3. Тепловой расчет

В связи с широким использованием в РЭА транзисторов, тиристоров, больших ИС на этапе проектирования должна решаться проблема отвода тепла. Для отвода тепла могут применяться следующие методы:

– естественное охлаждение (воздушное, жидкостное);

– принудительное воздушное охлаждение;

– принудительное жидкостное;

– охлаждение, основанное на изменении агрегатного со-стояния вещества;

– термоэлектрическое охлаждение.

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. Такое аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников тепла, теплофизических свойств материала и т.д. Поэтому при расчете теплового режима используются приближенные методы анализа и расчета.

В пособии приводятся различные варианты теплового расчета конструкций РЭУ. Выбор варианта расчета определяется задачами проектирования.

Мощность устройства

Раземеры корпуса

Поверхность корпуса блока:

Условная поверхность нагретой зоны:

Условная мощность корпуса блока:

Удельная мощность нагретой зоны:

Расчет коэффициента в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

Расчет коэффициента в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

Расчет коэффициента в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

Расчет коэффициента в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

Перегрев корпуса блока:

Перегрев нагретой зоны:

Средний перегрев воздуха в блоке:

Температура воздуха в блоке:

Температура корпуса:

Температура нагретой зоны:

Суммарная площадь перфорированных отверстий:

Коэффициент перфорации:

Функция коэффициента перфорации:

Перегрев корпуса:

Перегрев нагретой зоны:

Средний перегрев воздуха в корпусе:

Удельная мощность элемента:

Перегрев поверхности элемента:

Перегрев среды, окружающей элемент:

Температура нагретой зоны:

Температура воздуха в блоке:

Температура поверхности блока:

Температура среды, окружающей элемент:

4. Расчет устойчивости конструкции к механическим воздействиям

Наиболее распространенными видами механических воздействий являются вибрация и удары. Существуют три основных способа виброзащиты аппаратуры: увеличение жесткости конструкции; демпфирование и использование виброизоляторов.

Для того чтобы конструкция была механически прочной, частота собственных колебаний конструкции (f₀) должна быть больше, чем частота воздействующих колебаний (f), которая определяется техническим заданием в зависимости от условий эксплуатации.

6. Защита устройства от дестабилизирующих факторов

В зависимости от места размещения РЭА и условий эксплуатации на устройство будут воздействовать различные дестабилизирующие факторы. Нормальными климатическими условиями являются:

– температура, t 25…10 °C;

– относительная влажность 45…80 %;

– атмосферное давление, Н 836…106 кПа.

Кроме климатических факторов на РЭА воздействуют механические нагрузки, электромагнитные помехи и паразитные наводки.

На этапе проектирования необходимо решить основные вопросы, связанные с защитой от дестабилизирующих факторов:

– необходимость герметизации корпуса;

– защита РЭА от ионизирующего излучения (если оно существует);

– выбор способа защиты от механических воздействий;

– выбор способа защиты от электромагнитных помех и паразитных наводок;

– выбор способа обеспечения нормального теплового режима.

Герметизация – это наиболее радикальный способ защиты элементов РЭА от влаги, пыли, песка, плесневых грибков. Различают индивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию.

Для частичной герметизации РЭА применяют пропитку, обволакивание, заливку лаками, пластмассами или компаундами на органической основе. Полная герметизация достигается при использовании корпуса специальной конструкции из металлов, стекла и керамики с высокой степенью непроницаемости. Герметичный корпус заполняется сухим воздухом или инертным газом при атмосферном или повышенном давлении не более 120 кПа. Полная герметизация может осуществляться с помощью разъемного соединения через вакуумную резинку.

В условиях воздействия ионизирующего излучения на РЭА функцию защиты от радиации выполняет корпус. Наиболее устойчивыми к воздействию радиации являются металлы. У большинства металлов при этом возрастает предел текучести в 2 – 3 раза, снижается ударная вязкость на 10 – 30 %, повышается удельное сопротивление. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется магнитная проницаемость. Защитный экран может быть выполнен из металлов с высоким кулоновским барьером, например свинца. При этом значительно возрастают масса и габариты изделия.

В процессе эксплуатации РЭА подвергается воздействию внешних механических нагрузок: вибраций, ударов и линейных ускорений. По степени защищенности РЭА от этих воздействий различают два понятия «устойчивость» и «прочность».

Устойчивость – свойство объекта при механическом воздействии выполнять заданные функции и сохранять значения параметров в пределах нормы.

