PL
    Poziom 14  

    Witam!
    Mam zamiar zrobić pewien sterownik oparty na procesorze AVR, który będzie pracował na zewnątrz przez cały rok i mam w związku z tym parę pytań:

    1. Jak te procesory radzą sobie przy niskich temperaturach? (oczywiście chodzi o serię industrial).W karcie katalogowej atmel podaje dla serii industrial -40 do +85, jak to ma się do rzeczywistości?

    2. Czy należy stosować w takim przypadku jakieś specjalne rezonatory kwarcowe?

    3. Czy mam się bardziej obawiać temperatur wysokich (silne nasłonecznienie) czy raczej niskich ?

    4. Na co, według was, należy zwrócić szczególną uwagę przy projektowaniu urządzeń pracujących na zewnątrz?

    0 29
  • #2 16 Mar 2007 19:23
    shg
    Specjalista techniki cyfrowej

    1. Skoro producent pisze, żę tak jest, to należy przyjąć, że tak jest, zwróć tylko uwagę na zmianę parametrów różnych peryferiów/podzespołów (napięcia odniesienia, częstotliwość zegara wewnętrznego itp.)

    2. W zasadzie tak. Istnieją specjalne rezonatory przeznaczone do pracy w poszerzonym zakresie temperatur. Z tego co pamiętam to rezonatorom raczej podwyższona temperatura szkodzi. Zwykły będzie pracował, conajwyżej zmieni mu się nieznacznie częstotliwość / dobroć.

    3. Bardziej obawiał bym się o wysokie temperatury, ale zależy jaki prąd pobiera układ, jeżeli są elementy które się grzeją, to trzeba zwrócić na nie szczególną uwagę.

    4. Na wilgoć i zmiany ciśnienia. Paskudny problem, jeżeli tylko na zewnątrz urządzenia będzie panowało większe ciśnienie niż wewnątrz, to powietrze zacznie przeciskać się do wnętrza wszelkimi możliwymi szczelinami. Jeżeli jeszcze ma większą temperaturę to robi się (potencjalnie) gorzej, bo większa jest prężność pary nasyconej wody. Jeżeli teraz do środka dostanie się powietrze o dużej wilgotności, a obniży się temperatura to może (ale wcale nie musi) nastąpić kondensacja (do określania czy tak się stanie, czy nie służą wykresy Molliera).
    Płytkę polakierować, wnętrze obudowy zalać sillikonem, a jeżeli to niemożliwe, to uszczelnić i wrzucić do środka kilka torebek z silikażelem (torebki do znalezienia w butach, silikażel w opakowaniach tabletek musujących), tylko trzeba to co jakiś czas wymieniać (można regenerować przez suszenie w temperaturze chyba 150°C), bo chłonie wodę i z czasem traci swoje własności.

    0
  • #3 16 Mar 2007 21:30
    AVATAR_PL
    Poziom 14  

    Dzięki za odpowiedź :)
    Mam jeszcze parę kwestii:
    Mój układ będzie odbierał dane przez RS485 ze sterownika głównego znajdującego się w pomieszczeniu ogrzewanym (transmisja asynchroniczna min. 230kb).
    I w przypadku dużej różnicy temperatur (powiedzmy 50stC) pomiędzy układem wewnątrz i na zewnątrz wystąpią oczywiście różnice częstotliwości obu zegarów.
    1. Jak bardzo to wpłynie na transmisję? Może dojść do zerwania łączności?

    2. Czy lepiej zastosować kwarc czy kompletny generator kwarcowy?

    3. Czy może nie zawracać sobie głowy kwarcami i od razu zastosować transmisję synchroniczną?

    Sorry, że zawracam głowę ale nie mam doświadczenia w projektowaniu układów pracujących na zewnątrz. :(

    0
  • #4 17 Mar 2007 14:15
    trol.six
    Poziom 30  

    W praktyce stosuje elementy czytając dane katalogowe. Plus tolerancja. Zwykle działa.

