3.4 Расчет теплового режима

Модуль электронной аппаратуры второго уровня, 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. Тепловой режим блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек.

t, С

1

100

1'

80

2'

60

Н

40

20

2

q,

0

3

3'

600

500

400

300

200

100

0

Рисунок 1 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции.

На рисунке 1 цифрами обозначены следующие зоны: 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.

Условная поверхность нагретой зоны S_з, м² для воздушного охлаждения:

S_з=2(lb+(l+b)hК_з.о),

где l, b, h - геометрические размеры блока, м

l=0,29; b=0,1; h=0,15

К_з.о - коэффициент заполнения объема (К_з.о =0,37).

Тогда, получим

S_з = 2(0,290,1+(0,29+0,1)0,150,37) = 0,10129 м²

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

,

Где: Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле, Вт:

Q = I_maxU,

Где: I_max =4А- максимальный потребляемый ток для цепи питания;

U =12В- напряжение питания.

Тогда, получим

Q=412=48 Вт,

,

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Поскольку в схеме имеются конденсаторы параметры которых ухудшаются при увеличении температуры до 7085С, то температуру зоны примем равной Т_з=65⁰С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=25⁰С. Тогда перепад температур t будет определяться по формуле:

t =Т_з-Т_с = 65-25 = 40⁰С

Получили точку на графике Н(473;40). Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 1). Учитывая, что в проектируемом блоке узлы расположены вертикально, получим, что прибор относится к зоне 2-2', следовательно, устройство нуждается в естественной вентиляции. По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим работы с естественной вентиляцией воздуха.

3.5 Окончательная разработка конструкции устройства

Корпус имеет форму прямой призмы размером 290100150 мм, внутри которого расположена печатная плата усилителя размером 8012020 мм вспомогательная плата размером 150Х290Х2 мм, трансформаторы Т1 и Т2 которые крепятся ко дну корпуса, два мощных транзистора VT9, VT10 которые устанавливаются в охлаждающие радиаторы ребристой формы, элементы индикации, питания, тумблер, гнездо крепятся на переднюю панель корпуса.

Корпус прибора изготовлен из листовой стали Ст3 ГОСТ 380-71, состоит из двух частей: основания – дна, выполненного за одно целое с боковыми панелями, и крышки, выполненной как единое целое с задней панелью. Основание и крышка устройства соединяются с помощью винтов, которые ввинчиваются в резьбовые стойки, выполненные как одно целое с основанием. По бокам корпуса основания устанавливаются печатная плата усилителя и вспомогательная плата. Для соединения основания и крышки предусмотрены направляющие, которые обеспечивают подвижное соединение одной детали относительно другой, выполненные как одно целое с основанием.

На задней панели крышки предусмотрены прямоугольные отверстия для обеспечения естественной вентиляции устройства. Платы крепятся с помощью винтов и колонок типа 2-5-12 ОСТ 1 11290-73 являющихся частью корпуса, с резьбовыми отверстиями под винты. Для защиты от дестабилизирующих факто-

-ров детали корпуса покрыты эмалью ПФ-115.

На лицевой панели просверлено все необходимые отверстия под элементы. Печатная плата изготовлена комбинированным позитивным методом, материал для изготовления – стеклотекстолит.

Связь между радиоэлементами осуществляется печатным монтажом, электрические соединения выполняются с помощью пайки. Соединение выводов печатной платы с элементами индикации, питания, осуществляется объемным монтажом - проводом МГШДЛ 0,2 К ГОСТ 10349-75 А. Жгут вязать капроновой крученой нитью. Места пайки изолировать полихлорвиниловой трубкой.

Корпус устройства должен быть светлого цвета желательно белого. Для защиты от атмосферных воздействий печатные платы покрываются бесцветным лаком УР-231 по ОСТ 1 80365 82.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Объемно – компоновочный расчет

Площадь печатной платы рассчитаем, исходя из площади установочной поверхности элементов. Площади установочных поверхностей приведены в таблице 2.

Таблица 2

Название элемента	Площадь Одного Элемента мм2	Общая площадь мм2	Количество элементов
Резисторы R1-R6,R8-R15, R17, R18, R20,R21	82.5	1485	18
R7	117.25	117.25	1
R16,R19	182	364	2
R22,R23	277.5	555	2
Конденсаторы С1	589.375	589.375	1
С2	735.25	735.25	1
С3-С5	180	540	3
Диоды VD1	261.25	261.25	1
VD2,VD3	110	220	2
Транзисторы VT1,VT3-VT6	85.902	Продолжения таблице 2 429.51	5
VT2 VT7,VT8	72.75 165.129	72.75 330.259	1 2

Общую площадь печатной платы найдем, как сумму всех площадей входящих элементов: Sob=∑S=S_R+S_C+S_VT+S_D

