БЛОК НАКОПИТЕЛЬНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ С ПОДОГРЕВОМ
UNIT OF STORAGE CAPACITORS WITH HEATING

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструктивным элементам СВЧ транзисторных генераторов и/или усилителей мощности для аппаратуры нового поколения, используемой в широком диапазоне рабочих температур вплоть до –50°C.
Использование подогрева накопительных электролитических конденсаторов известно из литературы Аронов В.Л., Евстигнеев А.С., Евстигнеев А.А., Подадаева А.А., Поляков С.А., Требоганов Н.А. Конструкция 4-х-канального приемо-передающего модуля для бортовой АФАР // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. – 2007. – Вып. 1. – С. 94-102; Евстигнеев А.С., Колодько Г.Н., Аронов В.Л., Кравцов Л.Ш., Поляков С.А., Шишкань А.Н. Полнофункциональный модуль бортовой АФАР L-диапазона // Фазотрон. – 2011. – Вып. 3-4(16). – С. 65-69, однако известные источники не несут в себе способов оптимизации конструкции схемы подогрева электролитических конденсаторов, используемых в качестве «накопительных» при работе аппаратуры в импульсном режиме.
Главная причина технических проблем связана со спецификой работы всех электролитических конденсаторов. Она заключается в том, что электролит, являющийся одним из электродов конденсатора, при охлаждении резко меняет электропроводность. В результате возрастает паразитное последовательное сопротивление. Как следствие, при протекании больших импульсных токов происходит недопустимая с эксплуатационной точки зрения просадка питающего напряжения аппаратуры, в частности, транзисторных генераторов и/или усилителей мощности.
пр
Целью заявляемого изобретения является реализация первичного условия подогрева конденсаторов при достижении предельного уровня охлаждения (температура Т) в совокупности с несколькими эксплуатационными требованиями, что позволяет оптимизировать систему накопительных конденсаторов, реализуя экономию потребляемой мощности подогрева (статический параметр), снижение времени разогрева с выходом на номинальный режим эксплуатации (динамический параметр), экономию габаритов блоков накопительных конденсаторов с системой подогрева (статический параметр), достижение минимальных искажений импульсного режима обслуживаемой аппаратуры из-за наличия паразитной индуктивности в цепях накопительных конденсаторов (динамический параметр – паразитная индуктивность цепи, передающей рабочий импульсный ток с накопительных конденсаторов).
пр
Важный эксплуатационный параметр – величина предельного значения температуры, Т, при которой датчик температуры, установленный на корпусе обслуживаемой аппаратуры, выдает сигнал включения подогрева. Этот параметр определяется исключительно параметрами используемых электролитических конденсаторов.
Вторичный параметр конструкции блока накопительных конденсаторов – доступность оперативной оптимизации конструкции, отвечающий совокупности перечисленных требований.
Сущность изобретения заключается в том, что в усилителях, эксплуатируемых при отрицательных температурах, блок конденсаторов, несущих на себе резисторы подогрева и соответствующие цепи тока подогрева, дополняется элементами, формирующими необходимое тепловое сопротивление блока конденсаторов, в виде скоб достаточно большой ширины при относительно малой протяженности, выполненных из металлической фольги малой толщины (15-50 мкм) (Фиг. 1).
Выбор типа конденсаторов и необходимого их количества определяется достижением необходимой емкости при заданных параметрах блока конденсаторов.
После того, как определено необходимое количество конденсаторов в блоке, все они монтируются на диэлектрической плате, как показано на Фиг. 2.
Диэлектрическая плата с двусторонним металлическим покрытием для последующего электрического соединения выводов конденсаторов с безындукционными токопроводящими шинами (электроды «+») и с корпусом генератора и/или усилителя (электроды «–») обладают, по расчетной оценке и приближенным экспериментальным оценкам, достаточно малой теплоемкостью в сравнении с суммарной теплоемкостью присоединенных к ним конденсаторов. Металлизированные площадки на объединительной плате занимают большую часть площади с каждой стороны платы и обеспечивают минимальную паразитную индуктивность в цепи протекания импульсного тока, что позволяет минимизировать искажения радиоимпульса в рабочем режиме. По краям вблизи торцов соединительной платы сформированы узкие площадки, выполняющие двоякую роль.
Во-первых, между этими площадками и основными площадками, объединяющими электроды конденсаторов, располагаются упомянутые ранее «скобы» из тонкой фольги.
Во-вторых, с этих площадок идет соединение с расположенными рядом с блоком конденсаторов токоведущими шинами, которые раздают большой импульсный ток с накопительных конденсаторов на все каскады генератора и/или усилителя мощности.
Конкретный вариант передачи тока с четырех (в приведенном примере) площадок на соответствующие шины и на корпус генератора или усилителя представлен на Фиг. 3. В приведенном примере в одном случае это присоединение осуществляется пайкой, а в трех оставшихся случаях – пружинными контактными элементами.