    Poczytaj dokumentacje avr. W zakresie -40 do 80 C, może troche zegar sie rozjechać. Choć jeszcze powinno dla 1Mhz wystarczyć, po poprawnej kalibracji przy 25C.

    Dlatego ja bym dał kwarc.

    Zawsze mozesz zrobić próbe. Jeżeli sie kwarc rozjedzie za bardzo, (w co watpie) , to jedynie kupno oscylatora.

    UART wypadałoby trzymać sie <2%. Ale tak pisze intuicyjnie. Ale też zreszta jest to w dokumentacji atmela.

    0
  • #5 05 Kwi 2007 15:35
    AVATAR_PL
    Poziom 14  

    Mam jeszcze jedno pytanko :)

    Jaki laminat lepiej zastosować ( i dlaczego), do budowy urządzeń zewnętrznych (zamkniętych w obudowie):
    1. Laminat szklano-epoksydowy
    2. Laminat fenelo-papierowy

    Chodzi mi głównie o wpływ zmian temperatury.

    0
  • #6 05 Kwi 2007 16:31
    victoriii
    Poziom 16  

    I popatrzyć na odpowiednie wykresy jak wzrasta ESR kondensatorów ze spadkiem temperatury. Aha, jeśli chodzi o kondensatory ceramiczne, to też mogą być duże zmiany pojemności, w zależności od dielektryka +/- 80%.

    0
  • Pomocny post
    #7 06 Kwi 2007 11:56
    shg
    Specjalista techniki cyfrowej

    Laminat obojętnie jaki. Rozszerzalność cieplna jest małą, a końcówki elementów dość elastyczne, wytrzama wszystko bez problomu.
    Spoiwo oczywiście z ołowiem, bezołowiowe nie za bardzo radzi sobie z niskimi temperaturami (ospa cynowa).
    Zwykły epoksydowo-szklany będzie dobry, nie chłonie wody i jest odporny na działanie czynników chemicznych oraz zarówno wysokich, jak i niskich temperatur.

    Jeszcze mi się przypomniało, zamiast lakierowania można gotowe urządzenie zanurzyć w roztopionym wosku, i trochę tak potrzymać żeby się mniej więcej do temperatury wosku wszystkie elementy i płytka rozgrzały (ważne). Po wyjęciu zostanie na elementach cieńka warstwa świetnie zabezpieczająca przed wilgocią. Widziałem takie rozwiązanie w jakimś kawałku elektroniki samochodowej.

    0
  • #8 06 Kwi 2007 17:24
    AVATAR_PL
    Poziom 14  

    @shg Dzięki za fachowe rady :).
    Czy mógłbyś jeszcze napisać o co dokładnie chodzi z tym pochłanianiem wilgoci przez laminat, słyszałem o tym zjawisku ale nie wiem czym to się objawia i po jakim czasie (oczywiście chodzi o laminat fenelo-papierowy).
    Czy chodzi o to, że laminat po prostu się rozwarstwi, rozpadnie, poodklejają się ścieżki czy tylko zmieni się jego impedancja (co nie jest takie straszne)??

    0
  • #9 06 Kwi 2007 18:10
    shg
    Specjalista techniki cyfrowej

    Może się stać wszystko to, o czym piszesz, o ile w ogóle będzie pochłaniał wilgoć. Żywice syntetyczne i inne tworzywa sztuczne pod wpływem wilgoci najczęściej pęcznieją, jedne mniej, inne bardziej. Żywice epoksydowe praktycxznie wcale.
    Żywice fenolowo-formaldehydowe są dość odporne na wodę, nie wiem tylko jak bardzo.
    Z laminatem papierowym niestety nie miałem do czynienia. Na pewno proces starzenia potrwa dość długo, conajmniej 10 lat powinien wytrzymać, chociaż to raczej kwestia jakości wykonania. Weźmy na przykład takie elementy wykonane ze sklejki (sklejkę robi się na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych) jedne wytrzymują na dworze wystawione na działanie deszczu, słońca i czego tam jeszcze po conajmniej kilka lat, a inne już po pierwszej zimie zaczynbają się rozwarstwiać, kruszyć. Chyba jest to raczej kwestia "nasączenia" materiału nośnego żywicą i właściwości samej żywicy.
    Myślę że najleiej nie kombinować i zastosować laminat epoksydowo szklany, z nim problemów na pewno nie będzie.