где S_R – площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;

S_C - площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;

S_VT - площадь, необходимая для установки транзистора на ПП;

S_D - площадь, необходимая для установки диодов на ПП;

Sob=∑S=1485+117.25+364+555+589.375+735.25+540+261.25+220+429.51+72.75+330.259=5699.644мм²

Разделим Sob на коэффициент заполнения 0.6 получим: S1=Sob/0.6=9499.40 мм²≈9600 мм². В результате выбора 60Х180 70Х150 80Х120 размеров печатной платы предпочтение отдадим прямоугольной форме и остановимся на размере 80Х120 мм ОСТ4.010.020-83 (ограничение ГОСТ 10317-79)

Посчитаем установочный объем печатной платы с учетом коэффициента 2.5:

Vпп=(Нр+h+2.5)*S1=194880мм³

Где h-высота самого высокого ЭРЭ которым является конденсатор С2 h=16.3мм

Нр-толщина платы Нр=1.5мм

Для выбора рациональной компоновки блока используют три параметра:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

Рассмотрим два варианта компоновки блока (рис.1 а, б). Приложения. Проанализируем эти варианты компоновки проектируемого устройства. Варианты различаются размерами и расположением модулей. Вычислим объемы входящих элементов, модулей:

Плата: V=194880мм³

Плата соединительная: V=150Х290Х2=87000мм³

Трансформатор Т1: V=22Х15Х14=4620 мм³

Трансформатор Т2: V=95Х75Х60=427500 мм³

Радиатор ребристый: V=49Х50Х30=73500 мм³

Гнездо: V=мм³

Розетка Х3: V=18Х8.4Х27.7=4188.24 мм³

РозеткаХ4:V=мм³

Тумблер SA1: V=29.5Х19.5Х47=27036.75 мм³

Держатель индикатора: V=20Х20Х50=20000 мм³

Держатель предохранителя: V=мм³

Объем, занимаемый аппаратурой:

Vап=194880+87000+4620+427500+73500*2+1531.52+4188.24+31415.92+

+27036.75+20000+24543.69=969716.12 /0.6=1616193.533мм³

Объемы блоков:

V1=290Х100Х150=4350000 мм³

V2=290Х150Х110=4785000 мм³

Коэффициент заполнения объема:

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1.

Коэффициент приведенных площадей:

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

где d₁ - диаметр шара , мм.

Vш=Vблока→

Коэффициент приведенных площадей:

.

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1.

Коэффициент приведенных площадей:

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

где d₂ - диаметр шара , мм.

Vш=Vблока→

Коэффициент приведенных площадей:

Следовательно, второй блок оптимальный по площади наружной поверхности, но, тем не менее, выбор второго блока менее предпочтителен исходя из коэффициента заполнения объема. Таким образом, выбираем первый вариант компоновки блока.

4.2 Расчет геометрических параметров элементов конструкции печатной платы.

Расчет печатного монтажа состоит из 3 этапов: расчет по постоянному току, расчет по переменному току, конструктивно технологический расчет.

4.2.1 Метод изготовления и класс точности печатной платы.

(ГОСТ 237551-86)

Предпочтение отдадим двухсторонней печатной плате, которая выполнена комбинированным позитивным методом по полуаддитивной технологией, так как она является базовой для ДПП из стеклотекстолита нагревостойкого

фольгированного СФ-2Н-50Г-1.5 ГОСТ 10316-78. В данной разработке ПП используются только дискретные элементы и невысокая степень насыщения элементов на ПП, поэтому выбираем 3 класс точности.

Исходные данные для расчета:

-толщина печатной платы Нр=1.5мм;

-удельное сопротивление ρ=0.0175Ом*мм²/м;

-толщина фольги hф=0.05мм;

-допустимая плотность тока iдоп=38А/мм²;

-максимально постоянный ток, протекающий в проводниках исходя из анализа

схемы будет следующим Imax=U/R=12В/3Ом=4А;

-напряжения питания схемы Uсхемы =12В;

-длина проводника l=0.0575м;

-шаг координатной сетки 1.25мм;

-допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения. Uдоп=12*5/100=0.6В;

-диаметры выводов ЭРЭ:

D1=0.5мм, D2=0.6мм, D3=0.7мм, D4=0.8мм, D5=0.9мм, D6=1мм, D7=1.1мм.

Основные параметры ПП для 3 класса точности:

-минимальное значение номинальной ширины проводника,t,мм 0.25;

-номинальное расстояние между проводниками,S,мм 0.25;

-гарантийный поясок,bм, на наружном слое, мм 0.10;

-отношения диаметра отверстия к толщине платы 0.33;

-допуск на отверстия Δd, с металлизацией, ≤1мм +0.05

-0.10;

то же, >1 мм +0.10

-0.15;

-допуск на ширину проводника Δt,мм, с покрытием +0.10

-0.08;

-допуск на расположение отверстий δd мм 0.08;

-допуск на расположение контактных площадок δр,мм 0.20;

-допуск на расположение проводников δ1, мм 0.05.