Принципиальный момент заключается в том, что каждая из показанных четырех скоб формирует требуемое тепловое сопротивление, являясь одновременно безиндуктивным проводником рабочего импульсного тока.
Тепловое сопротивление каждой скобы шунтируется тепловым сопротивлением по диэлектрику объединительной платы (текстолит). При зазоре в металлизации 1,5 мм шунтирующий эффект передачи тепла по диэлектрику составляет 15-20% от теплового сопротивления скобы.
Конструкция с четырьмя «скобами» является лишь частным примером. Вполне возможны конструкции с двумя «скобами» вместо четырех – одна по «+», другая по «–».
В любом варианте конкретного конструктивного решения использование «скобы» позволяет оперативно подобрать оптимальное тепловое сопротивление, меняя ширину «скобы». Увеличение теплового сопротивления возможно без демонтажа непосредственно на блоке, собранном в корпусе генератора и/или усилителя, путем надреза по торцам «скобы».
В сложных случаях в процессе оптимизации работы накопительных конденсаторов параметры «скобы» могут быть изменены радикально путем изменения диаметра в сечении «скобы». Подобная операция также может быть проведена достаточно оперативно. Для этого при снятой «скобе» на зазор между двумя металлизированными поверхностями укладывается стальной цилиндр нужного диаметра (отрезок стальной проволоки). На него укладывается исходно плоская пластина фольги. Затем, с помощью простейшего приспособления, фольга деформируется, огибая цилиндр по всей длине и образуя горизонтальные площадки по обе стороны для припайки к металлическим поверхностям на плате.
Конструкция блока с элементами формирования теплового сопротивления должна предусматривать такую систему крепления корпусов конденсаторов, чтобы, с одной стороны, удовлетворять требованиям механической прочности, и, с другой стороны, свести к минимуму отвод тепла от корпусов конденсаторов на корпус генератора и/или усилителя мощности.
Такая достаточно очевидная задача решается использованием сравнительно тонкой крепежной рамки, которая является составной частью диэлектрического (плохо проводящего тепло) корпуса блока конденсаторов (Фиг. 4). В рамке выфрезеровано фигурное отверстие, куда вставляется весь «пакет» конденсаторов, ранее закрепленных на объединительных платах за счет припайки выводов к металлизированным отверстиям в плате. Сама эта объединительная плата жестко закреплена на корпусе блока конденсаторов.
В пакете конденсаторов соприкасающиеся поверхности корпусов закреплены с использованием локального склеивания. Таким же образом закреплены корпуса, соприкасающиеся с торцом крепежной рамки на корпусе блока.
Результирующий паразитный отвод тепла оказывается настолько малым, что его эффект не удается зафиксировать при экспериментальной проверке.
В результате реализации комплексного блока конденсаторов с регулируемым тепловым сопротивлением в системе подогрева получены следующие параметры:
Для заданного типа конденсаторов Nichicon 220 мкФ 63 В при напряжении источника 50 В и при предельной температуре 0°С до включения подогрева импульсная просадка напряжения составила 2,6 В при токе 6 А. Эта величина укладывается в допустимые нормы эксплуатации обслуживаемого усилителя мощности с выходной импульсной мощностью 4 кВт.
При минимальной температуре эксплуатации аппаратуры – 50°С при включении подогрева приемлемая температура накопительных конденсаторов достигается через 90 с. Это соответствует требованиям к аппаратуре, где указано время выхода на нормальный режим работы, которое составляет 2 минуты.
Просадка напряжения питания (50 В) при внешней температуре – 50°С и установившемся подогреве, при потреблении номинального импульсного тока (24 А на 4 конденсатора в одном блоке) составила 2,1 В, что соответствует требованиям (3 В).
Мощность подогрева в расчете на один блок конденсаторов с четырьмя конденсаторами составляет 4 Вт, что в 1,5 раза меньше тока подогрева в схожем усилителе мощности, где накопительные конденсаторы того же типа монтируются обычным способом и заливаются специальным клеем для обеспечения механической устойчивости. Это заметно снижает тепловое сопротивление системы подогрева.
Для получения перечисленных положительных параметров системы подогрева была проведена оптимизация габаритов «скобы» для достижения необходимых величин теплового сопротивления. Эта операция, как ожидалось, проведена достаточно оперативно.
Габариты описанного блока конденсаторов можно сопоставить с габаритами блоков конденсаторов в традиционном исполнении при монтаже конденсаторов на типовых платах с последующей заливкой клеем (или без него).
Сравнение дает разные результаты в зависимости от общего количества используемых блоков конденсаторов в корпусе обслуживаемой аппаратуры.
Эффект снижения габаритов явно проявляется при использовании более 10 шт. блоков описанной конструкции. При этом экономия объема составляет примерно 10%.