Расчёт помехоустойчивости, теплового режима надёжности, по постоянному и переменному току

Расчет по постоянному току:

R_пр=*l_пр/(b_пр*t_пр) (1) ,

где -удельное сопротивление печатного проводника;

b_пр –ширина печатного проводника;

l_пр –длина печатного проводника;

t_пр –толщина печатного проводника.

Примем, что печатный проводник изготовлен из меди и нанесен на печатную плату с помощью электрохимического травления, тогда =0,02Ом*м , а iмах=20А/мм². А b_пр=0,6мм, l_пр1=20мм, l_пр2=25мм, t_пр=50мкм.

Рассчитаем сопротивление проводника по формуле (1) для двух печатных проводников с учетом данных приведенных выше:

1. R_пр=0,02*0,02/(0,0006*0,00005)=13,3кОм;

2. R_пр =0,02*0,025/(0,0006*0,00005)=16,7кОм.

Произведем расчет допустимого тока по формуле:

I_доп=1000*iмах*b_пр*t_пр (2),

тогда:

I_доп =1000*20*0,0006*0,00005=0,6мА.

По полученным данным по закону Ома получим:

U=I_доп*R_пр (3),

U₁=13300*0,0006=7,98 В;

U₂=16700*0,0006=10,02 В.

U_=U₂+U₁ =7,98+10,02=18 В.

Расчет по переменному току:

Исходными данными для расчета помехоустойчивости от влияния перекрестных помех между соседними проводниками могут быть: эквивалентная схема возникновения помех рисунок 4.

активная линия связи

пассивная линия связи

Рис 4 Эквивалентная схема

Е=Е₀е^jwt - напряжение на входе активной линии связи;

w – круговая частота генератора;

R₁, R₂, R₃ – сопротивление нагрузок в активной и пассивной линиях связи; тип электрических соединений;

_г – относительная диэлектрическая проницаемость связи между проводниками связи;

S, b - расстояние между проводниками и ширина проводников соответственно, в зависимости от класса точности изготовления печатной платы (b; S0,6 мм;  0,45 мм; 0,25 мм; 0,15мм соответственно для 1,2,3,4 классов точности).

l - максимальная длина области взаимной связи проводников, см. рисунок 5;

Рис.5. Взаимное расположение печатных проводников

- Nn - помехоустойчивость микросхем или транзисторов.

Диэлектрическая проницаемость среды между проводниками, расположенными на наружных слоях платы покрытой лаком:

_r=0,5(_п+_л),

где - _п и _л - диэлектрические проницаемости материала печатной платы и лака (для стеклотекстолита _п = 6, для лаков УР-23 (и ЭП9114 - _л=4)

_r=0,5(6+4)=5

Порядок расчета следующий:

R_f=1000*s*l_пр/b_пр*t_пр (4),

где s=* f (5), тогда подставляя формулу (5) в формулу (4) получим: R_f=1000** f *lпр/bпр*tпр (6) ,

где значения  берутся из таблицы 2.

Таблица 2.

Материал		*0,0001
Серебро	0,064	2,54
Медь	0,066	2,65
Золото	0,77	3,08
Алюминий	0,84	3,34

Произведем расчет по формуле (6):

R_f=2,65*0,0001*50 *0,02/(0,0006*0,00005)=8,8 кОм

R_f=2,65*0,0001*50 *0,025/(0,0006*0,00005)=11,04 кОм

1. Определяем взаимные емкости С (пф) и индуктивности М (мГн) линий связи по следующим выражениям:

;

,

где L_пп=L_пог*l_пр, L_пог – погонная индуктивность

L_пог=0,0000016 мГн/мм;

L_пп=0,0000016*20=0,000032 мГн;

L_пп=0,0000016*25=0,00004мГн;

;

2. Определяем сопротивление изоляции между проводниками линий связи. Для проводников, расположенных на одной поверхности печатной платы

где ₀ - удельное поверхностное сопротивление основания печатной платы (для печатной платы из стеклотекстолита ₀ =5*10¹⁰ Ом, из гетинакса ₀ =10⁹ Ом)

3. Определяем действующее напряжение помехи на сопротивлениях R₂ и R₃. При расчете помехоустойчивости печатных узлов нагрузкой пассивной и активной линий можно считать входное сопротивление микросхем. Расчет можно провести по выражению:

4. Сравнивая действующее напряжение помехи U с помехоустойчивостью микросхемы, если U U_n , то необходимо изменить компоновку изделия и конструкцию печатной платы или изменить печатный монтаж.

Т.к это условие выполняется, то оставляем компоновку изделия и конструкцию печатной платы прежней.

Расчет радиатора:

В связи с тем, что в данной схеме не содержатся элементы с повышенным тепловыделением, то мы произведем расчет если бы такой элемент был. В качестве элемента с повышенным тепловыделением возьмем транзистор ГТ703А.

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. В качестве примера проведен расчет теплового режима для наиболее тепловыделяемого ЭРЭ или ИС. 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: допустимая температура рабочей области элемента t_р =55 С; рассеиваемая элементом мощность Р=1,6Вт; температура окружающей среды t₀=25 С; внутреннее тепловое сопротивление элемента между рабочей областью и корпусом R_вн=3 С/Вт тепловое сопротивление контакта между элементом и радиатором R_к=30 С/Вт Тепловая модель элемента и радиатора представлена на рисунке 6.

