4.5. Защита от температурных воздействий.

Микросхемы и ЭРЭ функционируют в строго ограниченных температурных диапазонах. Уход температуры за указанные пределы может привести к необратимым структурным изменениям компонентов. Повышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ускоряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной температуре затвердевают и растрескиваются резиновые детали, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейного расширения материалов могут привести к разрушению залитых компаундами конструкций и, как следствие, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений и т. п.

Нормальным температурным режимом называется такой режим, который при изменении в определенных пределах внешних температурных воздействий, обеспечивает изменение параметров и характеристик конструкции, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях на них. Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гарантированы, если температура среды внутри ЭА является нормальной и равной 20-25⁰C.

При этом следует помнить, что изменение температуры относительно нормальной внутри ЭА на каждые 10⁰C в любую сторону приводит к уменьшению надежной работы аппаратуры приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования в виде систем охлаждения, затратам электрической энергии.

Задача обеспечения работоспособности при низких температурах решается нагревом в продолжении некоторого времени помещения с одновременным включением для подогрева аппаратуры. При достижении внутри изделия нормальной по ТУ температуры приступают к его эксплуатации. Далее из-за разогрева ЭА температура внутри ЭА будет повышаться и может возникнуть необходимость в ее охлаждении. Нагрев удобнее производить электрическими нагревательными элементами, устанавливаемыми для стационарной аппаратуры в помещении, а для транспортируемой – встраиваемой в конструкцию.

Температура контролируется либо при помощи термометров, размещаемых в ЭА в удобных для наблюдения местах, либо автоматически с выключением нагревателей после прогрева аппаратуры. При интенсивном нагреве холодного воздуха внутри прибора пары воды нагревающегося воздуха конденсируются на еще холодных поверхностях конструкции до тех пор, пока не осядет вся избыточная влага воздуха. Дальнейший нагрев приведет к нагреванию конструкции и испарению влаги. Конденсация оказывается невозможной, если нагрев происходит медленно.

Чаще всего конструктор решает задачу удаления избытка теплоты в результате разогрева аппаратуры. Как известно, передача теплоты от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

4.5.1. Теплоотвод кондукцией.

С увеличением плотности компоновки ЭА большая доля теплоты удаляется кондукцией. Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыделяющих элементов конструкции применяют тепловые разъемы, теплоотводящие шины, печатные платы на металлической основе и т.п. Количество теплоты , передаваемое в статическом режиме кондукцией, определяется по выражению:

 t, кал/c , (4.5)

где – коэффициент теплопроводности, кал/(с.см.⁰C); – площадь, через которую проходит тепловой поток, см²; –длина пути передачи тепла, см; t –разность температур между охлаждаемой конструкцией и окружающей средой, ⁰C.

Выражение (4.5) можно представить как t, где – тепловая проводимость. Величина, обратная тепловой проводимости, называется тепловым сопротивлением

(4.6)

Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7.

Коэффициенты теплопроводности конструкционных материалов.

Неметаллы	_mкал/с.см.⁰C	Металлы	_m кал/с.см.⁰C
Воздух	0,000063	Титан	0,037
Гетинакс	0,00045	Сталь	0,10–0,14
Резина	0,0003–0,0006	Цинк	0,24
Слюда	0,0017	Алюминий и его сплавы	0,29–0,37
Стекло	0,0021	Магний и его сплавы	0,17–0,38
Стеклотекстолит	0,043	Бронза	0,54
Стеклотекстолит	0,043	Медь	0,54

Для несложных по форме конструкций деталей, например, в виде цилиндра с подводом и отводом теплоты от торцевых поверхностей, найти тепловые сопротивления несложно. Однако реальные конструкции деталей имеют более сложную конфигурацию, что затрудняет определение их тепловых сопротивлений. Можно применять следующий способ получения тепловых моделей:

на поверхности детали условно наносится ортогональная координатная сетка;

на пересечении линий координатной сетки выделяются узлы (если на поверхность детали осуществляется подвод или съем теплоты, то узлы обязательно должны находиться в этих точках);

между узлами в вертикальном и горизонтальном направлениях определяются тепловые сопротивления фрагментов детали по (4.6);

составляются уравнения теплового баланса;

для каждого узла детали определяется температура перегрева.

Пример. На пластину установлены тепловыделяющие элементы Q1…Q4 (рис. 4.17). Отвод теплоты осуществляется внизу в месте закрепления пластины. Коэффициент теплопроводности пластины во всех направлениях одинаков. Расстояния между тепловыделяющими элементами, элементами и краями пластины одинаковы (в этом случае тепловые сопротивления между элементами и краями пластины будут одинаковы). Для перехода к тепловой модели условно наложим на пластину сетку так, чтобы все тепловыделяющие элементы оказались в узлах.

От тепловой модели перейдем к электрической (рис. 4.18), заменив температуру в узлах сетки электрическими потенциалами, тепловые сопротивления – омическими сопротивлениям, а тепловые потоки - токами. При этом T1…T4 - температура в соответствующих узлах сетки; T_ос - температура окружающей среды; R1…R6 - тепловые сопротивления (по условиям они равны); Q1…Q4 - тепловые потоки.