Расчет теплового режима

3.4.2 Расчет теплового режима

Практически все радиоэлементы схемы излучают тепловую энергию. Резисторы рассеивают тепло, выделяющееся в их резистивном слое. Транзисторы рассеивают тепло, выделяющееся в их коллекторном переходе. Конденсаторы нагреваются из-за потерь в диэлектрике. В какой-то степени нагреваются даже соединительные провода и проводники на печатной плате.

Нормальное функционирование РЭА возможно лишь при условии поддержания температур ее элементов в определенных пределах. Изменение теплового режима оказывает влияние на характеристики элементов и может привести к возникновению физико-химических процессов, выводящих элемент из строя. При этом дестабилизирующими тепловыми воздействиями являются рассеиваемые при работе элементов мощности, изменения температуры внешней среды и тепловые потоки от окружающих прибор объектов. Поэтому на этапе конструкторского проектирования РЭА при выборе вариантов конструкции и компоновки наряду с задачами обеспечения монтажно-коммутационных требований, помехоустойчивости, технологичности, вибропрочности необходимо решать задачи обеспечения нормального теплового режима. Применение новой элементной базы, позволяющей уменьшить массу и объем устройств, во многих случаях увеличивает удельные рассеиваемые мощности, что заставляет искать новые пути решения задач обеспечения теплового режима. Часто требования к тепловому режиму приводят к необходимости использования систем охлаждения и термостатирования, конструкции которых во многом определяют конструкцию самой аппаратуры, причем массогабаритные показатели и энергопотребление системы охлаждения могут быть соизмеримы или превышать соответствующие характеристики функциональных устройств. Из выше сказанного вытекает, что проблемы комплексной микроминиатюризации, унификации конструкций, повышения надежности и автоматизации конструкторского проектирования РЭА неразрывно связаны с разработкой эффективных систем охлаждения и методов проектирования конструкций, обеспечивающих нормальный тепловой режим.

При конструировании устройств процессы теплообмена должны рассматриваться на всех уровнях компоновки – от функциональных узлов до многоблочных конструкций и отсеков. Выбор систем охлаждения каждого уровня должен проводиться с учетом возможности отвода теплоты и наличия фоновых перегревов на более высоком конструктивном уровне. Поэтому, если это возможно, тепловое проектирование следует начинать с верхних уровней и при переходе на более низкий иметь для рассматриваемого модуля достоверную информацию о тепловых воздействиях со стороны других модулей.

Расчёт теплового режима необходим, т. к. он позволяет определить надёжность функционирования наиболее критичных к температуре радиоэлементов, позволяет проконтролировать их тепловой режим и не допустить их перегрева.

Определение мощности, выделяющейся радиоэлементами внутри аппарата, является сложной задачей, так как тепловыделение отдельного элемента зависит от большого количества факторов. Так, для цифровых микросхем потребляемая ими мощность сильно зависит от частоты работы. Для аналоговых микросхем рассеиваемая мощность определяется параметрами входных и выходных сигналов (током и напряжением). Для диодов и транзисторов, работающих в импульсном режиме, тепловыделение определяется параметрами протекающих токов (длительность импульса, амплитуда импульса тока, скважность, форма импульса и др.). Для элементов источника питания тепловыделение сильно меняется при изменениях напряжения в питающей сети и при изменениях тока нагрузки. Тепловыделение конденсаторов и индуктивностей также зависит от формы импульсов тока и напряжения, параметров диэлектрика.

Определим температуру корпуса.

1.         Рассчитаем площадь внешней поверхности устройства:

,

где  и  - габаритные размеры корпуса блока.

(м²)

2.         Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса:

,

где  - мощность, рассеиваемая устройством, Вт.

 (Вт/м²).

3.         Задаемся значением перегрева корпуса в первом приближении ∆t_k = 0,1^o C.

4.         Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a_л.в, боковой a_л.б и нижней a_л.н поверхностей корпуса:

_,

где  - степень черноты i-ой наружной поверхности корпуса зададимся значением  = 0,92);

5.         Рассчитаем определяющую температуру:

,

 (^o C).

6.         Для определяющей температуры рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

,

где  - коэффициент объемного расширения ();

 - ускорение свободного падения, м/с²;

 - кинетическая вязкость газа (для воздуха);

 - определяющий размер i-ой поверхности.

7.         Определяем число Прандтля Pr для определяющей температуры : Pr =0,702.

8.         Находим режим движения газа или жидкости, обтекающих каждую поверхность корпуса:

(Gr×Pr)_m £ 5× 10 ² - режим переходный к ламинарному;

5×10 ² £ (Gr× Pr)_m£ 2× 10 ⁷ - ламинарный режим;

(Gr× Pr)_m³ 2× 10 ⁷ - турбулентный режим

Gr × Pr = 5,218 × 10 ⁷ – турбулентный режим

9.         Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока :

,

где  - теплопроводность газа (для воздуха);

 - коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:

.

.

.

10.      Определим площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса:

_,

,

 (м²).

 (м²).

11.      Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой :

, (3.20)

(Вт/(м²×К)

12.      Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении :

,

где  - коэффициент, зависящий от коэффициента перфорации корпуса;  - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды;

,

,

 =0,229 и  = 0,995

(^оС).

13.      Определяем ошибку расчета:

,

 £ .

Так как величина погрешности меньше допустимой, то расчет можно считать законченным.

14.      Рассчитываем температуру корпуса:

,  (^oC).

Полученное значение температуры корпуса находится в пределах допустимой нормы, а перегрев нашей платы невелик – 0,0904^oC, следовательно, тепловой режим устройства соблюдается.