Составив уравнение теплового баланса

P =P_т+P_к+P_л (7.19)

где Р – мощность, выделяемая в нагретом теле, Вт;

P_т , P_к и P_л – опреде­лены формулами (7.8), (7.11), (7.17), можно определить установивше­еся значение температуры нагрева тела.

Решить полученное уравнение относительно t (или Δt) в явном виде не удается, поэтому его приходится решать методом последовательных приближений.

В радиотехнических устройствах тепловая энергия выделяется в от­ельных узлах и приборах, таких, как радиолампы, моторы, трансфор­маторы, резисторы, полупроводниковые приборы, микросхемы и т д.

Ввиду того что указанные элементы размещены по объему аппарата неравномерно, в отдельных его точках получается концентрация тепловой энергии, сопровождаемая местными повышениями температуры при этом в тяжелых температурных условиях могут оказаться как сами источники нагрева, так и другие узлы и приборы, расположенные в непосредственной близости.

Конструктор обязан принять меры к тому, чтобы температура нагрева для любого элемента не превышала допустимых значений. При решении этой задачи приходится идти по двум путям: снижение общей (средней) температуры нагрева аппарата и отвод теплоты от отдельных наиболее нагретых участков объема.

Для охлаждения аппарата следует в первую очередь интенсифицировать процесс радиации за счет окраски как внутренней, так и наружной поверхности футляра темными красками, имеющими матовую или шеро­ховатую поверхность.

Интенсификация как радиации, так и конвек­ции может быть достиг­нута при некотором уве­личении объема аппара­та, если увеличить по­верхность теплоотдачи за счет размещения на фут­ляре ребер. Указанные ребра нужно изготавли­вать из материала с хоро­шей теплопроводностью; они должны иметь хороший тепловой контакт с поверхности футляра. Пример выполнения футляра с ребрами приведен на рис 7.13, а.

Рис. 7.13. Футляр:

а – с ребрами; б – с жалюзи.

Наоборот, узлы и приборы, которые нужно защитить от теплового воздействия со стороны соседних нагревающихся устройств, должны иметь светлую блестящую поверхность. С целью дополнительной защиты таких устройств можно между ними и источниками нагрева установить тепловые экраны с хорошей теплопроводностью тщательно соединенные с шасси и имеющие гладкую блестящую поверхность (например, из алюминия). Пример выполнения экрана при­веден на рис. 7.14. Расположение сильно на­гревающихся элементов по краям шасси в непосредственной близости от стенок футляра улучшает отдачу теплоты от этих элементов к стенкам и способствует понижению температуры внутри аппарата. Около наиболее нагретых узлов и приборов в шасси можно делать отверстия: холодный воздух из-под шасси будет поступать к источ­никам теплоты и охлаждать их.

Рис. 7.14. Схема охлаждения:

1 – шасси; 2 – футляр; 3 – узел защищенный от нагрева; 4 – тепловой экран;

5 – нагревающий узел (стрелками показано направление конвекционного потока воздуха).

Если снабдить стенки футляра жалюзи или отверстиями (см. рис. 7.13, б и 7.14), то будет иметь место циркуляция воздуха непосред­ственно внутри аппарата, что снизит температуру узлов и приборов. Отверстия следует располагать в нижней и в верхней частях футляра аппарата так, чтобы восходящие потоки воз­духа омывали большую поверхность нагревающихся элементов.

Охлаждение происходит тем интенсивнее, чем больше зазор между расположенными по соседству узлами и приборами. При работе аппа­ратуры на большой высоте теплоотдача за счет конвекции уменьшается из-за уменьшения плотности и теплоемкости воздуха. Следует иметь в виду, что введение отверстий или жалюзи недопустимо в аппаратуре, работающей в условиях запыленного воздуха, а также если внутри фут­ляра расположены незащищенные от воздействия пыли точные механиз­мы, контакты реле, элементы схемы с высокими напряжениями и другие устройства, работа которых может быть нарушена осаждающейся пылью.

Если перечисленные меры не позволяют получить требуемые значения температуры внутри аппарата, то следует увеличить его объем или перейти к более сложным, но и более эффективным системам охлажде­ния, которые были рассмотрены (принудительная циркуляция воздуха, жидкостные системы охлаждения).

