4 Тепловой расчёт печатного узла

4.1 Расчет размеров нагретой зоны

Определение объема деталей:

Объём микросхем:

V_м=8(0,02210,006350,0048)+2(0,02630,006350,0048)+(0,020,00635 0,0048)=710^-6 м³.

Объём резисторов:

V_р=18(0,0020,0030,007)=0,7610^-6 м³.

Объем диодов:

V_д=15(0,0030,0030,004)+2(0,0070,0060,006)=110^-6 м³.

Объем конденсаторов:

V_к=4(0,0060,0060,015)+6(0,010,010,004)=2,410^-6 м³.

Объем разъема:

V_раз=2x(0,00860,0950,0056)=9,1510^-6 м³.

Объем реле:

V_рр=0,0110,0110,016=1,9410^-6 м³.

Общий объем деталей:

V_дет= V_м+ V_р+ V_д+ V_к+ V_раз+ V_рр = 15,2510^-6 м³.

Конструкция ЭВМ является системой многих тел с неравномерно распределёнными источниками и стоками тепловой энергии. Её температурное поле может иметь достаточно сложный характер, зависящий от распределения источников и стоков тепловой энергии, геометрии элементов конструкции и их теплофизических свойств. При построении тепловой модели упрощают элементы конструкции и идеализируют протекающие в них тепловые процессы.

Одним из способов упрощения – замена сложной по форме нагретой зоны элемента конструкции прямоугольным параллелепипедом – эквивалентной нагретой зоной с одинаковой среднеповерхностной температурой и равномерно распределённым источником тепловой энергии. Такая замена выполняется на основании принципа усреднения. Эффективная толщина нагретой зоны:

м;

где  = 0,0015 м - толщина печатной платы;

V_дет = 810^-6 м³ - объём деталей установленных на печатной плате;

L₂ = 0,15 м - длина печатной платы;

L₃ = 0,14 м - ширина печатной платы.

4.2 Расчёт среднеповерхностной температуры зоны

Исходные данные:

L₁ = _эфф = 0,003 м;

L₂ = 0,15 м;

L₃ = 0,14 м;

_з = 0,93 – степень черноты платы;

t_ср = 310 К – температура среды;

P = 6,23 Вт – мощность, рассеиваемая зоной;

 = 1 К – точность вычисления температуры.

Порядок расчета:

1. Задаем перегрев зоны  t^I_з – относительно окружающей среды в 1-ом приближении (5-10 градусов Кельвина);

2. Определяем температуру зоны в 1-ом приближении: t_з = t_ср+ t^I_з [К];

3. Рассчитываем среднюю температуру между нагретой зоной и средой

t_m = 0,5(t_з+t_ср) [К];

4. Рассчитываем площадь поверхности зоны: S_з = 2(L₂L₃+L₂L₁+L₃L₁) [м²];

5. Находим определяющий размер эквивалентного куба: [м];

6. Определяем вид теплового потока от зоны к среде по условию: ;

7. Если условие выполняется, то коэффициент теплообмена определяется по закону 1/4, иначе по закону 1/3:

Для конвективного: [Вт/К];

где t_з – предполагаемая температура зоны,

t_c –температура среды,

А₂ – коэффициент теплопередачи, зависит от вида окружающей среды, для воздуха А₂ = 1,34 (при 313 градусах Кельвина), А₂ =1,36 (при 303 градусах Кельвина).

Для лучевого: _лс = _к 5,5710^-8 [(t_з⁴ – t_ср⁴) / ( t_з – t_ср)]S_з.

Находим суммарную тепловую проводимость: ^I_= _зс + _лс.

Находим реальный перегрев корпуса: .

Проверяем условие  t^I_з -  t^I_зр< .

Если условие выполняется, то принимают перегрев зоны:  t_з =  t^I_зр.

Если условие не выполняется, то проводим расчет во втором приближении принимая  t^II_з =  t^I_зр и повторяют начиная со второго пункта. Расчет заканчивается в том приближении, в котором выполняется условие  t^I_з -  t^I_зр< .

Расчет:

Первое приближение:

1.  t^I_з =10 К;

2. t^I_з =310+10=320 К;

3. t_m =0,5(630)=315 К;

4. S_з =2(0,150,14+0,15210^-2 +0,14210^-2)=0,0437 м²;

5. L=0,085 м;

6. (0,84/0,085)³ =965,1  10 691,3;

7. _зс =0,165 Вт/К;

8. _лс =0,283 Вт/К;

9. ^I_ =0,448 Вт/К;

10.  t^I_зp =6,23/0,448=13,9 К;

11.  t^I_з -  t^I_зр=|10–13,9|=-3,9<;

т.к. -3,9<, то Δtз = 13,9 К.

Реальный перегрев зоны относительно среды  t^II_зр = 13,9 К. Среднеповерхностная температура нагретой зоны t_з =320 К. Дополнительных мер по охлаждению платы принимать не нужно, так как все элементы при таком значении перегрева сохраняют свою работоспособность (таблица 1).

5 РАСЧЁТ УСТОЙЧИВОСТИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА К

МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