Проектирование электронного блока в типовом корпусе

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Источники питания
• 1.2 Основные элементы источников питания

1.3 Стабилизаторы напряжения

• 1.4 Источники тепла и тепловые воздействия
• 1.5 Способы охлаждения электронных блоков
• 2. Методика расчета размеров корпуса и расчет требуемых параметров трансформатора
• 2.1 Расчет силового трансформатора
• 2.1.1 Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ
• 2.1.2 Расчет трансформатора с магнитопроводом типа Ш
• 2.2 Сравнение и анализ результатов
• 3. Выбор размеров корпуса электронного блока с принудительным охлаждением
• 3.1 Расчёт объема и площадей элементов
• 3.2 Расчёт размеров корпуса
• 4. Расчет охлаждающей системы
• 5. Расчет площади радиатора проходного транзистора блока питания
• 6. Расчет параметров электронного блока с учётом радиатора проходного транзистора
• Заключение
• Литература
• Введение
• В данной курсовой работе рассматривается проектирование электронного блока в типовом корпусе минимальных размеров в соответствии с заданными техническими требованиями.
• Вид охлаждения — принудительный.
• Вид монтажа — печатный.
• Размеры корпуса блока и печатных плат — по ГОСТ 28 601.3−90.
• Тип и число размещаемых элементов — в соответствии с электрической схемой блока питания и перечнем элементов к заданию № 3.
• Параметры силового трансформатора:
• U₁ = 220 В U₂ = 18 В U₃ = 18 В
• f = 50 Гц I₂ = 0,25 А I₃ = 0,3 А
• Температура окружающей среды — 20±5єC.
• 1. Теоретическая часть
• Для обеспечения нормального функционирования электронных устройств, прежде всего, необходимы источники энергии, которые называют источниками питания. Для этой цели в большинстве случаев используют источники постоянного напряжения.
• На начальном этапе развития радиоэлектроники в качестве источников питания преимущественно использовались гальванические батареи, основными недостатками которых (особенно при постоянных напряжениях в сотни вольт), являются громоздкость и малый срок службы. Поэтому вскоре были разработаны более совершенные устройства, в которых осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное. Удобство таких источников питания связано с тем, что в них применяют низкочастотное переменное напряжение так называемой промышленной частоты. Однако развитие транзисторной электроники, особенно маломощных переносных устройств, для питания которых нужны низковольтные маломощные источники, снова вызвало интерес к гальваническим батареям. Сейчас используют оба типа источников питания: в переносной аппаратуре — малогабаритные гальванические батареи и аккумуляторы, а в стационарной аппаратуре — источники питания, в которых происходит преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.

1.1 Источники питания Источник питания — это устройство, предназначенное для снабжения электронной аппаратуры электрической энергией и представляющее собой комплекс приборов и аппаратов, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующих ее к виду, необходимому для нормальной работы каждого узла электронной аппаратуры.

Рассмотрим общую схему функционирования источника питания (см. рис. 1.1). Электрическая энергия, вырабатываемая первичными источниками, не всегда может быть непосредственно использована для питания электронной аппаратуры, поэтому следующим элементом является источник вторичного электропитания — устройство, в котором происходит преобразование одного вида электрической энергии в другой. Если источник первичного питания создает переменное напряжение, то основными узлами источников вторичного питания являются: выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизаторы первичного и выходного напряжения.

Рис. 1.1. Схема источника питания Основными параметрами источника питания являются номинальное значение выходного напряжения и выходное сопротивление. Номинальным значением постоянного напряжения Uном источника питания называют условное, указываемое в технической документации значение постоянного напряжения, относительно которого устанавливают и определяют его отклонения. Выходное сопротивление принимают равным внутреннему сопротивлению эквивалентной схемы источника питания.

Следующим важным параметром является максимальная мощность, отдаваемая источником питания:

P_max=U_ном· I_max.

На выходе источников вторичного питания никогда не бывает идеального постоянного напряжения. Кроме постоянной такое напряжение всегда содержит и переменную составляющую. Последнюю называют напряжение пульсации, а параметром, характеризующим отклонение выходного напряжения от постоянного, служит коэффициент пульсации. Используют два определения этого коэффициента.

Коэффициентом напряжения по амплитудному значению называют отношение амплитуды напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения:

K_пА=ДU/U_o=U_max-U_min/U_max+U_min,

который используют, когда имеется возможность визуально наблюдать форму выходного напряжения источника питания.

Коэффициентом пульсации по действующему значению называют отношение действующего значения напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения:

Кп=Uп/Uo.

Наконец, в связи с тем что источники питания принадлежат к мощным (силовым) устройствам, ещё одним важным их параметром является коэффициент полезного действия.

Кроме основных электрических параметров каждый источник питания характеризуется рядом конструкторско-экономических показателей, к которым, в первую очередь, относятся габариты, масса и стоимость.

1.2 Основные элементы источников питания

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

1.3 Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Напряжение нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока IH, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжение промышленных сетей переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237– — 69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах от +5 до -15%. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т. д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 — 3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть еще меньше.

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

· по роду стабилизируемой величины — стабилизаторы напряжения и тока;

· по способу стабилизации — параметрические и компенсационные стабилизаторы.

В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой, имеющий пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относят стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др. при компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, которое изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора UВХ и нагрузочный ток IН.

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации равен

K_стU=(ДU_ВХ/U_ВХ)/(ДU_ВЫХ/U_ВЫХ),

где ДU_ВХ и ДU_ВЫХ — приращение входного и выходного напряжений, а U_ВХ и U_ВЫХ — номинальные значения входного и выходного напряжений.

Параметрический стабилизатор

С помощью параметрического стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Если необходимо стабилизировать напряжение менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы.

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору R_H. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор R_В.

