Нпл = 55,55 + 44,45 • 2 = 143,9 мм;

Впл = 100 + 60 = 160 мм;

Lпл = 1,6 0,2 = 1,6 мм;

Sпл = Hпл • Bпл = 14,39 • 16 = 230,24 см²

При коэффициенте заполнения по площади KS = 0,30 получаем

Nпл = Sпр.полн / Sпл/ K_S = 533,3 / 230,24 / 0,30 = 7,7 плат;

округляем число плат до целого значения и получаем восемь печатных плат размером 143,9160 мм.



3.2 Расчёт размеров корпуса

Для размещения плат высотой 143,9 мм выбираем блок высотой 4U2. Расчетная высота блока 4U2:

Нк = 88,1 +( 4 - 2)·44,45 = 170 мм.

Длина корпуса (ширина передней панели).

Максимальная высота элемента 45 мм, толщина платы 1,6 мм, а расстояние между платами выбрать 9 мм, то общая длина блока должна быть не менее 444,8 мм

Возьмем частичный блок. Рассчитаем длину частичного блока исходя из шага 5,08 мм. Вычисляем требуемое число шагов n:

Минимальное расстояние между самыми высокими элементами печатных плат составляет:

L_мпл =(444,8-(45+1,6)·8)/9=8 мм.

Тогда длина частичного блока:

Ширина корпуса.



Объем корпуса:

Объем блока получился слишком большим. Для уменьшения объема и количества плат, размещаем конденсаторы К-50-6-25В-500 мкФ на плате лежа, а резисторы МЛТ-0,25 и МЛТ-0,5- перпендикулярно плоскости печатной платы. Пересчитываем площади проекции резисторов и конденсаторов.

S_{пр. полн.} = 0,48·75 + 0,21·17 + 1,6·107 + 0,21·42 + 0,1·186 + 0,058·122 + 0,48·42 + 8,1·12 + 0,57·9 + 2,54·12 + 2,01·48 + 0,87·72 = 557,35 см²

S_{пр. полн.} 35,9 + 557,35 = 593,3 см²

Таблица 6.

Тип элемента	Vэл, см3	Sэл, см2	Sпр, см2	Sб, см2
МЛТ-0,5	0,14	1,634	0,21	1,38
МЛТ-0,25	0,046	0,783	0,1	0,66
К50-6-25В-500мкФ	11,45	30,50	8,1	14,3

При коэффициенте заполнения по площади K_S = 0,30 получаем

Nпл = Sпр.полн / Sпл/ K_S = 593,3 / 230,24 / 0,30 = 8,5 плат;

Округляем число плат и получаем 9 печатных плат.

Теперь саамы высокий элемент 18 мм, расстояние между платами 9 мм плюс 1,6 мм-толщина платы, то длина блока не менее 257,4 мм.



Минимальное расстояние между самыми высокими элементами печатных плат составляет:

L_мпл =(257,4-(18+1,6)·9)/10=8 мм.

Тогда длина частичного блока:

Объем корпуса:



4. Расчет охлаждающей системы

трансформатор магнитопровод электронный радиатор

Тепловые воздействия на электронные устройства имеют место при изготовлении, транспортировании, хранении и эксплуатации устройств.

Изменения температуры вызывают изменения электрических и механических свойств материалов и характеристик электронных элементов. При нагревании возникают обратимые и необратимые эффекты, приводящие к нестабильности параметров и снижению надежности.

Основной способ обеспечения требуемого теплового режима заключается в создании теплового динамического равновесия, при котором количество рассеиваемой теплоты равняется выделяемой энергии. Такое состояние называется установившимся тепловым режимом.

По тепловым характеристикам электронные элементы делят на две группы:

* элементы, выделяющие тепло (резисторы, транзисторы, трансформаторы, интегральные схемы, диоды);

* элементы, практически не выделяющие тепла (конденсаторы, катушки индуктивности).

Заметим, что элементы, не выделяющие тепла, нагреваются от расположенных рядом тепловыделяющих элементов.

В электронных устройствах практически вся потребляемая мощность превращается в тепло. На полезные электрические, световые или другие виды сигналов приходится не более 1% от потребляемой мощности. Исключение составляют вторичные источники питания, коэффициент полезного действия которых может достигать 70%.