    0
  • #10 02 Paź 2007 12:38
    atom1477
    Poziom 43  

    A jaj mam jeszcze lepsze pytanie:
    Jak poradzi sobie procesor ATMega albo jakiś inny i inne elementy elektroniczne podczas pracy w temperaturze jakieś -180...-150*C?
    Co konkretnie szkodzi elementom w tak niskich temperaturach?
    Wiem że producent podaje najniższą dopuszczalną temperaturę pracy równa jakieś -50*C ale nie pisze co konkretnie stanie się jak temperatura będzie jeszcze niższa. Zmiany napięć referencyjnych, niższa maksymalna częstotliwość pracy mi nie przeszkadzają. Chodzi mi tylko o to czy struktura albo obudowa nie popęka, albo coś w tym rodzaju.
    Pytanie dotyczy tez takich elementów jak rezystory i kondensatory. Oczywiście domyślam się że elementy mogą nawet kilkakrotnie zmienić swoje wartości i dlatego domyślam się że będę musiał wstawić na przykład kilka kondensatorów ceramicznych 100nF zamiast jednego 100nF do filtrowania zasilania. Elektrolitycznych nawet nie wstawiam bo one na bank zamarzną.
    A jak wytrzymają tak niską temeraturę połączenia lutowane? Może trzeba je robić jakimś specjalnym stopem lutowniczym?

    0
  • #11 02 Paź 2007 12:46
    Ch.M.
    Poziom 27  

    Tu raczej problemem będzie różna rozszerzalność temperaturowa (np. pinów i plastyku obudow procka) a nie zmiany częstotliwości oscylacji.

    0
  • #12 02 Paź 2007 12:49
    Koriel
    Poziom 13  

    W tej temperaturze normalne półprzewodniki przestają działać (ale nie ulegają zniszczeniu, po ogrzaniu wracają ich właściwości), jest na youtubie filmik z eksperymentu polegającego na zanużeniu diody LED w ciekłym azocie.

    0
  • #13 02 Paź 2007 12:50
    atom1477
    Poziom 43  

    Też tak myślałem i dlatego zamierzam rozpuścić obudowę jakimś rozpuszczalnikiem i zastawić tylko cienką warstwę tak aby jej różnica rozszerzalności względem płytki krzemowej nie powodowała kruszenia struktury.

    Mi chodzi o urządzenia krzemowe a nie o jakieś arsenkowo-galowe.
    A w dodatku ciekły azot to -270*C a mi wystarczy - 180*C.
    Może jakis link do tego experymentu na YouTube?

    0
  • #14 02 Paź 2007 13:08
    autoservice
    Poziom 20  

    Witam.
    A może by tak zastosować jakiś układ automatycznej regulacji podtrzymania temperatury w obrębie płytki...za pomocą kilku rezystorów dużej mocy (5W).
    Jakiś mosfet, termistor i wszystko zgrane tak aby poniżej np 5stop liniowo z temperaturą wzrastała wydzielana moc na rezystorach aby nie dopuścić to ujemnej temperatury wewnątrz urządzenia... dolna granica to oczywiście granica wytrzymałości mocowej rezytosrów, ale oczywiście jeśli do okoła jest -30stop to chyba dużo wytrzymają ;)
    Pzdr.