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора RВ должно быть таким, чтобы его вольт — амперная характеристика пересекла вольт — амперную характеристику стабилитрона в точке, соответствующей номинальному току стабилитрона и I_ст.ном, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30 — 50.

Компенсационный стабилизатор

Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменения напряжения на нагрузке передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент, препятствующий изменению напряжения U_Н.

Регулирующий элемент может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнения напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В параллельном компенсационном стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе R_В путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе.

В последовательном стабилизаторе регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

В соответствии с рассмотренным принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обуславливается неизбежной потерей в стабилизаторе.

Также существую компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием. Принцип действия такого стабилизатора заключается в преобразовании регулирующим элементом постоянного напряжения питании U_П в последовательность периодических импульсов прямоугольной формы .

Основными преимуществами, которыми обладают компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием, являются: высокий КПД, меньшая масса и габариты по сравнению с другими компенсационными стабилизаторами.

Недостатками являются относительная сложность схемы, повышенный уровень пульсаций выходного напряжения, невысокие динамические характеристики.

1.4 Источники тепла и тепловые воздействия

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

В условиях транспортирования тепловые воздействия возникают из-за изменения температуры окружающей среды. Температура окружающей среды может изменяться в пределах от -60 до +40 С. В рабочих условиях изменение температуры составляет 15 — 25 С, но появляются внутренние источники тепла. В результате внутреннего тепловыделения температура внутри устройства становится выше температуры окружающей среды, появляется неравномерность температурного поля внутри устройства.

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 надёжности.

Обеспечение нормативных тепловых режимов электронных устройств, т. е. такого распределения температур в блоке, при котором все элементы работают в условиях, соответствующих требованиям ТУ, является одной из главных задач, решаемых при конструировании.

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, электронные и осветительные лампы);

элементы, практически не выделяющие тепла (конденсаторы, катушки индуктивности, терморезисторы, кварцевые резонаторы).

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 (КПД) которых может достигать 70%.

Изменения температуры влияют на свойства конструкционных материалов, размеры элементов конструкции и характеристики электронных изделий.

1.5 Способы охлаждения электронных блоков В настоящее время применяют следующие способы охлаждения:

естественное воздушное;

принудительное воздушное;

жидкостное;

испарительное.

В блоках с воздушным охлаждением применяют корпуса двух видов:

герметичные;

перфорированные.

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

К естественному способу охлаждения относятся:

охлаждение воздухом наружной поверхности корпуса блока;

перенос внутренней средой тепла от нагретой зоны к корпусу блока;

вентиляция естественно проходящим через полость блока окружающим воздухом.

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

Принудительное охлаждение реализуется обдувом наружной поверхности корпуса блока, перемешиванием воздуха внутри герметичного корпуса или продувкой внутренней нагретой зоны блока внешним воздухом.

Принудительная вентиляция может быть: приточной, вытяжной и приточно-вытяжной. Приточная вентиляция обеспечивает лучшие условия работы и более высокий КПД вентилятора, так как в этом случае вентилятор работает в более холодном и более плотном воздухе. Недостатком приточной вентиляции является подогрев охлаждающего воздуха вентилятором.

Жидкостное охлаждение почти всегда является принудительным и обеспечивает более высокую эффективность охлаждения за счёт больших теплоёмкости и теплопроводности охлаждающей среды. Недостатком жидкостного охлаждения является сложность реализации.

Испарительные системы эффективней жидкостных вследствие высокой теплоёмкости парообразования. Испарительное охлаждение позволяет стабилизировать температуру на уровне температуры кипения жидкости при высоких тепловых нагрузках. В электронных устройствах испарительные системы применяют в виде тепловых труб, имеющих герметичный металлический корпус круглой или чаще плоской формы, частично заполненный жидким теплоносителем (спирт, фреон, органические соединения с низкой температурой кипения). Для снижения температуры кипения теплоносителя внутри трубы создают пониженное давление.

В нагреваемой части тепловой трубы жидкость испаряется, пар, попадая на холодную часть тепловой трубы, конденсируется. Движение пара от горячего конца к холодному происходит за счёт давления. Возвращение жидкости от холодного конца к горячему происходит за счёт капиллярности специального фитиля в тепловой трубе. Тепловая труба длиной 200 мм и сечением 103 мм обеспечивает отвод 18 Вт при разности температур 1,5 — 1,8 ^оС. Способ охлаждения определяет конструкцию и габариты блока. Начальный выбор способа охлаждения может быть основан на расчете удельной среднеповерхностной тепловой нагрузки нагретой зоны. При температуре перегрева нагретой зоны 20 — 30 ^оС в стандартном блоке типовой конструкции при нормальном атмосферном давлении можно принять следующие допустимые значения удельной среднеповерхностной тепловой нагрузки (Вт/см²К) нагретой зоны в зависимости от способа охлаждения:

естественное:

в герметичном корпусе 210^-3;

в перфорированном корпусе 510^-3;

принудительное воздушное 0,02;

жидкостное 1;

испарительное 10.

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 теплопроводностью, тепловым излучением и тепловой конвекцией.

2. Методика расчета размеров корпуса и расчет требуемых параметров трансформатора Несущая конструкция электронного блока должна выполнять следующие функции:

w обеспечение электрических связей в соответствии с электрической принципиальной схемой;

w обеспечение механического закрепления или перемещения элементов и передачи механических усилий на элементы;

w защиту изделия и отдельных элементов от внешних механических, тепловых, климатических или электромагнитных воздействий;

w обеспечение конструктивной и электрической совместимости с другими устройствами систем автоматизации и с окружающей средой.

Способность качественного выполнения функций, возложенных на конструкцию блока, обеспечивается соответствующим выбором формы, размеров и материалов, используемых в несущей конструкции.

Для электронных устройств систем управления и средств автоматизации необходимо использовать типовые конструкции, размеры которых должны соответствовать требованиям стандартов.