Температурное поле реального электронного блока всегда неоднородно как вследствие неравномерности распределения тепловыделяющих элементов по объему блока, так и вследствие разных условий теплообмена и различной теплопроводности элементов конструкции.

Цель исследования теплового режима состоит в определении температуры воздуха в блоке и температуры поверхности каждого элемента. Требуется найти количественную зависимость температур элементов от мощности, выделяемой в каждом элементе, размеров блока и размещения элементов.

Аналитический расчет температуры всех элементов с учетом их взаимного влияния практически невозможен из-за большого числа факторов, влияющих на процесс теплообмена. При проведении тепловых расчетов используют упрощенные тепловые модели электронных блоков.

Простейшую тепловую модель электронного блока строят на основе замены совокупности реальных нагретых тел одной условной изотермической нагретой зоной.

Изотермическая зона - зона, имеющая одинаковую теплопроводность по всему объему и по всем направлениям. Предполагается, что источники тепла распределены равномерно по всему объему нагретой зоны.

В настоящее время применяют следующие способы охлаждения:

* естественное воздушное;

* принудительное воздушное;

* жидкостное;

* испарительное.

В блоках с воздушным охлаждением применяют корпуса двух видов:

* герметичные;

* перфорированные.

Независимо от выбранного способа, главной функцией системы охлаждения является перенос тепловой энергии от нагретой зоны в окружающую среду.

Физический перенос теплоты от нагретых тел к холодным осуществляется тремя путями:

* теплопроводностью - передачей теплоты внутри одного тела или между телами, находящимися в контакте;

* тепловым излучением - передачей тепловой энергии в виде электромагнитных колебаний;

* теплопередача конвекцией, происходящая в зоне соприкосновения жидкости или газа с нагретыми или холодными поверхностями твердого тела.

Перфорированным называют корпус, имеющий отверстия для воздухообмена между внутренней и внешней средами блока.

Причиной движения воздушных потоков при естественном охлаждении является подъемная сила, возникающая из-за разности плотностей холодного и нагретого воздуха.

Расчет параметров нагретой зоны

Площадь поверхности корпуса:

Полная площадь поверхности элементов блока питания:

Полная площадь поверхности остальных элементов:

Суммарная площадь поверхности всех тепловыделяющих элементов:



Полная площадь поверхности тепловыделяющих элементов блока питания:

+

Полная площадь поверхности остальных тепловыделяющих элементов:

Суммарная площадь поверхности всех тепловыделяющих элементов:

Суммарная площадь проекции тепловыделяющих элементов блока питания на плату:

Суммарная площадь проекции остальных тепловыделяющих элементов на плату:



Суммарная площадь проекции всех тепловыделяющих элементов на плату:

Суммарная площадь боковой поверхности всех тепловыделяющих элементов:

Суммарная площадь боковой поверхности тепловыделяющих элементов блока питания:

Суммарная площадь боковой поверхности остальных элементов:

За основу условного модуля примем печатную плату и представим его в виде прямоугольного параллелепипеда, длина и высота которого совпадают с высотой и шириной печатной платы соответственно:



Н_м = H_пл = 143,9 мм;

В_з = B_пл = 160,0 мм.

Длину условного модуля определим из условия равенства площадей боковых поверхностей тепловыделяющих элементов и боковых поверхностей условного модуля:

Тогда длина условного модуля для платы с блоком питания:

А длина условного модуля для остальных плат:

Расстояние между условными модулями:

Длина зоны:

L_з = L_к - 2 • L_мм =259 - 2 • 14 = 231 (мм).



Суммарный объем всех элементов нагретой зоны, включая объем печатных плат:

В блоке получается семь параллельных потоков. При установке вентилятора на задней стенке и параллельном размещении модулей в потоке получим:

lп = Hз+Вз (при Lм > Hз)

lп =160+143,9 = 303,9 мм

Рассчитаем площадь поперечного сечения охлаждающего потока при параллельном размещении модулей в потоке.

Sп = HкLк - (Vэ + Vпл)/Bз

Sп = 17·25,9 - (648,5 + 10·14,39·16·0,16)/160 = 434 см2

Расчет теплового баланса блока при принудительном охлаждении.

