4 Расчет тепловых режимов

В проектируемом стабилизаторе необходимо обеспечить отвод тепла в окружающую среду без перегрева элементов схемы. Исходными данными для расчета являются заданная температура окружающей среды Тс, мощность рассеивания на элементах схемы и теплотехнические параметры этих элементов. Помимо резисторов, которые выбираются в соответствии с рассеиваемой на них мощностью, тепловыделяющими элементами являются микросхемы и транзисторы. Для увеличения теплоотдачи в окружающую среду их устанавливают на дополнительном теплоотводе - радиаторе. Задача радиатора - удержать переходы транзистора или микросхемы при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры. Зная мощность, которую рассеивает элемент в данной схеме и его температурные параметры с учетом максимальной рабочей температуры окружающей среды можно рассчитать требуемое тепловое сопротивление дополнительного радиатора.

Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, то используют тонкие изолирующие прокладки и смазку, а также изолирующие вкладыши для монтажных винтов. Прокладки делаются из слюды, изолированного алюминия, двуокиси бериллия ВеО , нитрида бора, окиси алюминия. В качестве теплопроводящих смазок используются кремнийорганические компаунды. Например, ПМС-100 ГОСТ 13032-77 или КПТ-8 ГОСТ 19783-74 [2]. Тепловое сопротивление между корпусом элемента и радиатором, вносимое прокладкой, составляет 0,14 0,4 °С/Вт. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, тепловое сопротивление корпус-радиатор составляет 0,1 0,2 °С/Вт [7, 16]. В этом случае необходимо изолировать радиатор от корпуса прибора.

Температура перехода транзистора находится как:

4.1

где - температура окружающей среды;

Р - мощность, рассеиваемая на переходе;

, , — тепловые сопротивления переход-корпус, корпус радиатор, радиатор-среда соответственно.

Из (3.1) находим требуемое значение теплового сопротивления радиатора:

=( - )/P- - 4.2

Температура корпуса полупроводникового прибора:

= -P 4.3

Разность температур радиатора и внешней среды:

= -Р( + )- . 4.4

Определим тепловой режим микросхемы А1. Поскольку для микросхемы известно значение теплового сопротивления переход-среда, определим максимальную температуру перехода:

= +P ( ) 4.5

где = + + - тепловое сопротивление переход-среда.

Мощность, рассеиваемая микросхемой А1, составляет:

4.6

где ⁼ 10 мА - максимальный ток силового транзистора микросхемы А1 ;

= 4 мА - ток, потребляемый микросхемой А1 в цепи управления.

В нашем случае Р_А = (10,6 -2-0,6) 10-10 0,14+29,74 4 = 185 мВт. = 30 + 0,185 110 = 50,35 °С. Полученное значение меньше максимально допустимой температуры перехода 50,35 < 150 °С, т.е. микросхема А1 не нуждается в дополнительном теплоотводе.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе VТ2, составляет согласно (1.9) = 0,98 Вт. В справочных данных на транзисторы приводится только тепловое сопротивление переход-корпус транзистора [7, 8]. Задаемся максимальной температурой перехода = 105 °С, меньшей чем её максимально допустимое значение. Убеждаемся, что при этом температура корпуса транзистора не превышает максимально допустимое значение = 105 - 0,98 10 = 98 < 100 °С. Полагаем, что транзистор имеет хороший тепловой контакт с радиатором, принимаем = 0,1 °С/Вт. Из (3.2) находим требуемое значение теплового сопротивления внешнего радиатора = (105 - 30)/0,96 - 10 - 0,1 = 68 °С/Вт.

Разность температур радиатора и внешней среды согласно (3.4) составляет = 105 - 0,96(10 + 0,1) - 30 = 65 °С. В таблице Б.4 приводятся значения тепловых сопротивлений радиаторов различных типоразмеров при трех значениях разности температур радиатора и внешней среды [2, 16]. По рассчитанным выше значениям выбираем пластинчатый радиатор с минимальными размерами 20/30/3 мм.

Определим тепловой режим транзистора VТ1. В качестве VТ1 предполагалось использовать четыре параллельно соединенных транзисторов. На каждом транзисторе рассеивается мощность P = 20 Вт. Задаемся максимальной температурой перехода T = 115 °С. Убеждаемся, что температура корпуса транзистора при этом меньше предельно допустимого значения Т = 115 - 20 1 = 95 < 100 °С,

Полагаем, что все транзисторы крепятся на радиатор без электроизоляционных прокладок с использованием теплопроводящей мастики. Для такого крепления принимаем = 0,1 С/Вт [16]. Требуемое значение теплового сопротивления радиатора согласно (5.2) равно = (115 - 30)/20 - 1 - 0,1 = 3,15 С/Вт. Разность температур радиатора и внешней среды находим из (4.4), = 115 - 20(1 + 0,1) - 30 = 63 °С. Из таблицы Б.4 выбираем ребристый радиатор с размерами 100/40/32мм. Поскольку коллекторы транзисторов имеют одинаковый потенциал, их удобно крепить на общий радиатор. Площадь основания такого радиатора может быть на 10 15 % меньше суммарной площади отдельных радиаторов [4, 16].

5 Расчет основных параметров стабилизатора

Наиболее важными параметрами, характеризующими стабилизатор, являются коэффициент сглаживания, амплитуда пульсаций выходного напряжения, нестабильность выходного напряжения, выходное сопротивление, коэффициент полезного действия (КПД). Эти параметры (кроме КПД) определяются в основном свойствами интегрального стабилизатора.