Рис 6. Тепловая модель элемента с радиатором:

1 - элемент (ЭРЭ,ИС);

2 - площадь теплового контакта;

3 - радиатор

Порядок расчета может быть следующий:

Определяем перегрев места крепления элемента с радиатором

t_к - t₀ = (t_р- t₀) - P(R_вн+R_к)=(55-25)-3*(3+30)=69

Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора t_s=t_s-t₀ 0,83 (t_к-t₀)=0,83*69=57,27

Выбираем тип радиатора [4 c. 156]. Выбор радиатора является сложным эмпирическим процессом, который требует знаний сравнительной эффективности различных типов радиаторов.

В следствии выбора получили радиатор пластинчатого типа с параметрами:

1.Мощность рассеивания = 3Вт;

2.Длина радиатора =65мм;

3.Ширина радиатора = 65мм;

4.Толщина радиатора =3

Расчет надежности:

Теория надежности – это научная дисциплина, занимающаяся вопросами обеспечения высокой надежности технических изделий при наименьших затратах.

Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах и условиях применения данного изделия.

Надежность закладывается в изделие в процессе проектирования и производства и обеспечивается в процессе эксплуатации.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения может включать – безотказность; долговечность; ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. Нередко под надежностью в узком смысле слова понимают безотказность изделия.

Каждое из указанных свойств характеризуется рядом своих частных показателей. Основными количественными показателями надежности являются:

Вероятность безотказной работы – определяется в предположении, что в начальный момент времени изделие находится в работоспособном состоянии. Под вероятностью безотказной работы изделия за время t₃ (т.е. от 0 до t₃) понимают вероятность вида:

P(t₃) = Вер {T > t₃ };

Безотказная работа изделия и его отказ – события противоположные, составляющие полную группу событий, поэтому вероятность отказа изделия за время t можно записать:

Q(t) = 1 - P(t);

Зависимость вероятности безотказной работы от времени называют функцией надежности в следующей зависимости:

P(t) = e^-t;

Как видно по этой формуле P(t) распределяется по экспоненциальному закону.

Определяем коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС согласно схемы, используя формулы, приведенные в таблице 3

Таблица3.

Элемент	Формула для определения Кн	Пояснение
Резистор	Кн=Рраб/Рном	Р– мощность
Диод: выпрямительный импульсный	КIн=Iраб/Iмах ту К1н=Uобр раб/Uобр мах ту	I – ток Uобр – обратное напряжение
Цифровые интегральные ИМС	КIн=Iвых раб/Iвых мах К1н=Iвых раб/Iвых мах	Iвых – выходной ток
Транзистор	Кн=Р к раб/Р к ном	Р к раб - мощность рассеиваемая на коллекторе

Произведем расчет Р_раб и I_{вых раб}:

Р_раб=U²/R

Р_раб1,2=5*5/5100=0,0049 Вт

Р_раб3=5*5/4700=0,0053 Вт

Р_раб4=4,5*4,5/1000=0,02 Вт

Р_раб5=4*4/200=0,016 Вт

Р _{к раб} =0,05 Вт

U_{обр раб} =5 В

Iвых раб=U/R

I_{вых раб12}=1/3500=0,3 мА

I_{вых раб34}=5/1200=4 мА

I_{вых раб5}=5/2700=1,8 мА

Произведем расчет коэффициента надежности по формулам приведенным в таблице3 и занесем его в таблицу4.

Таблица 4.

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: К193ИЕ5А К193ИЕ2 КР1533ТМ2 К555ТМ2	Iвых раб=10 мА Iвых раб=10 мА Iвых раб=8 мА Iвых раб=10 мА	0,03 0,03 0,5 0,18	1 1 2 1	0,2 0,2 0,6 0,4	0,013 0,013 0,013 0,013	0,006 0,006 0,03 0,72		0,006 0,006 0,6 0,072
Транзисторы: КТ326БМ	Р к раб=0,05 Вт	0,25	1	0,8	0,5	0,2		0,2
Диоды: КД514А	Uобр раб=5 В	0,5	3	0,8	0,2	0,4		1,2
Резисторы: МЛТ-0,125 5,1к±10% МЛТ-0,125 4,7к±10% МЛТ-0,125 1к±10% МЛТ-0,125 200Ом±10%	Рраб1,2=0,0049 Вт Рраб3=0,0053 Вт Рраб4=0,02 Вт Рраб5=0,016Вт	0,04 0,0424 0,16 0,128	2 1 1 1	0,4 0,4 0,45 0,42	0,045 0,045 0,045 0,045	0,016 0,016 0,072 0,054		0,032 0,016 0,072 0,054

∑_= 2,258

P (t)=exp (-*t),

где t – время до отказа работы i – ого элемента

Рис. 7 Зависимость вероятности безотказной работы от времени

Время наработки на отказ определим по следующей формуле:

T_ср==443 тыс. часов