Для упрощения расчёта примем следующие ограничения:

- охлаждение блока происходит только за счёт конвективного теплообмена с охлаждающей средой. Передачей тепла за счёт излучения и теплопроводности пренебрегаем;

- тепловыделяющие элементы распределены по объёму блока равномерно;

- температура воздуха в нагретой зоне увеличивается пропорционально расстоянию от входа потока в нагретую зону.

Из последнего ограничения следует равенство



,

где Т_п - средняя температура охлаждающего потока; Т_вых - температура воздуха на выходе из нагретой зоны; Т_с - температура воздуха на входе в нагретую зону.

Мощность, передаваемая нагретой зоной охлаждающему потоку, определяется уравнением теплопередачи конвекцией

Р_зп = _к(Т_з - Т_п)S_зт ,

где _к - коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м²К); S_зт - площадь тепловыделяющей поверхности нагретой зоны, м²; Т_З - среднеповерхностная температура нагретой зоны, К.

Мощность, которую может вынести охлаждающей поток, определяется его теплоёмкостью:

Р_п = q_пС_вG_п(Т_вых - Т_с) ,

где G^п - объёмный расход воздуха, м³/c; С_в = 103 - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/кгК; q_П = 353/Т_п - плотность воздуха при температуре потока, кг/м³.

Мощность, рассеиваемая в блоке, определяется из условия баланса этих двух уравнений

Р_п = Р_зп = Р_б.

В реальном блоке всегда устанавливаются такие Тз, Тп и Твых, при которых выполняется



Р_б = Р_зп = Р_п.

Нам надо рассчитать G_п - объёмный расход воздуха. Это необходимо для того чтобы определить оптимальные параметры вентилятора. Но сначала рассчитаем площадь и размеры вентиляционных отверстий.

Возможны три варианта размещения модулей в блоке: параллельно боковой стенке блока; параллельно передней стенке блока; горизонтально. Вариант размещения модулей обозначим через параметр Мод, который может принимать три значения: Б, П и Г соответственно. Мы, как уже обговаривалось выше, располагаем платы перпендикулярно боковой стенке, поэтому Мод = Б.

Отверстия, расположенные ниже средней высоты корпуса (H_к/2), будем считать нижними, выше - верхними.

Чем больше площадь вентиляционных отверстий, тем эффективней происходит охлаждение блока, но тем больше пыли попадает внутрь блока. Размещение вентиляционных отверстий на верхней обшивке также нежелательно, так как через них попадает больше пыли, чем через отверстия, расположенные на боковых стенках.

Выбираем отверстия прямоугольной формы, имеющие коэффициент формы 0,65. Располагаем отверстия на боковых стенках.

Высоту отверстий принимаем равной:

h_отв = (Н_к - H_з )/2=(170-143,9)/2=13,1 мм.

Если отверстия по ширине займут 30% ширины корпуса, то площадь вентиляционных отверстий получится равной:

S_в=Вк·0,3· h_отв·2=17·0,3·1,31·2=12,5 см².



5. Расчет площади радиатора проходного транзистора блока питания

Рассчитаем площадь радиатора из условия:

где P_з.уд - удельная мощность нагретой зоны,

P_тр - мощность транзистора,

S_р - площадь поверхности радиатора.

Из электрической схемы мощность транзистора равна:

Удельная мощность нагретой зоны получилась P_з.уд = 0,03768 Вт/см² . Если фактическая удельная мощность нагретой зоны окажется заметно больше, значит, радиатор будет обеспечивать излишнее охлаждения транзистора ценой возможного увеличения размеров корпуса. Если заметно меньше - то транзистор будет недостаточно охлаждаться.

