3311

3 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

3.1 Тепловой расчет

При обеспечении необходимого теплового режима РЭС основные трудности связаны с отводом тепла, т.е. охлаждением.

В процессе переноса тепловой энергии в РЭС существует три способа передачи тепла: теплопроводностью (кондукцией), конвекцией и излучением. При нормальных климатических условиях и при естественном охлаждении 80% отводится за счет конвекции и по 10% остальными способами. Способы охлаждения РЭС можно разделить на основные классы: газовое (воздушное), жидкостное, испарительное, а также принудительное.

По тепловому режиму блоки и узлы РЭС делятся на теплонагруженные и не теплонагруженные. Тепловой поток через единицу поверхности до 0,05 Вт/см2 - малой тепловой нагрузки, свыше 0,05 Вт/см2 - большая тепловая нагрузка например: при естественном воздушном охлаждении g<=0,2Вт/см2, при жидкостном g<=20 Вт/см2.

Естественное воздушное охлаждение является наиболее простым, надежным и дешевым.

Принудительное воздушное охлаждение получило наибольшее распространение. Существует три основных схемы охлаждения: внутреннее перемешивание, наружный обдув, продувка.

Естественное жидкостное охлаждение – погружение в бак с жидкостью, применяется при высоких удельных мощностях.

Естественное испарительное охлаждением используется испарение и кипение жидкости. Широкое применение получили «тепловые трубы» с использованием капиллярного эффекта.

Принудительное испарительное охлаждение с помощью насосов.

71

Поэтому можно сделать вывод, что способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭС и уже на ранней стадии конструирования необходимо выбрать способ охлаждения РЭС, который должен обеспечить заданный по ТЗ тепловой режим.

Для выбора способа охлаждения прежде всего требуются следующие данные:

суммарная мощность Р, рассеиваемая в блоке;

диапазон возможного изменения температуры окружающей среды Рmах и Pmin;

время непрерывной работы τ;

допустимые температуры элементов Ti.

Кроме того, необходимо задать коэффициент заполнения блока Kv. Как это было показано выше Kv= Vэрэ/Nбл. Коэффициент заполнения блока характеризует степень полезного использования объема и является одним из главных показателей качества конструкции. Например: при удельной мощности рассеивания, равной

Руд=6 К∆t/L,

где t - перегрев блока относительного окружающей среды; L - длина сторон кубическо блока.

Из формулы видно, что с уменьшением габаритов

удельная мощность блока возрастает. Поэтому для МЭА Руд=20 Вт/дм3 , ε для РЭС 3 - 5 Bт/дм3.

Тепловой расчет усилителя мощности в герметичном корпусе с неоребренной поверхностью.

Способ охлаждения во многом определяет конструкцию, поэтому ее необходимо выбрать на ранней стадии проектирования. Перегрев, относительно окружающей среды, кор-пуса наименее теплостойкого элемента определяется по формуле:

где tc - температура окружающей среды;

ti min - температура наименее теплостойкого элемента.

72

Uc = 85-20 = 65 °С

Определим показатель плотности теплового потока по формуле

An

где Ф - суммарная мощность, рассеиваемая с поверхности усилителя;

q - плотность теплового потока;

rр - коэффициент учитывающий давление воздуха;

Аn - условная площадь поверхности теплообменника,

где L1, L2, L3- геометрические параметры блока; К3 - коэффициент заполнения УМ.

По формуле (2) определим плотность теплового потока:

q25 1 227Вт / м2 0.11

Из графика рисунка 2.4 [6], области целесообразности применения различных способов охлаждения, находим, что для системы охлаждения усилителя мощности необходимо выбрать свободное воздушное охлаждение.

Определим поверхность неоребренного корпуса усилителя мощности, Ан - площадь условной поверхности нагреваемой зоны, рассчитанная по формуле (3).

Подставляя числовые значения, в выражение получим:

Аn = 2[0,12•0,14+(0,12+0,14)-0,2•0,7]= 0,11 м2.

Коэффициент, зависящий от удельной мощности корпуса, усилителя мощности определяется из графика рисунка 4.6 [6], зависимость перегрева корпуса от удельной мощности U равен:

Ui=25 К.

Коэффициент, зависящий от удельной мощности нагретой зоны усилителя, мощности определяется из графика

73

рисунка 4.4 [6], зависимость перегрева нагретой зоны от удельной мощности рассеивания U определяется как равный:

U2=18,5K.