4.2.2 Минимальная ширина (мм) печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где I_max - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

hф - толщина проводника, мкм,

4.2.3 Минимальная ширина проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

Где :  - удельное сопротивление, Оммм²/м;

l - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В;

.

4.2.4 Конструктивно-технологический расчет.

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматизированной сборки ячеек.

4.2.4.1 Номинальное значение диаметров монтажных отверстий Д:

Д=Д_выв+/d_н.о./+з,

где Д _выв - диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

d_н.о.- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм;

з - разница между минимальным диаметром ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0.1...0.4 мм.

Двыв1=0.5-0.7мм, Двыв2=0.8-1.0мм, Двыв3=1.1мм.

Для Двыв1=0.7мм

Д1=0.7+0.1+0.1=0.9мм

Для Двыв2=1.0мм

Д2=1.0+0.1+0.1=1.2мм

Для Двыв3=1.1мм

Д3=1.1+0.15+0.1=1.35мм

4.2.4.2 Минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим, но в связи с ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы.

Дм min≥Нрас*v=1.5*0.33=0.495мм

где H_р - расчетная толщина платы, мм;

- отношения диаметра отверстия к толщине платы.

Диаметр переходного отверстия равен половине толщине ПП толщина ПП=1.5мм следовательно диаметр равен 0.75мм рассчитанный диаметр отверстия выбираем из предпочтительного ряда и принимаем равным 0.8 мм.

4.2.5 Диаметр контактных площадок.

Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП:

Дmin=Д1min+1.5hr для оплавляемого покрытия олово-свинец

Где hr-толщина гальванической меди по поверхности проводников плат средних размеров 0.05мм.

Д1min=2*(bм+Д0max/2+ δd+ δр):

где b_м - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок ), мм;

, - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм.

Максимальный диаметр просверливаемого отверстия Д0max, мм:

Д _0max = Д0 + d + (0.1...0.15),

где d - допуск на отверстие, мм;

Д0-номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм.

Д _{0max 1}=0.9+0.05+0.1=1.05мм=1.1мм

Д _{0max 2}=1.2+0.1+0.1=1.4мм=1.4мм

Д _{0max 3}=1.35+0.1+0.1=1.55мм=1.6мм

Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий:

Д1min1==1.86мм

Д1min2==2.16мм

Д1min3==2.36мм

Минимальный диаметр контактных площадок:

Дmin1=1.86+1.5*0.05=1.86+0.075=1.935мм

Дmin2=2.16+1.5*0.05=2.16+0.075=2.235мм

Дmin1=2.36+1.5*0.05=2.36+0.075=2.435мм

Максимальный диаметр контактной площадки:

Д_max = Д_min + (0.02 ... 0.06)

Д_max1 = Д_min1 + (0.02 ... 0.06)=1.935+0.02=1.955мм≈2мм

Д_max2 = Д_min2 + (0.02 ... 0.06)=2.235+0.02=2.255мм≈2.3мм

Д_max3 = Д_min3 + (0.02 ... 0.06)=2.435+0.02=2.455мм≈2.5мм

Приводим максимальные диаметры контактных площадок до значений соответствующих стандартному ряду 2.0мм, 2.3мм, 2.5мм.

Сведем полученные результаты в таблицу 2.

Таблица 2

Двыводов, мм	Д0, мм	Дmax,, мм	Дmin, мм
0,7	1,1	2,0	1,94
1,0	1,4	2,3	2,24
1,1	1,6	2,5	2,44

4.2.6 Ширина проводников.

Минимальная ширина проводника для ДПП

мм,

где t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 - минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальваностойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину проводника (t_min1) выбирают в соответствии с классом точности и способом изготовления печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина проводника:

t_max = t_min + (0.02...0.06)= t_min + 0.02=0.425+0.02=0.445≈0.5 мм.

4.2.7 Минимальный зазор между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

где - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

- допуск на расположение проводников, мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max3=2.5мм, мм:

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max2=2.3мм, мм:

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max1=2.0мм, мм:

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками металлизированных отверстий, необходимое для проведения между ними проводника:

мм

Минимальное расстояние между проводником питания и контактной площадкой:

мм

Таким образом, проведенный расчет элементов проводящего рисунка позволяет выполнить трассировку ПП. Трассировка печатной платы выполнена в соответствии с произведенными расчетами. Результаты расчета показывают, что расстояния между элементамипроводящего рисунка больше минимально допустимых.

