RU2735613C1

RU2735613C1 - Unit of storage capacitors with heating

Info

Publication number: RU2735613C1
Application number: RU2019135027A
Authority: RU
Inventors: Вадим Львович Аронов; Иван Павлович Яковлев; Андрей Владимирович Иванцов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-11-05

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to structural elements of microwave transistor generators and/or power amplifiers for new generation equipment used in a wide range of operating temperatures up to −50 °C. Essence of invention consists in the fact that in generators and/or amplifiers operated at negative temperatures, unit of capacitors, carrying heating resistors and corresponding heating current circuits, is supplemented with elements forming required thermal resistance of capacitor unit, in the form of brackets of sufficiently large width at relatively small length, made of metal foil of low thickness (15–50 mcm). Use of invention in production of powerful pulsed transistor microwave generators and/or amplifiers enables to create units of storage electrolytic capacitors with heating, optimized both by dimensions and by power consumed for heating of condensers at negative operating temperatures, as well as by dynamic parameter "heating time".

EFFECT: technical result consists in reduction of energy consumed for heating of condenser unit and reduction of period required for its heating.

1 cl, 4 dwg

Description

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.The invention relates to electronic engineering, in particular to structural elements of microwave transistor generators and / or power amplifiers for new generation equipment used in a wide range of operating temperatures down to –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.The use of heating storage electrolytic capacitors is known from the literature of V.L. Aronov, A.S. Evstigneev, A.A. Evstigneev, A.A. Podadaeva, S.A. Polyakov, N.A. Treboganov. The design of a 4-channel transceiver module for onboard AFAR // Electronic engineering. Series 2. Semiconductor devices. - 2007. - Issue. 1. - S. 94-102; Evstigneev A.S., Kolodko G.N., Aronov V.L., Kravtsov L.Sh., Polyakov S.A., Shishkan A.N. Full-function L-band AFAR onboard module // Phazotron. - 2011. - Issue. 3-4 (16). - P. 65-69, however, the known sources do not contain ways to optimize the design of the heating circuit for electrolytic capacitors used as "storage" ones when the equipment operates in a pulsed mode.

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.The main reason for technical problems is related to the specifics of the operation of all electrolytic capacitors. It consists in the fact that the electrolyte, which is one of the electrodes of the capacitor, sharply changes the electrical conductivity when cooled. As a result, parasitic series resistance increases. As a result, when high impulse currents are flowing, an operationally unacceptable drop in the supply voltage of the equipment, in particular, transistor generators and / or power amplifiers, occurs.

Целью заявляемого изобретения является реализация первичного условия подогрева конденсаторов при достижении предельного уровня охлаждения (температура Т_пр) 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).The aim of the claimed invention is to implement the primary condition for heating the condensers when the maximum cooling level (temperature T _CR ) is reached, together with several operational requirements, which allows to optimize the system of storage capacitors, realizing the savings in the consumed heating power (static parameter), reducing the heating time with reaching the nominal operating mode (dynamic parameter), saving the dimensions of storage capacitor units with a heating system (static parameter), achieving minimum distortions of the pulse mode of the serviced equipment due to the presence of parasitic inductance in the storage capacitor circuits (dynamic parameter is the parasitic inductance of the circuit transmitting the operating pulse current with storage capacitors).

Важный эксплуатационный параметр – величина предельного значения температуры, Т_пр, при которой датчик температуры, установленный на корпусе обслуживаемой аппаратуры, выдает сигнал включения подогрева. Этот параметр определяется исключительно параметрами используемых электролитических конденсаторов.An important operational parameter is the value of the limiting temperature value, T _pr , at which the temperature sensor installed on the casing of the serviced equipment issues a signal to turn on the heating. This parameter is determined exclusively by the parameters of the electrolytic capacitors used.

Вторичный параметр конструкции блока накопительных конденсаторов – доступность оперативной оптимизации конструкции, отвечающий совокупности перечисленных требований.A secondary design parameter of the storage capacitor unit is the availability of operational design optimization that meets the set of the listed requirements.

