Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Приборы, потребляющие более нескольких ватт, обычно нуждаются в принудительном воздушном охлаждении. По приближенным подсчетам небольшие приборы, выделяющие более 10 Вт, или более крупные узлы, расходующие более чем 25 Вт, работают, вероятно, лучше, если их обдувать вентилятором. Важно помнить, что в корпусе, заполненном схемами, будет прекрасный температурный режим, если корпус установлен на стенде, а его крышка снята. Но если схема помещена в стойке вместе с тепловыделяющими приборами (когда окружающая температура может достигать 50 °C) и закрыта крышкой, то она будет сильно перегреваться. Это приводит не только к быстрому разрушению компонентов, сколько главным образом к неудовлетворительной работе.

Для приборов, работающих при умеренно низких мощностях, например, показанных выше на рисунках, часто бывает достаточно простого охлаждения конвекцией. В этих случаях вы должны просверлить в основании верхней крышки отверстия, учитывая расположение основных сильно нагревающихся деталей (мощных резисторов и транзисторов). Возможно, что лучше устанавливать мощные компоненты на задней панели, используя радиаторы с вертикальными ребрами (разд. 6.04). Схемные платы будут лучше вентилироваться, если их устанавливать вертикально, хотя рассеяние тепла в схемах чаще всего незначительное. Если конвективного охлаждения недостаточно, то следует воспользоваться вентилятором.

Обычный вытяжной вентилятор со скоростью потока в открытом пространстве 3 куб. м/мин будет вполне удовлетворительно охлаждать приборы, потребляющие 100 Вт и больше. Здесь мы проводим соответствующую формулу:

Возрастание температуры воздуха, °С = 1,6·Р (Вт)/Поток воздуха (куб. м/мин)

Если вас удовлетворит небольшой воздушный поток, то у большинства изготовителей имеются бесшумно работающие вытяжные вентиляторы. В табл. 12.2 приведены некоторые их типы и параметры. У этих вентиляторов поток воздуха сильно уменьшается, если при работе на нем появляется обратный перепад давления. На рис. 12.17 это показано графически.

Рис. 12.17. Поток воздуха в зависимости от обратного перепада давления для вытяжных вентиляторов, перечисленных в табл. 12.2.

1 — стандартный, сечение 112,5 мм; 2 — мини-вентилятор сечением 75 мм; 3 — бесшумный, сечение 112,5 мм; 4 — особо тихий сечением 112,5 мм.

Кроме традиционных вентиляторов, работающих от сети переменного тока, все изготовители теперь выпускают и бесщеточные вентиляторы, рассчитанные на постоянное напряжение. Работа вентиляторов от низкого постоянного напряжения (обычно 12 или 24 В) делает их удобными для электронного управления скоростью вращения в зависимости от рабочей температуры внутри прибора. Вы можете либо осуществить считывание температуры и собственную обратную связь управления скоростью (возможно использование внеплатного модуля типа регуляторов "SmartFan", изготовляемых фирмой Control Resources) или приобрести вентилятор с встроенным терморегулятором скорости (например серии "Therma-Pro-V" Rotron). Другой путь, который хорошо себя зарекомендовал, это использование вентиляторов с изменяющейся скоростью вращения лопастей, так как чаще бывают такие условия, когда шум вентилятора может быть гораздо меньше, чем в наихудших условиях (максимальные обороты), которые возникают только при максимальной для прибора температуре окружающей среды.

При размещении приборов, требующих принудительного воздушного охлаждения, попытайтесь так расположить компоненты, чтобы воздух поступал в корпус с одного края, обтекал компоненты и выходил из противоположного края. Например, в приборах с горизонтальным расположением шасси вы должны просверлить несколько впускных отверстий в нижней части панели, а также на внутренних шасси вблизи лицевой панели и установить вытяжной вентилятор в верхней части задней панели. Таким образом воздушный поток принудительно будет проходить через все детали прибора. Не забывайте, что схемная плата является преградой для воздушного потока, — при планировке прибора следует это учитывать. Если сопротивление потоку значительное (высокое обратное давление), то центрифужный обдув будет работать лучше, чем пропеллерный. Лопасти пропеллерного вентилятора, если обратное давление превышает 7,5 мм вод. ст., переходят в состояние «срыв потока», делая тем самым вентилятор полностью неэффективным.

В общем при любом охлаждении главным при конструировании является охрана прибора; разрушаемость электронных приборов резко возрастает, если оборудование работает с перегревом. На рис. 12.18 изображен прибор, хорошо сконструированный с точки зрения охлаждения и доступа к элементам.

