Национальный Технический Университет Украины
Киевский политехнический институт
Кафедра промышленной электроники
Курсовая работа
по курсу: Конструирование и технология электронных приборов и устройств
Однофазный тиристорный выпрямитель с цифровой индикацией
Киев 2009
Содержание
Введение
1. Расчет конструкции
2. Тепловой расчет
3. Расчет надежности
Выводы
Литература
Приложение
Введение
В расчетно-графической работе проведены расчет конструкции однофазного тиристорного выпрямителя, тепловой расчет, а также расчет надежности
Основной целью данной рассчетно-графической работы является получение навыков конструирования электронной аппаратуры. К конструкции современной апппаратуры предъявляются высокие требования: надежность, миниатюризация, дизайн, безопасность для жизни и здоровья людей, простота утилизации и др.
Для снижения трудоемкости, сроков и стоимости конструирования и повышения его качества необходима его автоматизация. Одной из главных задач конструктора является выбор оптимального варианта конструктивного решения путем оценки тепловых режимов работы, расчета надежности и т. д.
1. Расчет конструкции
Для нахождения площади печатной платы и размеров кожуха по справочникам находим определяющие размеры элементов и заносим их в таблицу 1
Таблица 1
| Обозначение
|
Наименование
|
Кол. |
Определяющие размеры, мм |
| VS1-VS2 |
2У202Ж |
2 |
|
| VDS1 |
2KPB04M 3N256 |
4 |
|
| VD3 |
1N4744 |
1 |
|
| BQ1 |
16 MГц |
1 |
|
| DD1 |
ATMega16 |
1 |
|
| DD2 |
KREN5A |
1 |
|
| FG1-FG3 |
S432GWA |
3 |
|
| S1-S3 |
P2APX |
3 |
|
| HL1 |
CP41B-BFS |
1 |
|
| HL2 |
CP41B-GFS |
1 |
|
| VT1-VT7 |
КТ815А |
7 |
|
| L1 |
10 мГн |
1 |
|
| TV1 |
220 В 50 Гц 60 В∙А |
1 |
|
| C1 |
К50-33 470мкФ 100В |
1 |
|
| С2 |
К52-1Б 220 мкФ 16 В |
1 |
|
| C3, С7 |
К10-50Б 100 нФ 16 В |
2 |
|
| C4, С8 |
К52-1Б 22 мкФ 16 В |
2 |
|
| C5, С6 |
К52-1Б 22 пФ 25 В |
2 |
|
| R1-R27 |
KP554CA3,LM211N |
27 |
|
| VD0 |
B10 |
1 |
|
| Радиатор |
1 |
|
Эскизы некоторых элементов, используемых в данном устройстве, приведены в Приложении 1.
Размещаем данные элементы на плату, которая приведенная в Приложении 2. Определяем размер платы:
L=156 мм , B=119 мм.
Плату крепим на четырех крепежных отверстий размером 5ммХ5мм.
Высота платы определяется по самому высокому элементу. Конструкция радиатора имеет наибольшую высоту – 50 мм. С учетом толщины платы и выводов, расположенных на противоположной стороне платы, ее высота составляет 2 мм.
Составляем таблицу 2, в которую заносим элементы, размещенные на плате. Установочные площади определяем по формуле S=1,3*B*L .
Таблица 2
| Наименование |
Количество,шт. |
Установочная площадь,мм^2 |
| C1 |
K10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| C2 |
K10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| C3 |
K10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| C4 |
K10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8 |
С2-23 |
16x64,3=1028,8 |
| R9,R10,R11,R12,R13,R14 |
C2-23 |
12x64,3=771,6 |
| C5 |
K10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| C6 |
K10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| C7 |
K10-17Б М47 |
2x48,75=97,5 |
| C8 |
K-10-17Б M47 |
2x48,75=97,5 |
| C9 |
K-10-17Б M47 |
2x48,75=97,5 |
| C10 |
K-10-17Б М47 |
2x29,12=58,24 |
| 1VT1-1VT2 |
КП303Г |
2x132,5=265,05 |
| 2VT1-2VT2 |
КТ316Д |
2x132,5=265,05 |
| 1DA1-2DA1 |
КР590КН8,SD5002 |
2x352,8=705,6 |
| 1DA2-2DA2 |
КР544УД2А, LF356 |
2x212,8=425,6 |
| 1DA3-2DA3 |
КР554СА3,LM211N |
2x212,8=425,6 |
| DA1 |
КР597СА2, AM686 |
352,8 |
| DA2 |
KP554CA3,LM211N |
212,8 |
| DD1 |
KP1533TM2 |
317,8 |
| DD2-DD3 |
KP1594ЛН1 |
317,8 |
| VT1-VT3 |
КТ3102А |
3*58,24 |
| Точка подпайки |
22 |
33*22=726 |
Площадь платы Sпл=6614 мм2
Выбираем ориентировочный размер платы:
L=100 мм , B=66 мм.