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).The essence of the invention lies in the fact that in amplifiers operated at negative temperatures, a block of capacitors carrying heating resistors and corresponding heating current circuits is supplemented with elements that form the required thermal resistance of the capacitor block, in the form of brackets of a sufficiently large width with a relatively short length, made of metal foil of small thickness (15-50 microns) (Fig. 1).

Выбор типа конденсаторов и необходимого их количества определяется достижением необходимой емкости при заданных параметрах блока конденсаторов.The choice of the type of capacitors and the required number is determined by the achievement of the required capacity for the given parameters of the capacitor bank.

После того, как определено необходимое количество конденсаторов в блоке, все они монтируются на диэлектрической плате, как показано на Фиг. 2.After the required number of capacitors in the block has been determined, they are all mounted on a dielectric board as shown in FIG. 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.A dielectric board with a double-sided metal coating for the subsequent electrical connection of capacitor leads with non-inductive conductive buses (electrodes "+") and with the generator and / or amplifier case (electrodes "-") have, according to the calculated estimate and approximate experimental estimates, a sufficiently low heat capacity in compared with the total heat capacity of the capacitors connected to them. Metallized pads on the backplane occupy most of the area on each side of the board and provide minimal parasitic inductance in the pulse current path, which minimizes radio pulse distortion during operation. At the edges near the ends of the interconnect board, narrow platforms are formed that perform a double role.

Во-первых, между этими площадками и основными площадками, объединяющими электроды конденсаторов, располагаются упомянутые ранее «скобы» из тонкой фольги.First, between these areas and the main areas connecting the electrodes of the capacitors, the previously mentioned "staples" of thin foil are located.

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.Secondly, from these sites there is a connection with the current-carrying buses located next to the block of capacitors, which distribute a large pulse current from the storage capacitors to all stages of the generator and / or power amplifier.

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.A specific embodiment of the current transfer from four (in the given example) pads to the corresponding buses and to the generator or amplifier housing is shown in Fig. 3. In the given example, in one case, this connection is carried out by soldering, and in the remaining three cases - by spring contact elements.

Принципиальный момент заключается в том, что каждая из показанных четырех скоб формирует требуемое тепловое сопротивление, являясь одновременно безиндуктивным проводником рабочего импульсного тока.The fundamental point is that each of the four brackets shown forms the required thermal resistance, being at the same time a non-inductive conductor of a working pulse current.

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.The thermal resistance of each bracket is shunted by the thermal resistance across the backplane dielectric (textolite). With a gap in the metallization of 1.5 mm, the shunting effect of heat transfer along the dielectric is 15-20% of the thermal resistance of the bracket.

Конструкция с четырьмя «скобами» является лишь частным примером. Вполне возможны конструкции с двумя «скобами» вместо четырех – одна по «+», другая по «–».The four-bracket design is just a specific example. Constructions with two "brackets" instead of four are quite possible - one according to "+", the other according to "-".

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».In any variant of a specific design solution, the use of a "bracket" allows you to quickly select the optimal thermal resistance by changing the width of the "bracket". An increase in thermal resistance is possible without dismantling directly on the block assembled in the generator and / or amplifier housing, by notching along the ends of the "bracket".

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.In difficult cases, in the process of optimizing the operation of storage capacitors, the parameters of the "bracket" can be radically changed by changing the diameter in the section of the "bracket". A similar operation can also be carried out quite quickly. To do this, with the "bracket" removed, a steel cylinder of the required diameter (a piece of steel wire) is placed on the gap between the two metallized surfaces. An initially flat foil plate is laid on it. Then, with the help of a simple device, the foil is deformed, bending around the cylinder along its entire length and forming horizontal platforms on both sides for soldering to metal surfaces on the board.

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.The design of the unit with elements for the formation of thermal resistance should provide for such a system of fastening the capacitor casings in order, on the one hand, to meet the requirements of mechanical strength, and, on the other hand, to minimize heat transfer from the capacitor casings to the generator and / or power amplifier case.

