ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОСТАТА-СТАБИЛИЗАТОРА

Введение

Современные радиоэлектронные средства (РЭС) широко применяются в промышленности, медицине и быту. Современное развитие радиоэлектронной аппаратуры требует высокой надежности и стабильности работы в различных климатических и эксплуатационных условиях. Одним из ключевых факторов, влияющих на долговечность и точность работы электронных устройств, является температурный режим. Для его обеспечения используются термостаты-стабилизаторы, позволяющие автоматически поддерживать заданную температуру.

Целью исследования является разработка конструкции термостата-стабилизатора с оптимальными массогабаритными характеристиками, высокими показателями надежности и технологичности производства.

Анализ аналогов

В последние время наблюдается значительный рост интереса к термостабилизаторам, которые используются для поддержания стабильных температурных режимов.

С точки зрения технологии и применения, термостабилизаторы находят широкое применение в различных областях, где требуется поддержание заданной температуры, например, в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других.

Больше всего термостабилизатор используется, если размер и вес системы охлаждения ограничен, мало свободного пространства; когда нужен высокий уровень надежности либо работа ведется в особых условиях, например в вакууме.

Наша информационная связь так же не обходится без термостабилизаторов. Изготовление процессоров прогрессирует в современной электронике, поэтому увеличиваются требования, предъявляемые к их параметрам – быстрота функционирования и снижение потребляемой мощности, которые достигаются уменьшением напряжения питания процессоров. При использовании винчестеров, видеокарт, материнских плат, CD-ROMов и других компонентов компьютеров, так же нужно поддерживать стабильную температуру, в чем хорошо помогает термостабилизатор.

Для увеличения производительности элементов компьютерного процессора, нужно хорошее их охлаждение, которое обеспечивается термостабилизатором лучше, чем радиаторами и вентиляторами.

В быту часто возникает необходимость поддержания заданной температуры в термокамерах. Термодатчик передаёт информацию о температуре регулятору мощности. Регулятор анализирует данные и принимает решение об изменениях. Исполнительные механизмы возвращают температуру к заданной. Таким образом, термостабилизатор обеспечивает стабильность и точность поддержания температуры в замкнутом объёме.

Термостабилизация часто используется в паяльных станциях для возможности выставить температуру и удерживать ее с помощью системы управления, что позволит без страха перегреть и паять что угодно.

Применение прибора термостата–стабилизатора имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Плюсы:

Удобство работы. Установив необходимое значение температуры с помощью тумблера или кнопок, можно заниматься работой, не отвлекаясь на регулировку.

Система будет поддерживать заданное температурное значение автоматически.

Контроль температуры. Термостабилизатор позволяет поддерживать стабильную температуру, что особенно важно для оборудования и материалов, чувствительных к изменениям температурыПовышение надежности. Стабильная температура предотвращает перегрев и переохлаждение, продлевая срок службы оборудования и материалов.

Энергоэффективность. Поддержание оптимальной температуры может снизить энергопотребление и эксплуатационные расходы.

Безопасность. Предотвращение перегрева и переохлаждения снижает риск аварий и поломок.

Применение в различных отраслях.

Минусы:

Увеличение стоимости инструмента. Но если речь идёт о профессиональной сфере использования, затраты на дополнительные функции себя быстро окупают, так как заметно увеличивается производительность работ.

Несоответствие значений температур на экране паяльника и на кончике жала. Это может быть связано с погрешностью термометра и неплотным контактом жала и термопары. 

Сложность установки и обслуживания. Установка и настройка могут требовать квалифицированных специалистов, а также регулярного обслуживания.

Ограниченная гибкость. В некоторых случаях термостабилизаторы могут быть неспособны быстро адаптироваться к изменениям температуры или внешних условий.

Зависимость от электроэнергии. Термостабилизаторы требуют подключения к электросети, что делает их уязвимыми к перебоям в электроснабжении.

Проанализируем ближайшие аналоги термостабилизаторов и сделаем выводы.

Простой термостабилизатор

«Устройство является универсальным и предназначено для поддержания фиксированного значения заданной положительной температуры в диапазоне +1...80 °С с точностью 0,2 °С.

Термостабилизатор может применяться в искусственном инкубаторе для выведения цыплят из яиц (+37,5 °С), сушильном шкафу (+60 °С), домашней бане или же поддерживать положительную температуру (+2 °С) в утепленном хранилище для овощей на балконе при отрицательной температуре окружающего воздуха. При этом на работе устройства не сказывается возможная нестабильность сетевого напряжения.

Питается устройство по бестрансформаторной схеме непосредственно от сети 220 В, что позволяет значительно уменьшить его габариты.

В качестве нагревателя подойдет любая нагрузка мощностью не более 1000 Вт [1].»

 

Рисунок 1. Термостабилизатор

 

Рисунок 2. Паяльная станция «Магистр Ц20-А2 мини»

Описание:

Предназначена для проведения паяльно-ремонтных работ при производстве и ремонте электронной техники и является технологическим оборудованием.

Блок управления станции предназначен для поддержания заданной температуры заданной температуры жала паяльника [2].

Нагревательный элемент изготовлен из термокерамики.

Напряжения питания       36В, 50 Гц.

Номинальная мощность   90 Вт

Вторичное напряжение паяльных каналов   36 В, 50 Гц.