Требуемый объём корпуса зависит от объёма элементов, которые должны быть размещены в корпусе, и от способа охлаждения блока, но для выбора способа охлаждения нужно знать размеры блока и схему размещения элементов в блоке. Поэтому выбор размеров и способа охлаждения приходится делать в несколько итераций.

Сначала следует произвести компоновку элементов и проверку теплового режима блока в герметичном корпусе. Для этого нужно рассчитать требуемые объём корпуса и площадь печатных плат. После выбора размеров блока и печатных плат необходимо разработать эскиз размещения печатных плат в блоке и рассчитать размеры охлаждающего потока, необходимые для расчёта температурного режима блока. Затем следует рассчитать температурный режим блока и теплонагруженных элементов. Если температура воздуха в герметичном блоке получится выше допустимой, то необходимо произвести расчёт температурного режима для блока в перфорированном корпусе, и если требуемый температурный режим опять не обеспечится, следует произвести перекомпоновку блока под принудительное воздушное охлаждение и подобрать вентилятор с необходимой производительностью.

2.1 Расчет силового трансформатора Проектирование силового трансформатора требует сложного многофакторного анализа влияния свойств выбираемых материалов и технических решений на электрические параметры трансформатора. C целью снижения трудоемкости вычислений для некоторых расчетов была использована программа Tr.exe.

Процесс проектирования силового трансформатора предусматривает выполнение следующих действий:

* выбор типа и вида магнитопровода, подбор материала для его изготовления;

* расчет размеров магнитопровода;

* выбор конструкции и числа катушек, определение порядка намотки обмоток;

* расчет диаметра проводов по обмоткам;

* расчет числа витков по обмоткам;

* выбор материала и расчет толщины изоляции;

* расчет индуктивности первичной обмотки;

* расчет массы трансформатора;

* расчет тока холостого хода;

* расчет коэффициента полезного действия;

* проверка размещаемости обмоток в окне магнитопровода;

* расчет габаритов трансформатора;

* расчет стоимости трансформатора.

Исходные данные:

U₁ = 220 В, U₂ = 18 В, U₃ = 18 В,

f = 50 Гц, I₂ = 0,25 A, I₃ = 0,3 A.

Решение:

Суммарная мощность вторичных обмоток:

Исходя из полученного значения мощности (P_в< 100 Вт), рассчитываем предполагаемый КПД по формуле :

Мощность первичной обмотки:

Ток первичной обмотки:

Полная мощность трансформатора:

Далее подбираем материал магнитопровода, с учетом минимальных удельных потерь мощности при максимальном значении магнитной индукции.

Выбираем в качестве материала магнитопровода сталь Э320А, удельные потери которой при В = 1,7 Тл. составляют Р_уд = 1,6 Вт/кг.

Цифра «0» означает холоднокатаную текстурованную сталь с улучшенными магнитными свойствами вдоль направления проката. Если из холоднокатаной текстурованной стали изготовить ленточный магнитопровод с расположением ленты вдоль направления проката, то максимальное значение магнитной индукции можно увеличить на 10%.

Исходная площадь поперечного сечения магнитопровода:

В формуле (1) К_В = 1 — коэффициент веса, определяющий массу трансформатора. Выбирая при расчете K_В = 1, мы тем самым выбираем трансформатор с малой площадью сечения магнитопровода и большой площадью окна. При увеличении K_в возрастают площадь сечения магнитопровода, масса магнитопровода и масса трансформатора, но снижается стоимость трансформатора, так как сталь дешевле меди, а при увеличении площади сечения магнитопровода уменьшается число витков обмоток и, следовательно, расход меди. I₀ = 3 A/мм² — плотность тока, выбираем такой для уменьшения массы и габаритов трансформатора и относительно небольших потерь мощности в меди. Следует отметить, что увеличение плотности тока свыше 4 А/мм² требует расчета теплового режима трансформатора.

Рассмотрим два вида трансформаторов — с броневым (Ш-образным) магнитопроводом и с тороидальным магнитопроводом.

В трансформаторах на Ш-образных магнитопроводах применяют одну катушку и располагают ее на центральном стержне. Такие трансформаторы просты в изготовлении и поэтому имеют относительно низкую стоимость.

Тороидальный магнитопровод типа ОЛ (рисунок 1) позволяет получить минимальные потери в стали, меньшие габариты и меньшие поля рассеивания. Однако, из-за трудности технологического процесса изготовления, трансформатор такого типа имеет бульшую стоимость по сравнению с трансформаторами на магнитопроводах других типов. Применение ленточных магнитопроводов позволяет снизить потери в стали на 20−30% или увеличить максимальное значение магнитной индукции на 10−15% из-за разных магнитных свойств вдоль и поперек проката для холоднокатаных электротехнических сталей.

2.1.1 Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ Выберем магнитопровод с размерами d = 32 мм, D =50 мм, b = 20 мм.

Исходя из марки стали, выбираем толщину полос, их изоляцию и число: Т_пл = 0,25 мм;

В качестве изоляции магнитопровода выбираем оксидную пленку толщиной 0,005 мм как наиболее дешевую и тонкую.

Т_ип = 0,005 мм (окисная пленка);

Фактическая площадь поперечного сечения магнитопровода:

Расчетные значения диаметров проводов по меди:

Выбираем фактические значения диаметров проводов из стандартных:

d_м1 = 0,16 мм;

d_м2 = 0,33 мм;

d_м3 = 0,38 мм.

Фактическое значение плотности тока в обмотках:

Число витков на 1 В напряжения без учета потерь в меди:

Число 10⁴ в формуле (2) берется в результате перевода м² в см².

Число витков по обмоткам без учета потерь в меди:

Рассчитываем диаметры проводов в изоляции (провода марки ПЭЛ):

d_из1 = 0,16 + 0,01 = 0,17 мм

d_из2 = 0,33 + 0,02= 0,35 мм

d_из3 = 0,38+ 0,025 = 0,405 мм Толщина изоляции для формулы (3) бралась согласно таблице 1.