    0
  • #15 02 Paź 2007 14:27
    Ch.M.
    Poziom 27  

    Nie słyszałem by procesory czy pamięci nie lubiły niskiej temperatury... wręcz przeciwnie pracuje sie im dużo lepiej przy niskich (po schłodzeniu procka do niskiej temperatury można podnieść napięcie zasilania i taktować takowego o 100% szybciej) Zawsze można go podgrzewać od wewnątrz przepuszczając przez niego maksymalny prąd np przez rezystor czy diodę 20mA. Obudową SMD się nie przejmuj ani niską temperaturą, ważne tylko jest, by była ona stała!
    Pozdrawiam

    0
  • #17 02 Paź 2007 16:37
    shg
    Specjalista techniki cyfrowej

    Ch.M. napisał:
    Nie słyszałem by procesory czy pamięci nie lubiły niskiej temperatury... wręcz przeciwnie pracuje sie im dużo lepiej przy niskich (po schłodzeniu procka do niskiej temperatury można podnieść napięcie zasilania i taktować takowego o 100% szybciej)


    No nie zupełnie.
    Faktycznie "pracuje im się lepiej" w niskiej temperaturze, ale powód tego jest zupełnie inny. Zjawisko dyfuzji, które powoduje "rozmycie" struktury układu (po dłuższym czasie) zachodzi szybciej w wysokiej temperaturze. Obecnie elementy z których składa się procesor są już na tyle małe, że efektu dyfuzji nie można pomijać (wymiary rzędu zaledwie tysięca atomów).

    Co zaś do chłodzenia, to jego sens jest nieco inny.
    Pracujący układ wydziela ciepło, to ciepło musi zostać odprowadzone na zewnątrz (gdyby tak nie było, to temperatura rosła by teoretycznei w nieskończoność, oczywiście wcześniej ukłąd się spali). Niestety po drodze od wydzielających ciepło elementów do zewnętrza znajduje się materiał, który posiada niezerową rezystancję termiczną (obudowa).
    Jedyne co możemy robić to chłodzenie obudowy.
    Straty w postaci ciepła rosną mniej więcej proporcjonalnie do częstotliwości i przoporcjonalnie do kwadratu napięcia zasilania. Zwiększając częstotliwość taktowania i/lub napięcie zwiększamy wydzielaną wewnątrz ilość ciepła. Żeby jednak nie uszkodzić struktury należy utrzymać jej temperaturę na bezpiecznym poziomie.

    Przy większej ilości wydzielanego ciepła większa będzie różnica temperatur na obu stronach obudowy (od strony struktury i radiatora). To jest tak jak z prądem, napięciem i rezystancją. Analogią napięcia jest różnica temperatur, analogia rezystancji jest rezystancja termiczna, a analogią prądu jest strumień ciepła (czyli moc w watach). Po kilku operacjach z prawa Fouriera dostaje się wzór analogiczny do wynikającego z prawa Ohma.

    ΔT = R_th * P
    Tak już teraz na skróty końcowy wniosek, bo to się OT robi. Jeżeli dwukrotnie podniesiemy wydzielaną wewnątrz moc, to w celu zachowania tej samej temperatury struktury układu musimy dwukrotnie zmniejszyć różnicę temperatur po obu stronach przegrody (obudowy) i tu leży przyczyna konieczności stosowania wydajniejszego chłodzenia przy "przetaktowywaniu" elektroniki.


    Co zaś do pytania, półprzewodniki krzemowe nie będą działać w tak niskiej temperaturze, nie znam dokładnie mechanizmu i nie chciał bym palnąć jakiejś głupoty, ale tak mi w głowie utkwiło, że poniżej minus kilkudziesięciu stopni Celsjusza nie działa (a przynajmniej nie tak jak by się od nigo oczekiwało).

    Rozwiązaniem prostym i niezawodnym będzie podgrzewanie wnętrza, przy okazji odpada problem rozszerzalności cieplnej.

    Obudowy nie rozpuścisz. Obudowy układów scalonych wykonuje się z żywic epoksydowych z dużą ilością wypełniacza (tlenek berylu, glinu i inne). Żywice epoksydowe są odporne praktycznie na wszystko. Można stężonym kwasem azotowym albo siarkowym na gorąco, ale to i tak długo trwa a z żywicy zostaje coś co przypomina smołe zmieszaną z węglem. w pierwszej kolejności znikną i tak końcówki układu. Jak już to lepiej było by zeszlifować. Z tym że to wszystko i tak wydaje mi się bezcelowe, bo usuniesz materiał z miejsc w których akurat jego rozszerzalność termiczna nie ma praktycznie znaczenia.

    atom1477 napisał:
    A w dodatku ciekły azot to -270*C a mi wystarczy - 180*C.

    Ciekły azot ma -196°C w porywach (temperatura wrzenia). -270°C i to niecałe ma ciekły hel.

    0
  • #18 02 Paź 2007 17:03
    trol.six
    Poziom 30  

    Z praktyki podkręcania wiem że czasem niższa temperatura w ogóle umożliwia prace z wyższa częstotliwoscia, nie tylko w kwestii samej zdolności odprowadzania ciepła od struktury.

    A spotkałem sie też z przykładami na forach overlockerskich z wygrzewaniem niektórych pamieci. Z tym że tutaj do końca nie wiem czy chodzi im o stałą temperature podczas pracy, czyli podczas podkręcania, czy ogólnie o wyższa temperature.

    0
  • #19 02 Paź 2007 17:22
    dex
    Poziom 27  

    A tak OT to ja jeszcze dodam że zdaje się super odbiorniki/konwerery te seti-jeti :) są chłodzone ciekłym azotem, czy jeszcze czymś lepszym bo blisko 0 nie ma szumów, albo są 'zerowe' :)

    0
  • #20 02 Paź 2007 21:14
    PiotrPitucha
    Poziom 33  

    Witam
    W niskich temperaturach z połączeń cyną może Ci się zrobic kasza, musiałbys spytać jakiegoś technologa, bo zwykly tinol po jakimś czasie się kruszy, o ile pamiętam takie zjawisko występuje koło -30 a więc jest realne że taka temperatura może się przytrafić.
    Oczywiście jest to proces długotrwały.
    Piotr

    0
  • #21 04 Paź 2007 18:37
    atom1477
    Poziom 43  

    Ogrzewanie będzie trochę problematyczne i dlatego pytam. A na ile długotrwały jest ten proces rozsypywania się cyny?

    0
  • #22 04 Paź 2007 20:29
    AVATAR_PL
    Poziom 14  

    @atom1477 Może byś napisał po co ci elektronika w tak niskiej temperaturze? W -180stC półprzewodnik po prostu nie działa, albo działa źle... i tyle.

    Jeśli chodzi o stopy lutownicze to prawdopodobnie niszczy je sama zmiana temperatur a nie temperatura sama w sobie.
    Ja rozumiem to tak: stop to połączenie jakiś pierwiastków chemicznych z których każdy ma inne właściwości temperaturowe, jeżeli ten stop ogrzejesz do np:50stC a następnie oziębisz (niekoniecznie gwałtownie) do np:-100stC to za pierwszym razem może nic się nie stanie ale za 20 razem to już nie był bym taki pewien. Musisz pamiętać że nie tylko sam stop tu pracuje, końcówki wyprowadzeń również (mogą szybko pojawić się zimne luty).

    Najlepiej napisz jaki pomysł chodzi ci po głowie to może, ktoś coś doradzi.

    0
  • #23 08 Paź 2007 07:35
    krzemowy
    Poziom 19  

    Co innego naprężenia mechaniczne wywołane zmianą temperatury a co innego zmiana postaci alotropowej cyny :) Zapraszam tutaj http://pl.wikipedia.org/wiki/Cyna. Jak widać, zjawisko zaczyna występować już w stosunkowo wysokiej temperaturze, niemniej przebiega naprawdę powoli. Trzeba jeszcze uwzględnić fakt że do lutowania nie stosuje się czystej cyny tylko stop a stopu to zjawisko może nie dotyczyć(bądź dotyczyć w innym stopniu).