3. Расчет электрических параметров печатной платы

Исходные данные для расчета:

-удельное сопротивление ρ=0.0175мкОм/м;

-коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия ψ=0.066

4.3.1.Сопротивления печатных проводников.

Омическое сопротивление печатных проводников в обычных низкочастотных платах, как правило, не оказывают влияния на работу схемы, но при значительной протяженности и минимальной ширине проводника эта величина может достигнуть значений, способных внести искажения в работу устройства.

Омическое сопротивление печатного проводника из однородного материала:

Для b=2.105мм:

Где: ρ-удельное электрическое сопротивление проводника, мкОм/м;

l-длина проводника, мм;

b-ширина проводника, мм;

h-толщина проводника, мкм;

Для b=0.134мм:

При протекании по проводнику высокочастотного переменного тока распределение переменного тока в печатных проводниках происходит неравномерно за счет наличия поверхностного эффекта.

Количественно явление поверхностного эффекта характеризуется эффективной глубиной проникновения тока (dэфф).

Для немагнитных проводников:

Где: f-частота, Гц;

Ψ=0.5-коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия.

4.3.2.Допустимая токовая нагрузка.

Увеличение плотности компоновки навесных ЭРЭ на ПП приводит к увеличению энергоемкости печатных узлов и к увеличению токовой нагрузки на печатные проводники, что увеличивает тепловыделения проводников. Оно обязательно должно приниматься во внимание при расчете теплового баланса РЭА. Величину токовой нагрузки одиночных проводников из медной фольги с постоянной шириной b и сечением S можно ориентировочно определить по графику 2. (Приложение 1)

Из графика определим для сечения проводника шириной b=2.105мм, толщиной 50 мкм будет равно 0.1мм, а плотность тока при t=10⁰C равна 4.8А/мм; при t=20⁰С 6.3А/мм; при t=30⁰ 8А/мм;

При b=0.134мм, равно 0.006 мм, а плотность тока при t=10⁰C равна 0.6 А/мм; при t=20⁰С 0.8 А/мм; при t=30⁰ 1 А/мм;

4.3.3. Емкость и индуктивность между печатными проводниками.

Емкость (пФ) между печатными проводниками, а также индуктивность (мкГн) служат источниками помех, оказывающими существенное влияние на работу аппаратуры. Значения емкости (С), индуктивности (L) и взаимоиндуктивности (М) проводников в значительной степени зависят от взаимного расположения проводников на печатной плате.

Емкость между проводниками при их параллельном взаимном расположении:

При b1=b2=b: для обычных проводников

;

где E_r =8.85 пФ/м – диэлектрическая проницаемость среды;

l =27.5 мм – длина участка на котором проводники параллельны;

а=2.5 мм – расстояние между проводниками;

b=0.134 мм – ширина проводника;

h=0.05 мм – толщина фольги.

.

Для проводников питания:

l =17.5 мм – длина участка на котором проводники параллельны;

а=110 мм – расстояние между проводниками;

b=2.105 мм – ширина проводника;

Так как значение емкости было посчитано при максимальном значении длине проводников на участке, котором они параллельны то при других вариантах значение емкости меньше полученного.

Индуктивность:

Значение индуктивности было получено, при максимальной длине проводника на участке где они параллельны.

При

L=L1+L2-2M

Где: L1 и L2- собственная индуктивность проводников (мкГн) шириной b1и b2, определяются по:

;

;

.

М-взаимоиндуктивность проводников рассчитывается при условии

;

где b₁ = 0.134 мм – ширина первого проводника;

b₂ = 2.105 мм – ширина второго проводника;

а = 1.4 мм – расстояние между проводниками.

Данное условие не выполняется, следовательно, взаимоиндуктивность не влияет на проводники.

Посчитаем емкость при проводниках, которые расположены и сверху и снизу ПП параллельно друг другу.

Емкость при b2≥3*b1

+

Для несимметричных полосковых линий:

Проводники расположены на одной прямой с малым зазором между их совпадающими концами:

Проводники расположены на значительном расстоянии:

Проводники расположены параллельно на одной стороне ПП, различной длины:

Для симметричных линий:

Вычислим более точно емкость по формуле:

Где: ε=0.5*(1+)-действующая диэлектрическая проницаемость среды;

К- поправочный коэффициент, определяется по графику 1 (Приложения), и зависит от параметров проводящего рисунка платы (а/b).

При b=0.134мм; К=0.005

При b=2.105мм; К=0.005

Расчет электрических параметров печатной платы для разрабатываемого устройства показывают что, влияние паразитной емкости индуктивности и взаимной индуктивности будет несущественным, так как устройство работает на низких частотах и значения всех полученных параметров между печатными проводниками невелики. Также нет необходимости в дополнительной защиты устройства от наводок и помех.