3.5.5 Конструкторські розрахунки

Розрахунок температури нагрітої зони ведеться за методикою лабораторних робіт , при цьому поверхня елемента замінюється її тепловий моделлю , в якій поверхня елемента представляється у вигляді паралелепіпеда . Метою розрахунку є визначення температури поверхні найменш теплостійких елементів для оцінки їх надійності.

В експлуатації розробляється виріб піддається впливу температури навколишнього середовища або температури приміщення , механічних впливів.

Температурні дії знижують надійність і є одним з дестабілізуючих факторів. Характерними дефектами , викликаними тепловими впливами , є погіршення ізоляційних властивостей матеріалів , зміни параметрів переходу напівпровідникових приладів , значний ємностей і опорів ЕРЕ , зниження механічних властивостей полімерних матеріалів.

При розрахунку температури поверхні елемента його поверхню замінюється її фізичної теплової моделлю , в якій поверхня елемента представляється у вигляді паралелепіпеда . Отримані результати є орієнтовними і не претендують на високу точність . Метою розрахунку є визначення температури поверхні елемента для оцінки його надійності.

Таблиця 3. Граничне значення температур для кожного елемента

Елемент	Максимальна темп. середовища t˚C
Діод КД522	85
Стабілітрон КС 147А	125
Конденсатор 10-17Б	125
Конденсатор 10-17Б	125
Конденсатор К50-20	70
Конденсатор К52-10-1	85
Резистор С2-33H(300ом)	150
Резистор С2-33H(1ком)	150
Кварцовий резонатор	85
HC-49SM
Мікроконтролер	85
Attiny 2313
Роз’єм WF-2	70
Роз’єм WF-4	70
Роз’єм WF-6	70
Стабілізатор LM7805	60
Кнопки	70

Визначимо еквівалентний коефіцієнт теплопровідності самого нетермостойкого елемента в корпусі.

Самим нетермостойкого є стабілізатор LM7805, він має найнижчий верхня межа допустимих робочих температур (60 ˚ С). Якщо його температура при максимальній температурі експлуатації (40 ˚ С), не перевищує гранично допустимої для неї температури, то і для інших елементів виконується ця умова, і отже, доопрацювання конструкції не потрібно.

Розрахуємо площу займану елементом за формулою:

S_е = L_е*B_е,

Де L_е = 0,04 m – довжина елемента, B_е = 0,03 м – ширина елемента.

Получили: S_е = 0,0012 м²

Тепер розрахуємо розмір еквівалентного джерела

Получамо:

Розрахуємо критерій Біо за формулою:

,

Де Вт/м²К коефіцієнт тепловіддачі на поверхні плати (у даній методиці застосовується однаковим для обох сторін плати);

м – товщина ПП;

Вт/мК –теплопровідність матеріалу плати

.

Розрахуємо відносний перегрів за формулою:

Теплова провідність між елементом і платою визначаємо за формулою:

Вт/К

Провідність між елементом і поверхнею корпусу:

Де Вт/м²К – коефіцієнт теплопередачі на поверхні корпусу,

s = 0,0000012 м² – площа частини поверхні, з якою відбувається контакт.

Вт/К

Розрахуємо власний перегрів елементи:

,

Де Вт/К – теплова провідність між ПП і корпусом (для повітряного прошарку),Вт – потужність, що розсіюється елементом.

перевіримо умову:

За наближеним оцінками <. У результаті розрахунків отримали, що умова виконується для самого слабкого елемента, отже, система не потребує захисту від теплових впливів, так як це умова і для інших елементів.

Розрахунок на механічні дії

Вся РЕМ піддається впливу зовнішніх механічних навантажень , які передаються до кожної деталі , що входить в конструкцію.

Причинами механічних впливів є вібрації і удари при можливому падінні з місця установки і при роботі механізмів мають контакт з площиною установки РЕМ.

Механічні дії призводять до поломок і деформацій несучих конструкцій , відшаровування друкованих провідників , обривів проводів , паразитної модуляції сигналів і ін Найбільше руйнівний вплив на конструкції надають вібрації.

Метою розрахунку є визначення діючих на елементи виробу перевантажень при дії вібрації і ударів , а також максимальних переміщень і визначення захищеності від механічних впливів.

При розрахунку використовуються дані з таблиць « Геометричні розміри компонентів » і «Перелік компонентів ». Розрахуємо циліндричну жорсткість плати:

Де – модуль пружності матеріалу ПП

м – товщина друкованої плати;

V=0,25 –коефіцієнт Пуассона.

Підрахуємо сумарну масу друкованого вузла.

Для цього обчислимо масу ПП і масу встановлені ПП елементів.

Маса ПП обчислюється виходячи з того, що (щільність ПП) рівна 2400 кг/м³, а її геометричні розміри L_ППхB_ППхH_ПП: 70х70х2 (мм). У цьому випадку обсяг ПП буде дорівнює:

м³.

І відповідно маса ПП дорівнюватиме:

(кг)

Розрахуємо тепер сумарна вага елементів, встановлених на ПП.

(кг).

Звідки, (кг)

Розрахуємо частоту власних коливань плати з урахуванням того, що щільно кріпиться з трьох сторін:

Де M=0,420 – сумарна маса ПУ.

Розрахунок на дію прискорення при вібрації

Визначимо коефіцієнт розстройки:

,

Де f=30 Гц – верхня межа частотного діапазону з технічного завдання;

f₀ – власна частота ПП.

Визначимо коефіцієнт динамічності М1:

Отримане значення вірно з точністю до 4-го знака після коми.

Визначимо прискорення, що впливає на плату: А_ЗБУД=М1 ∙ А_ВХ=2,044 (g),

де А_ВХ – прискорення вібрації із ТЗ, А_ВХ =2g

Найбільш слабким відносно вібраційних впливів є конденсатор K52-10 (4,9g).

Провіримо для нього умову А_ВОЗД < А_ДОП:

Очевидно , що умова виконується для самого слабкого елементу. Отже, воно виконується і для інших елементів , і система не потребує додаткового захисту від впливу вібрації , т.к. що впливає прискорення на плату в 2 рази менше допустимого.

Розрахунок на ударну дію проводити не має сенсу з причини сформульованого технічного завдання , в якому говориться , що пристрій є стаціонарним і нестерпним . Відповідно, мається на увазі жорстке кріплення на несучу поверхню ( стіна , підлога, стеля будівлі) , що виключає падіння , але не виключає вібрації , розрахунок на які наведено вище.