Необходимая площадь радиатора проходного транзистора равна:

Выберем штыревой радиатор, так как он занимает меньше места в блоке при той же площади поверхности по сравнению с пластинчатыми и ребристыми радиаторами. Наиболее эффективно брать штырьки в форме усеченного конуса, так как у них бульшая площадь поверхности, но для упрощения возьмем штырьки в форме кругового цилиндра. Расположим их с двух сторон пластины. Размеры радиатора:



H_пл.р = 30 мм; L_пл.р = 26 мм;B_пл.р = 7 мм;

d_шт = 2 мм; l_шт = 14 мм;n_шт = 80;

Таблица 7 Объем и площади радиатора

Тип элемента	Размеры, мм	Vэл, см3	Sэл, см2	Sпр, см2	Sб, см2	Nэл, шт
Радиатор с транзистором	26х30х35	9,21	96,55	10,72	75,11	1

Рисунок 5.1. Радиатор проходного транзистора блока питания



6. Расчет параметров электронного блока с учётом радиатора проходного транзистора

Расчет необходимого объема корпуса

Суммарный объем, занимаемый элементов блока питания:

Суммарный объем остальных элементов:

Суммарный объем всех элементов:

Необходимый объем корпуса при коэффициенте заполнения по объему К_V = 0,2:

Коэффициент заполнения по объему изначально выбирается исходя из статистики по аналогичным изделиям.

Определяем площадь проекции всех элементов на печатную плату:



Для блока питания.

Для того, чтобы уменьшить длину проводников в блоке питания, все его элементы будем располагать на одной плате.

S_{пр. полн.} = 0,6·4 + 0,168·2 + 0,6·2 + 0,44·6 + 0,058·2 + 0,27·2 + 0,48·4 + 0,3·2 + 26,15·1 +10,72·1 = 46,62 см²

Чтобы уместить все элементы блока питания на одной плате (при К_S = 0,3), ее площадь должна быть не менее:

Для остальных элементов.

S_{пр. полн.} = 0,48·75 + 0,21·17 + 1,6·107 + 0,21·42 + 0,1·186 + 0,058·122 + 0,48·42 + 8,1·12 + 0,57·9 + 2,54·12 + 2,01·48 + 0,87·72 = 557,35 см²

Суммарная площадь.

S_{пр. полн.} 46,62 + 557,5 = 603,97 см²

Так как при естественном воздушном охлаждении охлаждающий поток направлен вертикально вверх, то для повышения эффективности охлаждения печатные платы будем размещать вертикально. Наиболее эффективным будет размещение плат перпендикулярно боковой стенке. Попробуем разместить их таким образом.

Размеры корпуса и печатных плат выбираем в соответствии с ГОСТ 28601.3-90.

Возьмем плату с минимальными размерами, но с учетом необходимой для размещения всех элементов блока питания площадью:

H_пл = 55,55 + 44,45 • 3 = 143,9мм;

B_пл = 100 + 60 = 160 мм;

L_пл = 1,6 0,2 = 1,6 мм;

S_пл = H_пл • B_пл = 14,39 • 16 = 230,24 см²

При коэффициенте заполнения по площади K_S = 0,30 получаем

N_пл = S_{пр.полн} / S_пл/ K_S = 603,97 / 230,24 / 0,30 = 8,7 плат;

округляем число плат до целого значения и получаем девять печатных плат размером 143,9160 мм.

Размеры корпуса не изменяем.

Объем корпуса:

Расчет параметров нагретой зоны.

Площадь поверхности корпуса:

Полная площадь поверхности элементов блока питания:



Полная площадь поверхности остальных элементов:

Суммарная площадь поверхности всех тепловыделяющих элементов:

Полная площадь поверхности тепловыделяющих элементов блока питания:

Полная площадь поверхности остальных тепловыделяющих элементов:

Суммарная площадь поверхности всех тепловыделяющих элементов:



Суммарная площадь проекции тепловыделяющих элементов блока питания на плату:

Суммарная площадь проекции остальных тепловыделяющих элементов на плату:

Суммарная площадь проекции всех тепловыделяющих элементов на плату:

Суммарная площадь боковой поверхности всех тепловыделяющих элементов:

Суммарная площадь боковой поверхности тепловыделяющих элементов блока питания:



Суммарная площадь боковой поверхности остальных элементов:

Рассчитаем условные модули нагретой зоны (рисунок 5).

За основу условного модуля примем печатную плату и представим его в виде прямоугольного параллелепипеда, длина и высота которого совпадают с высотой и шириной печатной платы соответственно:

Н_м = H_пл = 143,9 мм;

Вз = B_пл = 160,0 мм.

