CC BY
22
УДК 621.7.08
Логгер Н.А., Горячева Е.П., Кочегаров И.И.
ФГБОУ ВО «Пензенский госдарственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДИКА ВЫБОРА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
В данной статье рассматривается выбор системы охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, приведены примеры программ для исследования оптимального теплового режима, предложен вид воздушного охлаждения, как наиболее доступного. Ключевые слова:
система охлаждения, радиоэлектронная аппаратура, теплоотводы, воздушное охлаждение, радиоэлементы, методы охлаждения, системы автоматизированного проектирования.
При проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), предназначенной для работы в широком диапазоне температур, приходится учитывать влияние температуры на ее характеристики и параметры. Если последние выходят за пределы, допустимые для ее нормального функционирования, прибегают к тем или иным методам охлаждения и температурной стабилизации.
Повышение степени интеграции РЭА и её элементной базы, стремление постоянно снижать габариты и массу изделий приводят к более тяжелым тепловым режимам работы РЭА. Современная РЭА нередко эксплуатируются в жестких температурных условиях (производственные помещения, военная техника, космос, автономно функционирующие на открытом воздухе информационно-измерительное оборудование и т. п.) одновременно испытывая повышенные механические и электромагнитные воздействия. Между тем, надежное функционирование аппаратуры возможно лишь при условии обеспечения ее оптимального теплового режима. Последнее может решаться как на системотехническом или схемотехническом уровнях, так и на конструктивном уровне [1].
Для создания условий равновесия между выделением тепла и его отводом применяются различные теплоотводы. Наиболее простыми и эффективными теплоотводами являются радиаторы, представляющие собой металлические конструкции, искусственно увеличивающие поверхность охлаждения полупроводниковых приборов, тем самым улучшая отвод тепла. В известных системах автоматизированного проектирования достаточно, таких как: ANSYS, AnalogWorkbench, Qfin, T-Flex, APM FEM (КОМПАС-3D), Betasoftи др. эффективно решаются отдельные задачи исследования тепловых режимов электрорадиоэлементов. Для проверки адекватности модели необходимы тестовые натурные исследования, однако как показывает анализ, представленные системы не позволяют анализировать данные натурного эксперимента. Таким образом, для полномасштабного исследования систем охлаждения
необходимо комплексное исследование систем охлаждения, как на моделях, так и на физическом объекте [2].
Естественное и принудительное воздушное охлаждение наиболее доступно. Теплота от нагретых корпусов радиоэлементов передаётся в окружающую атмосферу за счёт естественной конвекции. Эффективность охлаждения тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса. Имеет значение плотность окружающей среды. Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздуха, нагреваясь от выделяющих теплоту элементов и обладая вследствие этого меньшей плотностью, перемещается вверх и замещается более холодными слоями. Чем больше объём замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена зависит от места расположения элементов в объёме РЭА. Так при вертикальном расположении модулей воздушному потоку ничего не препятствует. Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности, выделяемой РЭА во время работы в виде теплоты, формы и габаритов корпуса. Улучшение охлаждением можно получить искусственным увеличением площади поверхности корпуса, введением дополнительных рёбер. Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпусов РЭА. Суммарная площадь вентиляционных отверстий прибора должна составлять 20 - 30% сечения конвективных потоков воздуха. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже. Между поверхностью и дном зазор 20 - 30мм. Нужно стремиться к равномерному распределению выделяемой мощности по всему объёму изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок. Критические к перегреву элементы необходимо защищать тепловыми экранами. Блестящий экран лучистый тепловой поток примерно в 2 раза. Необходимо защищать РЭА от прямого попадания солнечных лучей. При отвесном падении солнечных лучей на прибор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горячев Н. В., Меркульев А. Ю., Юрков Н. К. Средства и методики анализа и автоматизированного выбора систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры // Молодой ученый. — 2013. — №12. — С. 112115.
2. Граб И. Д., Сивагина Ю. А. Методы исследования систем охлаждения // Молодой ученый. — 2014.
— №2. — С. 125-128.
УДК 621.7.08
Громков Н.В., Жоао А.Ж.
ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет", Пенза, Россия
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Представлен универсальный модуль частотного преобразователя параметров датчиков физических величин, который был собран в модульном исполнении из бескорпусных операционных усилителей (ОУ) с внутренними элементами и связями. Рассмотрены различные схемы включения, функции преобразования и выходные характеристики преобразователей. Ключевые слова:
операционные усилители, частотные преобразователи, датчики физических величин, информационно-измерительные системы, универсальный модуль.
