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

Расчёт помехоустойчивости.

Зададимся исходными данными для расчета помехоустойчивости от влияния перекрестных помех между соседними проводниками: эквивалентная схема возникновения помех рис.3.

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

- w – круговая частота генератора;

- R₁, R₂, R₃ – cопротивление 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. рис.4;

- Nn - помехоустойчивость микросхем или транзисторов.

Диэлектрическая проницаемость среды между проводниками, расположенными на наружних 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)

Порядок расчета следующий:

Rf=1000*s*lпр/bпр*tпр , где s=*f (5)^1.2, тогда из предыдущих двух формул получим: Rf=1000** f *lпр/bпр*tпр(1), 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 (1):

Rf=0,265*50 *0,0235/0,0006*0,00005=146,5 кОм

Rf=0,265*50 *0,0285/0,0006*0,00005=178,1 кОм

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

; ;

;

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

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:

;

В результате вычислений получили:=15(мкВ)

Сравнивая действующее напряжение помех и с помехоустойчивостью микросхемы, т.к.<U_n , то изменять компоновку изделия и конструкцию печатной платы или изменить печатный монтаж не требуется.

Расчёт радиатора.

В качестве элемента с повышенным тепловыделением возьмем один из транзисторов КТ361В.

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 =60 С;

- рассеиваемая элементом мощность Р=1,8Вт;

- 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 рис.5.

1- элемент (ЭРЭ, ИС);

2 - площадь теплового контакта;

3 - радиатор

Порядок расчета может следующий:

Определяем перегрев места крепления элемента с радиатором:

t_к - t₀ = (t_р- t₀) - P(R_вн+R_к)=(60-25)-3*(3+30)=64;

Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора t_s=t_s-t₀ 0,83 (t_к-t₀)=0,83*64=53,12;

Выбираем тип радиатора. 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 =70мм;

3.Ширина радиатора = 65мм;

4.Толщина радиатора =2

В результате данного расчёта получили радиатор удовлетворяющий всем нашим требованиям по теплоотводу.

Расчёт надёжности.

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.

Коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС определяем используя формулы, приведенные в таблице 1.

Таблица1.

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 (U3000)	Кн=Iраб/Iном	I– ток через контакт

Произведем расчет Рраб и Iвых раб для резисторов и ИС соответственно, а для остальных элементов определяем рабочие параметры непосредственно по схеме:

Р_раб=U²/R

Р_раб1= U²/R=5*5/100000=0.00025(Вт);

Р_раб2= U²/R=5*5/510000=0.000049(Вт);

Р_раб3= U²/R=5*5/4700=0.0053(Вт);

Р_раб4= U²/R=5*5/820=0.03(Вт);

Iвых раб=U/R

Iвых.раб1=5/28000=0,178(мА);

Iвых.раб2=5/14400=0,347(мА);

Iвых.раб3=5/7880=0,634(мА);

Расчет  следует проводить на основе ₀ - интенсивности отказов ЭРЭ в номинальных режимах и нормальных условиях эксплуатации без механиче­ских воздействий с учетом ряда поправочных коэффициентов:

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.

Коэффициент a₁ определяется:

,

где b₁ – коэффициент, учитывающий влияние вибраций;

b₂ – коэффициент, учитывающий влияние ударов;

b₁ – коэффициент, учитывающий климат, помещение;

b₁ – коэффициент, учитывающий качество обслуживания.

Данные и результаты расчетов сведены в таблице:

Комплектующие изделия	Кол-во,N шт	10-60, 1/ч	Кн	Поправочные коэффициенты									10-6, 1/ч	N10-6, 1/ч
				b1	b2	b3	b4	a1	a2	a3	a4	a5
Интегральные схемы К561ЛН2 К561ИЕ16 К176ЛА9	3	0.013	0,45 0,5 0,53	1,5	1,2	1.1	3	5.94	1	1.1	0.9		0,435	1,305
Резисторы МЛТ0,25820±10% МЛТ 0,25 4,7к±10% МЛТ 0,25 510к±10% МЛТ 0,25 100к±10%	8	0.05	0,12 0,02 0,0002 0,001	1,5	1,2	1.1	3	5.94	0.7			1	0,414	3,312
Конденсаторы К50-35	2	0.05	0,03	1,5	1,2	1.1	3	5.94	0.1				0,03	0,06
Транзисторы КТ361В	3	0,84	0.1	1,5	1,2	1.1	3	5.94	0.12	1			0,142	0,426
Соединения пайкой	86	0.0001		1,5	1,2	1.1	3	5.94					0.003	0,256

Суммарная интенсивность отказов:

=(1,305+3,312+0,06+0,426+0,256) 10^-6=5,35910^-6(1/ч),

Среднее время наработки на отказ изделия:

Т_ср=1/5,35910^-6=186602(ч),