Курсовая работа (т): Разработка блока вывода информации

)        Рассчитывается поверхность корпуса блока, м2:

Sk=2∙{L1∙L2+(L1+L2)∙L3}, (5.2.1)

где L1, L2 - горизонтальные размеры, м;

L3 - вертикальный размер, м.

Sk=2∙{0,18∙0,345+(0,18+0,345)∙0,025}=0,15

)        Определяется условная поверхность нагретой зоны:

Sз=2∙{L1∙L2+(L1+L2)∙L3∙Кз}, (5.2.2)

где Кз - коэффициент заполнения корпуса по объему.

Sз=2∙{0,18∙0,345+(0,18+0,345)∙0,025∙0,5}=0,137

)        Определяется удельная мощность корпуса блока, Вт/м2:

qk=P/Sk, (5.2.3)

где Р=3 Вт- мощность, рассеиваемая в блоке.

qk=3/0,15=20

)        Определяется удельная мощность нагретой зоны, Вт/м2:

qз=P/Sз (5.2.4)з=3/0,137=21,9

)        Находится коэффициент Θ1 в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

Θ1=0,1472∙qk- 0,2962∙10-3 qk2 + 0,3127∙10-6∙ qk3 (5.2.5)

Θ1=0,1472∙20- 0,2962∙10-3 ∙202 + 0,3127∙10-6∙203 = 2,83

)        Находится коэффициент Θ2 в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

Θ2=0,1390∙qз- 0,1223∙10-3 qз2 + 0,0698∙10-6∙ qз3 (5.2.6)

Θ2=0,1390∙21,9- 0,1223∙10-3 ∙21,92 + 0,0698∙10-6 ∙21,93 = 2,99

)       
Находится коэффициент КН1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока Н1=87 кПа:

КН1=0,82+(1/(0,925+4,6∙10-5∙Н1)) (5.2.7)

КН1=0,82+(1/(0,925+4,6∙10-5∙87000))= 1,023

)        Находится коэффициент КН2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока Н2=87 кПа:

КН2=0.8+(1/(1.25+3.8∙10-5∙Н2)) (5.2.8)

КН2=0.8+(1/(1.25+3.8∙10-5∙87000))=1,019

)        Рассчитывается перегрев корпуса блока:

Θк= Θ1∙КН1 (5.2.9)

Θк= 2,83∙1,023= 2,9

)        Определяется перегрев нагретой зоны:

Θ3= Θк+(Θ2-Θ1)∙КН2 (5.2.10)

Θ3= 2,9+(2,99-2,83)∙1,019= 3,06

)        Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

Θв=0,5∙(Θк+Θ3) (5.2.11)

Θв=0,5∙(2,9+3,06)= 2,98

)        Определяется удельная мощность элемента:

qэл=Pэл/Sэл (5.2.12)

qэл=0,0198/0,00015=132

где Pэл=0,0198 Вт - мощность, рассеиваемая элементом.

)        Определяется перегрев поверхности элемента:

Θэл=Θ3∙(0,75+0,25∙qэл/q3) (5.2.13)

Θэл=3,06∙(0,75+0,25∙132/21,9)=6,91

)        Определяется перегрев среды, окружающей элементы:

Θэс=Θв∙(0,75+0,25∙qэл/q3) (5.2.14)

Θэс=2,98∙(0,75+0,25∙132/21,9)=6,73

)        Определяется температура корпуса блока, 0С:

Тк=Θк+Тс (5.2.15)

)        Определяется температура нагретой зоны, 0С:

Тз=Θз+Тс (5.2.16)

)        Определяется температура поверхности элемента, 0С:

Тэл=Θэл+Тс (5.2.17)

)        Находится средняя температура воздуха в блоке, 0С:

Тв=Θв+Тс (5.2.18)

)       
Находится температура среды, окружающей элемент, 0С:

Тэс=Θэс+Тс (5.2.19)

Рабочая среда минус 200С-плюс 400С а температуру рассчитываем по формулам 5.2.15-5.2.19. Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого прибора обеспечивается нормальный тепловой режим применяемых в нем радиоэлементов в процессе эксплуатации, т. е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин.

Таким образом, выбранная конструкция корпуса и естественного способа охлаждения путем конвекции воздуха не нуждается в изменении и применении в ней других способов охлаждения. Естественный способ охлаждения является наиболее легко реализуемым и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения РЭА. Учитывая вышесказанное, окончательно выбираем герметичный корпус для разрабатываемого изделия.

6.3    Расчет надежности устройства.