Большая часть тепловой энергии от нагревающихся элементов пере­дается шасси аппарата. С целью отвода теплоты от горячих зон конструк­цию шасси следует делать максимально теплопроводной (например, из алюминия). Теплоту, накапливающуюся в шасси, следует отводить в окружающее пространство, для чего шасси должно иметь хороший тепловой контакт с одной из стенок футляра.

Если на передней панели не располагаются термочувствительные элементы, то целесообразно наиболее сильно нагревающиеся узлы и приборы располагать в непосредственной близости от нее. Это создает наиболее короткий путь для теплового потока и уменьшает распростра­нение теплоты в другие участки шасси, где могут располагаться термо­чувствительные элементы.

Наиболее интенсивно нагревающиеся узлы и приборы, температуру нагрева которых желательно снизить, должны иметь хороший тепловой контакт с шасси; они должны соединяться с шасси устройствами из ма­териалов с хорошей теплопроводностью. Поверхности таких узлов и приборов должны быть выкрашены темной матовой краской. Если силь­но нагревающийся элемент заключен в экран, то его внутренняя и наруж­ная поверхности также должны быть окрашены в темный цвет.

Радиаторы. Радиаторами называют устройства, предназначенные для отвода теплоты oт отдельных сильно нагревающихся устройств (обычно полупроводниковых приборов средней и большой мощности) в окружающее пространство.

Чтобы радиатор эффективно выполнял свои функции, он должен обладать следующими свойствами:

– тепловое сопротивление в месте контактирования источника тепловой энергии (например, корпуса транзистора) с радиатором должно быть минимальным;

– поверхность радиатора, отдающая теплоту окружающему воздуху, должна быть максимально возможной;

– тепловое сопротивление радиатора должно быть минимальным.

На рис. 7.15 показаны три варианта конструкции радиатора:

– штырьковый,

– с ребрами в виде пластин и без ребер.

Рис. 7.15. Радиаторы:

а – без ребер; б – пластинчатый; в – штырьковый.

Штырьковый радиатор обладает наиболее развитой поверхностью и поэтому может обеспечить требуемую температуру корпуса полупроводникового прибора (ППП) при минимальных габаритах радиатора. Наихудшей теплоотдачей в окружающее пространство обладает радиатор без ребер; радиатор с ребрами в виде пластин занимает промежуточное положение между двумя названными.

Чтобы иметь малое тепловое сопротивление между корпусом ППП и радиатором, необходимо обеспечить большую площадь соприкосновения двух деталей. Поэтому поверхность радиатора в месте соприкосновения с ППП тщательно обрабатывают, так как микронеровности поверхности резко сокращают фактическую площадь теплового контакта.

Иногда между двумя телами, которые должны иметь хороший тепловой контакт, устанавливают прокладку из мягкого и хорошо теплопроводящего материала (например, из отожженной меди) или вводят специаль­ные теплопроводящие пасты. Для контакта без прокладок и пасты при­ближенно:

(7.20)

где R_1T – тепловое сопротивление, град/Вт;

S_K – площадь контактной поверхности двух тел, см².

Воспользовавшись формулой (7.10), можно найти превышение тем­пературы корпуса ПППнад температурой радиатора в месте установки ППП:

(7.21)

где Δt₁ – превышение температуры, град;

Р_т – выделяемая в ПППмощ­ность, Вт.

Бывают случаи, когда ППП,установленный на радиаторе, должен быть изолирован от него. В этом случае приходится устанавливать меж­ду корпусом ПППи радиатором изоляционные прокладки.

Пример крепления ПППчерез изоляционную прокладку показан на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Крепление мощного полупроводникового диода:

1 – диод; 2 – изоляционная шайба; 3 – центрирующая изоляционная

втулка; 4 – контактный лепесток.

Следует иметь в виду, что любая изоляционная прокладка увеличи­вает тепловое сопротивление между корпусом ПППи радиатором. Например, прокладка из слюды толщиной 0,025 – 0,05 мм увеличивает R _г в 1,5 раза. Лучшие результаты дает использование прокладок из бериллиевой керамики.

Если схема и конструкция позволяют, то следует при необходимости изолировать сам радиатор от шасси изделия, а ППП–крепить к радиа­тору без изоляционных прокладок.