Длина условного модуля определим из условия равенства площадей боковых поверхностей тепловыделяющих элементов и боковых поверхностей условного модуля:

Тогда ширина условного модуля для платы с блоком питания:

А ширина условного модуля для остальных плат:



Расстояние между условными модулями:

Тогда размеры нагретой зоны:

H_з = H_м = 143,9 мм;

B_з = B_м = 160 мм;

L_з = L_к - 2 • L_мм = 259 - 2 • 12,4= 234,2 (мм).

Суммарный объем всех элементов нагретой зоны, включая объем печатных плат:

В блоке получается семь параллельных потоков. При установке вентилятора на задней стенке и параллельном размещении модулей в потоке получим:

lп = Hз+Вз (при Lм > Hз)

lп =160+143,9 = 303,9 мм

Рассчитаем площадь поперечного сечения охлаждающего потока при параллельном размещении модулей в потоке.



Sп = HкLк - (Vэ + Vпл)/Bз

Sп = 17·25,9 - (651,73 +9·14,39·16·0,16)/160 =434 см2

При числе последовательно размещенных модулей, равном шести, получим:

S_п.посл = S_п.пар/9

S_п.посл = 434/9 = 48,2 см²

Рисунок 6.1. Условные модули нагретой зоны

Расчет теплового баланса блока при принудительном охлаждении.

Для упрощения расчёта примем следующие ограничения:

- охлаждение блока происходит только за счёт конвективного теплообмена с охлаждающей средой. Передачей тепла за счёт излучения и теплопроводности пренебрегаем;

- тепловыделяющие элементы распределены по объёму блока равномерно;

- температура воздуха в нагретой зоне увеличивается пропорционально расстоянию от входа потока в нагретую зону.

Из последнего ограничения следует равенство



,

где Т_п - средняя температура охлаждающего потока; Т_вых - температура воздуха на выходе из нагретой зоны; Т_с - температура воздуха на входе в нагретую зону.

Мощность, передаваемая нагретой зоной охлаждающему потоку, определяется уравнением теплопередачи конвекцией

Р_зп = _к(Т_з - Т_п)S_зт ,

где _к - коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м²К); S_зт - площадь тепловыделяющей поверхности нагретой зоны, м²; Т_З - среднеповерхностная температура нагретой зоны, К.

Мощность, которую может вынести охлаждающей поток, определяется его теплоёмкостью:

Р_п = q_пС_вG_п(Т_вых - Т_с) ,

где G_п - объёмный расход воздуха, м³/c; С_в = 103 - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/кгК; q_П = 353/Т_п - плотность воздуха при температуре потока, кг/м³.

Мощность, рассеиваемая в блоке, определяется из условия баланса этих двух уравнений

Р_п = Р_зп = Р_б.

В реальном блоке всегда устанавливаются такие Тз, Тп и Твых, при которых выполняется Р_б = Р_зп = Р_п.

Нам надо рассчитать G_п - объёмный расход воздуха. Это необходимо для того чтобы определить оптимальные параметры вентилятора. Но сначала рассчитаем площадь и размеры вентиляционных отверстий.

Возможны три варианта размещения модулей в блоке: параллельно боковой стенке блока; параллельно передней стенке блока; горизонтально. Вариант размещения модулей обозначим через параметр Мод, который может принимать три значения: Б, П и Г соответственно. Мы, как уже обговаривалось выше, располагаем платы перпендикулярно боковой стенке, поэтому Мод = Б.

Чем больше площадь вентиляционных отверстий, тем эффективней происходит охлаждение блока, но тем больше пыли попадает внутрь блока. Размещение вентиляционных отверстий на верхней обшивке также нежелательно, так как через них попадает больше пыли, чем через отверстия, расположенные на боковых стенках.

Расположим отверстия на боковых стенках корпуса: Н_н = 20 мм;

Выбираем отверстия прямоугольной формы, имеющие коэффициент формы 0,65. Располагаем отверстия на боковых стенках.

Вытоту отверстий принимаем равной:

h_отв = (H_к - H_з )/2=(160-143,9)/2=13,1 мм.

