Методические указания к лабораторным работам (560524), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Под ред. Б.Ф.Высоцкого. - М.: Радио и связь, 1981.2.2.Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры. / Под ред.П.И.Овсищера.- М.: Радио и связь, 1988.2.3.ОСТ4 ГО.010.009 Модули электронные 1 и 2 уровней РЭС.Конструирование.2.4.Разработка и оформление конструкторской документации РЭА./ Подред. Э.Т.Романычевой.- М.: Радио и связь, 1989.43Работа3ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА ЦИФРОВОГОРАДИОЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА НА БЕСКОРПУСНЫХ МИКРОСБОРКАХЦель работы – изучение процесса теплообмена, методики исследования тепловых режимов. Выявление связи показателей теплового режима с параметрами конструкции блока цифрового радиоэлектронного средства (РЭС) на бескорпусных микросборках (МСБ).К р а тк ие теор е тич ес кие с в е де н ияРадиоэлектронные средства являются преобразователями электрической энергии.
Вследствие низкого КПД большинства РЭС практическився потребляемая от источников питания энергия преобразуется в тепло,которое расходуется на нагревание деталей и узлов и частично рассеивается в окружающее пространство. Пространственно-временное распределение температуры в пределах конструкции определяет её тепловой режим,который количественно принято характеризовать температурным полем иперегревом.Температурным полем называют совокупность численных значений температуры в различных точках конструкции в некоторый моментвремени τ.
Перегревом j-ой точки конструкции принято называть разностьтемператур этой точки tj и окружающей среды tс, т.е. Δtj = tj – tc.Тепловой режим конструкции считается нормальным, еслитемпература tj в любой точке конструкции не превышает допустимуюрабочую температуру наименее теплостойкого элемента tэл min илиперегрев любой точки Δtj меньше допустимого для конструкцииΔtдоп = tj - tс.Показатели теплового режима конструкции зависят от ряда факторов: мощности P и распределения тепловыделяющих элементов (источников тепла), времени работы конструкции τ, параметров конструкции и окружающей среды, теплофизических свойств материалов, эффективноститеплообмена конструкции с окружающей средой.44При естественном воздушном охлаждении, характерном для РЭС,теплообмен между конструкцией и окружающей средой происходит тремяспособами: конвекцией, излучением и теплопроводностью (кондукцией).Оценкой эффективности теплообмена конструкции с окружающей средойявляется тепловой поток – количество тепла от поверхности конструкции ксреде за единицу времени.Тепловой поток при теплопередаче конвекцией определяется уравнением Ньютона:Pk = αk·S(t1-tc),где αк – конвективный коэффициент передачи; S – площадь поверхности теплообмена; t1, tc – температуры поверхности теплообмена иокружающей среды соответственно.При теплопередаче излучением тепловой поток и характеристикинагретого тела связаны уравнением Стефана-Больцмана:44Pл=εпрφ12·C0 S{[(t1+273)/100] -[(tc+273)/100] },(3.1)где C0 = 5,67 Вт/(м2·град4) – коэффициент излучения "абсолютночерного" тела; εпр – приведенная степень черноты поверхностей тел, участвующих в теплообмене; φ12 – коэффициент облученности, показывающий,какая часть энергии, излучаемой первым телом, попадает на второе.В результате несложных преобразований уравнение (3.1) приводится к видуPл = αл·S(t1-t2),где αл= εпрφ12 f(t1-tc) - коэффициент теплопередачи излучением.Теплообмен теплопроводностью (кондукцией) характерен длятвёрдых тел, а также неподвижных жидкостей и газов.
