Исследование теплового режима блока питания

Исследуемый прибор предназначен для работы в помещении и ориентирован на бытового потребителя, условия эксплуатации отапливаемое помещение.

Прибор должен стабилизировать выходное напряжение от 170В до 240В с погрешностью 1 В, при входном напряжении от 150 В до 250 В.

Стабилизируемая мощность 1500 Вт.

Температура среды (помещение) от +5⁰С до +40⁰С

Прибор имеет габариты:

Высота- 105 мм

Ширина- 350 мм

Глубина- 270 мм

На лицевой панели имеется:

- индикатор напряжения

- информационные светодиоды

- автомат включения питания

- две выходные розетки

Основные тепловыделяющие элементы расположены на радиаторе, внутри корпуса. Радиатор расположен под углом 75⁰ к горизонту, причем ребра наклонены вниз.

Вентилятор расположен ниже радиатора и направляет поток воздуха вдоль ребер радиатора вверх.

Входные перфорированные отверстия расположены вверху. Воздух из окружающей среды омывает печатные платы и корпуса всех тепловыделяющих элементов.

Тепловыделяющими элементами являются:

транзисторы IRGS30В120К допустимая температура 160⁰С

диоды FES16AT-JT допустимая температура 150⁰С

выпрямительные диодные сборки КД638АС допустимая температура 100⁰С

 

Рис. 3.1 Общий вид стабилизатора напряжения

Для определения тепловых параметров и мощности тепловыделений в лаборатории кафедры теплофизики проводилась серия экспериментов. На установке (рис 3.2) состоящей из:

- амперметра на входе (Ц4311 класс точности 0, 2)

- вольтметра на входе (Ц4311 класс точности 0, 2)

- амперметра на выходе (Ц4311 класс точности 0, 2)

- вольтметра на выходе (Ц4311 класс точности 0, 2)

- ЛАТР на выходе (1М-220В 9А)

- резистивная нагрузка на выходе 30 Ом

В результате эксперимента (рис 3.3) было получено, что мощность выделяемая в приборе составляет 200 Вт. При выполнении экспериментов прибор вышел из строя. Поэтому все дальнейшие исследования проводились с помощью математического моделирования.

На рис 3.4 и рис 3.5 приведен вид стабилизатора со снятой крышкой и схема воздушных потоков внутри прибора. Основные тепловыделяющие элементы схемы прибора размещены на основании ребристого радиатора, который обдувается радиальным вентилятором типа JF0925S1H, обеспечивающим производительность 1, 47 м³/мин. Способ крепления силовых элементов представлен на рис 3.6. Величины мощности тепловыделений схемы задаются разработчиками.

Основной задачей теплового моделирования является определение температур корпусов тепловыделяющих элементов схемы. Несмотря на то, что элементы размещены на высокотеплопроводном (алюминий) основании, температуры их корпусов сильно отличаются по причине больших величин мощности тепловыделений. Поэтому необходимо рассчитывать температурное поле основания радиатора. Сначала оценим какая доля мощности тепловыделений элемента уходит в основание радиатора, а какая – рассеивается самим корпусом элемента.

 

TEVS

V

A

A

V

Нагрузка

вход

выход

Термопары на тепловыделяющих элементах

 

 

Рис. 3.2 Схема экспериментальной установки

Рис. 3.3 Результаты экспериментов

 

Рис. 3.4 Стабилизатора со снятой крышкой

 

 

Радиатор

Печатные платы

Вентилятор

 

Рис. 3.5 Схема воздушных потоков внутри прибора

 

 

1, 5 мм

5 мм

КПТ-8

Тепловыделяющий элемент

Радиатор

Печатня плата

Рис. 3.6 Схема установки элемента на радиаторе

Оценка величины теплового потока от корпуса элемента к печатной плате. Печатная плата находится на расстоянии 5 мм от основания радиатора рис.3.6. Параллельные печатные платы друг от друга находятся на расстоянии 70мм, поэтому примем, что скорость воздуха в зазоре между основанием радиатора и печатной платой мала. Теплообмен корпуса элемента с печатной платой лучистый и кондуктивный. Предположим, что температура корпуса элемента 100⁰С, а температура печатной платы 50⁰С и степень черноты поверхности ε _к=ε _п=0, 9. Коэффициент облученности равен 1. Тогда коэффициент лучистого теплообмена равен

α _л=ε _прf(100, 50)=0, 81 10, 1=8 Вт/м²К. [3]

Площадь корпуса элемента приблизительно равна 1, 5 10^-4м². лучистая проводимость равна σ _л=α _л S=8 1, 5 10^-4=1, 2 10^-3 Вт/К

Кондуктивная проводимость через воздушную прослойку между печатной платой и корпусом толщиной δ =1, 5 мм можно оценить

σ _к=λ S/δ =3 10^-2 1.5 10^-4/1.5 10^-3=3 10^-3 Вт/К

При Δ Т=100-50=50 К тепловой поток от корпуса элемента к печатной плате

Р=(σ _к+σ _л) Δ Т=4, 2 10^-3 50=0, 21 Вт

Учитывая, что мощность тепловыделяющих элементов составляет величины порядка 10 Вт, тепловой поток от элементов в плату можно пренебречь.