Если отверстия по ширине займут 30% ширине корпуса, то площадь вентиляционных отверстий получится равной:

S_в=Bк·0,3· h_отв·2=16·0,3·1,31·2=12,5 см².

Итак, нам известны:

- P_б - мощность рассеиваемая в блоке, которая равна полной мощности трансформатора, так как другие элементы мощностью не обладают (P_б = P_т = 65 Вт).

- Т_{з. доп.} = 52 °C (задана допустимая температура зоны)

- также известны все геометрические размеры, такие как: S_зт, l_п и т.д.

Формулы, используемые для расчёта:

;

U_п = G_п/S_п;

;

;

Для упрощения расчёта воспользуемся программой CCool_EN.exe, мощность вентилятора примем равной P_в = 21 Вт. Располагаем вентилятор на задней стенке. Проведём расчёт с учётом площади радиатора.

Вентиляция вытяжная

Gв = 0,001915 м³/c

Pб = 65 Вт Sзт = 1292 см² tвых = 52 C

tз = 52 C Sзп = 3026 см² tп = 39,35 C

tc = 25 C Sк = 2253 см² Pзуд = 0,05031 Вт/см²

lп = 303,9 мм Sп = 434 см² Uп = 0,04615 м/c

Pв = 21 Вт Sв = 12,5 см² Rп = 5,342 Па

dtв = 10,15 C

Вентиляция приточная

Gв = 0,002961 м³/c

Pб = 65 Вт Sзт = 1292 см² tвых = 52 C

tз = 52 C Sзп = 3026 см² tп = 41,3 C

tc = 25 C Sк = 2253 см² Pзуд = 0,05031 Вт/см²

lп = 303,9 мм Sп = 434 см² Uп = 0,0647 м/c

Pв = 21 Вт Sв = 12,5 см² Rп = 38,97 Па

dtв = 5,989 C

Из расчета следует, что требуется вентилятор, обеспечивающий давление 38,97 Па при расходе воздуха 0,002961 м³/c. Исходя из типового значения КПД=0,8%, рассчитаем мощность вентилятора:

Р_в= G_в · р_в/ КПД=0,002961·38,97/0,008=14,4 Вт

Повторим расчет для мощности вентилятора 14,4 Вт.

Вентиляция вытяжная

Gв = 0,00269 м³/c

Pб = 65 Вт Sзт = 1292 см² tвых = 52 C

tз = 52 C Sзп = 3026 см² tп = 40,75 C

tc = 25 C Sк = 2253 см² Pзуд = 0,05031 Вт/см2

lп = 303,9 мм Sп = 434 см² Uп = 0,05887 м/c

Pв = 14 Вт Sв = 12,5 см² Rп = 32,2 Па

dtв = 4,396 C

Для блока используем вентилятор ВН-2А.

Параметры вентилятора ВН-2А.

Таблица 8.

Параметр	Значение параметра
Gв, м3/с	0,033
рв, Па	3,43
Рв, Вт	21
КПД, %	0,54
Габариты, мм	129х129х39



Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован электронный блок минимальных размеров и его корпус с учётом технических требований. Также была рассчитана система охлаждения данного электронного блока.

Спроектировали трансформатор и радиатор проходного транзистора блока питания, сам блок питания в целом.

Данный проект мало опирается на практику и многие параметры в нём не учитывались, но в случае более углублённой доработки можно получить реально работающее устройство.



Литература

1. Николаев В.Т. Физические основы конструирования электронных устройств автоматики. В 3-х частях. Часть 1: Типовые конструкции, тепловые расчеты. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2006.

2. Николаев В.Т. Физические основы конструирования электронных устройств автоматики. В 3-х частях. Часть 2: Линии связи, паразитные процессы и экраны. учебное пособие. М.: МИЭТ, 2006.

3. Николаев В.Т. Физические основы конструирования электронных устройств автоматики. В 3-х частях. Часть 3: Примеры расчетов. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2009.

4.Иванова А.К., Миронова Н.Г., Шандурина Г.Ф. Оформление электрических принципиальных схем и чертежей печатных плат. М.: МИЭТ, 1990.

Размещено на Allbest.ru