Тепловой поток между изотермическими поверхностями S1 и S2 с температурами t1 и t2 приt1 > t2 определяется уравнением Фурье:PТ = αТ·Sср(t1-t2).Здесь αТ = λ/l – кондуктивный коэффициент передачи; λ – коэффициент теплопроводности материала; l – расстояние между изотермическими поверхностями; Sср = 0,5(S1 + S2) – площадь средней изотермической поверхности.45Согласно принципу электротепловой аналогии произведенияαкS = σk; αлS = σл; αТSср = σТ являются тепловыми проводимостями приконвективном, лучевом и кондуктивном теплообмене. Обратные величиныпредставляют собой тепловые сопротивления Rк, Rл и RТ.Исследование теплового режима состоит в определении tj=tj(τ,P)или Δtj=Δtj(τ,P).
В установившемся (стационарном) режиме Δtj не зависит от времени, а зависимость Δtj=Δtj(P) называют тепловой характеристикой j-ой точки (области) конструкции.В общем случае исследование тепловых режимов выполняют вследующем порядке: определяют класс конструкции и составляют её тепловую модель; реализуют тепловую модель математически и рассчитываютпоказатели теплового режима; дают оценку точности теплового моделирования.В класс объединяются конструкции, имеющие общие признаки иодинаковую физическую основу протекания тепловых процессов. При определении класса конструкций учитывают такие признаки, как структуранагретой зоны, способ охлаждения нагретой зоны, способ охлаждения кожуха и др.Тепловую модель конструкции или класса получают в результатеанализа конструкций, выявления их теплофизических свойств и идеализации процессов теплообмена.
Наиболее часто тепловое моделирование выполняется методами изотермических поверхностей и однородного анизотропного тела [3.1].Метод изотермических поверхностей предполагает выделение вконструкции поверхностей с одинаковыми или условно одинаковыми температурами в каждой точке поверхности. Считается, что теплообмен осуществляется между этими поверхностями. В зависимости от конкретнойзадачи исследования к изотермическим поверхностям конструкций относятповерхность корпуса со среднеповерхностной температурой tк, поверхность нагретой зоны с температурой tз, поверхность отдельной функциональной ячейки с температурой tзj, поверхность отдельного элемента с температурой tэл j и т.д.46Пример построения тепловой модели методом изотермических поверхностей приведен на рис.
3.1.Рис. 3.1: а – схематическое изображение исходной конструкции; б, в– тепловые модели блока, построенные по методу изотермических поверхностей.Метод однородного анизотропного тела состоит в представленииреальной конструкции или её части однородным анизотропным телом ввиде прямоугольного параллелепипеда, для которого находят эквивалентные коэффициенты теплопроводности по направлениям осей координат λx,λy, и λz. При известных коэффициентах теплопроводности и геометрических размерах тела lx, ly, lz можно определить тепловое сопротивление между центром тела и его поверхностью:R0 = C·lz/4λzlxly .Здесь C – коэффициент, зависящий от отношений геометрических размеров тела и эквивалентных коэффициентов теплопроводности. Значение C47обычно представляют графически (приложение 3.1). Графики строят дляопределенных условий выбора направлений осей координат однородногоанизотропного тела.
Такими условиями являются неравенстваlz < lx(λz/λx)1/2 и lz < ly(λz/λy)1/2.Значение R0 позволяет найти температуру в центре однородного тела t0 = tS + R0P, где tS – температура на поверхности тела; P – суммарныйтепловой поток источников, расположенных внутри тела.Для определения эквивалентных коэффициентов теплопроводностиконструкции λx, λy, λz необходимо: выделить в структуре конструкции элементарную тепловую ячейку, состоящую из однородных по теплофизическим характеристикам простейших тел правильной геометрической формы;составить схемы теплопередачи в ячейке по направлениям x, y, z и в результате преобразования схем найти тепловые проводимости ячейки σяx,σяy, σяz; через тепловые проводимости элементарной конструкции lx, ly, lzнайти тепловые проводимости эквивалентного анизотропного тела σx, яy, σzи коэффициенты теплопроводности λx, λy, и λz.Элементарная тепловая ячейка представляет собой наименьший объем,включающий один или несколькотепловыделяющих элементов, многократное повторение которого потрем направлениям позволяет воспроизвести исходную конструкцию(рис.