Тепловое сопротивление радиатора R_2Т зависит не только от конфи­гурации (штырьковый, пластина и т. п.) и размеров, но и от конструктивно­го исполнения.

Имеют минимальное тепловое сопротив­ление, т. е. наиболее эффективно отводят теплоту от корпуса ППП, радиаторы, вы­полненные из материала с хорошей теплопроводностью и имеющие монолитную кон­струкцию. Поэтому обычно радиаторы делают методом литья из алюминиевых, маг­ниевых и других сплавов. Чтобы тепловая энергия, отдаваемая радиатором в окружаю­щее пространство, не ухудшала условия ра­боты других ЭРЭ, радиаторы стараются раз­мещать вне объема корпуса, на его наруж­ной стенке.

Термостатирование.В ряде случаев при конструировании аппаратуры требуется получить такую стабильность параметров при изменении температуры, которую невозможно осуществить при современном уровне развития техники радиодеталей.

В этом случае части конструкции, определяю­щие стабильность параметров всего аппарата, помещают в термостат, где поддерживают определенную, задан­ную температуру. Принцип устройства такого термостата показан на рис.7.17. Внутри рабочей камеры находятся термостатируемые детали и датчик тем­пературы. Датчиком температуры яв­ляется биметаллическая пластина с контактом, которая изгибается при из­менении температуры окружающей среды. Биметаллическая пластина от­регулирована так, что контакты 12 и 13 разомкнуты, когда температура внутри рабочей камеры равна выбранному зна­чению t₀ или больше его. Если тем­пература внутри камеры меньше to, то контакты 12 и 13 замкнуты. В этом случае через специальное реле вклю­чается подогревающее устройство, ко­торое нагревает рабочую камеру до температуры t₀, после чего контакты размыкаются. Таким образом осуществ­ляется управление температурой внут­ри термостата.

Рабочая камера должна иметь хо­рошую тепловую изоляцию от окру­жающей среды. В примере, показан­ном на рис. 7.17, для термоизоляции служит сосуд Дюара. В качестве подо­гревающего устройства можно исполь­зовать проволоку из высокоомного сплава, например из нихрома. Термо­стат такой конструкции может поддер­живать требуемую температуру с точностью ± (1 – 2)°С.

Рис. 7.17. Конструкция термостата:

а – термостат; б – биметаллический датчик температуры (находится внутри рабочей камеры);

1 – крышка; 2 – корпус; 3 – рабочая камера; 4 – центрирующие кольца; 5 – сосуд Дюара;

6 – внутренний стакан; 7 – наружный стакан; 8 – обмотка подогревателя; 9 – биметаллическая

пластина; 10 – неподвижная пластина; 11 – регулировочный винт; 12, 13 – контакты.

В рассмотренном примере температуру t₀ внутри термоса при­ходится выбирать выше максимальной температуры, которая может быть внутри аппарата при любых условиях эксплуатации. Например, если аппарат будет эксплуатироваться при температуре до 60°С, а за счет собственного нагрева температура внутри кожуха может достигать 70°С, то температуру внутри термостата нужно выбрать не менее 70°С. Наличие такой высокой температуры является основным недостатком термостатов с подогревными устройствами, так как термостатируемые детали все время работают при повышенной температуре, что снижает иx надежность. Кроме того, постоянно нагретый термостат повышает температуру нагрева аппарата, в котором он установлен.

От этого недостатка свободны термостаты, в которых заданная температура поддерживается с помощью полупроводниковых термобата­рей. Такие батареи обладают способностью выделять теплоту, когда через них пропускают ток в одном направлении, и поглощать теплоту, когда ток пропускают в противоположном направлении. С помощью полупроводниковых батарей в термостате можно поддерживать темпе­ратуру, которая может быть ниже температуры окружающей среды.

В качестве термочувствительных элементов часто используют не биметаллические пластины, а терморезисторы, которые меняют свое сопротивление при изменении температуры окружающего воздуха.

В ряде случаев, например при конструировании высокостабильных кварцевых генераторов, требуется поддерживать определенную темпе­ратуру внутри рабочего объема с точностью до 0,01 – 0,001 °С при из­менении температуры окружающей среды от т – 60 до +70°С. В этом слу­чае делают двойной термостат. Внутри первого («грубого») термостата поддерживают температуру с точностью (0,5 – 2)°С, при этом внутри второго термостата удается поддерживать температуру с высокой точ­ностью.