Таблица 1 Толщина эмалевой изоляции на обмоточных проводах

Переходим к выбору межобмоточной и межслойной изоляции.

В качестве изоляции в катушке тороидального трансформатора можно использовать только лакоткань, так как бумажная изоляция будет рваться в процессе ее укладки на кривую поверхность обмотки тороидального трансформатора.

Изоляцию первичной обмотки выбираем исходя из условия обеспечения электрической прочности 4275 В (для сетей 127 — 380 В). Лакоткань ЛШ, толщиной 0,04 мм, плотностью 1,1 г/см³ и пробивной напряженность 32 кВ/мм в 4 слоя обеспечивает пробивное напряжение 5120 В.

Толщина изоляции между двумя соседними вторичными обмотками должна обеспечивать электрическую прочность не менее трехкратного значения суммы амплитуд напряжений соседних обмоток:

Шелковая лакоткань толщиной 0,04 мм обеспечивает электрическую прочность 1280 В, что больше требуемых 152,7 В.

Каркас катушки тороидального трансформатора не несет механической нагрузки и не должен выдерживать напряжения 4275 В, так как магнитопровод полностью находится внутри обмотки. В качестве материала каркаса катушки выбираем лакоткань толщиной 0,1 мм. В данном случае каркас нужен только для защиты изоляции провода первичной обмотки от повреждения об острые края магнитопровода.

Межслойная изоляция внутри обмотки должна выдерживать двойную амплитуду межслойного напряжения обмотки с тройным запасом. Толщину межслойной изоляции выбираем одинаковой для всех обмоток по обмотке, имеющей наибольшее напряжение в слое (в нашем случае — U₁ = 220 В).

U_мс1 = U₁/N_сл1 = 220/4 = 55 В.

Выбираем шелковую лакоткань толщиной 0,04 мм.

В качестве изоляции магнитопровода выбираем окисную пленку толщиной 0,005 мм и плотностью 7,5 г/см³ как наиболее дешевую и тонкую.

При расчете тороидального трансформатора следует учитывать, что после намотки каждого слоя длина последующего слоя уменьшается, так как уменьшается диаметр окна. Это требует достаточно большого количества вычислений. С целью снижения трудоемкости, расчеты числа слоев обмоток, сопротивления проводов по обмоткам, числа витков с учетом изоляции и падения напряжения в обмотках, и диаметра окна трансформатора были произведены с помощью программы Tr.exe.

Результаты расчета #1 трансформатора с помощью программы Tr. exe

Магнитопровод ОЛ 32 / 50 — 20 мм Sc = 1,765 см² Сталь — Э320А Габариты: Dг· Bг = 57,72 · 29,06 мм Dок = 22,94 мм КПД = 86,39% Sc = 1,843 см² (исходная) Mтр = 0,2736 кг

Pв = 9,9 Вт f = 50 Гц Кв = 1 Мм = 0,7 908 кг

Pм = 1,273 Вт B = 1,7 Тл Nп = 35,29 Мс = 0,179 кг

Pс = 0,2864 Вт L1 = 33,84 Гн Тп = 0,25 мм Мик = 0,1 209 кг Руд = 1,6 Вт/кг m = 2000 Тип = 0,005 мм Мип = 0,3 431 кг

Ixx = 20,73 мА Пип = 7,55 г/см³ (Плёнка окисная)

Тк = 0,1 мм Uк = 3200 В Пк = 1,1 г/см³ (Лакоткань лш)

Тмс = 1· 0,04 мм Uмс = 1280 В Пмс = 1,1 г/см³ (Лакоткань лш)

Марка провода — ПЭЛ Io = 3 A/мм2 (заданная)

1: U = 220 В I = 0,5 541 A Io = 2,756 А/мм² lпр = 205,5 м Nсл = 8

W = 3135 Dм = 0,16 мм R = 192,7 Ом Мпр = 0,3 683 кг

Uи = 5120 B Ти = 4· 0,04 мм Пи = 1,1 г/см³ (Лакоткань лш)

2: U = 18 В I = 0,25 A Io = 2,923 А/мм² lпр = 22,49 м Nсл = 2

W = 289 Dм = 0,33 мм R = 4,956 Ом Мпр = 0,1 714 кг

Uи = 1280 B Ти = 1*0,04 мм Пи = 1,1 г/см³ (Лакоткань лш)

3: U = 18 В I = 0,3 A Io = 2,645 А/мм² lпр = 24,84 м Nсл = 2

W = 289 Dм = 0,38 мм R = 4,129 Ом Мпр = 0,2 511 кг

Uи = 1280 B Ти = 1· 0,04 мм Пи = 1,1 г/см³ (Лакоткань лш)

Индекс цен 1

Цена нормочаса 84 руб/час Материалы 43,62 руб Основная зарплата 49,57 руб Дополнительная зарплата 16% 7,932 руб Отчисления на страхование 40% 19,83 руб Общепроизводственные расходы 270% 133,9 руб Полная себестоимость 258,8 руб Накопления 15% 38,81 руб Цена без НДС 133,9 руб НДС 23% 68,44 руб Отпускная цена 366 руб Марка стали — Э320А Изоляция пластин — Плёнка окисная

Mс = 0,179 кг Цc = 29 руб/кг Сc = 5,192 руб Тип = 0,005 мм Mип = 0,3 431 кг Цип = 62 руб/кг Сип = 0,2127 руб Тп = 0,25 мм Nп = 35,29 tсбМ = 0,3137 мин CсбМ = 0,4392 руб Марка провода — ПЭЛ