5.1 Расчет коэффициента сглаживания

Коэффициент сглаживания определятся отношением относительных амплитуд пульсаций напряжения питания и напряжения нагрузки ⁼ ( ) / ( ).В нашем случае при частоте пульсаций 100 Гц имеем = 50 дБ = 316. Силовые транзисторы VТ1, VТ2 включены по схеме с общим коллектором. Поэтому, общий коэффициент сглаживания можно принять равным = 316 [6].

Коэффициент пульсаций выходного напряжения:

5.1

где = - коэффициент пульсаций напряжения питания;

= = 12/21 = 0,57 - коэффициент передачи выходного делителя напряжения.

Для нашего примера = 0,04/316/(12/21) = 2,2 10 , что значительно меньше требуемого в задании. Максимальная амплитуда пульсаций составляет = 2,2 10 21=4,6 мВ

5.2 Расчет коэффициента нестабильности

Нестабильность по напряжению питания определяется также параметрами микросхемы А1 и может быть получена как:

5.2

где -- коэффициент нестабильности схемы А1 по входному напряжению;

— изменение напряжения питания микросхемы А1 .

В нашем случае из справочных данных на К142ЕН2Б имеем 0,1 %/В. Отсюда = 0,1 28,63 0,2 = 0,57 %.

Нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно оценить из выражения:

5.3

где - коэффициент нестабильности по току нагрузки микросхема А1;

, , - изменения падения напряжений на эмиттерных переходах транзисторов VТ1, VТ2 и резисторе R8 при полном изменении тока нагрузки.

Для нахождения , необходимо знать входные характеристики транзисторов или их входные сопротивления. При отсутствии этих данных можно воспользоваться приближенными выражениями (0,1 0,2) , (0,1 0,2) .В рассматриваемом варианте имеем = 0,5 5/20/40/0,57 + 0,1(0,2 2 + 0,2 0,6 + 5 0,15) = 0,13 %.

Выходное сопротивление стабилизатора:

5.4

где — полное изменение тока нагрузки = . Для нашего варианта = 0,13 21/5 = 0,55 Ом. Температурная нестабильность определяется в основном температурным уходом напряжения выходного делителя и микросхемы А1:

5.5

где , - температурные коэффициенты микросхемы А1 и выходного делителя соответственно.

Из справочных данных имеем = 0,01 %/°С, = 0,01 %/°С. При заданных температурных условиях окружающей среды находим = (0,01 + 0,01)(30 + 10) = 0,8 %.

Общий коэффициент нестабильности находится суммированием всех составляющих:

5.6

Для нашего варианта = 0,57 + 0,13 + 0,8 = 1,5 %, что меньше заданного значения 1,5 < 2%.

5.3 Расчет КПД стабилизатора

КПД стабилизатора изменяется в зависимости от режимов нагрузки и питающего напряжения. Минимальное его значение наблюдается при наибольших потерях мощности в схеме:

, 5.7

максимальное значение — при наименьших потерях:

, 5.8

где , - токи, потребляемые от основного и дополнительного источников питания соответственно.

В рассматриваемом варианте можно принять = Ток

Дополнительного источника = + ⁼ 0,37 + 0,01 = 0,38 А.

Для первого диапазона регулирования

= 15 5/[25,02 1,1 5 + 9,26 1,1 0,38] = 0,53,

= 18 5/[25,02 0,9 5 + 9,26 0,9 0,38] = 0,78.

Для второго диапазона регулирования

= 18 5/[28,63 1,1 5 + 9,26 1,1 0,38] = 0,55,

= 21 5/[28,63 0,9 5 + 9,26 0,9 0,38] = 0,80

Список литературы

1. Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - 6-е изд., перераб. и доп. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 703 с.

2 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельт. -М.: Радио и связь, 1986. - 576 с.

3 Новаченко Н.В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: справочник / Н.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов. - М.: Радио и связь, 1989. - 384 с.

4 Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / С.Д. Додика и др.; под ред. Е.И. Гальперина. - М.: Советское радио, 1969. - 448 с.

5 Источники вторичного электропитания / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др.; под ред. Ю.И. Конева. -2-е изд., пераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 280 с.

6 Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, и др.; под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1983. - 280 с.

7 Полупроводниковые приборы: Транзисторы средней и большой мощности: справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.; под ред. А.В. Голомедова. — М.: Радио и связь, 1989. -640с.

8 Транзисторы: справочник/ О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев и др. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.

9 Китаев В.Е. Проектирование источников электропитания устройств связи: учеб. пособие / В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев. - М.: Связь, 1972. - 200 с.

10 Колосов В.А. Электропитание стационарной РЭА. Теория и практика проектирования / В.А. Колосов. - М.: Радио и связь, 1992.-160с.

11 Резисторы: справочник / Ю.Н. Андреев, А.И. Антонян, Д.М. Иванов и др.; под ред. И.И. Четвертакова. - М.: Энегоиздат, 1981. - 325 с.

361

12 Севернс Р. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: пер. с англ. / Р. Севернс, Г. Блум; под ред. Л.Е. Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с.

13 Справочная книга радиолюбителя-конструктора: в 2 кн. / А.А. Бокуняев, Н.М. Борисов, Е.Б. Гумеля и др. : под ред. Н.И. Чистякова. - 2-е изд., испр. - М.: Радио и связь, 1993. -336 с.

14 Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 744 с.

15 В помощь радиолюбителю: сборник / Сост. И.Н. Алексеева. - М.: Патриот, 1991.. Вып. 109. - 80 с.

16 Хоровиц П. Искусство схемотехники: в 3 т. Пер, с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993.-413с.

17 Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы / К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. — М.: Энергоатомиздат, 1990. -288с.

22