Примем, что вся мощность элементов рассеивается радиатором.

Для определения перепада температур элемента и области основания радиатора, где установлен элемент, необходимо учитывать контактное тепловое сопротивление между радиатором и элементом.

Тепловую проводимость оребренной поверхности определяем исходя из скорости воздушного потока V=4, 6 м/с. Расчет тепловой проводимости радиатора приведен в приложении 1.

Для радиатора длиной 0, 3 м коэффициент теплообмена составляет α _э=72 Вт/м²К

Размещение тепловыделяющих элементов весьма неравномерно. Поэтому температура областей контакта радиатора с различными элементами может существенно отличатся друг от друга. Тепловые потоки от элементов, задаются в виде поверхностной плотности потока в локальном прямоугольных контактах. Проведен расчет двухмерного поля основания радиатора при описанных граничных условиях, с помощью программы «Пластина». Распечатка варианта решения программы приведена в приложении 2, а изображение температурных полей приведено на рис. 3.7. Программа решает задачу стационарной теплопроводности для анизотропной прямоугольной пластины методом конечных разностей. На пластине задаются источники тепловыделений в отдельных областях и пластина имеет конвективно-лучистый теплообмен со средой. На торцах пластины задаются граничные условия 3-го рода.

при х=0

при х=l_x

при y=0

при y=l_y

Из результатов расчетов можно определить температуры в зонах контакта радиатора и элемента. Температура корпуса элемента будет выше температуры радиатора, так как имеет место контактное тепловое сопротивление. Элементы устанавливаются с использованием теплопроводной пасты КПТ-8, теплопроводность которой равна 0, 7 Вт/(м К). Расчет контактного сопротивления для крепления элементов винтами с резьбой М3 проводится с учетом результатов соответствующих экспериментов, проведенных на кафедре теплофизики в рамках студенческих УИРС. Удельное контактное сопротивление (К м²)/Вт поэтому R=r S и равняется 0, 66 К/Вт

Минимальная температура 1010С

Максимальная температура 1140С

Рис. 3.7

 

Выводы:

Результаты расчетов введем в таблицу 3.1 из таблицы видно, что отдельные элементы имеют температуры выше допустимой.

Для обеспечения теплового режима стабилизатора необходимо моделировать систему охлаждения.

 

Таблица 3.1

Элемент	Мощность Вт	Площадь контакта м2	Контактное сопротивление К/Вт	Допустимая температура0С	Температура радиатора под элементом 0С	Температура корпуса элемента 0С
FES16AT-JT		0, 00015	0, 6667			114, 7
FES16AT-JT		0, 00015	0, 6667			116, 7
FES16AT-JT		0, 00015	0, 6667			117, 7
FES16AT-JT		0, 00015	0, 6667			117, 7
КД638АС		0, 00015	0, 6667			112, 3
КД638АС		0, 00015	0, 6667		108, 5	111, 8
КД638АС		0, 00015	0, 6667			112, 3
IRGS30В120К		0, 000225	0, 4444			118, 7
IRGS30В120К		0, 000225	0, 4444		113, 5	120, 2
IRGS30В120К		0, 000225	0, 4444			119, 7
IRGS30В120К		0, 000225	0, 4444			117, 7
IRGS30В120К		0, 000225	0, 4444			123, 1
IRGS30В120К		0, 000225	0, 4444			122, 1

Суммарная мощность 165 Вт оставшейся мощность выделяется в других элементах

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Свержение шахского режима в 1978—1979 гг.
2. I. Теоретические основы экономического воспитания детей старшего дошкольного возраста посредством сюжетно-ролевой игры
3. I.3. ГОСУДАРСТВО И ОБЩЕСТВО : НЕДООЦЕНКА ВОСПИТАНИЯ
4. I.4. СЕМЬЯ И ШКОЛА : ОТСУТСТВИЕ УСЛОВИЙ ДЛЯ ВОСПИТАНИЯ
5. II Проблемы рационального питания
6. II. ОЩУЩЕНИЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ ОЩУЩЕНИЙ ПСИХОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
7. II. Совершенствование навыков нападающего удара против блока—20 мин.
8. III. Стабилизация исламского режима в 1980-е гг.
9. IV.1. Исследование самооценки
10. АВТОНОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
11. Алгоритм расчета доз органических и минеральных удобрений по прогнозному ротационному балансу элементов питания растений
12. Альфа-адреноблокаторы: классификация, основные показания и противопоказания, побочные эффекты