Введение
Развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) находит всё большее применение в различных отраслях народного хозяйства, в сложных отраслях промышленности и в бытовых приборах и системах (в космических системах, для сбора информации о состоянии окружающей, прогнозах погоды, системе «Умный дом»)
Во всех перечисленных выше ИИУС сбор информации о параметрах физических величин осуществляется с помощью первичных преобразователей (датчиков) и вторичных преобразователей, которые преобразуют информацию с датчиков в электрический сигнал (аналоговый по напряжению или току, частотный и цифровой), удобный для передачи и дальнейшей её обработки с помощью вычислительных
средств, персональных компьютеров и сложных процессоров. В связи с этим повышаются требования как к датчикам, так и ко вторичным преобразователям по точности, потребляемой мощности и мас-согабаритным размерам. В качестве первичных преобразователей применяются датчики различного типа (резистивные, емкостные, индуктивные и др.), однако для измерения температуры, давления, влажности, силы, ускорения и других параметров наиболее широкое применение находят датчики резистивного типа (терморезисторы, тензо-резисторы, фоторезисторы) и емкостного, изменяющие свое сопротивление или емкость под воздействием внешних факторов. Широкое применение для обработки сигналов с первичных датчиков в последнее время нашли микропроцессоры, содержащие АЦП и ЦАП, имеющие на выходе кодовый сигнал. Однако микропроцессорные системы являются сравнительно сложными в техническом плане устрой-
ствами и требуют высокой квалификации сотрудников, способных их программировать и настраивать под каждый тип датчика. В связи с этим актуальным является применение частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП) для работы с датчиками резистивного и емкостного типа в силу того, что они просты в схемотехническом решении, не требуют дополнительных настроек и программирования, с малым энергопотреблением, частотным выходным сигналом, который обладает большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми при передаче на большие расстояния [1,2]. Кроме того, при работе с резистивными датчиками ЧИРП не требуют стабилизированных источников питания измерительной цепи и при несложных схемотехнических решениях позволяют снизить температурную погрешность тензометрических преобразователей.
Структурная схема ЧИРП с датчиком представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема ЧИРП
Данная схема содержит измерительную цепь ИЦ с датчиком (резистивного или емкостного типа), включенным по одной из схем включения (мостовая или в виде делителя напряжения), и частотный преобразователь, содержащий интегратор ИНТ, сравнивающее устройство СУ (компаратор) и инвертирующий усилитель ИУ (с переменным коэффициентом передачи), который может быть использован как инвертор, либо как второй компаратор. Пунктиром показаны отрицательные обратные связи, которые могут использоваться для питания датчиков
в зависимости от их типов и схем включения измерительной цепи.
Основная часть
Учитывая опыт работы с ЧИРП и развитие отечественной элементной базы, предлагается универсальный модуль частотного преобразователя, собранный на бескорпусных ОУ типа 154УД2. Схема универсального модуля с номерами выводов показана на рисунке 2а. На рисунке 2б представлено условно графическое изображение (УГО) универсального модуля частотного преобразователя.
Рисунок 2
схема универсального модуля ЧИРП; б - УГО универсального модуля частотного преобразователя
Обозначение номеров выводов:
1 - инвертирующий вход интегратора; 2 - не-инвертирующий вход интегратора; 3 - дополнительный инвертирующий вход интегратора; 4 - неинвер-тирующий вход компаратора; 5 - инвертирующий вход ОУ инвертирующего усилителя; 6 - неинвер-тирующий вход инвертирующего усилителя; 7 - -Епит модуля ЧИРП; 8 - выход интегратора; 9 - инвертирующий вход ОУ интегратора; 10 - выход компаратора (выход модуля ЧИРП); 11 - выход инвертирующего усилителя (инверсный выход модуля ЧИРП); 12 - + Епит модуля ЧИРП.
Схема, представленная на рисунке 2а, содержит: интегратор, собранный на ОУ Х1 с конденсатором С1 в отрицательной обратной связи, рези-
сторами и Я2 с дозирующей емкостью С2, включенной между инвертирующим входом ОУ интегратора и выходом компаратора, собранного на ОУ Х2; инвертирующий усилитель на ОУ Х3. Питание модуля осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжение +Е и -Е в диапазоне от 5 до 15В. Отличительной особенностью и универсальностью является возможность подключения навесных элементов к выводам модуля, с целью изменения значений номиналов Я1, Я2, С1, С2 в зависимости от схем подключения ИЦ с датчиком и задания необходимых параметров диапазона изменения частоты выходного сигнала и чувствительности частотного преобразователя [3,4].
На рисунке 3а представлена схема подключения универсального модуля частотного преобразователя к резистивному датчику температуры (на схеме R7) через дополнительный резистор R6, чем выше номинал которого, тем меньше погрешность от линейности. Дополнительно к модулю подключены навесные элементы: конденсатор С3 и резистор R5. На рисунке 36 показан график изменения частоты
выходного сигнала (Гц) в зависимости от изменения сопротивления датчика температуры R7 в диапазоне от 200 Ом до 1 кОм (для датчиков фирмы Honeywell этот диапазон может варьироваться в других пределах в зависимости от типа датчика и диапазона измеряемой температуры) при номиналах элементов схемы универсального модуля частотного преобразователя, представленного на рисунке За.
