6. Выбор и обоснование способов и средств обеспечения теплового режима, герметизации, виброзащиты и электромагнитной совместимости

Выбор способа обеспечения теплового режима

Тепловой режим индикатора напряжения сети многофункционального характеризуется совокупностью температур отдельных его точек - температурным полем. Температурный режим устройства создается как внешним температурным воздействием окружающей среды, так и тепловой энергией, выделяемой радиоэлементами устройства.

Настоящее и будущее аппаратуры связано с использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры.

Передача теплоты от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает проблематичным точный расчет температурного поля. [8]

В зависимости от характера и назначения РЭА применяют следующие системы отвода тепла:

• естественное охлаждение (воздушное, жидкостное);

• принудительное воздушное охлаждение;

• принудительное жидкостное (без кипения или с поверхностным кипением);

• охлаждение, основанное на изменении агрегатного состояния вещества;

• термоэлектрическое охлаждение.

Выбор метода охлаждения определяется следующими факторами: интенсивностью (плотностью) теплового потока, условиями теплообмена с окружающей средой, условиями эксплуатации (возможностью демонтажа или замены элементов), нормами эксплуатации (уровень шума, токсичностью хладагентов), специальными условиями работы (стационарными или кратковременными режимами, работой против сил тяготения и так далее), затратами электроэнергии на привод нагнетателей и другими.

Основным критерием выбора метода охлаждения является значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена. Вторым критерием выбора метода охлаждения является допустимый перегрев элемента, равный разности между допустимой температурой корпуса элемента и температурой окружающей среды. [8]

Анализируя схему электрическую принципиальную, можно сделать предположение о возможности применения естественного воздушного охлаждения ИЭТ. Последующие расчеты призваны или опровергнуть или подтвердить целесообразность такого способа охлаждения.

При естественном охлаждении отвод тепла от ИЭТ происходит за счет теплопроводности, естественной конвекции окружающего газа и излучения.

Выбор способа обеспечения герметизации

Разрабатываемое устройство будет предназначено для эксплуатации на открытом воздухе, в том числе в условиях движения (на ходу, в салоне автомобиля, катера и т.п.), т.е. при возможном воздействии атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, ветра, песка, пыли, наружного воздуха, отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги.

Герметизация РЭА является надежным средством защиты от воздействия от пыли, влажности и вредных веществ окружающей среды.

Длительное воздействие высокой влажности вызывает коррозию металлических конструкций, набухание и гидролиз органических материалов.

Интенсивное нагревание переохлажденной аппаратуры перед приведением ее в рабочее состояние также приводит к конденсации влаги на холодных элементах конструкции. [8]

Выпадение росы (конденсация на холодных поверхностях конструкции) вызывается понижением температуры, которое практически всегда имеет место при отключении и последующем хранении аппаратуры.

Все вышеперечисленные воздействия не благоприятно сказываются на работе аппаратуры.

Защита аппаратуры от воздействия влажности осуществляется соответствующими материалами, покрытиями, применением усиленной вентиляции сухим воздухом, поддерживанием внутри изделий более высокой температуры, чем температура окружающей среды, использованием поглотителей влаги, разработкой герметичной аппаратуры.

Выбор способа герметизации обуславливается совокупностью требований к конструкции: условиями реализации нормального теплового режима, ремонтопригодностью, элементоемкостью реализуемой схемы, плотностью компоновки, рядом эксплуатационных требований (изменение барометрического давления, механические воздействия, перепады температур) и надежностью.

Различные методы герметизации отличаются как методом исполнения, так и сложностью, и стоимостью. Известны способы герметизации с помощью:

• изоляционных материалов;

• непроницаемых для газов оболочек.

В конструируемом изделии для герметизации используем резиновую уплотнительную прокладку.

Выбор способа виброзащиты

В процессе эксплуатации и транспортировки РЭА подвергается различным видам механических воздействий в виде вибраций (основные параметры: частота вибраций f, и возникающее при этом ускорение g), ударов (основные параметры: ускорение и длительность) и линейных ускорений.

Под вибропрочностью понимают способность аппаратуры противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и при возникающих ускорениях в течение срока службы, а под виброустойчивостью аппаратуры - способность выполнения всех функций в условиях вибрации в заданных диапазонах частот и возникающих при этом ускорений.

Известно, что в приборах, не защищенных от вибрации и ударов, узлы, чувствительные к механическим перегрузкам, выходят из строя. Делать такие узлы настолько прочными, чтобы они выдерживали максимальные (действующие) динамические перегрузки, нецелесообразно, так как увеличение прочности в конечном счете приводит к увеличению массы, а вследствие этого и к неизбежному возрастанию динамических перегрузок. Поэтому считают более целесообразным использовать другие средства для снижения воздействия перегрузок.