1: Dм = 0,16 мм Мпр = 0,3 683 кг Цпр = 332,6 руб/кг Cпр = 12,25 руб

2: Dм = 0,33 мм Мпр = 0,1 714 кг Цпр = 204,4 руб/кг Cпр = 3,503 руб

3: Dм = 0,38 мм Мпр = 0,2 511 кг Цпр = 190,7 руб/кг Cпр = 4,788 руб

Mм = 0,7 908 кг Цм = 259,8 руб/кг См = 20,54 руб

Wсум = 3713 tнМ = 28,45 мин CнМ = 39,83 руб

lвыв = 150 мм Цвыв = 4,16 руб/м Свыв = 3,744 руб

Nкат = 1 tсбК = 0,1667 мин CсбК = 0,2333 руб Тк = 0,1 мм (Лакоткань лш)

Mк = 0,827 кг Цмк = 1480 руб/кг Cмк = 1,224 руб Ти1 = 0,16 мм (Лакоткань лш)

Mи1 = 0,0025 кг Ци1 = 1480 руб/кг Си1 = 3,7 руб ТиВ = 0,04 мм (Лакоткань лш)

MиВ = 0,1 512 кг ЦиВ = 1480 руб/кг СиВ = 2,238 руб Тмс = 0,04 мм (Лакоткань лш)

Mмс = 0,7 247 кг Цмс = 1480 руб/кг Смс = 10,73 руб

Nвиз = 388,8 tни = 6,48 мин Cни = 9,072 руб Число слоев в обмотках:

N₁ = 8

N₂ = 2

N₃ = 2.

Число витков с учетом падения напряжения в обмотках:

W₁ =3137 витков; W₂ = 289 витков; W₃ = 289 витков.

Число витков первичной обмотки уменьшается в соответствии с потерями напряжения в первичной обмотке. Число же витков вторичных обмоток, наоборот, увеличивается в соответствии с потерями в каждой обмотке. Размеры трансформатора (рисунок 1):

d_ок = 23,08 мм;

D_г = D + d — d_ок = 50 + 32 — 23,08 = 58,92 мм

b_г = b + d — d_ок = 20 + 32 — 23,08 = 28,92 мм Сопротивление проводов по обмоткам:

Длина магнитной силовой линии:

Масса стали (с_с = 7,88 г/см³):

Масса меди в трансформаторе (с_м = 8,93 г/см³):

Массу изоляции в трансформаторе рассчитываем аналогично в соответствии с ее длиной, толщиной, шириной и плотностью. Необходимо рассчитать массу изоляции межслойной, межобмоточной, каркаса катушки и изоляции на пластинах магнитопровода.

Масса изоляции:

где M_к — масса каркаса катушки;

M_ип — масса изоляции на пластинах (полосах) магнитопровода;

N_об — число обмоток;

N_слj — число слоев j-й обмотки;

T_мoj — толщина изоляции между j-й и (j +1)-й обмотками;

q_мoj — плотность изоляции между j-й и (j +1)-й обмотками;

T_мсj — толщина межслойной изоляции j-й обмотки;

q_мсj — плотность межслойной изоляции j-й обмотки;

l_cрj — средняя длина витка изоляции;

l_обj — длина j-й обмотки.

Полная масса трансформатора складывается из масс стали, меди и изоляции:

Потери в меди:

Потери в стали:

Индуктивность первичной обмотки (для стали Э330 при B = 1,7 Тл µ_эф? 2000):

Ток холостого хода I_хх складывается из тока, определяемого потерями в стали P_с, и реактивной составляющей I_L, определяемой индуктивным сопротивлением первичной обмотки:

Фактический КПД трансформатора:

Максимальный КПД трансформатора получается при близких значениях потерь в меди и стали. С уменьшением числа витков и плотности тока снижаются потери в меди. С уменьшением сечения магнитопровода по стали и магнитной индукции снижаются потери в стали. Таким образом, в нашем случае для увеличения КПД можно было бы сократить потери в меди, уменьшив число витков путем увеличения диаметра и толщины магнитопровода, и/или уменьшив заданную плотность тока.

Но это бы увеличило массу и габариты трансформатора, а КПД =0,864 вполне приемлем.

Рисунок 2.1.1. Трансформатор с магнитопроводом типа ОЛ.

2.1.2 Расчет трансформатора с магнитопроводом типа Ш Выберем магнитопровод с предполагаемым размером a = 16 мм.

Исходя из марки стали (Э320А), выбираем толщину полос, их изоляцию и число:

Т_пл = 0,25 мм;

Т_ип = 0,005 мм (окисная пленка);

S_c=5,48 см²

Число пластин:

Требуемая ширина полос:

Расчетные значения диаметров проводов по меди:

d_мр1 = 0, 181 мм;

d_мр2 = 0,326 мм;

d_мр3 = 0,357 мм.

Выбираем фактические значения диаметров проводов из стандартных:

d_м1 = 0,19 мм;

d_м2 = 0,33 мм;

d_м3 = 0,38 мм.

Фактическое значение плотности тока в обмотках:

I_0ф1 = 2,98 А/мм²; I_0ф2 = 2,923 А/мм²; I_0ф3 = 2,645 А/мм².

Число витков на 1 В напряжения без учета потерь в меди:

Число витков по обмоткам без учета потерь в меди:

Рассчитываем диаметры проводов в изоляции (провода марки ПЭЛ):

d_из1 = 0,19 + 0,01 = 0,20(мм)

d_из2 = 0,33 + 0,02= 0,35 (мм)

d_из3 = 0,38 + 0,025 = 0,405 (мм) Переходим к выбору межобмоточной и межслойной изоляции.

Изоляцию первичной обмотки выбираем исходя из условия обеспечения электрической прочности 4275 В (для сетей 127 — 380 В). Самый распространенный и недорогой тип изоляции — конденсаторная бумага. Остановим на ней свой выбор. При пробивной напряженности конденсаторной бумаги 18,8 кВ/мм толщина изоляции должна быть Выбираем конденсаторную бумагу толщиной 0,024 мм; для обеспечения требуемого пробивного напряжения изоляцию первичной обмотки делаем в десять слоев, получая пробивное напряжение 4512 В.

