Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

Как следует из (4.36), максимальное значение коэффициент передачи ηУД=2 принимает при частотной расстройке v = 1. В интервале значений расстройки v = 0..0.5 наблюдается периодичность значения коэффициента передачи. При значениях v > 1 коэффициент передачи уменьшается и стремится к нулю (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Зависимость коэффициента удароизоляции от частотной расстройки при ударномимпульсепрямоугольной формы

Принятое при анализе системы удароизоляции условие отсутствия в системе неупругих сопротивлений приводит к результатам, несколько отличающимся от характеристик реальных систем. Моделирование и экспериментальное исследование ударных воздействий показывают, что наличие в системах затухания ведет к некоторому снижению максимальных перемещений zmax и коэффициента передачи при ударе

ηуд mах по сравнению с теоретическими значениями и смещению максимумов в сторону меньших значений частотной расстройки v .

Анализ зависимости коэффициента передачи при ударе ηуд mах от

частотной расстройки v (см. рис. 4.28 и 4.29) позволяет сделать вывод о том, что условия эффективных виброизоляции и удароизоляции конструкций не совпадают. Если виброизоляция конструкций обеспечивается при расстройках v = 5...6, то для смягчения ударов требуются более высокие значения v . В то же время из (4.31) и (4.33) видно, что сни-

165

жение жесткости амортизаторов, позволяющее повысить частотную расстройку, при ударных воздействиях ведет к быстрому росту перемещений.

Расчет удароизоляции конструкций РЭС состоит в определении по исходным данным перемещения, ускорения и коэффициента передачи при ударе.

Исходными данными для расчета служат масса удароизолируемого объекта m, тип и параметры амортизаторов (жесткость амортизатора kа), форма и характеристики (амплитуда а mах и длительность τ) ударного импульса.

Расчет удароизоляции выполняют в следующем порядке.

Находят условную частоту возбуждения ω = π/τ и частоту свободных колебаний системы ω 0 = k / m , где k — суммарная жесткость амортизаторов. Затем определяют частотную расстройку v = ω/ω 0 и по

формулам (4.31)—(4.33) при синусоидальном ударном импульсе или по формулам (4.34)—(4.36) при прямоугольном импульсе находят динамические характеристики системы.

Пример 4.6. Блок массой 25 кг установлен на четыре амортизатора типа АПН-4 (k z = 32,3 Н/мм). Произвести оценку удароизоляции блока

при действии на основание синусоидального импульса амплитудой αmах = 6 g и длительностью τ=10мс.

Условная частота возбуждения ω = π/τ = 3,14/10•10-3=314 Гц. Частота свободных колебаний системы удароизоляции

ω 0 = k / m = 4 ×32,3×103 / 25 = 71.8Гц -= V4 • 32,3 • 10

3/25 = 71,8 Гц.

Частотная расстройка v = ω/ω 0 = 314/71,8 = 4,37.

По формуле (4.33) находим коэффициент передачи при ударе

Максимальное ускорение блока ž шах = ηуд а mах=0,46 • 6 g = 2,74g . Максимальное смещение при ударе

Полученное значение смещения блока не превышает допустимой величины прогиба амортизатора. Другие динамические характеристики также свидетельствуют о правильности заданных параметров системы удароизоляции.

166

4.7. Конструктивные способы защиты РЭС от механических воздействий

Вибро- и ударозащита конструкций РЭС с помощью амортизаторов, применяется в конструкциях третьего и более высокого структурного уровня (блоки, устройства и т.д.). Это обусловлено тем, что номинальная нагрузка даже легких амортизаторов может быть обеспечена начиная с уровня блока, а конструктивные потери за счет увеличения массы

иобъема конструкции становятся менее заметными.

Вто же время ряд эффективных мер защиты конструкций от механических воздействий может быть применен при разработке микросбо-

рок и функциональных узлов. Эти меры имеют конкретное конструктивное воплощение, типичное для каждого структурного уровня, и направлены на повышение демпфирующих свойств и жесткости конструкций.

При конструировании микросборок предусматривается вибро- и удароизоляция компонентов. Для уменьшения коэффициента передачи механических воздействий, приложенных к подложке, компоненты (бескорпусные полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и др.) закрепляются на подложке с помощью вибропоглощающего клея. После полимеризации клей остается эластичным, поэтому система «компонент

— клеевая прослойка — подложка» может быть представлена моделью механической колебательной системы с кинематическим возбуждением (см. рис. 4.6). Перечень применяемых клеев достаточно широк, но чаще всего используются клеи КВК-68, ВК-9 и МК-400.

Другим решением, способствующим повышению вибропрочности микросборок, является ограничение длины гибких выводов компонентов и проволочных перемычек. Проволочный вывод компонента и перемычка могут быть представлены моделью балки круглого сечения с жестким закреплением на концах. Поэтому ограничение на длину балки является ограничением снизу частоты свободных колебаний из условия вибропрочности конструкции. Допустимая длина вывода (перемычки между двумя точками закрепления) определяется из неравенства 1≤100d, где d — диаметр вывода перемычки. Перемычка монтируется без натяжения, однако начальный ее прогиб (консольность) не должна превышать 10 d.

На втором структурном уровне (функциональные узлы) устойчивости конструкций к механическим воздействиям добиваются за счет использования вибропоглощающих адгезионных материалов и сред, а также за счет различных способов повышения жесткости конструкций. Так, например, для уменьшения амплитуды резонансных колебаний пе-

167

чатных плат часто применяются вибропоглощающие слои. Показано [27], что коэффициент динамичности печатной платы, состоящей из трех слоев стеклотекстолита с вибропоглощающими прокладками между слоями, снижается приблизительно в восемь раз без заметного увеличения массы и габаритов.

