108897 (Конструирование ЭВС)

Конструирование ЭВС

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1 Назначение аппаратуры

Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС

2 Технические требования

а) условия эксплуатации

- температура среды t_о=30 ^оC

- давление p = 133 10⁴ Па

б) механические нагрузки

- перегрузки в заданном диапазоне

- удары u = 50 g

в) требования по надежности

- вероятность безотказной работы P(0.033) 0.8

3 Конструкционные требования

а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой

б) мощность в блоке P 27 Вт

в) масса блока m 50 кг

г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71

д) тип амортизатора АД -15

е) условия охлаждения - естественная конвекция

ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой то к нему предъявляются следующие требования

высокая надежность

высокая помехозащищенность

малая потребляемая мощность

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры

Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю

Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики дополняющие МОП-структуры) Конкретно были выбраны две микросхемы

К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ

К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные

Этап 1 Определение температуры корпуса

1 Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q_к

где P₀ - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты

S_к - площадь внешней поверхности блока

Для осуществления реального расчета примем P₀=20 Вт, тогда

2 По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении t_к= 10 ^оС

3 Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней _лв, боковой _лб и нижней _лн поверхностей корпуса

Так как для всех поверхностей одинакова и равна =039 то

4 Для определяющей температуры t_m = t₀ + 0.5 t_k = 30 + 0.5 10 =35 ^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса

g - ускорение свободного падения

_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 410 [1] и равна _m=1648 10^-6 м²/с

5 Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 [1] для определяющей температуры t_m, Pr = 0.7

6 Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса

5 10⁶ < Gr_н Pr = Gr_в Pr = 1831 07 10⁷ = 1282 10⁷ < 2 10⁷ следовательно режим ламинарный

Gr_б Pr = 6832 07 10⁶ = 4782 10⁶ < 5 10⁶ следовательно режим переходный к ламинарному

7 Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока _ki

где _m - теплопроводность газа, для воздуха _m определяем из таблицы 410 [1] _m = 00272 Вт/(м К)

N_i - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса N_i = 0.7 для нижней поверхности N_i = 1 для боковой поверхности N_i = 13 для верхней поверхности

8 Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой _к

9 Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении t_ко

где К_кп - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока Так как блок является герметичным, следовательно К_кп = 1

К_н1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис 412 [1], К_н1 = 1

10 Определяем ошибку расчета

Так как =0332 > []=0.1 проводим повторный расчет скорректировав t_к= 15 ^оС

11 После повторного расчета получаем t_к,о= 15,8 ^оС, и следовательно ошибка расчета будет равна

Такая ошибка нас вполне устраивает =0053 < []=0.1

12 Рассчитываем температуру корпуса блока

Этап 2 Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

1 Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q_з

где P_з - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, P_з = 20 Вт.

2 По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны t_з= 18 ^оС

3 Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними _злн, верхними _злв и боковыми _злб поверхностями нагретой зоны и корпуса

Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны _пi

где _зi и S_зi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, _зi = 092 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай)

Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной _п = 0405 и тогда

4 Для определяющей температуры t_m = 05 (t_к + t₀ + t_k) = 05 (45 + 30 + 17 =46 ^oC и определяющего размере h_i рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса

g - ускорение свободного падения

_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 410 [1] и равна _m=1748 10^-6 м²/с

Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 [1] для определяющей температуры t_m, Pr = 0.698

Gr_н Pr = Gr_в Pr = 213654 0698 = 14913

Gr_б Pr = 875128 0698 = 610839

5 Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности

для нижней и верхней

для боковой поверхности

где _m - теплопроводность газа, для воздуха _m определяем из таблицы 410 [1] _m = 00281 Вт/(м К)

6 Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом

где - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима = 240 Вт/(м² К)

S - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока

К - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

В результате получаем

7 Рассчитываем нагрев нагретой зоны t_зо во втором приближении

где К_w - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, К_w = 1

К_н2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К_н2 = 13

8 Определяем ошибку расчета

Такая ошибка нас вполне устраивает =0053 < []=0.1