Рисунок 3 - а - схема подключения универсального модуля частотного преобразователя к резистивному датчику температуры; б - график изменения частоты выходного сигнала (Гц) в зависимости от изменения сопротивления датчика температуры (Ом)
Функция преобразования для данной схемы включения:
Г=к-я,, т
где £ - частота выходного сигнала универсального модуля частотного преобразователя, а К - коэффициент преобразователя, имеющий размерность [1/Ом*с] и определяемый соотношением:
K *
R7
2R6RIC2
(2)
где R1 и С2 - сопротивление и ёмкость дозирующего конденсатора соответственно (см. рис. 2а).
На рисунке 4а изображена схема подключения универсального модуля частотного преобразователя предназначенного для измерения давления с помощью резистивных тензодатчиков, собранных по мостовой схеме включения измерительной цепи. На рисунке 4б представлен график изменения частоты выходного сигнала модуля, при разбалансе тензо-моста £=(0,0014^0,01), с параметрами схемы изображенной на рисунке 4а.
Рисунок 4 а - схема подключения универсального модуля частотного преобразователя к тензорезистивному датчику давление; б - график изменения частоты выходного сигнала (Гц) в зависимости от разбаланса тензомоста датчика давления
Функция преобразования данной схемы включения:
Функция преобразования данной схемы включения:
f = -
s
4(Я9 + Я1)(С2 + С3)
и C2 см. рис. 2а) .
На рисунке 5а представлена схема подключе универсального модуля частотного преобразо теля к датчику дифференциального давления На рисунке 5б изображен график зависимости стоты выходного сигнала схемы 5а от разбала тензомоста в диапазоне £=(-0,01^0,01 указанных на схеме параметрах элементов.
f -
1 | s 1 + s + 2n
2(1 -s + 2т)С + Сб) [R12 + R ( 4 ,
ния ва-5]. ча-нса при
где m=R9/R; n=R10/R, а R
сопротивление тен-
зомоста (Я2 и С2 см.рис. 2а).
На рисунке 6а изображена схема подключения универсального модуля частотного преобразователя к емкостному датчику влажности [5-7]. На рисунке 5б изображен график зависимости частоты
С4) в диапазоне С=(100^101) схеме параметрах элементов.
выходного сигнала схемы, представленной на рисунке 5а, от изменения значения ёмкости датчика
пФ при указанных на
Рисунок 5 дифференциа
а - сх ного д
ема подключения универсального модуля частотного преобразователя к датчику авления; б - зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста тензорезистивного датчика дифференциального давления
Рисунок 6 а - схема подключения универсального модуля частотного преобразования к емкостному датчику влажности; б - зависимость частоты выходного сигнала от ёмкостного датчика влажности
Функция преобразования данной схемы включения будет иметь вид:
1 С - С
_ _С1 С4_
I=-
(5)
4Я0С2 4(Л, + К1)С1(С1 + С4)
(С2 и Я1 см.рис. 2а)
Заключение
Для схемы, представленной на рисунке 3а, подбирая номиналы резисторов и конденсаторов в функции преобразования (1), можно получить необходимые параметры выходного сигнала ЧИРП для разных типов датчиков в заданном диапазоне измеряемых температур.
Схему на рисунке 4а можно использовать только при одностороннем разбалансе тензомоста, а при стремлении разбаланса к нулевому уровню частота
выходного сигнала также стремится к нулю и схема перестает работать. К тому же, данная схема не учитывает влияние изменения температуры окружающей среды на погрешность преобразования. Поэтому данную схему включения можно применять для измерения абсолютного давления при нормальных условиях окружающей среды (например, при комнатной температуре).
Также, характерной особенностью всех описанных выше схем является их инвариантность к изменению напряжения питания модуля (±Епит.) и отсутствие жестких требований к стабильности ёмкости конденсатора интегратора (С1), так как она не входит в функции преобразования указанных схем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Громков Н.В., Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография/ Н.В. Громков. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009.
- 244 с.
2. Частотные преобразователи для датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем : моногр. / В. А. Васильев, Н. В. Громков, А. Н. Головяшкин, С. А. Москалев ;под ред. д.т.н., проф. В. А. Васильева. - Пенза : Изд-во ПГУ. - 130 с.
3. А. с. СССР № 828406. Преобразователь разбаланса тензомоста в частоту / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. - Опубл. Бюл. № 17, 1981.
4. Громков Н.В., Жоао А.Ж., Сборник материалов XI международной научно-практической конференции "Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий", Микромощный датчик температуры с частотным выходным сигналом, Сочи 2014. С. 410-413.
5. Артемов И.И. Прогнозирование надёжности и длительности приработки технологического оборудования по функции параметра потока отказов / И.И. Артемов, А.С. Симонов, Н.Е. Денисова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 3-7.
6. Стюхин В.В. Выбор оптимального варианта построения электронных средств / В.В. Стюхин, И.И. Кочегаров, В.Я. Баннов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 383-385.
7. Громков Н.В, Частотные преобразователи для тензодатчиков - В кн.: «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы». Пенза ПДНТП, 1980, с. 59-60.