Диапазон температур    150-350 С

Точность поддержания температуры +- 5 С

Точность поддержания температуры +- 5 С

Точность задания температуры      +-10 С

Габаритные размеры: 80 х 30 х 140 мм

Вес: 1 кг

Рисунок 3. Термостат механический Ballu BMT-1

 

Тип терморегулятора механический

Диапазон регулируемых температур   от +10 до +30

Режим работы терморегулятора нагрев охлаждение

Максимальный ток нагрузки 10 А

Максимальная мощность нагрузки 2000 Вт

Габариты 83х83х38 мм

Описание: универсальная модель терморегуляторов для любых инфракрасных однофазных обогревателей (до 2 кВт). Применяется для регулирования поддерживаемой в помещении температуры. Широкий диапазон регулировки позволяет термостату данной модели эффективно контролировать температуру от +10 до +30С. Для удобного и комфортного управления, прибор оснащен функцией индикацией работы. Рекомендуемое место установки - 1,5 м от пола, в зоне со средней в комнате температурой. Не рекомендуется устанавливать термостат в зонах застоя воздуха, рядом с дверями, окнами и источниками тепла, а также в помещениях с повышенной влажностью и в агрессивных средах. Данный термостат не устанавливается в помещениях с повышеннойвлажностьюи в агрессивных средах. Данный термостат не устанавливается в помещениях с повышенной влажностью и в агрессивных средах [3].

Рисунок 4. Цифровой регулятор температуры входной точки K-типа E5C2-R20K220VAC, электронный указательный термостат 0-400

 

Назначение: Наблюдение за распределением температуры

Описание:

Использование крупномасштабных интегральных схем, прочная конструкция, длительный срок службы.

Высокие сейсмические характеристики, высокая надежность, простота установки.

Измерение температуры и автоматическое управление в диапазоне от 0℃ до 400℃.

Широко используется в химической промышленности, легкой промышленности, текстильной промышленности, металлургии, медицине, бытовой технике, лабораториях, при выращивании грибов, овощных теплицах, аквакультуре, производстве пластмасс, пищевых печах, холодильниках, фотомойках, тканях [4]. 

Рабочее напряжение: от 90% до 110% от номинального напряжения питания

Мощность: около 3,6 ВА

Размеры: 48*48*100

Вес: 194 г.

В ходе изучения были рассмотрены существующие решения: бытовые термостаты, паяльные станции и промышленные регуляторы температуры. Сравнительный анализ показал, что аналогичные устройства обладают ограничениями по диапазону температур, габаритам или потребляемой мощности.

На основании анализа были выявлены характеристики для  разрабатываемого устройства:

• диапазон рабочих температур от +150 до +1500 °С;
• номинальное напряжение питания 220 В;
• выходной ток не менее 0,3 А;
• мощность не более 20 Вт;
• потребляемая мощность не более 40 Вт;
• время наработки на отказ не менее 12 000 ч;
• масса не более 300 г при габаритах 114×114×56 мм.

Актуальной задачей является создание компактного и энергоэффективного устройства.

Конструкторская часть

Для разработки термостата-стабилизатора нужно включить следующие основные узлы:

• блок питания для преобразования сетевого напряжения;
• схему управления на базе дифференциального усилителя и симистора;
• нагревательный элемент;
• систему индикации и переключателей.

Для снижения вероятности отказов нужно применение минимальной элементной базы. Печатная плата выполняется из двустороннего фольгированного стеклотекстолита, корпус — из ABS-пластика с габаритами 114×114×56 мм.

При проведение расчёта надежности: среднее время наработки на отказ при коэффициенте готовности 0,95   составило 24 061 ч, что вдвое превышает требования технического задания.

Технологический раздел

Разработка технологии производства включает анализ технологичности конструкции, выбор оборудования и оснастки, а также описание процесса сборки.

Этапы технологического процесса:

1. Подготовка печатной платы и корпуса.
2. Монтаж радиоэлементов на плате (сочетание навесного и печатного монтажа).
3. Пайка элементов и установка соединителей.
4. Установка платы в корпус.
5. Проверка работоспособности и контроль параметров.
6. Маркировка и упаковка изделия.

Производственная программа предусматривает выпуск до 900 изделий в год, что подтверждает технологичность конструкции и применённых решений.

Для производства планируется использовать стандартное оборудование и универсальные приспособления, что обеспечивает экономичность и ремонтопригодность изделия.

Результаты и обсуждение

• Проведённый тепловой расчёт, показывает соответствие конструкции заданному температурному режиму.
• Выполнение анализа вибропрочности и прочности конструктивных элементов.
• Определение оптимальных топологических параметры печатной платы.
• Подтверждена возможность эксплуатации устройства в условиях климатического исполнения УХЛ и механического воздействия категории М1.

Разрабатываемый термостат-стабилизатор обладает рядом преимуществ:

• компактность и малая масса (273 г);
• расширенный диапазон рабочих температур;
• высокая надёжность (MTBF более 24 тыс. часов);
• энергоэффективность (потребление не более 40 Вт).

Благодаря модульной конструкции устройство может применяться в различных областях: от бытовых условий до лабораторного и промышленного оборудования.

Заключение

Проведён анализ аналогов, сформулированы технические требования, обоснован выбор элементной базы и материалов. Расчёты надежности и теплового режима подтвердили соответствие требованиям к эксплуатационным характеристикам.

Результаты исследования могут быть использованы при серийном производстве малогабаритных термостатов-стабилизаторов, а также в дальнейших научных исследованиях, связанных с улучшением систем термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры.