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 U_вых=f(U_вх).

Рисунок 4 – Тепловые процессы в теплотроне

Выделенное в резисторе генератора R_п джоулево тепло передается по теплопроводящему каналу на терморезистор R_T, 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 U_ЭБ = 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, C_T = 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  = R¹_T C¹_T, где R¹_T = R_Tl, C¹_T = C_T 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 U_вых. 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