Исходными данными для расчета являются значения интенсивностей отказов всех радиоэлементов и элементов конструкций. Так по заданию РЭС состоит из 5 однотипных блоков, то число радиоэлементов РЭС в 5 раз больше радиоэлементов одного блока.

Расчет надежности устройства состоит из следующих этапов:

·        Определяется суммарное значение интенсивности отказов по формуле:

 , час -1, (5.3.1)

где n- число наименований радиоэлементов и элементов конструкции устройства;

λi -величина интенсивности отказа i-го радиоэлемента, элемента конструкции с учетом заданных для него условий эксплуатации: коэффициента электрической нагрузки, температуры, влажности и т.п.;

Ni - количество радиоэлементов, элементов конструкции i-го наименования.

·        Определяется значение величины наработки на отказ Т по формуле:

Т=1/ (5.3.2)

·        Определяется значение вероятности безотказной работы Р(t) по формуле:

 (5.3.3)

где t - заданное время безотказной работы устройства в часах.

Расчет выполняется для периода нормальной эксплуатации при следующих допущениях:

отказ элементов случаен и независим;

учитываются только независимые отказы;

имеет место экспоненциальный закон надежности устройства.

По формуле 5.3.1 имеем

 =0,38∙10-6∙19·7=0,5054∙10-4

По формуле 5.3.2

Т=1/0,5054∙10-4=19768

Тогда по формуле 5.3.3

Сравнив полученные значения с значениями ТЗ, можно сделать вывод, что данное устройство соответствует требованиям надежности.

6.4    Расчет виброзащищенности.

Так как создаваемый счетчик может быть отнесен к наземной РЭС, то при транспортировке, случайных падениях и т.п. он может подвергаться динамическим воздействиям. Изменения обобщенных параметров механических воздействий на наземную РЭА находятся в пределах:

вибрация : (10…50)Гц, виброперегрузка nв=(1…5)g;

ударные состояния: ny= 10g, длительность τ=(5…10)мс;

линейные перегрузки: nл=(2…4)g.

Используя эти данные, проведем проверочный расчет платы счетчик на виброустойчивость. Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний платы удовлетворяла условию:

, (5.4.1)

где nв - вибрационные перегрузки в единицах g;

b - размер короткой стороны платы, мм;

 - безразмерная постоянная, числовое значение которой зависит от значения частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

Собственную частоту платы (первую гармонику) f0 вычислим по формуле Рэлея-Ритца:

f0=104∙KM∙KЭРЭ∙В∙h∙ , (5.4.2)

где  - поправочный коэффициент на материал

(Ес=2,1∙1011 Па-модуль Юнга для стали, ρс=7,85 г/м3-плотность стали;

Е-модуль упругости материала платы, ρ-плотность материала платы);

 - поправочный коэффициент на массу

(mэ-масса элементов, равномерно размещенных на плате; mn-масса платы); В-частотный коэффициент; h- толщина платы, см; а-длина платы, см.

Конструктивные параметры платы:

а=8см; b=8см; h=0,2см;

материал: стеклотекстолит СФ-2;

Е=33∙109 Па; ρ= 2,47 г/м3;

масса платы mn=а∙b∙h∙ρ=8∙8∙0,2∙2,18=27,9г;

масса ЭРЭ, размещенных на плате рассчитана в таблице 5.1.

Вычисляем поправочные коэффициенты:

 = =0,72

==0,685

Согласно отношению, находим по [6] таблицы коэффициент В= 94 (методом интерполяции).

Подставив найденные значения величин в (5.4.2), получим

f0=104∙0,685∙0,72∙94∙0,2∙ = 1448,75 Гц.

Для проверки условия (5.4.1) выбираем значения =25 при nв=(3…10) g, f0= (100…400) Гц. Тогда

=296,65 Гц.

Следовательно, условия (5.4.1) выполняются:

fmin = 1448,75 > 296,65.

Это значит, что плата будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибрации.

7       ВЫБОР СПОСОБОВ И МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ

         ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

8.1    Классификация дестабилизирующих факторов

РЭС эксплуатируются в помещениях, на открытом воздухе, на различных подвижных объектах и т. д. При эксплуатации они подвергаются воздействию внешних и внутренних дестабилизирующих факторов (рис. 6.1).

Рис.6.1. РЭС при воздействии внешних и внутренних дестабилизирующих факторов:

Аф - функционально обусловленное входное воздействие (входной сигнал); Ад - внешнее дестабилизирующее воздействие; Вф - функционально обусловленный выходной сигнал; Вп - паразитное выходное отверстие (температура, шум и т. д.); Свн - паразитное внутреннее воздействие РЭС на его же элементы.