ний более чем в 10 раз. Ухудшение ремонтопригодности и условий теплообмена таких конструкций можно в значительной мере исключить, применяя слои сложной конфигурации, обеспечивающие неполное покрытие элементов и доступ к отдельным точкам платы (рис. 4.31).

Повышение жесткости конструкций ведет к смещению спектра частот свободных колебаний за верхнюю границу диапазона частот внешних воздействий и позволяет исключить резонансные явления. Для полного устранения резонансных колебаний необходимо, чтобы частота свободных колебаний основного тона была не менее чем на октаву выше верхней частоты внешних воздействий, т.е.f01 /fв ≥ 2.

Управлять жесткостью конструкций функциональных узлов можно выбором способа закрепления плат, геометрических размеров, применением в конструкции ребер жесткости, обечаек, рамок.

168

Толщина пластины h пересчитывается в частоту свободных колебаний через нормированную относительно площади массу т0 и цилиндрическую жесткость D. При увеличении толщины пластины масса т0 возрастает линейно, а цилиндрическая жесткость — пропорционально h3 . Зависимости m0/m0н (прямая 1) иD/DH (кривая 2) от относительного изменения толщины пластины (hн=0,5 мм ) из фольгированного стеклотекстолита (E = 30,2·109 Па, ρ=1,85·103 кг/м3, ε=0,22)

приведены на рис. 4.34. Частота свободных колебаний пластины возрастает пропорционально h , относительное изменение частоты f01/f01H от толщины пластины соответствует прямой 1.

Влияние элементов конструкции функциональных узлов, повышающих жесткость (ребра жесткости, рамки, обечайки и др.), на частоту свободных колебаний проанализировано в разд. 4.3.4.

5.ТЕПЛООБМЕН В КОНСТРУКЦИЯХ РЭС

ИРАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Конструкции РЭС как преобразователи электрической энергии в большинстве случае обладают низкими коэффициентами полезного действия. Поэтому в процессе работы РЭС большая часть подводимой электрической энергии преобразуется в тепло, которое расходуется на

170

нагревание узлов и деталей и частично рассеивается в окружающее пространство. Общий баланс энергии в РЭС можно выразить уравнением

ЕП=Е1+Е2+Е3,

где Е п — энергия, отбираемая устройством от источников питания; Е1

— полезная энергия; Е2 — энергия, рассеиваемая в окружающее пространство; Е з — тепловая энергия, вызывающая нагревание деталей и

узлов.

Известно, что повышение температуры способствует росту интенсивности отказов радиоэлементов и вызывает ускоренное старение конструкционных материалов. По этой причине при разработке конструкций РЭС стремятся обеспечить хороший теплообмен аппарата с окружающей средой, т.е. в пределах возможного снизить величину Е 3 или

улучшить отношение Е 2 / Е 3.

Миниатюризация РЭС способствует значительному снижению потребления энергии от источников питания. Однако уменьшение габаритов РЭС в конечном счете ведет к росту отношения выделяемой тепловой энергии к энергии, рассеиваемой в окружающее пространство. Поэтому проблема обеспечения тепловых режимов в современных РЭС не утрачивает своей актуальности. Напротив, допустимый нагрев элементов конструкции становится одним из основных ограничивающих факторов на пути дальнейшего улучшения массогабаритных характеристик РЭС.

5.1. Основы теории теплообмена в РЭС

5.1.1. Основные понятия и определения

Под тепловым режимом РЭС понимают пространственно-временное распределение температуры в пределах конструкции. Количественно тепловой режим РЭС принято характеризовать температурным полем и перегревом.

Температурным полем называют совокупность численных значений температуры в различных точках конструкции в определенный момент

во всех точках системы в любой момент времени равны между собой, то поле называется равномерным. Стационарное температурное поле характеризует стационарный тепловой режим.

171

Тепловой режим РЭА считается нормальным, если выполняются следующие условия:

температуры всех деталей и узлов конструкции при заданных условиях эксплуатации не превышают предельно допустимых температур, указанных в ТУ на детали и узлы,

температуры всех деталей и узлов конструкции таковы, что обеспечивается работа радиоустройства с заданной точностью и надежностью.

Перегревом принято называть разность между температурой некоторой точки (области) конструкции радиоустройства и температурой окружающей среды.

Конструкции РЭС представляют собой систему тел с источниками и стоками тепловой энергии, сложным образом распределенных во времени и пространстве. Как правило, эти тела имеют различные теплофизические параметры и четко ограниченные границы и называются неоднородными телами. В отличие от неоднородных тел тела с одинаковыми теплофизическими параметрами называют однородными. Последние, в свою очередь, подразделяются на изотропные и анизотропные.

Изотропными называют тела, физические параметры которых во всех точках тела одинаковы.

Анизотропными называют тела, теплофизические параметры которых различны по направлениям осей координат.

Между телами (элементами), составляющими конструкцию, происходит теплообмен, т.е. перенос тепловой энергии из одной части конструкции в другую или в окружающую среду. Тепло передается от нагре- " тых тел к телам с более низкой температурой.

Часть конструкции РЭС, в которой сосредоточены источники тепловой энергии, называется нагретой зоной (шасси с расположенными на нем элементами, блоки функциональных узлов и др.)

В конструкциях (в общем случае в однородных и неоднородных телах) можно выделить поверхности, в любой точке которых температуры одинаковы или условно одинаковы. Такие поверхности принято называть изотермическими.

Теплообмен между нагретыми телами и окружающей средой, т.е. между конструкциями и средой, количественно характеризуется тепловым потоком и его плотностью.

Тепловым потоком называется количество тепла Q, передаваемое от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой (в общем случае к среде) в единицу времени т, т.е.

P = Q/t.

Тепловой поток, отнесенный к площади изотермической поверхности, называют плотностью теплового потока

172