6. Расчет теплового режима с изделия эс

В качестве элемента с повышенным тепловыделением возьмем микросхему К176ИЕ2.

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:

Рассеиваемая элементом мощность Р =20 Вт;

температура окружающей среды t₀ =40 С°;

внутреннее тепловое сопротивление R_вн = 1,75 К/Вт,

Тепловая модель элемента и радиатора представлена на рисунке 5:.

Рисунок 5. 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:

t_k-t_p=(t_p-t_o)-P(R_вн+R_k), где R_k ≈ 2,2*10^-4 S_k, где S_k — площадь контактной поверхности, м².

t_k-t_p=(160-40)-20* (1,75+2,2*10^-4/65,5*10^-6)= 16,32 К.

2. Определим средний перегрев основания радиатора в первом приближении:

∆t_S=0,83(t_k-t_p)=0.83* 17,82= 13,95 К.

3. Выберем игольчато-штыревой радиатор с параметрами:

h=20мм, S_Ш=7мм, d=2мм.

4. Находим по соответствующему графику коэффициент эффективной теплоотдачи выбранного радиатора при ∆t_S=14К:

α_ЭФ=58 Вт/(м*К)

5. Определим средний перегрев основания радиатора во втором приближении. При этом выберем в качестве материала радиатора алюминий, у которого λ_Р=208 Вт/(м*К)–коэффициент теплопроводности материала, а толщину основания δ_Р=2 мм.

∆t_Sо = ,

где ,α_ЭФS_p/d δ_Р, где δ_p —толщина основания радиатора.

Тогда, используя эти данные, получим:

B= 58* 65,5*10^-6 /(208* 2* 10^-3) =9,1*10^-3 .

0,073

S_p= p/ (α_ЭФ*∆t_S).

S_p = 0,078/ (58*14,79) = 0,92*10^-4

∆t_Sо =12,57 К

6. Уточняем площадь основания радиатора:

S_po = p/( α_ЭФ*∆t_Sо);

м².

7. Расчет надежности.

Надежность электронной аппаратуры зависит от ее сложности и режимов эксплуатации. Поэтому одним из условий надежности работы ЭС является правильность выбора режимов работы множества ЭРЭ и деталей, из которых состоит изделие, качество изготовления, а также условия эксплуатации.

Для численного выражения надежности используют различные количественные характеристики: одни из них удобны для оценки надежности ЭРЭ, другие применяются для определения надежности узла, блока и изделия в целом.

Среди свойств изделия есть понятие безотказность — это количественный показатель, характеризующий вероятность безотказной работы за заданное время P(t); интенсивность отказов λ; среднее время наработки на отказ T_ср.

P(t) = e^-λt,

где λ — интенсивность отказов.

Интенсивность отказов изделия, состоящего из m комплектующих элементов, определяется по формуле:

_I;

где λ — интенсивность отказа i-того элемента.

Среднее время наработки на отказ изделия определяется по формуле:

T=.

а) Учет электрической нагрузки

Определяем коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС, согласно схемы, используя формулы, приведенные в таблице 5:

Таблица 5.

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

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: К176ИЕ2 К176ЛЕ5 К176ЛП11	Iвых раб=12 мА Iвых раб=1 мА Iвых раб=4 мА	0,25 0,2 0,15	1 1 1	0,55 0,7 0,25	0,013 0,013 0,013	0,006 0,0091 0,03		0,006 0,0091 0,03
Резисторы: МЛТ-0,125	Рраб =0,6 Вт	0,2	7	0,55	0,045	0,024		0,168
Конденсатор К50-35 КМ-6		0,5 0,47	1 2	0,48 0,46	0,15 0,15	0,0725 0,069		0,0725 0,198
Диоды Д220		0,12	13	0,31	0,157	0,048		0,624

Суммарная интенсивность отказов:

∑_=4,1279 *10^-6(1/ч),

Среднее время наработки на отказ изделия:

Т_ср = 1/4,127910^-6 = 242250 (ч),

Вероятность безотказной работы при ресурсе t=150000 ч:

P(t)=exp(-4,1279 10^-6150000)=0,87

Вывод: 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 течение 242250 часов. Это является отличным показателем для данного типа устройств.