3.2). Если в конструкции с геометрическими размерами lx, ly, lz понаправлениям осей координат уклаРис. 3.2. Модель конструкциидываетсясоответственно k, m, nпометодуоднородногоэлементарныхтепловых ячеек, тоанизотропного тела.σx = (mn/k)σяx; λx= (lx/lylz) σx;σy = (kn/m)σяy; λy= (ly/lxlz) σy;σz = (km/n)σяz; λz= (lz/lxly) σz .Метод однородного анизотропного тела применим к конструкциямМЭА с регулярной структурой, т.е. к конструкциям, содержащим большое48число одинаковых в конструктивном отношении элементов, повторяющихся во всех трех измерениях.Для расчета показателей теплового режима конструкций МЭА используются методы последовательных приближений, тепловой характеристики и коэффициентный.Метод последовательных приближений основан на итеративномпроцессе вычисления перегрева Δtj или температуры tj.
Начальным значением перегрева Δt'j (температуры t'j) j-ой точки конструкции или изотермической поверхности задаются произвольно, после чего определяют суммарную тепловую проводимость σ'Σ и расчетное значение перегрева Δt'jP(температуры t'jP) в первом приближении:Δt'jP = P/ σ'Σ ;t'jP = tc + P/ σ'Σ .При выполнении неравенства |Δt'j - ΔtjP|< δ, где δ = 1...20С, за истинное значение перегрева принимают Δt'j или Δt'jP. Если неравенство невыполняется, то повторяют расчет, положив Δt"j = Δt'jP.Метод тепловой характеристики состоит в построении по расчетным данным зависимости Δtj = Δtj(P), по которой для любого значениятеплового потока P можно найти перегрев и температуру j-ой точки илиизотермической поверхности.Для построения тепловой характеристики задаются произвольнымзначением перегрева Δt'j, определяют σ'Σ и далее тепловой потокP'=σ'Σ·Δt'j, который способна рассеять конструкция при данных условияхтеплообмена.
Координаты Δt'j и Pjслужат одной точкой тепловой характеристики; второй точкой являетсяначало координат. Таким образом,тепловая характеристика представляетсобой прямую, проходящуючерезначало координат и точку скоорРис. 3.3. Тепловая характеристикадинатами Δt'j и P' (рис. 3.3).49В коэффициентном методе для определения перегрева используется теоретическое соотношениеnΔtj =Δt0j ∏ Kij ,i =1где Δt0j – значение перегрева в типовой конструкции при исходных значениях параметров конструкции и окружающей среды; Kj=Δtij/Δt0j– коэффициенты, характеризующие парциальное влияние отклонений параметров на показатели теплового режима, Δtij – значение перегрева j-ойточки конструкции при изменении i-го параметра; n – число влияющих наперегрев параметров.Значения Δt0j и Kj находят из графиков, построенных по экспериментальным или расчетным данным.Ввиду того, что коэффициенты Ki различны для разных классовконструкций, возможности коэффициентного метода ограничиваются применимостью его лишь к определённому классу конструкций.О п иса н ие об ъе кта исс ле до ва нияПроводится исследование теплового режима блока цифровой РЭСIV поколения.
Конструкция блока показана на рис. 3.4.Рис. 3.4: 1 – корпус блока; 2 – бобышка; 3 = пакет ФЯ; 4 – крышка;5 – разъем; 6 – винт; 7 – резиновая прокладкаБлок собран на пяти односторонних функциональных ячейках , накаждой из которых размещено по восемь бескорпусных резистивных ситалловых подложек типоразмера 24х30 мм. Металлическая рамка ячейки с50габаритными размерами 154х91х6 мм изготовлена из алюминиевого сплаваД 16. Коммутационная плата ПП выполнена из фольгированного стеклотекстолита СФ-1 толщиной 1,5 мм. Печатные проводники платы обеспечивают параллельное соединение микросборок и входное сопротивление блока около 40 Ом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