    0
  • #24 08 Paź 2007 12:10
    atom1477
    Poziom 43  

    Ja wiem co sie dzieje z cyną w niskich temperaturach. Ale nie wiem co się dzieje ze stopem lutowniczym i dlatego pytam. Gdybym znał jakiegoś technologa to bym go zapytał ale że nie znam to pytam na elektrodzie.
    A ja na przykład realizuje się urządzenia elektroniczne w sztucznych satelitach? Przecierz tam za ciepło nie jest. Ogrzewa się je?

    0
  • #25 08 Paź 2007 13:04
    Filip
    Poziom 23  

    W tak niskich temperaturach sprawdzają się stopy ze srebrem (i oczywiście nieekologiczny ołów) oraz specjalne rozwiąznia bez lutowania. Problemy są mechaniczne przy zmianach temperatur i z rekrystalizacja stopu. Byl kiedyś projekt chłodzony wściekłym azotem LNA do WCDMA dla japończyków. Pierwszy prototyp był rozmiarów małej lodówki, potem udało się zrobić coś wielkości niedużego plecaka. Problemy z cyfrówką (głównie kwarce i pamięci) były takie że wywalono je poza obszar chłodzony. Jako przepusty do komory kriogenicznej użyto kowaru i specjalnego szkła o zbliżonym współczynniku rozszerzalności.

    0
  • #26 08 Paź 2007 19:24
    shg
    Specjalista techniki cyfrowej

    W satelitach nie jest aż tak zimno, tam jest kupa elektroniki, która się grzeje.
    Taki NOAA18 chyba 800W w środku ciepła generuje (z zewnątrz jest izolacja termiczna), w każdym bądź razie wydzielana moc jest mniej więcej tego rzędu. Podejrzewałbym, że w okolicy radiometru jest minus kilkadziesiąt (mniej niż -60) stopni Celsjusza, a to ze względu na obrazy termiczne, które kończą się w okolicy minus szśćdziesięciukilku stopni, bo radiometr pracujący w podczerwieni "termicznej" nie może rejestrować promieniowania ciał o temperaturze niższej niż on sam.
    Nie wiem jak wygląda temperatura tam gdzie siedzi cała elektronika, myślę że jest znacznie wyższa, a w okolicy radiometru jest celowo tak niska aby uzyskać odpowiednio szeroki zakres temperatur. Zresztą tam gdzie jest elektronika są też akumulatory (chyba Ni-MH), którym niska temperatura wybitnie nie służy.

    W promach kosmicznych jest tego ciepła tyle, że trzeba je odprowadzać na zewnątrz.

    Ołów w znacznym stopniu ogranicza efekt ospy cynowej. Nie znalazłem żadnych konkretów (tabelki, wykresy, obrazki i inne wyniki badań), poza jakimiś materiałami z MIT na temat lutowania, gdzie wymienione były różne dodatki i ich rola, między innymi antymon mający zapobiegać efektowi ospy cynowej, z adnotacją że znajdujące się w stopie 40% ołowiu jest do tego celu już i tak wystarczające.

    0
  • #27 09 Paź 2007 10:05
    atom1477
    Poziom 43  

    A baterie słoneczne jak sobie dają radę?

    0
  • #28 09 Paź 2007 12:03
    submariner
    Poziom 32  

    baterie sloneczne pracuja w dosc wysokiej temp. jak generuja prad to sa oswietlone i mocno nagrzane a jak sa w cieniu to i tak nic nie generuja :) i moga byc schlodzone do minus kilkudziesieciu - albo nizej w zaleznosci od konstrukcji.

    0
  • #29 09 Paź 2007 12:06
    dex
    Poziom 27  

    No dawać sobie muszą bo przecież są i działają, mysle że chodziło koledze o rodzaj spoiwa/lutowia.

    0
  • #30 09 Paź 2007 14:43
    submariner
    Poziom 32  

    do lutowania uzywa sie stopow mozliwe ze zawierajacych duzo Pb(Rosjanie) , lutowie jest w postaci tasiemki o mocno szaryn zabarwieniu i jakby wykonanej z Pb.
    Sa tez ogniwa z aluminiowymi sciezkami(najczesciej ogniwa niemieckie) wtedy uzywa sie specjalnych stopow.

    0