Толщина изоляции между двумя соседними вторичными обмотками должна обеспечивать электрическую прочность не менее трехкратного значения суммы амплитуд напряжений соседних обмоток:

Таким образом, можно использовать один слой конденсаторной бумаги толщиной 0,010 — 0,024 мм. Однако межобмоточная изоляция вторичных обмоток является наружной изоляцией всей катушки, поэтому для повышения механической прочности наружной изоляции выбираем в качестве межобмоточной изоляции вторичных обмоток конденсаторную бумагу толщиной 0,024 мм в два слоя. Межслойную изоляцию выбираем исходя из большего значения межслойного напряжения, в данном случае это межслойное напряжение первичной обмотки ;

U_мс1 = U₁/N_сл1 = 220/8 = 27,5 В (U_мс2 = 9 В; U_мс3 = 9 В).

Межслойная изоляция внутри обмотки должна выдерживать двойную амплитуду межслойного напряжения обмотки с тройным запасом:

Выбираем конденсаторную бумагу толщиной 0,012 мм, что при пробивной напряженности 27 кВ/мм обеспечит электрическую прочность 324 В.

Толщина каркаса должна обеспечивать механическую прочность каркаса катушки и электрическую прочность изоляции между магнитопроводом и обмоткой, наматываемой первой (4275 В). Для обеспечения механической прочности толщина каркаса должна выбираться из условия: не менее двух миллиметров толщины на каждый килограмм веса катушки с обмотками, но не менее 1 мм в любом случае. В качестве материала каркаса выбираем электрокартон. Пробивная напряженность электрокартона равна 8 кВ/мм. Тогда требуемая толщина каркаса по электрической прочности будет равна:

Выбираем толщину каркаса 1 мм, что обеспечит электрическую прочность 8000 В.

В качестве изоляции магнитопровода выбираем окисную пленку толщиной 0,005 мм и плотностью 7,5 г/см³ как наиболее дешевую и тонкую.

С целью снижения трудоемкости, расчеты числа слоев обмоток, сопротивления проводов по обмоткам, числа витков с учетом изоляции и падения напряжения в обмотках, и высоты обмоток трансформатора были произведены с помощью программы Tr.exe.

Результаты расчета #2 трансформатора с помощью программы Tr. exe

Магнитопровод ШЛ 16,07 · 34,79 мм Sc = 5,48 см² Сталь — 320А Окно (l· h) 40,16 · 16,07 мм hоб = 4,79 мм Габариты трансформатора: 56,23 · 64,26 · 66,92 мм КПД = 83,63% Sc = 1,843 см² (исходная) Mтр = 0,6994 кг

Pв = 9,9 Вт f = 50 Гц Кв = 1 Мм = 0,5 135 кг

Pм = 0,9394 Вт B = 1,7 Тл Nп = 63 Мс = 0,6244 кг

Pс = 0,999 Вт L1 = 10,09 Гн Тп = 0,25 мм Мик = 0,1 168 кг Руд = 1,6 Вт/кг m = 2000 Тип = 0,005 мм Мип = 0,1 196 кг

Ixx = 69,53 мА Пип = 7,55 г/см³ (Плёнка окисная)

Тк = 1 мм Uк = 8000 В Пк = 1 г/см³ (Электрокартон)

Тмс = 1· 0,012 мм Uмс = 324 В

Пмс = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

Марка провода — ПЭЛ Io = 3 A/мм² (заданная)

1: U = 220 В I = 0,8 448 A Io = 2,98 А/мм² lпр = 119,9 м Nсл = 8

W = 1030 Dм = 0,19 мм R = 82,34 Ом Мпр = 0,3 029 кг

Uи = 4512 B Ти = 10· 0,024 мм Пи = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

2: U = 18 В I = 0,25 A Io = 2,923 А/мм² lпр = 11,51 м Nсл = 2

W = 90 Dм = 0,33 мм R = 2,622 Ом Мпр = 0,8 776 кг

Uи = 902,4 B Ти = 2· 0,024 ммПи = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

3: U = 18 В I = 0,3 A Io = 2,645 А/мм² lпр = 12,15 м Nсл = 2

W = 90 Dм = 0,38 мм R = 2,087 Ом Мпр = 0,1 229 кг

Uи = 902,4 B Ти = 2· 0,024 ммПи = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная) Расчёт не выполнен Индекс цен 1

Цена нормочаса 84 руб/час Материалы 31,55 руб Основная зарплата 7,136 руб Дополнительная зарплата 16% 1,142 руб Отчисления на страхование 40% 2,854 руб Общепроизводственные расходы 270% 19,27 руб Полная себестоимость 66,44 руб Накопления 15% 9,966 руб Цена без НДС 19,27 руб НДС 23% 17,57 руб Отпускная цена 93,98 руб Марка стали — Э320А Изоляция пластин — Плёнка окисная

Mс = 0,6244 кг Цc = 29 руб/кг Сc = 18,11 руб Тип = 0,005 мм Mип = 0,1 196 кг Цип = 62 руб/кг Сип = 0,7418 руб Тп = 0,25 мм Nп = 63 tсбМ = 0,84 мин CсбМ = 1,176 руб Марка провода — ПЭЛ

1: Dм = 0,19 мм Мпр = 0,3 029 кг Цпр = 294,1 руб/кг Cпр = 8,908 руб

2: Dм = 0,33 мм Мпр = 0,8 776 кг Цпр = 204,4 руб/кг Cпр = 1,794 руб

3: Dм = 0,38 мм Мпр = 0,1 229 кг Цпр = 190,7 руб/кг Cпр = 2,343 руб

Mм = 0,5 135 кг Цм = 254 руб/кг См = 13,04 руб

Wсум = 1210 tнМ = 3,624 мин CнМ = 5,074 руб

lвыв = 150 мм Цвыв = 4,16 руб/м Свыв = 3,744 руб

Nкат = 1 tсбК = 0,25 мин CсбК = 0,35 руб Тк = 1 мм (Электрокартон)

