1. Определяющими параметрами для расчета являются удельные мощности рассеивания блока в целом qk и нагретой зоны q3:
qk =kРP/Sk;(2.29)
qk =0,8*0,6/0,0545=8,807(м2)
q3= kРP/S3, (2.30)
q3 = 0,8*0,6/0,0066=72,72(м2)
где Р - потребляемая блоком мощность, 0,6Вт;
kР= 0,8 -0,9 - коэффициент рассеивания потребляемой мощности;
Sk - площадь поверхности корпуса, м2;
S3- условная поверхность нагретой зоны, м.
Условная поверхность нагретой зоны определяется из выражения:
S3=2[L1L2+(L1+L2)L3],(2.31)
гдеL1,L2,L3 - соответственно длина, ширина основания зоны и ее высота
S3= 2 [0,08*0,05+(0,08+0,05)0,02]=0,0066(м2)
2. Для расчета размеров корпуса зададимся коэффициентом заполнения
объема kз =0,1÷0,5.
Объем корпуса рассчитывается по формуле:
Vк=Vз/kз, м3, (2.32)
гдеVз = L1L2L3- объемнагретойзоны, м3
Vк=80*50*20*10-9/0,1 = 0,0008 (м3)
Высота корпуса определяется по формуле:
Lк=Vк/AкBк, (2.33)
где Ак, Вк - соответственно длина и ширина корпуса, м.
Vк - Объем корпуса
Lк=0,0008/(0,062*0,092)=0,14(м)
Площадь поверхности корпуса:
Sk=2*(0,062*0,092+0,062*0,14+0,092*0,14)=0,0545(м2)
В общем случае перегрев корпуса герметичного аппарата, работающего в нормальных условиях, относительно окружающей среды определяется зависимостью:
Q1= 0,1472qk – 0,2962·10 -3qk2 +0,3127·10-6qk3(2.34)
Q1= 0,1472*8,807-0,2962*10 -3*8,8072+0,3127*10-6*8,8073=1,27
Перегрев нагретой зоны определяется аналогичной зависимостью:
Q2= 0,139 q3 – 0,1123·10 -3q32 +0,0698·10-6q33(2.35)
Q2=0,139*72,72-0,1123*10 -3*72,722 +0,0698*10-6*72,723=9,54
Изменение атмосферного давления снаружи корпуса влияет на перегрев корпуса блока относительно температуры окружающей среды, а внутри корпуса - на перегрев нагретой зоны относительно корпуса блока.
Исходя из этого, перегрев нагретой зоны в общем случае определяется выражением:
Q3= Q1Кн1+(Q2- Q1)Кн2, 0С (2.36)
где Кн1 = 0,36 [Вт/(м2 °С)]-1 - коэффициент, определяемый давлением среды снаружи блока;
Кн2= 0,31 [Вт/(м2 °С)]-1 - коэффициент, зависящий от давления среды внутри блока.
Q3=1,27*0,36+(9,54-1,27)0,31= 3,02090С
Перегрев корпуса определяется по формуле:
Qк=Q1Кн1, °С (2.37)
Qк= 1,27*0,36 = 0,4572°С
Перегрев воздуха в блоке определяют по формуле:
Qв= 0,5 (Qк + Q3). (2.38)
Qв=0,5(3,0209+0,4572)=1,739°С
4. По полученным данным определяют среднюю температуру воздуха в блоке:
Тв=Qв+Тс, °С, (2.39)
где Тс = 25°С - температура окружающей среды;
Тв=1,739+25 =26,739°С
температуру корпуса блока:
Тк=Qк+Тс,°С, (2.40)
Тк=0,4572+25=25,4572°С
Температуру нагретой зоны:
Т3=Q3+Тс,°С,(2.41)
Т3=3,0209+25 =28,0209°С
5. Температурный режим отдельных теплонагруженных элементов зависит, в первую очередь, от удельной рассеиваемой мощности элемента:
qе=Ре/Sе, (2.42)
где Ре - рассеиваемая мощность элемента, Вт;
Sе - площадь элемента, м2,
и удельной рассеиваемой мощности нагретой зоны q3.