Прочность – свойство объекта выполнять заданные функции после прекращения механических воздействий.

Все способы защиты от механических воздействий можно разделить на три группы:

– смещение спектра частот собственных колебаний в более высокочастотную область. Как следует из соотношения

увеличить значение частоты собственных колебаний f₀ можно, уменьшив массу блока m или увеличив жесткость конструкции k. Масса блока определяется главным образом элементной базой, которая косвенным образом дает габариты и массу несущих конструкций. Достичь существенного снижения массы достаточно сложно. Наиболее часто используются методы повышения жесткости конструкций за счет изменения способов крепления и площади печатных плат, а также применения ребер жесткости. Эти методы эффективны в том случае, если диапазон частот вибраций не превышает 400…500 Гц;

– повышение демпфирующих свойств конструкции, т.е. увеличение рассеяния энергии колебаний вследствие трения элементов конструкции и «внутреннего трения» в материалах.

Улучшение демпфирующих свойств конструкции достигается включением в конструкцию плат специальных демпфирующих покрытий из вибропоглощающих материалов (см. таблицу 3.17).

– смещение частоты собственных колебаний конструкции в область ниже частоты вынужденных колебаний с помощью виброизоляции.

Основным способом виброизоляции РЭА является установка ее на амортизаторы. Амортизаторы подразделяются на низко-, средне- и высокочастотные. Низкочастотные амортизаторы виброизолируют частоты в диапазоне 5…600 Гц, среднечастотные – в диапазоне 15…600 Гц и высокочастотные – в диапазоне 35…2000 Гц.

На этапе предварительной компоновки в случае необходимости следует произвести выбор типа амортизатора и схемы их размещения и выполнить расчет виброустойчивости конструкции, который приведен в пункте 3.6.5 «Оценка устойчивости конструкций к механическим воздействиям».

В процессе конструирования РЭА необходимо решать вопросы защиты от электромагнитных, электрических и магнитных помех. Источники помех могут находиться внутри и вне РЭА. Внешние помехи возникают из-за нестабильности напряжения сети электропитания, работы радиопередающих устройств и т.д. Внутренние помехи появляются из-за наличия паразитных связей, не предусмотренных конструкцией, и помех рассогласования параметров линии передачи сигнала с входными-выходными цепями электронных схем.

Источниками электрических помех являются блоки питания, шины питания. Источниками механических помех являются трансформаторы и дроссели.

Для защиты РЭА от воздействия помех необходимо:

– размещая элементы схемы, тщательно продумывать расположение монтажных проводов (уменьшать петли связи, увеличивать расстояние между проводниками, уменьшать длины совместного прохождения проводников и т.д.);

– устранять помехи по линиям электропитания с помощью радиочастотных фильтров;

– экранировать элементы РЭА.

Экраны локализируют электрическое поле в замкнутом объеме и обычно выполняются в виде параллелепипеда, цилиндра или сферы. Конструктивная форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие характеристики. Решающее значение имеют:

– материал, из которого изготовлен экран;

– толщина стенки экрана;

– размер экрана.

Методика расчета эффективности экранирования изложена в пункте 3.6.2 «Расчет электромагнитной совместимости».

В конструкциях экранов необходимо предусматривать отверстия, например: для доступа к регулируемым элементам экранируемых устройств, для введения проводов, для обеспечения теплового режима и т.д. Для всех видов электрических экранов очень важно хорошее заземление, характеризующееся малым сопротивлением заземляющего провода.

Важнейшим фактором, определяющим эксплуатационную надежность РЭА, является тепловой режим.

Основная задача обеспечения нормального теплового режима заключается в создании таких условий, при которых количество тепла, рассеянного в окружающую среду, будет зависеть от мощности тепловыделения блока. Наиболее простым и дешевым способом является естественное воздушное охлаждение. Различают две системы естественного охлаждения: первая – для блоков в герметичных корпусах, вторая – для блоков в перфорированных корпусах.

При разработке систем охлаждения необходимо:

– обеспечивать эффективную циркуляцию воздуха между нагревающимися элементами;

– сильно нагревающиеся элементы снабжать ребрами охлаждения;

– элементы, наиболее чувствительные к перегреву, изолировать экранами от непосредственного воздействия теплового потока;

– обеспечивать надежный тепловой контакт между источниками теплоты и поверхностями охлаждения.

Принудительное воздушное охлаждение применяется при удельной мощности рассеивания до 1 Вт/см².

Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения:

– внутреннее перемешивание;

– наружный обдув;

– продувку.