Mк = 0,9 367 кг Цмк = 27,6 руб/кг Cмк = 0,2585 руб Ти1 = 0,24 мм (Бумага конденсаторная)

Mи1 = 0,1 171 кг Ци1 = 62,4 руб/кг Си1 = 0,7 309 руб ТиВ = 0,048 мм (Бумага конденсаторная)

MиВ = 0,5 092 кг ЦиВ = 62,4 руб/кг СиВ = 0,3 178 руб Тмс = 0,012 мм (Бумага конденсаторная)

Mмс = 0,6 341 кг Цмс = 62,4 руб/кг Смс = 0,3 957 руб

Ncиз = 23 tни = 0,3833 мин Cни = 0,5366 руб Число слоев в обмотках:

N₁ = 8; N₂ =2; N₃ = 2.

Число витков с учетом падения напряжения в обмотках:

W₁ = 1029,5 витков; W₂ = 90 витков; W₃ = 90 витков.

Число витков первичной обмотки уменьшается в соответствии с потерями напряжения в первичной обмотке. Число же витков вторичных обмоток, наоборот, увеличивается в соответствии с потерями в каждой обмотке.

Размеры трансформатора:

l_ок = 2,5a = 40,163 мм;h_ок = a = 16,065 мм;

h_об = 4,791 мм;

l_г = l_ок + а = 56,163 мм;h_г = 2(h_ок + а) = 64,26 мм;

b_г = 2h_об+b=44,58 мм.

Незаполненная часть окна составляет 11,27 мм, не совсем приемлемо. Изменяем исходное значение размера магнитопровода а, добиваемся приемлемого результата незаполненной части окна. Пересчет делаем с помощью программы Tr.exe. Результаты расчета #3 трансформатора с помощью программы Tr.exe. Магнитопровод ШЛ 11,98 · 17,87 мм Sc = 2,1 см² Сталь — Э320А, окно (l· h) 29,96 · 11,98 мм hоб = 9,26 мм Габариты трансформатора: 41,95 · 47,94·41,84 мм КПД = 84,44% Sc = 1,843 см² (исходная) Mтр = 0,2792 кг

Pв = 9,9 Вт f = 50 Гц Кв = 1 Мм = 0,9 092 кг

Pм = 1,538 Вт B = 1,7 Тл Nп = 47 Мс = 0,1785 кг

Pс = 0,2856 Вт L1 = 33,58 Гн Тп = 0,25 мм Мик = 0,6 332 кг Руд = 1,6 Вт/кг m = 2000 Тип = 0,005 мм Мип = 0,342 кг

Ixx = 20,89 мА Пип = 7,55 г/см³ (Плёнка окисная)

Тк = 1 мм Uк = 8000 В Пк = 1 г/см³ (Электрокартон)

Тмс = 1· 0,012 мм Uмс = 324 В

Пмс = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

Марка провода — ПЭЛ Io = 3 A/мм² (заданная)

1: U = 220 В I = 0,5 653 A Io = 2,812 А/мм² lпр = 220,5 м Nсл = 22

W = 2621 Dм = 0,16 мм R = 213,6 Ом Мпр = 0,3 951 кг

Uи = 4512 B Ти = 10· 0,024 мм Пи = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

2: U = 18 В I = 0,25 A Io = 2,923 А/мм² lпр = 26,91 м Nсл = 4

W = 246 Dм = 0,33 мм R = 6,128 Ом Мпр = 0,2 051 кг

Uи = 902,4 B Ти = 2· 0,024 мм Пи = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

3: U = 18 В I = 0,3 A Io = 2,645 А/мм² lпр = 30,57 м Nсл = 5

W = 246,5 Dм = 0,38 мм R = 5,25 Ом Мпр = 0,0309 кг

Uи = 902,4 B Ти = 2· 0,024 мм Пи = 0,97 г/см³ (Бумага конденсаторная)

Индекс цен 1

Цена нормочаса 84 руб/час Материалы 28,65 руб Основная зарплата 13,94 руб Дополнительная зарплата 16% 2,231 руб Отчисления на страхование 40% 5,577 руб Общепроизводственные расходы 270% 37,65 руб Полная себестоимость 92 руб Накопления 15% 13,8 руб Цена без НДС 37,65 руб НДС 23% 24,33 руб Отпускная цена 130,1 руб Марка стали — Э320А Изоляция пластин — Плёнка окисная

Mс = 0,1785 кг Цc = 29 руб/кг Сc = 5,176 руб Тип = 0,005 мм Mип = 0,342 кг Цип = 62 руб/кг Сип = 0,2121 руб Тп = 0,25 мм Nп = 47 tсбМ = 0,6267 мин CсбМ = 0,8773 руб Марка провода — ПЭЛ

1: Dм = 0,16 мм Мпр = 0,3 951 кг Цпр = 332,6 руб/кг Cпр = 13,14 руб

2: Dм = 0,33 мм Мпр = 0,2 051 кг Цпр = 204,4 руб/кг Cпр = 4,192 руб

3: Dм = 0,38 мм Мпр = 0,0309 кг Цпр = 190,7 руб/кг Cпр = 5,892 руб

Mм = 0,9 092 кг Цм = 255,5 руб/кг См = 23,23 руб

Wсум = 3113 tнМ = 8,383 мин CнМ = 11,74 руб

lвыв = 150 мм Цвыв = 4,16 руб/м Свыв = 3,744 руб

Nкат = 1 tсбК = 0,25 мин CсбК = 0,35 руб Тк = 1 мм (Электрокартон)

Mк = 0,4 362 кг Цмк = 27,6 руб/кг Cмк = 0,1204 руб Ти1 = 0,24 мм (Бумага конденсаторная)

Mи1 = 0,7 141 кг Ци1 = 62,4 руб/кг Си1 = 0,4 456 руб ТиВ = 0,048 мм (Бумага конденсаторная)

MиВ = 0,3 477 кг ЦиВ = 62,4 руб/кг СиВ = 0,0217 руб Тмс = 0,012 мм (Бумага конденсаторная)

Mмс = 0,9 081 кг Цмс = 62,4 руб/кг Смс = 0,5 667 руб

Ncиз = 42 tни = 0,7 мин Cни = 0,98 руб Число слоев в обмотках:

N₁ = 22; N₂ =4; N₃ =5.

