- •1.Введение
- •2.Назначение и область применения изделия эс
- •3.Анализ технического задания и постановка задач проектирования изделия эс
- •4.Конструкторский анализ электрической принципиальной схемы эз
- •5.Разработка и расчет варианта компоновки печатной платы изделия эс
- •5.1 Определение габаритных размеров печатной платы тэЗа
- •5.2 Размещение в заданных габаритных размерах всех элементов эрэ и ис с учетом их функционирования по электрической принципиальной схеме
- •6. Расчет помехоустойчивости функционирования изделия эс
- •8.Расчет теплового режима с изделия эс
- •9.Расчёт надёжности изделия
8.Расчет теплового режима с изделия эс
В качестве элемента с повышенным тепловыделением возьмем транзистор КТ801А, находящийся в блоке питания.
Точное описание температурных режимов внутри устройства ЭС не возможно из-за громоздкости и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов и других факторов. Поэтому при расчете теплового режима изделия ЭС используют приближенные методы анализа и расчета. Целью расчета является определение температур наиболее нагретой зоны и среды вблизи поверхностей ЭРЭ и ИС, необходимых для оценки надежности функционирования схемы и изделия в целом. Перегрев ЭРЭ и ИС можно уменьшить путем увеличения теплоотдающей поверхности с помощью установки элемента на радиатор. Для охлаждения полупроводниковых приборов используют следующие типы радиаторов: ребристые, игольчато-штыревые, пластинчатые и др. Наиболее эффективные радиаторы игольчато-штыревые.
Исходными данными при проектировании и выборе радиатора являются:
Максимально допустимая темпера p-n перехода tр=150 С;
рассеиваемая элементом мощность Р=4 Вт;
температура окружающей среды t0=27 С;
внутреннее тепловое сопротивление Rвн=20 С/Вт,
Тепловая модель элемента и радиатора представлена на рисунке 4:.
Рисунок 4 Тепловая модель элемента с радиатором:
1 - элемент (ЭРЭ,ИС);
2 - площадь теплового контакта;
3 – радиатор
Порядок расчета:
1.Определим допустимый нагрев контакта транзистора с радиатором:
tk-tp=(tp-to)-P(Rвн+Rk), где Rk≈2,2*10-4/Sk
tk-tp=(150-27)-4(20+2,2*10-4/65,5*10-6)=29,56
2.Определим средний перегрев основания радиатора:
∆tS=0.83(tk-tp)=0.83*29.56=24.535
3.Выберем игольчато-штыревой радиатор с параметрами:
h=20мм, SШ=7мм, d=2мм.
4.Находим по соответствующему графику коэффициент эффективной теплоотдачи выбранного радиатора при ∆tS=25К:
αЭФ=63 Вт/(м*К)
5.Определим средний перегрев основания радиатора во втором приближении. При этом выберем в качестве материала радиатора алюминий, у которого λР=208Вт/(м*К)–коэффициент теплопроводности материала, а толщину основания δР=2 мм.
∆tSо=,
где, αЭФSp/d δР
Тогда используя эти данные получим:
6.Уточняем площадь основания радиатора:
м2.
9.Расчёт надёжности изделия
Расчет надежности изделия ЭВС заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности ЭРЭ, ИС и др. составляющих конструкцию изделия с учетом условий эксплуатации.
Надежность электронной аппаратуры зависит от ее сложности и режимов эксплуатации. Поэтому одним из условий надежной работы ЭВС является правильность выбора режимов работы множества ЭРЭ и деталей, из которых состоит изделие, качество изготовления, а также условий эксплуатации.
Вероятность безотказной работы за заданное время определяется:
, (7.1)
Интенсивность отказов изделия, состоящего из m комплектующих элементов, определяется:
где i - интенсивность отказа i-го элемента;
m - число контактных соединений коммутационного элемента (m=6).
, (7.2)
Среднее время наработки на отказ изделия определяется:
, (7.3)
а) Учет электрической нагрузки
Определяем коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС согласно схемы, используя формулы, приведенные в таблице 4:
Таблица4.
Элемент |
Формула для определения Кн |
Пояснение |
Резистор |
Кн=Рраб/Рном |
Р– мощность |
Конденсатор |
Кн=Uраб/Uном |
U– напряжение |
Цифровые интегральные ИМС Аналоговые ИМС |
КIн=Iвых раб/Iвых мах КIн=Iвых раб/Iвых мах КPн=Pраб/Pмах |
Iвых – выходной ток |
Элементы коммутации низковольтные (U3000) |
Кн=Iраб/Iном |
I – ток через контакт |
Произведем расчет Рраб и Iвых раб для резисторов и ИС соответственно:
Рраб=U2/R
Рраб1,11=0,6
Рраб2–10=0,5
Iвых раб=U/R
Iвых раб1=13 мА
Iвых раб2=1=0,347мА
Iвых раб3=4=1,736мА
Расчет следует проводить на основе 0 - интенсивности отказов ЭРЭ в номинальных режимах и нормальных условиях эксплуатации без механических воздействий с учетом ряда поправочных коэффициентов, согласно формулам, приведенным в таблице 5:.