Так как длина платы меньше 120 мм, то достаточно четырех крепежных отверстий размером 10ммХ10мм. Точка подпайки имеет размер 5ммХ5мм.
Высота платы определяется по самому высокому элементу. Микросхемы выполнены в корпусе DIP, который имеет наибольшую высоту – 7,6 мм. С учетом толщины платы и выводов, расположенных на противоположной стороне платы, ее высота составляет 15 мм.
Вычисляем установочный объем каждого элемента:
VC
1,2,3,4,5,6,10
=14*5,6*4,0*5,0*1,5= 2352 мм3
;
VС7,8,9
=6*7,5*5,0*5,0*1,5=1687,5 мм3
;
VR
1,2,3,4,5,6,7,8,9
=1,5*9*11,0*4,5*4,5=3007,1 мм3
;
VR
10,11,12,13,14
=1,5*5*11*4,5*4,5=1670,6 мм3
V1
VT
1-2
VT
,2
VT
1-2
VT
2,
VT
1-3
=1,5*5*19,23*5,3=764,4 мм3
V1-2
DA
1,2,3
=1,5*25,6*10,6*7,62*6=18609,9 мм3
VDA
1
=1,5*25,6*10,6*7,62=3101,6 мм3
VDA
2
=1,5*15,44*10,6*7,62=1870,7 мм3
VDD
2,3
=1,5*23,06*10,6*7,62=2793,9 мм3
Получим суммарный установочный объем :
Vсум=207900 мм3
.
Выбираем размеры кожуха: L=110 мм, B=70 мм, H=27 мм.
Полученный суммарный объем определяет минимальный объем кожуха. Фактический же объем определим, домножив каждый из параметров на 1.13:
Lф=110*1.13=124,3 мм, Bф=70*1.13=79,1 мм, Hф=27*1.13=30,5 мм.
Vк=Lф*Bф*Hф=299879,9 мм3
.
2.Тепловой расчет
Тепловой расчет произведен для режима естественной конвекции. Задаемся температурой среды Тср=313 К.
Определяющая температура между средой и стенкой:
Разность температур между стенкой и средой:
Расчет теплового обмена для боковых поверхностей.
Для анализа процесса теплообмена используем критерии Грасгофа и Нуссельта:
,
где n(Тст)- определяется по таблице при различной температуре.
,
где Pr(Тст) - определ
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:
,
где коэффициент теплопроводности l определяется по таблице.
Определяем площадь боковых поверхностей:
Определяем тепловую проводимость для боковых поверхностей:
Далее проводим расчет по аналогичным формулам для крышки.
Определяем площадь крышки кожуха:
При расчете будем считать, что теплообмен между нижней поверхностью кожуха и средой не осуществляется, так как устройство будет установлено на какой-либо поверхности.
Произведем расчет теплового обмена за счет лучеиспускания.
Коэффициент теплообмена определяем по формуле:
,
где j12
- коэффициент взаимного облучения, e - приведенная чернота тела (в данном случае e=0.92 для эмалевой краски).
Определяем площадь поверхности кожуха, которая учавствует в теплообмене за счет лучеиспускания:
Определяем проводимость теплообмена лучеиспускания:
Определяем суммарную проводимость теплообмена по следующей эквивалентной схеме:
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]= 0.599
Выводы
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 2.365·106
ч (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.