Рассчитаем относительный перегрев между нагретой

где L1 L2, L3 - геометрические параметры корпуса;

По формуле (4) определим условную поверхность нагреваемой зоны:

Sk = 2[0,12*0,14 +(0,12 + 0,14)*0,2]=0,14 м2.

Рассчитаем удельную мощность неоребренного корпуса по формуле

где qk - удельная мощность неоребренного корпуса; Р3 - мощность рассеиваемая в блоке;

SK - площадь неоребренной поверхности корпуса. Подставляя числовые значения в формулу (5) получим:

qk 025,14 182 Вт/м2.

Рассчитаем удельную мощность нагретой зоны по формуле

U1- коэффициент, зависящий от удельной мощности корпуса.

Подставляя значения в формулу получим:

U21 25 18,5 6,5К .

Рассчитаем поверхность оребренного корпуса усилителя

где Р – мощность рассеиваемая в усилителе;

Sкр - удельная площадь оребрения поверхности. Подставляя числовые значения в формулу (9) получим:

qкр 025,36 70 Вт/м2.

Коэффициент, зависящий от удельной мощности оребренного корпуса находим из рисунка 2 [6], зависимость перегрева корпуса от удельной мощности равен:

U1p= 10К.

Коэффициент, зависящий от атмосферного давления вне корпуса найдем из рисунка 3 [6], зависимость KHi от давления окружающей среды равен:

Кн1=1,1.

Коэффициент, зависящий от атмосферного давления внутри корпуса найдем из рисунка 4 [6], зависимость Кн2 от давления окружающей среды внутри аппарата, равен:

Кн2= 1,02.

Рассчитаем перегрев оребренного корпуса усилителя по формуле:

75

Uк=10·1,1=11К.

Рассчитаем перегрев нагретой зоны с оребренным

где Uк - перегрев оребренного корпуса;

U2 - коэффициент, зависящий от удельной мощности нагретой зоны;

U1 - коэффициент, зависящий от удельной мощности корпуса.

Подставляя значение в выражение (11) получим: U3=10+(25-18,5)-l,02=17 К.

Рассчитаем средний перегрев воздуха в блоке по

где Рэл – мощность рассеиваемая элементом; Sэл - площадь поверхности элементов.

Исходя из схемы электрической принципиальной усилителя мощности, наиболее температурно-критическими является выходной каскад, собранный на транзисторах КТ920 и К922. Справочные данные транзисторов по рассеиваемой мощности одинаковые, общая рассеиваемая мощность равна 12 Вт, поэтому проведем расчет одного из них.

Удельная мощность транзистора КТ922 рассчитаем по формуле (13)

Перегрев поверхности элементов рассчитывается по формуле

76

где q3 - перегрев нагретой зоны усилителя;

а и b - коэффициенты, найденные методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных по тепловым режимам реальных радиоэлектронных аппаратов, они соответственно равны а=0,75, b=0,25 [6].

Исходя из формулы (14) рассчитывается перегрев поверхности элементов:

Uэл 0,75 0,25 204 17 18К .

228

Перегрев окружающей среды элементов находится по формуле

где UB - средний перегрев воздуха в блоке.

Подставляя числовые значения в выражение (15)

Температура поверхности корпуса усилителя находится

Температура поверхности нагретой зоны находится по

где U3 - перегрев нагретой зоны с оребренным корпусом.

Т3=17+293=310 К.

77

Температура поверхности элементов находится по формуле

где Uэл - перегрев поверхности элемента.

Подставляя значения в формулу (18) получается:

ТЭЛ=18+293=311К.

Средняя температура воздуха в блоке рассчитывается по

Температура окружающей элементы среды определяется

усилителя мощности. Общая мощность рассеивания 12Вт.

где tp - допустимая температура коллекторного перехода; tc - температура среды;

Ф - рассеиваемая мощность;

RBH- внутреннее тепловое сопротивление прибора; Rk - тепловое сопротивление контакта.

Параметры транзисторов tp, RBH, RK находятся по справочнику [10].

tи-tc=(85-18)-12(0,8+l,2)=47 °C.

Средняя температура основания радиатора определяется по формуле

1

где β1 – первое приближение, берется равное β1 – 1,2.

78

Рисунок 3.1 - Зависимость перегрева нагретой зоны от удельной мощности рассеивания.

Рисунок 3.2 – Зависимость перегрева корпуса от удельной мощности

79

а) 0≤Н1≤2,6*103 Па; б) 0≤Н≤130*103 Па

Рисунок 3.3 – Зависимость Кн1 от давления окружающей среды

80