qе=0,25/0,088 = 2,84(Вт/м2)
Исходя из этого, перегрев поверхности элемента определяется зависимостью:
QЕ= Q3 (0,75+0,25 qе / q3), (2.43)
QЕ= 3,0209 (0,75+0,25*2,84/72,72)=2,29
а перегрев окружающей элемент среды:
QЕС= QВ (0,75+0,25 qе / q3), (2.44)
QЕС= 1,739 (0,75+0,25*2,84/72,72)=1,32
6. Температуру поверхности элемента и температуру окружающей элемент среды определяют по формулам:
ТЕ=QЕ+Тс, °С, (2.45)
ТЕ=2,29+25 = 27,29°С
ТЕС=QЕС+Тс, °С, (2.46)
ТЕС=1,32+25=26,32°С
Оценка устойчивости конструкции к механическим
Воздействиям
Наиболее распространенными видами механических воздействий являются вибрация и удары. Для того чтобы конструкция была механически прочной, частота собственных колебаний конструкции (f0) должна быть больше, чем частота воздействующих колебаний (f), которая определяется техническим заданием в зависимости от условий эксплуатации f0>f. Если условие
f0>f не выполняется, необходимо изменить собственную частоту платы, варьируя ее геометрическими размерами, например, толщиной, или применяя системы амортизации. Расчет вибропрочности для заданной печатной платы, упрощенной моделью которой является пластина, проводят в следующей последовательности:
1. Определение собственной частоты колебаний.
2. Определение коэффициента передачи по ускорению.
3. Определение виброускорения и виброперемещения.
4. Определение максимального прогиба пластины относительно ее краев.
5. Проверка выполнения условий вибропрочности.
1. Определение собственной частоты колебаний f0
Печатные платы, на которых монтируются радиоэлементы, относятся к разряду колебательных систем с распределенной нагрузкой.
Расчетное выражение для частоты собственных колебаний печатной платы, нагруженной радиоэлементами, имеет вид:
f0=Кm ·Кн· В·h·102/L2, (2.47)
где Кm – поправочный коэффициент на материал;
Кн – поправочный коэффициент массы элементов;
В – частотная постоянная, зависящая от вида закрепления и материала пластины. Для способа крепления пластины в четырех точках по углам. В =42;
h – толщина пластины (платы), м
L – длина пластины (платы), м.
f0=0,72*0,47*42*0,001*102/0,082=222,075
Поправочный коэффициент на материал рассчитывают по формуле:
Кm=√(Еmρс/Есρm),(2.48)
где Еm - модуль упругости применяемого материала, для стеклотекстолита
Еm =3,02*10 10 Па;
ρm - плотность применяемого материала, для стеклотекстолита
ρm = 2,05*103кг/м3;
Ес= 22*10 10 Па – модуль упругости стали;
ρс =7,8 *103кг/м3 – плотность стали.
Кm = 0,72
Поправочный коэффициент массы элементов рассчитывают по формуле:
Кн=1/[√(1+Qэ/Qm)], (2.49)
где Qэ - масса элементов, размещенных на плате, кг;
Кн=1/[√(1+0,028/0,0082)]=0,47
Масса элементов:
Qэ = 0,00015*13 + 0,0014+0,0029+0,0029+0,001
+0,012+ 0,00018*2 + 0,0028*1 + 0,0005*2
+ 0,0005*1 + 0,0004*1 + 0.000628*1 + 0,0005*1=0,028
Qm - масса пластины (платы), кг, которую можно определить следующим образом:
Qm= L·b·h·ρm, (2.50)
гдеb - ширина пластины (платы), м.
Qm=0,08*0,05*0,001*2,05*103=0,0082 кг
2. Определение коэффициента передачи по ускорению.
Ку=(1+1,08*Кр2)/(1-Кр2)(2.51)
Ку=(1+1,08*0,36482)/(1-0,36482)=1,319
где Кр - коэффициент расстройки относительно частоты собственных колебаний:
Kp=f/f0,(2.52)
где f- частота возбуждения, Гц. Примем f = 50 Гц.
Kp=50/137,025=0,3648
3. Определение виброускорения и виброперемещения.
Для пластины, в случае кинематического возбуждения, расчет амплитуда виброускорения av и виброперемещения Sv производится по следующим формулам:
av=a0 Ky; (2.53)
где a0= 6,0 м/с2 - амплитуда виброускорения краев платы;
Ky- коэффициента передачи по ускорению;
av=6,0*1,319=7,914
Sv=a0Ky/(4π2f2), (2.54)
где a0= 6,0 м/с2 - амплитуда виброускорения краев платы;
Ky- коэффициента передачи по ускорению;
f - частота возбуждения = 50 Гц
Sv=6,0*1,319/(4*3,142*502)=0,08*10-3
Определение максимального прогиба пластины относительно ее краев.
δv=Sv(Ky-l)/Ky. (2.55)
Где Ky - коэффициента передачи по ускорению;
δv- виброперемещения
δv=0,08*10-3 (1,319-1)/ 1,319=19,3*10-6
5. Проверка выполнения условий вибропрочности
δv<0,003*b.(2.56)
19,3*10-6<0,003*0,05
19,3*10-6<150*10-6
