Однофазный тиристорный выпрямитель с цифровой индикацией (стр. 2 из 2)
Определяем мощность, которая рассеивается на кожухе при заданном перепаде температур по следующей формуле:
Изменяя температуру стенки в пределах от 313 К до 325 К, строим график зависимости рассеиваемой мощности от разности температур между стенкой и средой:
Все расчетные значения величин, которые были получены по вышеперечисленным формулам для исследуемого диапазона изменения температуры стенки, приведены ниже в таблицах.
По полученному графику для искомой мощности Р=8 Вт находим, что перепад температур между стенкой и средой составляет 5 градусов.
Определим перепад температур. Температура кожуха:
Будем считать, что корпус сделан из стали толщиной L=0.001 м. Для стали коэффициент теплопроводности l=45,5 Вт/(м·К).
Определяем тепловое сопротивление:
Определяем перепад температур:
Так как перепад температур мал, в дальнейших расчетах им пренебрегаем. Произведем расчет температур между внутренней поверхностью кожуха и нагретой зоной. Также будем считать, что все элементы нагреты до температуры нагретой зоны.
Нагретая зона имеет следующие размеры (в метрах):
Зная толщину кожуха, определяем величину, равную половине толщины кожуха:
С учетом d получаем следующие величины линейных размеров, которые будут использоваться далее при расчете:
Температура кожуха составляет
Температура воздуха на половине промежутка кожух-нагретая зона:
Средняя температура между нагретой зоной и половиной промежутка кожух-нагретая зона:
Средняя температура между кожухом и половиной промежутка кожух-нагретая зона:
Перепад температур между кожухом и нагретой зоной:
Расчет теплового обмена для боковых поверхностей кожуха и нагретой зоны.
Для анализа процесса теплообмена используем критерии Грасгофа и Нуссельта:
,где n(Тст)- определяется по таблице при различной температуре.
,где Pr(Тст) - определяется по той же таблице.
Определяем закон теплообмена по произведению Pr · Gr. Для закона теплообмена "1/4" получаем:
,так как 500<Pr · Gr<2·107.
Определяем коэффициент теплообмена для боковой поверхности кожуха:
,где коэффициент теплопроводности l определяется по таблице.
Определяем площадь боковых поверхностей кожуха:
Определяем тепловую проводимость для боковых поверхностей кожуха:
Произведем аналогичный расчет для боковой поверхности нагретой зоны по следующим формулам:
Определяем площадь боковых поверхностей нагретой зоны:
Определяем тепловую проводимость для боковых поверхностей нагретой зоны:
Аналогично производим расчет для верхней поверхности кожуха:
Произведем расчет теплообмена за счет лучеиспускания.
Определяем коэффициент взаимного облучения между кожухом и нагретой зоной:
Определяем приведенную черноту тела:
, где 
.Находим коэффициент теплообмена за счет лучеиспускания:
Проводимость теплообмена лучеиспускания:
Определяем суммарную проводимость теплообмена по следующей эквивалентной схеме:
Используя формулу
строим график зависимости рассеиваемой мощности от разности температур между стенкой и кожухом, изменяя температуру стенки от 318 К до 358 К.
Определям по графику перепад температур для данной мощности рассеяния 8 Вт. Таким образом, температура нагретой зоны равняется 32 градуса.
Все расчетные значения величин, которые были получены по вышеперечисленным формулам для исследуемого диапазона изменения температуры стенки, приведены ниже в таблицах.
3. Расчет надежности
Для расчета надежности устройства составляем таблицу 3, куда заносим надежности отдельных элементов, коэффициенты нагрузки, фактическую надежность.
Таблица 3
| Наимен. | Кн | k=lф/lо | lо* *10-6 | lф* *10-5 | К-во | lS*10-6 | |
| VS1-VS2 | 0,8 | 2,0 | 4 | 0,5 | 2 | 1,0 | |
| VDS1 | 0,8 | 2,0 | 5 | 0,4 | 4 | 1,6 | |
| VD3 | 0,7 | 1,3 | 26 | 0,05 | 1 | 0,05 | |
| BQ1 | 0,5 | 0,8 | 0,4 | 2,0 | 1 | 2,0 | |
| DD1 | 0,2 | 0,7 | 140 | 0,005 | 1 | 0,005 | |
| DD2 | 0,2 | 0,7 | 140 | 0,005 | 1 | 0,005 | |
| VT1-VT7 | 0,6 | 0,2 | 0,5 | 0,4 | 7 | 2,8 | |
| L1 | 0,8 | 2,0 | 10 | 0,2 | 1 | 0,2 | |
| TV1 | 0,6 | 2,0 | 5 | 0,4 | 1 | 0,4 | |
| C1 – С8 | 0,4 | 0,8 | 3,3 | 0,24 | 8 | 1,92 | |
| R1-R27 | 0,6 | 1,0 | 10 | 0,1 | 27 | 2,7 | |
| VD0 | 0,7 | 1,3 | 26 | 0,05 | 1 | 0,05 | |
| Плата | - | - | - | - | 1 | 0,1 | |
К - коэффициент надежности
Суммарная интенсивность отказов:
Среднее время безотказной работы:
Вероятность безотказной работы:
P(t)=exp[-
*4000ч]= 0.599Выводы
Уменьшение габаритов кожуха может быть достигнуто за счет иной компоновки элементов в объеме. Но стремиться к очень плотной компоновке элементов нет смысла, так как это ухудшит тепловой режим работы устройства.
При тепловом расчете устройства удалось выяснить, что температура нагретой зоны составляет 80 градусов Цельсия.
Расчет надежности устройства показал, что среднее время работы устройства составляет 2.365·106ч (около 270 лет).
Применение современных малогабаритных элементов, в частности конденсаторов, позволит уменьшить размеры платы, а использование элементов с большей средней наработкой на отказ – повысить надежность. Также для повышения надежности необходимо стремиться к уменьшению коэффициента нагрузки.
Литература
1. В.Т.Белинский, В.П.Гондюл, А.Б.Грозин, К.Б.Круковский-Синевич, Ю.Л.Мазор "Практическое пособие по учебному конструированию РЭА." - К.: Вища школа, 1992.
2. Савельев А.Я., Овчинников В.А. "Конструирование ЭВМ и систем"-М.: Высш. шк., 1984.
3. Радио №9, 1989 г., с.64.