Таблица 5.
Комплектующие изделия |
Интенсивность отказов,0 |
Интегральные схемы |
0а1а2а3а4 |
Резисторы |
0а1а2а5 |
Конденсаторы |
0а1а2 |
Транзисторы |
0а1a3 |
a1-поправочный коэффициент, учитывающий условия работы;
а2 - коэффициент, учитывающий электрическую нагрузку и температуру;
а3 - коэффициент, учитывающий конструкцию корпуса;
а4 - коэффициент, учитывающий степень интеграции ИС;
а5 - коэффициент, учитывающий номинал постоянных резисторов.
Исходные данные и результаты расчетов сведены в таблицу 6:
Таблица 6.
Обозна- чение N/N |
Наименование ЭРЭ, номинал и допустимые значения параметра |
Коэффициент нагрузки Кн |
Количество ЭРЭ данного типа N |
Эксплуатационный коэф. отказов а=i/oi |
Интенсивность отказа *106 | |||
oi |
i |
| ||||||
Микросхемы: К561ЛН2 К561ИЕ8 К561ЛА7 |
Iвых раб=13 мА Iвых раб=1 мА Iвых раб=4 мА
|
0,2 0,25 0,15
|
1 1 1
|
0,65 0,7 0,2 |
0,013 0,013 0,013
|
0,00840,0091 0,0026 |
0,00840,0091 0,0026 | |
Транзисторы: КТ817В |
Р к раб=0,05 Вт |
0,84 |
9 |
1,6 |
0,5 |
0,8 |
7,2 | |
Резисторы: МЛТ-0,125 1к±5% МЛТ-0,125 10к±5% |
Рраб1,2=0,6 Вт
Рраб3=0,5Вт
|
0,2
0,25
|
2
9
|
0,55
0,55
|
0,045
0,045
|
0,0247
0,0247
|
0,0495
0,2227
| |
Конденсатор К73-17 0,01±20% |
|
0,33 |
1 |
0,03 |
0,075 |
0,0022 |
0,0022 |
Суммарная интенсивность отказов:
∑= (1/ч),
Среднее время наработки на отказ изделия:
Тср=1/7,49510-6=133400(ч),
Вероятность безотказной работы при ресурсе t=100000ч:
P(t)=exp(-8,93610-6100000)=0,928
Вероятность безотказной работы при заданном ресурсе и среднее время наработки на отказ удовлетворяет техническому заданию, следовательно требования надежности выполняются.
Данное устройство будет безотказно работать в течении 133400 часов. Это является отличным показателем для данного типа устройств. Он показывает, что при эксплуатации по 8 часов вдень (365 дней), это устройство будет работать 38 лет без отказов в следующих климатических условиях: умеренный климат, при температуре от +1 до 40°С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ходе работы было разработано устройство и комплект конструкторской документации на модуль телефонной сигнализации. Полученные данные полностью удовлетворяют техническому заданию. Была разработана печатная плата размером 95,5х57,5 мм, шаг координатной сетки – 2,5 мм, параметры печатных проводников соответствуют третьему классу плотности. Паразитные параметры печатных проводников не превышают заданных в ТЗ и не оказывают существенного влияния на работу устройства. Параметры надежности удовлетворяют техническому заданию. Устройство устойчиво к воздействию заданных внешних факторов. Был достигнут высокий уровень технологичности.
В данной курсовой работе был проведен анализ электрической принципиальной схемы (Э3) (см. приложение А.). На основании Э3 было составлено техническое задание и проведен его анализ. Проведен конструкторский анализ электрической принципиальной схемы, в результате чего были найдены аналоги к интегральной схеме (ИС), из них был выбран наиболее близкий к ИС, используемой в данной конструкции, были выделены сигнальные элементы и выбрано их наилучшее расположение на печатной плате.
В результате расчета печатной платы, были рассчитаны наилучшие габариты печатной платы и наилучшее заполнение печатной платы (максимальная плотность К=0,54) (см. приложение Б).
Приложение А.
Приложение Б.
Компоновка элементов на печатной плате
(сборочный чертёж)
Приложение В.
Компоновка элементов на печатной плате
(сборочный чертёж)Вариант 2.