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.This rather obvious problem is solved by using a relatively thin mounting frame, which is an integral part of the dielectric (poorly conductive heat) capacitor bank housing (Fig. 4). A figured hole is milled in the frame, into which the entire "package" of capacitors is inserted, which were previously fixed on the backplanes by soldering the leads to the metallized holes in the board. This backplane itself is rigidly attached to the capacitor bank housing.

В пакете конденсаторов соприкасающиеся поверхности корпусов закреплены с использованием локального склеивания. Таким же образом закреплены корпуса, соприкасающиеся с торцом крепежной рамки на корпусе блока.In the capacitor package, the contacting surfaces of the housings are fixed using local bonding. The housings are fixed in the same way and are in contact with the end of the mounting frame on the block casing.

Результирующий паразитный отвод тепла оказывается настолько малым, что его эффект не удается зафиксировать при экспериментальной проверке.The resulting parasitic heat removal turns out to be so small that its effect cannot be detected during experimental verification.

В результате реализации комплексного блока конденсаторов с регулируемым тепловым сопротивлением в системе подогрева получены следующие параметры:As a result of the implementation of a complex block of capacitors with adjustable thermal resistance in the heating system, the following parameters were obtained:

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.For a given type of Nichicon capacitors 220 μF 63 V at a source voltage of 50 V and at a maximum temperature of 0 ° C, before the heating was turned on, the pulse voltage drop was 2.6 V at a current of 6 A. This value fits into the permissible operating standards of a serviced power amplifier with an output pulse with a power of 4 kW.

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.At the minimum operating temperature of the equipment - 50 ° C, when the heating is switched on, the acceptable temperature of the storage capacitors is reached after 90 s. This is in accordance with the hardware requirements for a time to return to normal operation of 2 minutes.

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).The supply voltage drop (50 V) at an external temperature of -50 ° C and steady heating, with a rated impulse current consumption (24 A for 4 capacitors in one unit) was 2.1 V, which meets the requirements (3 V).

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.The heating power per unit of capacitors with four capacitors is 4 W, which is 1.5 times less than the heating current in a similar power amplifier, where storage capacitors of the same type are mounted in the usual way and filled with special glue to ensure mechanical stability. This significantly reduces the thermal resistance of the heating system.

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.To obtain the listed positive parameters of the heating system, the dimensions of the "bracket" were optimized to achieve the required values of thermal resistance. This operation, as expected, was carried out fairly quickly.

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).The dimensions of the described capacitor block can be compared with the dimensions of the capacitor blocks in the traditional design when the capacitors are mounted on typical boards with subsequent glue filling (or without it).

Сравнение дает разные результаты в зависимости от общего количества используемых блоков конденсаторов в корпусе обслуживаемой аппаратуры.The comparison gives different results depending on the total number of capacitor banks used in the housing of the serviced equipment.

Эффект снижения габаритов явно проявляется при использовании более 10 шт. блоков описанной конструкции. При этом экономия объема составляет примерно 10%.The downsizing effect is evident when more than 10 pieces are used. blocks of the described design. The volume savings are approximately 10%.

Claims

A block of storage electrolytic capacitors for powering powerful pulsed transistor microwave amplifiers designed for operation at low ambient temperatures down to -50 ° C, including, in addition to the capacitors themselves, with the required total capacity of the capacitor artificial heating circuit at a low operating temperature, characterized in that the optimal thermal the resistance from the upper end of the cylindrical body of each capacitor, where the heating resistors are installed, to the metal base on which the storage capacitor unit is mounted, is formed using pieces of metal foil 15-50 μm thick with a parasitic inductance of a small value necessary to suppress unacceptable distortions of the radio pulse fronts on the output of the power amplifier, while the pieces of metal foil are located between narrow areas located at the edges near the ends of the connection board, and the main areas connecting the electro sorts of capacitors, while the above-mentioned sections of foil, forming thermal resistance, are made in the form of a bracket of cylindrical section.