Рис. 12.18. Внешний вид законченного прибора (устройство считывания цифровых сигналов с магнитофонных кассет), в котором применено несколько способов крепления и межсоединений. Большая часть электронных схем размещается в блок-каркасе для печатных плат (к которому подсоединяются задняя панель и многоконтактный разъем), а схемы управления приводом ленты смонтированы на двух панелях вблизи мотора (связь осуществляется либо через многоконтактный разъем, либо жгутом, либо через соединение вставкой DIP).

Регулировка и контрольные точки вынесены на края схемных плат. Проследите, как здесь проходит поток охлаждающего воздуха. Воздух засасывается сзади со стороны блок-каркаса для плат; он протекает между платами, затем вокруг центральной части, возвращаясь, обдувает источники питания и высасывается вентилятором, расположенным в правой части задней панели.

Ненадежные компоненты. В любой электронной системе наиболее ненадежными компонентами являются следующие (хуже всего первые): 1) разъемы и кабели; 2) переключатели; 3) потенциометры и триммеры. Не забывайте об этом и не давайте вашим идеям разрастаться так, чтобы их воплощение стало слишком сложным делом.

Радиочастотные линейные фильтры. Как мы упоминали выше, на входах питания от сети переменного тока очень полезно ставить высокочастотные фильтры. Они изготовляются рядом фирм, среди которых можно отметить Corcom, Cornell-Dubilier, а также Sprague. Фильтры выпускаются в виде простых модулей, имеющих клеммы с ламелями для пайки, или же включаются в общий блок с вилкой для включения в сеть переменного тока, соединяемый со стандартным кордовым шнуром IEC. Такие фильтры обеспечивают превосходную фильтрацию напряжения питания от ВЧ-сигналов (а также предотвращают излучение их самим прибором), и, кроме того, они довольно эффективно подавляют переходные процессы сетевого напряжения. Так, например, фильтр 3R-1 Corcom (рассчитан на 3 А, 115 В) имеет ослабление 50 дБ для сигналов частоты 200 кГц и более 70 дБ для сигналов с частотой, превышающей 0,5 МГц (разд. 6.11 и табл. 6.3).

Подавление переходных процессов. В любых приборах, чтобы предотвратить сбой в работе (или даже выход из строя), вызываемый случайными выбросами напряжения сети от 1 до 5 кВ, которые имеют место практически на всех линиях переменного тока, полезно ставить устройство для подавления переходных процессов. Эти устройства можно просто подключать параллельно зажимам сетевого питания после предохранителя; они действуют как двунаправленные стабилитроны и обладают способностью выдерживать огромные пиковые значения тока. Выпускаются они в корпусах, аналогичных дисковым конденсаторам или мощным диодам. Небольшие и дешевые GE V130LA10A (стоят около 1 долл.), например переходят в проводящее состояние при напряжении 185 В и могут пропускать импульсные токи с максимальной амплитудой 4000 А (подробнее см. разд. 6.11 и табл. 6.2).

Предохранители. В каждой без исключения силовой шине электронного прибора наличие плавкого предохранителя обязательно. Как мы указывали в разд. 6.11, настенный предохранитель плавится при токах 15–20 А, тем самым предотвращая опасность воспламенения стенной проводки. Если не предусмотреть такие возможные неисправности, как, например, пробой конденсатора источника питания, то от сети в прибор пойдет ток 10 А (т. е. в силовом трансформаторе будет рассеиваться мощность более 1 кВт). Важное замечание (момент, к сожалению, не сразу понятый авторами): сетевой конец должен присоединяться к внутренней клемме держателя предохранителя, чтобы при смене предохранителя вы не могли коснуться пальцами «горячей» клеммы. Используйте легкоплавкие предохранители, выбирая их на ток в 1,5–2 раза больший, чем наибольший ток потребления прибора.

Принцип «холодного управления». Всегда, когда только возможно, полезно избегать прохождения логического или аналогового сигнала через панель управления; это нужно, чтобы предотвратить возникновение перекрестных связей и затухание сигнала, которые в противном случае могут иметь место. Взамен выведения сигналов на переднюю панель, можно подать в схему управляющие сигналы постоянного тока от потенциометров, переключателей и т. п. оборудования, расположенного на передней панели. Это особенно важно при шумах, высокоскоростных сигналах или сигналах низкого уровня, поскольку сигналы управления постоянного тока могут быть отфильтрованы шунтирующими конденсаторами, в то время как для быстроменяющихся сигналов это недопустимо. Например, лучше использовать дополнительные вентили (мультиплексор), чем прогонять логический сигнал через переключатель, или для управления частотой с лицевой панели лучше использовать генератор, управляемый напряжением, чем перестраиваемый RC-генератор. Чтобы осуществить такое «холодное управление», понадобится незначительное дополнительное высококачественное оборудование, но будут обеспечены повышенная надежность и простота монтажа (не нужен будет, например, экранированный кабель).