Число витков с учетом падения напряжения в обмотках:

W₁ = 2621 витков; W₂ = 246 витков; W₃ = 246,5 витков.

Размеры трансформатора :

l_ок = 2,5a = 29,962 мм;h_ок = a = 11,985 мм;

h_об = 9,262 мм;

l_г = l_ок + а = 41,962 мм;h_г = 2(h_ок + а) = 47,93 мм;

b_г = 2h_об+b=48,5 мм.

Незаполненная часть окна составляет 2,7 мм, приемлемо.

Сопротивление проводов по обмоткам:

Длина магнитной силовой линии:

Масса стали (с_с = 7,88 г/см³):

Масса меди (с_м = 8,93 г/см³):

Масса изоляции складывается из масс всех использованных типов изоляции:

Полная масса трансформатора складывается из масс стали, меди и изоляции:

Потери в меди:

Потери в стали:

Индуктивность первичной обмотки (для стали Э320А при B = 1,7 Тл µ_эф? 2000):

Ток холостого хода I_хх складывается из тока, определяемого потерями в стали I_с, и реактивной составляющей I_L, определяемой индуктивным сопротивлением первичной обмотки:

Фактический КПД трансформатора:

Рисунок 2.1.2. Трансформатор с магнитопроводом типа Ш

2.2 Сравнение и анализ результатов Трансформатор с Ш-образным магнитопроводом занимает меньше места на плате по сравнению с трансформатором с магнитопроводом типа ОЛ, однако трансформатор с Ш-образным магнитопроводом имеет большую высоту, поэтому выбрав трансформатор с магнитопроводом типа ОЛ можно сократить расстояние между платами.

Трансформаторы имеют близкие значения масс (0,2792 / 0, 2736 (кг)).

Трансформатор с магнитопроводом типа ОЛ имеет больший КПД (0,86 / 0,84).

Трансформатор с броневым магнитопроводом получился почти в 3 раза дешевле трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ.

Исходя из задачи конструирования блока минимальных размеров, выбираем трансформатор с магнитопроводом типа ОЛ.

3. Выбор размеров корпуса электронного блока с принудительным охлаждением Исходные данные.

Задан набор электронных элементов:

Блок питания:

Диоды:

— Диодная матрица КД906А ТТ3.362.126 ТУ — 2 шт.

Конденсаторы:

— К50−24−63В-470мкФ ОЖО.464.137 ТУ — 4шт;

— К50−24−25В-100мкФ ОЖО.464.137 ТУ — 2 шт;

— К50−24−25В-1000мкФ ОЖО.464.137 ТУ — 2 шт;

Резисторы:

— МЛТ-0,5−20 Ом±5%- 4 шт;

— МЛТ-0,5−3,6 Ом±5%- 2 шт;

— МЛТ-0,125−15 Ом±10%- 2 шт;

Стабилитрон КС175Е аАО.336.109 ТУ- 4 шт.

Транзисторы:

— КТ503Г аАО.336.182 ТУ — 1 шт;

— КТ502Г аАО.336.182 ТУ — 1 шт;

Трансформатор с магнитопроводом типа ОЛ — 1 шт.

Требуется:

— выбрать размеры корпуса блока;

— выбрать размеры и число печатных плат;

— выбрать тип вентилятора;

— разработать компоновку плат и вентилятора в блоке ;

— сделать эскиз размещения плат, вентилятора и вентиляционных отверстий;

— рассчитать все характерные размеры, необходимые для расчёта теплового режима блока с принудительным охлаждением: l_п, S_в, S_зп, S_к, S_п.

3.1 Расчёт объема и площадей элементов Выписываем элементы, размещаемые на печатных платах.

Список элементов, размещаемых на печатных платах.

Для блока питания.

Таблица 1

Остальные элементы.

Таблица 2

Выписываем габаритные размеры элементов.

Для блока питания.

Таблица 3

Для остальных элементов.

Таблица 4.

Вычисляем объёмы, полные площади поверхности, площади проекции элементов на печатную плату и площади боковой поверхности элементов.

Объёмы и площади элементов.

Таблица 5.

Расчет параметров электронного блока без учета радиатора проходного транзистора.

В задании требовалось подобрать радиатор для проходного транзистора, однако для выполнения нам необходимо подсчитать Рзуд. Поэтому вначале проведем необходимые вычисления без учета радиатора, а затем сделаем перерасчет.

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 = 35,9 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 + 0,44· 42 + 0,21· 186 + 0,058· 122 + 0,48· 42 + 0,6· 12 + 0,57· 9 + 2,54· 12 + 2,01· 48 + 0,87· 72 = 497,47 см²

Суммарная площадь.

S_{пр. полн.} 35,9 + 497,47 = 533,3 см²

Так как при естественном воздушном охлаждении охлаждающий поток направлен вертикально вверх, то для повышения эффективности охлаждения печатные платы будем размещать вертикально.

Размеры корпуса и печатных плат выбираем в соответствии с ГОСТ 28 601.3−90.

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