Классификация дестабилизирующих факторов, воздействующих на аппаратуру при различных условиях эксплуатации и на различных объектах, представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Классификация дестабилизирующих факторов

8.2    Механические воздействия и способы защиты от них

Наиболее употребительной является следующая классификация механических воздействий:

вибрации;

удары;

линейные нагрузки;

акустические шумы;

комплексные воздействия.

Вибрации в свою очередь могут быть гармоническими, негармоническими, периодическими, случайными. Способы защиты от вибраций можно разделить на три разновидности:

·        Увеличение жесткости конструктивных элементов

·        Применение демпфирующих покрытий и слоистых конструкций

·        Применение виброизоляторов

Ударные нагрузки на аппаратуру могут воздействовать не только при ее эксплуатации на подвижных объектах, но и при транспортировании, при погрузочно-разгрузочных работах. Для защиты рекомендуется использовать системы виброизоляции.

Линейные нагрузки возникают при разгоне и торможении транспортных средств, изменении направлении движения. Защита сводится к увеличению прочных свойств конструктивных элементов и их жесткости.

Акустические шумы возникают при работе мощных двигателей (особенно реактивных), а также из-за возникающих аэродинамических эффектов при движении самолетов или ракет в достаточно плотных слоях атмосферы. Защита обеспечивается конструкционным демпфированием (вибропоглащающие покрытия и слоистые конструкции для печатных плат) и использование звукоизолирующих перегородок.

Комплексные воздействия - это комбинация из первых четырех вышеназванных. Это, например, может быть одновременное воздействие на аппаратуру вибраций и ударов, вибраций и линейных нагрузок и т. д. Подобные воздействия наиболее часто встречаются в реальных условиях эксплуатации, но их и наиболее трудно воспроизводить в лабораторных условиях при испытаниях аппаратуры. Защита также комбинированная.

8.3    Тепловой режим конструкций РЭС.

Тепловой режим РЭС характеризуется совокупностью температур всех его элементов. Основные тенденции эволюции современных РЭС в микроэлектронном исполнении:

увеличение сложности и уменьшение габаритов;

повышение требований к стабильности параметров Т.

Эти тенденции противоречивы, так как первая увеличивает напряженность теплового режима, а для выполнения второй надо его облегчать.

В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭС могут подвергаться воздействию положительных и отрицательных температур, обусловленных влиянием окружающей среды, объекта установки и тепловыделением самого РЭС. Например, на наземных подвижных объектах диапазон изменения температуры, где могут быть установлены РЭС -60…+600 С. Само РЭС является источником теплоты, так как его КПД менее 100% (например, для усилителя на транзисторах 50…60%). Если эту энергию не рассеивать в элементах конструкции или окружающем пространстве, то повышается температура РЭС, нарушается его нормальный режим функционирования или наступает отказ. Температура влияет на многие параметры материалов, ЭРЭ, полупроводниковых приборов, ИМС.

Подавляющее большинство РЭС (свыше 90%) в настоящее время проектируется с использованием воздушного охлаждения. Воздушное охлаждение может быть естественным и принудительным (6.3).

а)                         б)                                  в)

Рисунок 6.3. Способы организации воздушного охлаждения:

а - естественное воздушное охлаждение; б - естественная вентиляция;

в - принудительная вентиляция

Принудительная вентиляция может быть вытяжной (рис.6.3, в), приточной или приточно-вытяжной. Эти разновидности вентиляции различаются местом установки вентиляторов и их количеством.

Возможно жидкостное охлаждение, охлаждение с применением кондуктивных теплостоков в виде теплопроводных шин, применение компаундов марок К-5, ТФК-5, КТЭ-2,КТЭ-4. Для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов РЭС (микросхем, транзисторов, диодов и т.д.) наиболее простой и достаточно эффективный способ - использование радиаторов. Для системы воздушного охлаждения наибольшее распространение получили следующие разновидности радиаторов: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые и др.

8.4    Защита конструкций РЭС от воздействия влаги

.4.1 Источники и пути проникновения влаги

Конструкции РЭС подвергаются воздействию влаги в процессе производства, хранения и эксплуатации.

Источники влаги:

) окружающая среда;

) внутренняя среда гермоблоков;

) материалы конструкций;

) технологические жидкости (травители, моющие средства и др.).

Окружающая среда. Максимально возможное содержание влаги в воздухе зависит от температуры и давления. При понижении температуры влажного воздуха ниже уровня, соответствующего максимально возможному содержанию влаги (точке росы), избыток влаги выпадает в виде конденсата (росы).

Внутренняя среда гермоблоков. Причины наличия влаги:

проникновение ее через микропоры из внешней среды;

невозможность полной осушки (без влагопоглотителя);