Влагозащита аппаратуры.

Многие категории радиоэлектронной аппаратуры в процессе эксплуата­ции могут оказываться в условиях, при которых относительная влаж­ность воздуха достигает 98%.

Если при конструировании аппаратуры не предприняты специальные меры, то воздействие повышенной влажности будет сильно влиять на параметры изделия или даже приводить к полному выходу его из строя.

Влагоустойчивость изделия обеспечивают главным образом за счет применения влагоустойчивых ЭРЭ и элементов конструкции.

Для многих элементов радиоэлектронной аппаратуры (полупровод­никовых приборов, микросхем, многих конденсаторов и др.) защита от влаги может достигаться только полной герметизацией, путем поме­щения в запаянный или заваренный корпус или покрытием их толстым слоем специальных влагозащитных материалов. В процессе производ­ства некоторых типов ЭРЭ до установки в герметичный корпус их при­ходится хранить в специальных условиях, исключающих воздействие влаги. В силу перечисленных причин почти все ЭРЭ имеют индивидуаль­ные средства защиты от влаги.

Эффективная защита от влаги непосредственно самого изделия, как правило, приводит к тому, что защищаемое изделие становится неремон­топригодным. Так как большинство ЭРЭ в процессе эксплуатации все равно не ремонтируют (в случае выхода из строя их заменяют новыми), то защита от влаги отдельных ЭРЭ не ухудшает ремонтопригодность радиоэлектронной аппаратуры. Таким образом, основные усилия раз­работчика должны быть направлены на правильный выбор ЭРЭ и защи­ту от влаги элементов конструкции, механизмов, деталей из изоляцион­ных материалов и др.

Для обеспечения влагоустойчивости металлических деталей их под­вергают покрытию или изготавливают из коррозионно-устойчивых материалов (например, из нержавеющей стали).

При изготовлении деталей из изоляционных материалов следует учитывать, что у большинства из них сопротивление изоляции при воз­действии влаги сильно уменьшается. Поэтому если сопротивление изо­ляции является лимитирующим фактором, при конструировании таких деталей надо предпринимать специальные меры. Например, конструи­руя печатную плату, надо следить, чтобы рядом не проходили два про­водника, между которыми должно быть большое сопротивление изоля­ции. Для дополнительной защиты от влаги детали из изоляционных ма­териалов покрывают специальными влагозащитными лаками, например УР-231. Защита получается эффективной, если деталь покрыта лаком несколько раз.

В ряде случаев, если допускают тепловые режимы ЭРЭ, для аппарату­ры применяют корпуса с уплотнением и влагопоглотителями. Такой способ достаточно эффективно защищает от влаги наземную и корабель­ную аппаратуру.

При работе аппаратуры в условиях влажного тропического климата, на некоторых деталях и узлах могут развиваться грибки. В наиболь­шей степени воздействию грибков подвержены детали, изготовленные из органических материалов. При интенсивном разрастании гриб­ков резко ухудшаются свойства изоляционных материалов, а при длительном их воздействии может происходить разрушение материала. Поэтому для аппаратуры, которая будет работать в тропических усло­виях, не следует применять материалы, являющиеся питательной средой для различных культур грибков. К этой категории относятся бумага, картон, фибра, ткани, слоистые пластики на основе бумаги и ткани, пластмассы с древесным и целлюлозным наполнителем, аминопласты и др. Такие материалы могут применяться, если они обработаны специаль­ными антисептическими составами. Хорошо выдерживают тропические условия материалы неорганического происхождения на основе слюды, стекловолокна, фторопласта, кремнийорганических или фенолформальдегидных смол и др.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аксенова И.К., Мельников А.А. Основы конструирования радиоэлектронных приборов. – М.: Высшая школа, 1986.

2. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Высшая школа, 1985.

3. Кулагин В.В. Основы конструирования приборов. – Л.: Машиностроение, 1982.

4. Соломахо В.Л. , Цитович Б.В. Основы стандартизации, допуски, посадки и технические измерения. – Мн.: Дизайн, 2004.