Глава XIII. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

§ 1. МИКРОТЕРМОСТАТ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

В современной радиоэлектронной аппаратуре используется ряд элементов, стабильность работы которых в значительной степени зависит от температуры. К таким элементам относят германиевые кристаллические диоды и триоды, стабилизирующий частоту кварц, фотосопротивления, некоторые специальные высокостабильные сопротивления, конденсаторы и др.

Согласно современным требованиям эксплуатации, предъявляемым к подобным приборам, внешняя температура может изменяться в пределах от —60 до +60°. Кроме того, необходимость создания компактной, малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры приводит к весьма значительному повышению температуры внутри отдельных блоков, достигающей подчас 100° и более.

Широкое использование радиоэлектронных устройств в современной технике требует максимальной их надежности в различных условиях эксплуатации.

Перечисленные выше элементы при столь значительном изменении температуры начинают работать нестабильно, что в конечном результате приводит к выходу из строя всей аппаратуры. В наибольшей степени это относится к германиевым диодам и триодам, которые при температурах, превышающих 40—50°, начинают работать весьма неустойчиво.

Обычные методы понижения температуры — использование компрессионных или абсорбционных холодильных машин, применение охлаждающих смесей (жидкий азот, твердая углекислота, лед) — из-за ряда эксплуатационных неудобств не могут быть использованы для указанной цели. Так, например, применение холодильных машин, работающих на компрессионном или абсорбционном принципе, целесообразно только для понижения температуры в значительных объемах при выделяющейся в этих объемах тепловой мощности, исчисляемой десятками и сотнями ватт. В этом случае холодильная машина работает с высоким

холодильным коэффициентом. При работе холодильной машины с холодопроизводительностью менее ее холодильный коэффициент падает до 10—20%.

Кроме чисто теплотехнических соображений, использовании холодильных машин для понижения температуры небольших объемов невыгодно также и по той причине, что любая наиболее компактная машина занимает относительно большой объем, имеет вес не менее и требует для своего питания значительного расхода электроэнергии. Применение для указанных целей различных охлаждающих сред требует периодического их пополнения, что недопустимо по условиям эксплуатации. Термоэлектрический метод охлаждения позволяет осуществлять понижение температуры в малом объеме при незначительных габаритах и весе всего устройства. В случае необходимости температура, обеспечиваемая термоэлектрическим охлаждающим прибором, посредством специальной схемы может быть стабилизирована на требуемом уровне с большой точностью. Так, например, термоэлектрический микротермостат обеспечивает поддержание температуры помещаемых в нем объектов на уровне 30 ±0.1° при изменении внешней температуры от -50 до

Рис. 103. Разрез микротермостата для радиоэлектронных устройств.

Наиболее эффективно термоэлектрические охлаждающие устройства работают при малых тепловых мощностях, выделяемых в охлаждаемом объеме. Реальные конструкции термостатоп способны обеспечить расчетный перепад температур при тепловой нагрузке, не превышающей При больших тепловых мощностях, выделяемых в охлаждаемом объеме, снижается эффективность охлаждения.

В зависимости от конкретных условий применяемые термоэлектрические микрохолодильники могут быть выполнены в различных конструктивных вариантах. Ниже приводится описание конструкции одного из типов термоэлектрических микрохолодильников, предназначенного для понижения рабочей температуры германиевых триодов и стабилизирующего частоту кварца.

Рабочий объем холодильника (рис. 103) представляет собой алюминиевый стакан 1, который с хорошим тепловым контактом сопрягается с холодными спаями термоэлектрической батареи 2. Для исключения электрического контакта между цилиндром и батареей торцовая поверхность алюминиевого стакана электрохимическим способом покрывается тонкие слоем окиси алюминия, который обладает хорошей теплопроводностью и высоким сопротивлением.

Для уменьшения теплопритока извне стакан 1 защищеп слоем теплоизоляции из пенопласта 3. Снаружи микрохолодильник окружен внешним стаканом 4. Для подключения к схеме находящихся внутри термостата объектов на верхней съемной крышке 5 расположены проходные стеклянные изоляторы 6. Теплоотвод от горячей стороны термобатареи осуществляется через оксидированную с одной стороны алюминиевую плату 7, которая при монтаже термостата плотно прижимается к шасси аппаратуры. Термоэлектрическая батарея термостата состоит из 18 последовательно соединенных термоэлементов, которые после заливки в эпоксидную смолу образуют единый узел.

Основные параметры описанного типа микротермостата следующие.

(см. скан)

На рис. 104 изображен общий вид описанного микротермостата.

В приведенном выше конструктивном оформлении были разработаны микротермостаты с полезным объемом от 25 до Как указывалось выше, холодопроизводительность термоэлектрических микрохолодильников невелика. В связи с этим требуется произвести такую компановку аппаратуры, при которой в микрохолодильник должен быть помещен только требующий термостатирования элемент, выделяющий тепловую мощность, не превышающую указанную величину.

В ряде случаев необходимо не только понизить температуру того или иного объекта радиоэлектронного устройства, но и стабилизировать ее на требуемом уровне. Эта задача может быть решена различными методами, основанными на применении 1) жидкостных терморегуляторов, 2) контактных термометров, 3) биметаллических. терморегуляторов, 4) термопарных и термисторных электронных регуляторов.

Первые три метода стабилизации температуры не могут быть рекомендованы для термоэлектрических охлаждающих устройств из-за недостаточной чувствительности, относительно больших габаритов и значительной инерционности датчиков.

Рис. 104. (см. скан) Общий вид микротермостата для радиоэлектронных устройств.

Так, например, точность поддержания температуры, обеспечиваемая биметаллическим датчиком, равна 3—5°, что в ряде случаев является недостаточным.

Наиболее приемлемым для указанной цели является четвертый метод, в котором в качестве датчиков температуры используются малоинерционные термопары или термисторы. Этот метод в сочетании с довольно простой электронной схемой позволяет поддерживать температуру в термостатируемом объеме с точностью и выше. Одна из возможных схем электронных регуляторов температуры приведена на рис. 105. Датчиками температуры являются

два микротермистора, включенных в мостовую схему, разбаланс которой усиливается ламповым усилителем на субминиатюрных лампах и попадает на реле, которое изменяет направление питающего термоэлектрическую батарею тока, переводя ее из режима охлаждения в режим нагрева. Габариты такого электронного стабилизатора температуры 100x100x50 мм.

Рис. 105. Принципиальная схема электронного стабилизатора температуры.

Выполненный по подобной схеме электронный стабилизатор обеспечивает поддержание температуры в рабочем объеме термоэлектрического микрохолодильника с точностью 0.1°. Дальнейшее уменьшение габаритов и веса стабилизатора возможно при замене электронных ламп полупроводниковыми триодами и использовании магнитного усилителя.