При проектировании устройства прежде всего следует выяснить, нужны ли вообще защитные мероприятия. С этой целью сравнивают оговоренные в технических условиях причины допустимых механических воздействий для предназначенных к использованию элементов (микросхем, резисторов и так далее) с величинами механических действий на объекте установки ИЭТ. При этом величины воздействующих механических факторов следует скорректировать с учетом возможного резонансного усиления колебаний по пути их распространения с места установки блока до конкретного рассматриваемого элемента. В случае, если уровни воздействующих механических факторов превышают допустимые, предусматривают защитные мероприятия с оценкой их эффективности. [3]

Защитные системы от наиболее распространенных видов механических помех, к которым относятся вибрации и удары, могут быть пассивными и активными. Пассивные виброзащитные системы, по сравнению с активными, более просты в исполнении и не требуют для выполнение своих функций затрат дополнительной энергии.

Существуют три пассивных способа виброзащиты аппаратуры:

• увеличение жесткости конструкции;

• демпфирование

• использование изоляторов.

В данном разделе решается вопрос о необходимости виброзащиты устройства и выборе, при необходимости, способа ее осуществления.

Во время доставки устройства к потребителю или заказчику могут возникнуть ситуации, при которых плата устройства может испытывать вибрацию и ударные нагрузки. В общем случае частота вибрации, в зависимости от характера объекта может лежать в диапазоне от единиц до тысяч герц.

Платы устройства можно представить как колебательную систему с равномерно распределенной нагрузкой. Она характеризуется собственной частотой. Поведение колебательной системы при воздействии на нее извне вибраций зависит от отношения частоты этих вибраций к резонансной частоте. Собственная частота колебаний плат зависит от формы, размеров, характера материала и условий закрепления.

Защита устройства от механических воздействий при транспортировке является достаточно сложной задачей, поскольку трудно учитывать случайные толчки, удары, определяемые профилем дороги и так далее. При этом устройство, размещаемое в кузове автомобиля испытывает преимущественно вертикальные, а перевозимое по железной дороге - пространственные колебания. Для защиты устройства во время транспортировки можно воспользоваться тарой из гофрированного картона.

Электромагнитная совместимость

При проектировании устройства необходимо обеспечить электромагнитную совместимость разрабатываемому устройству.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) радиоэлектронных средств, особенность радиоэлектронных средств (ИЭТ) различного назначения работать одновременно (совместно) так, что помехи радиоприёму (с учётом воздействия источников радиопомех индустриальных), возникающие при такой работе, приводят лишь к незначительному (допустимому) снижению качества выполнения ИЭТ своих функций. При одновременной работе ИЭТ (а также электротехнических устройств, излучающих электромагнитные волны) помехи радиоприёму неизбежны. Интенсивность помех определяется количеством действующих излучателей, их мощностью, расположением в пространстве, формой диаграммы направленности антенн, условиями распространения радиоволн и т. д. Обеспечение ЭМС сводится к созданию условий для нормальной совместной эксплуатации всего разнообразия ИЭТ. [13]

Основными источниками мощных электромагнитных помех являются: грозовые разряды, радиоэлектронные средства (мощные радиопередающие средства и радиолокационные станции), высоковольтные линии передачи, контактная сеть железных дорог, а также высоковольтные установки для научных исследований и технологических целей.

ЭМС электронной схемы определяется, главным образом, тем, как компоненты расположены друг относительно друга и как выполнены электрические соединения между самими компонентами. Каждый ток, протекающий по проводнику, порождает обратный ток такой же величины, протекающий по соответствующему проводнику. Создающаяся при этом петля представляет собой антенну, которая может излучать электромагнитную энергию с величиной, определяющейся амплитудой тока, периодом повторения сигнала и геометрическими размерами токовой петли.

Реализация ЭМС устройств начинается в первую очередь с разработки схем и выбора компонентов. Неправильные решения на ранних стадиях разработки часто могут быть скорректированы позднее лишь со значительными затратами времени и сил. Понимание принципов работы схемы абсолютно необходимо для выполнения требований электромагнитной совместимости. Одним из основных условий этого является уменьшение эффективных площадей. Например, совершенно недостаточно иметь короткими только сигнальные проводники; проводники их возвратных токов также должны быть короткими. [13]

Зачастую автоматическая расстановка и разводка не позволяют достичь приемлемых результатов с точки зрения электромагнитной совместимости. Поэтому особо сложные участки схемы необходимо разводить вручную.