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 Tс, 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 рассчитаем 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 ВеС>2, нитрида бора, окиси алюминия. В качестве теплопроводящих смазок используются кремнийоргайические компаунды. Например, КПТ-8 ГОСТ 19783-74 [2]. Тепловое сопротивление между корпусом элемента и радиатором, вносимое прокладкой, составляет 0,1÷0,3 °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

Т_П = Т_С + Р(R_Тп-к + R_Тк-р + R_Тп-с), (4.1)

где Т_С - температура окружающей среды;

P - мощность, рассеиваемая на переходе;

R_Тп-к , R_Тк-р , R_Тп-с - тепловые сопротивления переход-корпус, корпус-радиатор,

радиатор-среда соответственно.

Из (4.1) находим требуемое значение теплового сопро­тивления радиатора

R_Тп-с = (Т_П - Т_С) /P - R_Тп-к - R_Тк-р. (4.2)

Температура корпуса полупроводникового прибора

Т_к = Т_П-Р R_Тп-к. (4.3)

Разность температур радиатора и внешней среды

∆Т_П-С = Т_П - Р(R_Тп-к+R_Тк-р) – Т_С. (4.4)

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

Т_П = Т_С-Р/R_Тп-c,

где R_Тп-с = R_Тп-к + R_Тк-р + R_Тр-с - тепловое сопротивление переход-среда.

Мощность, рассеиваемая микросхемой А1, составляет

P_A= (U_Дmax – U_БЭ1 - U_БЭ1)I_Аmax - I_Аmax²R₂+U_Amax *I_Ay (4.6)

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

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

В нашем случае

Р_А = (9.26-2-2)* 0,023+14.51*4 = 58,16 мВт.

Т_П = 30 + 0.058/110 = 30 °С.

Полученное значение меньше максимально допустимой температуры перехода 54,8< 150 °С, т.е. микросхема А1 не нуждается в дополнительном теплоотводе.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе VT2, составляет Р_V2 = 0,98 Вт. В справочных данных на транзисторы приводится только тепловое сопротивление переход-корпус транзистора. Задаемся максимальной температурой перехода Т_П = 105 С, меньшей чем её максимально допустимое значение. Убеждаемся, что при этом температура корпуса транзистора не превышает максимально допустимое значение

Тк = 30 – 18,1790468/180= 29 < 100 °С.

Полагаем, что транзистор имеет хороший тепловой контакт с радиатором, принимаем К_Тк-р =0,1 °С/Вт. Из (4.2) находим требуемое значение теплового сопротивления внешнего радиатора

R_Тр-с = (105 - 30)/0,96 - 10 - 0,1 = 68 °С/Вт.

Разность температур радиатора и внешней среды согласно (4.4) составляет

∆Т_Р-С = 105 - 0,96(10 + 0,1) - 30 = 65 °С.

По рассчитанным выше значениям выбираем пластинчатый радиатор с минимальными размерами 35-40-5 мм.

Определим тепловой режим транзистора VT1. В качестве VT1 предполагалось использовать два параллельно соединенных транзистора. На каждом транзисторе рассеивается мощность P₁ = 20 Вт. Задаемся максимальной температурой перехода Т_П = 115 °С. Убеждаемся, что температура корпуса транзистора при этом меньше предельно допустимого значения

Т_К = 115 – 20*1 = 95 < 100 °С,

Полагаем, что все транзисторы крепятся на радиатор без электроизоляционных прокладок с использованием теплопроводящей пасты. Для такого крепления принимаем R_Тк-р = 0,2 ^оС/Вт. Требуемое значение теплового сопротивления радиатора согласно (5.2) равно

R_Тр-с= (115 - 30)/20 - 1 - 0,2 = 3 °С/Вт.

Разность температур радиатора и внешней среды находим из (4.4),

Т_Р-С = 115 - 20(1 + 0,1) - 30 = 63 °С.

Выбираем ребристый радиатор с размерами 140/60/35мм. Поскольку коллекторы транзисторов имеют одинаковый потенциал, их удобно крепить на общий радиатор. Площадь основания такого радиатора может быть на 10*1 5 % меньше суммарной площади отдельных радиаторов.

Аналогично рассчитывав тепловой режим силовых диодов выпрямителя VD1-:-VD8, получил что они не нуждаются в дополнительном охлаждении.

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

К оэффициент сглаживания К_СГЛ определятся отношением относительных амплитуд пульсаций напряжения питания и напряжения нагрузки К_СГЛ = (U_П~ /U_П) / (U_Н~ /U_Н). На рисунке 9 приведены зависимости коэффициента сглаживания от частоты пульсаций для микросхем К142ЕН1.2. В нашем случае при частоте пульсаций 100 Гц имеем К_СГЛ = 50 дБ = 316. Силовые транзисторы VT1, VT2 включены по схеме с общим коллектором. Поэтому, общий коэффициент сглаживания можно принять равным К_СГЛ ⁼ 316.

Рисунок 9 - Зависимости коэффициента сглаживания от частоты пульсаций

Коэффициент пульсаций выходного напряжения

∆ U_Н~= U_Н~/U_H=∆ U_П~K_ВД/K_СГЛ (5.1)

где ∆ U_П~ = U_П~ / U_П~ - коэффициент пульсаций напряжения питания;

K_ВД = U_ОП / U_Hmax = 12/9 = 1.33 - коэффициент передачи выходного делителя напряжения.

Для нашего примера ∆ U_Н~ = 0,06/316/1.33 = 1.4*10^-4, что значительно меньше требуемого в задании. Максимальная амплитуда пульсаций составляет

U_Н~ = 2,6*10^-4х9 = 1.2 мВ.