РАЗРАБОТКА И РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ СТЕНДА РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИБОРОВ РЕЧЕВОГО ОПОВЕЩЕНИЯ

​DEVELOPMENT AND DESIGN CALCULATION OF AN EQUIVALENT LOAD FOR A SERVICE LIFE TESTING STAND OF VOICE ALARM DEVICES

Nigmatullin Alexandr Ilich

Master’s student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

Mishin Vladislav Vladimirovich

Scientific adviser, associate professor, Oryol State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены вопросы проектирования эквивалентной нагрузки для ресурсных испытаний приборов речевого оповещения. На основании требований к выходному каскаду усилителя выполнены расчёты электрических и тепловых характеристик нагрузочного блока. Обоснован выбор схемы соединения резистивных элементов, обеспечивающей требуемые параметры сопротивления и мощности рассеяния. Проведён анализ теплового режима устройства с учётом условий длительной эксплуатации. Результаты исследования могут быть использованы при разработке испытательных стендов для проведения технологического прогона и ресурсных испытаний оборудования речевого оповещения.

ABSTRACT

The paper addresses the design of an equivalent load for endurance testing of voice alarm devices. Based on the requirements imposed on the amplifier output stage, the electrical and thermal characteristics of the load unit were calculated. The selection of the resistor network configuration, providing the required resistance and power dissipation parameters, is substantiated. A thermal analysis of the device under long-term operating conditions was carried out. The results of the study can be applied to the development of test benches for burn-in procedures and endurance testing of voice alarm equipment.

Ключевые слова: технологический прогон; эквивалентная нагрузка; нагрузка; выбор радиатора; тепловой расчет.

Keywords: Test run; equivalent load; load; selection of a heat sink; thermal calculation.

В рамках исследования по разработке стенда ресурсных испытаний приборов речевого оповещения требуется создание эквивалентной нагрузки, обеспечивающей работу выходного усилителя в режимах, близких к максимальным. Для реализации указанных требований выполнены электрический и тепловой расчеты нагрузочного блока в качестве примера для блока речевого оповещения Рупор-300 с выходной мощностью 300 Вт.

Расчет электрической мощности нагрузки производится по закону Ома и формуле мощности:

,                                                     (1)

P – мощность подключаемой нагрузки, Вт;

U – действующее значение напряжения на линии оповещения блока, В;

R – сопротивление нагрузки, Ом.

Определим требуемое сопротивление нагрузки:

,                                                     (2)

После необходимо проанализировать, какое количество резисторов необходимо подключить для достижения равномерного распределения тепла. Рассеиваемая мощность 300 Вт существенно превышает допустимые значения для одного резистора, поэтому нагрузка должна быть выполнена из нескольких параллельно и последовательно соединённых элементов.

При разработке мощных нагрузок широко применяются проволочные цементные резисторы или силовые резисторы в алюминиевом корпусе. Для данной задачи были выбраны резисторы серии RX24 с номинальной рассеиваемой мощностью 50 Вт. Их конструкция позволяет устанавливать несколько резисторов на общий радиатор, обеспечивая эффективный теплоотвод.

Минимальное количество резисторов, требуемое для рассеивания мощности 300 Вт, определяется выражением:

,                                                   (3)

P_ном – номинальная мощность одного резистора.

Тогда,

 Следовательно, минимальное необходимое количество резисторов не менее шести. Однако работа резисторов на предельной мощности приводит к значительному повышению их температуры и снижению надёжности. Кроме того, резисторы должны устанавливаться на радиатор для обеспечения допустимого теплового режима.

Для решения комплексной проблемы с количеством резисторов и выделяемой мощности на них, была реализована схема, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема нагрузки сопротивлением 30 Ом

Ближайшим стандартным значением сопротивления отдельного резистора для формирования требуемой нагрузки является 11 Ом. Однако резисторы данного номинала высокой мощности имеют меньшую распространенность и более ограниченную доступность по сравнению с типовыми резисторами 10 Ом. В связи с этим для изготовления нагрузочного блока были использованы проволочные резисторы номиналом 10 Ом и суммарным сопротивлением 30 ом.

Тогда в таком случае мощность будет равна:

или, учитывая ограничение усилителя (в таком случае вместо 100 В на линии будет приблизительно 95 В):

P ≈ 300

Далее нужно учесть распределение мощности по резисторам. Количество резисторов подобрано таким образом, чтобы выделяемая мощность на каждом резисторе не превышала 1/2 от максимальной рассеиваемой мощности. Таким образом мощность, выделяемая на одном резисторе, рассчитывается по формуле:

,                                                     (4)

P_R – мощность, выделяемая на одном резисторе, Вт;

N – количество резисторов.

Тогда,

Поскольку используется 12 резисторов, то удобней всего для равномерного распределения теплоотвода использовать 4 радиатора таким образом, чтобы на каждом из радиаторов крепилось по 3 силовых резистора. Под данное требование отлично подходят радиаторы с размерами 200×80×35 мм со специальным местом крепления под силовые компоненты (в данном случае под резисторы). Пример монтажа резисторов приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Конструктивное исполнение монтажа резисторов на выбранный радиатор

Если на каждом радиаторе установлено по три резистора, следовательно, мощность, рассеиваемая одним радиатором, составляет:

,                                              (5)

P_рад – суммарная рассеиваемая мощность на одном радиаторе.

Для оценки температурного режима используется метод тепловых сопротивлений. Перегрев радиатора относительно окружающей среды определяется выражением [1]:

,                                            (6)

 – тепловое сопротивление радиатора, °С/Вт.

Температура радиатора определяется по формуле [1]:

,                           (7)

 – температура окружающей среды;

 – тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда.

Для используемого радиатора размерами 200×80×35 мм при естественной конвекции тепловое сопротивление составляет примерно:

°С/Вт

Тогда ожидаемая температура радиатора при температуре окружающей среды 25 °С составит:

,

 °С,

Полученное значение свидетельствует о недостаточной эффективности естественного охлаждения.

Для снижения температуры в конструкции применено принудительное воздушное охлаждение вентиляторами размером 80×80 мм. При использовании принудительного воздушного охлаждения тепловое сопротивление уменьшается приблизительно в 2–3 раза, поэтому в расчетах принято значение 0,5 °С/Вт.

Тогда расчетная температура радиатора составит:

,

 °С,

Экспериментально установлено, что при работе в течение 1,5 часов на сигнале синусоидальной формы частотой 1 кГц температура радиаторов стабилизируется на уровне 60-70 °C, что обеспечивает безопасный тепловой режим резисторов и достаточный запас по надежности, а также подтверждает правильность выполненного теплового расчета и эффективности системы охлаждения.

Список литературы:

1. Дульнев, Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре [Текст]: учеб. пособие/ Г.Н. Дульнев. - М. : Высш. шк., 1984. – 247 с.
2. Иньков, Ю. М. Основы конструирования радиоэлектронной аппаратуры : учебное пособие / Ю. М. Иньков. — М. : Академия, 2007. — 352 с.
3. Беляев, Н. М. Основы теплопередачи / Н. М. Беляев. — М. : Высшая школа, 1981. — 495 с.