2. Расчет теплового режима

Модуль электронной аппаратуры второго уровня и выше, например блок, представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета.

Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

Конструкцию РЭА заменяем её физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_o и рассеиваемую тепловую мощность Р_о. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 1 приведены зависимости между перепадом температур t_k и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

20

1’, 2’, 3’ – для вертикаль­ного расположения бло­ков;

1, 2, 3 – для горизон­тального расположения блоков;

1, 1’ – без вентиляции;

2, 2’ – естественная вен­тиляция;

3, 3’ – принудительная вентиляция.

t_k, С

1

16

12

1'

8

2'

4

2

3'

3

q,

0

20

40

60

80

100

120

t_k – перепад температур

q – рассеиваемая мощность

Рисунок 1 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции

Определим условную поверхность нагретой зоны S_з, м² для воздушного охлаждения /5, стр. 145/

S_з=2(AB+(A+B)HК_з.о); (50)

где A, B, H – геометрические размеры блока, м

A = 0,14 м; B = 0,130 м; H= 0,06 м.

К_з.о – коэффициент заполнения объема (К_з.о = 0,565).

Тогда, получим

S_з = 2(0,1400,130+(0,140+0,130)0,0600,565) = 0,0547 м².

Определим удельную мощность нагретой зоны q₃, Вт/м², как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади

q₃=Q/S₃, (51)

где Q – мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле

Q = I_maxU, (52)

где I_max – максимальный потребляемый ток для цепи питания с напряжением питания U=+12 В, I_max=0,53 А.

Тогда, получим

Q = 0,5312 = 6,36 Вт;

q_з = 6,36/0,0547 = 116,27 Вт/м²

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Если устройство работает в не перегруженном режиме, тогда температура зоны должна быть меньше или равна Т_з=60⁰С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=40⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле

t_k = Т_з-Т_с = 60–40 = 20 ⁰С, (53)

Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 1). Учитывая, что в проектируемом устройстве модуль расположен горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 1`, следовательно, устройство нуждается лишь в естественной вентиляции.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока диагностического прибора обеспечивает нормальный тепловой режим работы с естественной вентиляцией.

2. Расчет электрических параметров печатной платы

Омическое сопротивление печатных проводников. Сопротивление проводника из однородного материала:

, (54)

где  - удельное электрическое сопротивление проводника, мкОм/м;

l – длина проводника, мм;

b – ширина проводника, мм;

h – толщина проводника, мм.

Ом – для сигнального проводника,

Определим эффективную глубину проникновения тока, для немагнитный проводников

, (55)

где - коэффициент зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия.

;

.

Сопротивление печатного проводника на высоких частотах

, (56)

где - удельное поверхностное сопротивление, Ом,

- коэффициент зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия./7, стр. 10/

,

,

Ом.

Допустимая токовая нагрузка. Сечение проводника шириной 0,3 мм и толщина 50 мкм будет равно 0,015 мм, плотность тока при t = 20 C равна 1,7 А/мм, t = 45 C равна 2,2 А/мм.

Рассчитываем емкость и индуктивность печатных проводников и между печатными проводниками

При

пФ; (57)

где а – зазор между проводниками, мм;

b – ширина проводника, мм;

h – толщина проводника, мм.

, (58)

мкГн;

Собственная индуктивность (мкГн) проводника шириной b (мм)

, (59)

мкГн.

Для несимметричных полосковых линий.

, (60)

пФ,

, (61)

Ом.

Проводники расположены параллельно на одной стороне печатной платы, различной длины

мкГн.

Из полученных в этом расчете значений емкости (С), индуктивности (L) и взаимоиндуктивности (М) проводников следует, что паразитные эффекты в данном устройстве не превышают значения, при которых в устройстве возникают значительные помехи, приводящие устройство в неработоспособное состояние, а также что устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования.