Конструктивное исполнение блока преобразования сигнала РЛС, страница 4

2.6.2Расчет диаметров переходных отверстий

Минимальный диаметр переходного отверстия рассчитывается по формуле:

где I- сила тока цепи, А; h-толщина медной фольги, мм; А - допустимая токовая нагрузка, А/мм².

Расчётные данные являются минимальными, поэтому они уточнены до требуемых технологией комбинированного позитивного метода изготовления печатных плат значений (таблица 6) [27].

Минимальное расстояние между проводниками и минимальный диаметр контактных площадок и сквозных отверстий следует взять, исходя из класса точности изготовления платы: 0,15 мм и 0,6 мм и 0,6 мм соответственно.

2.6.3Расчет теплового режима блока.

Требуется рассчитать тепловой режим блока и выбрать для него режим охлаждения. Методика расчёта взята для кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением (рисунок 2)[10].

Рисунок 2 - Схема блока кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением:1 – входное отверстие; 2 – выходное отверстие.

Исходные данные:

• блок устанавливается в шкаф с принудительной вентиляцией, со скоростью движения воздуха 3 м/с;

• предельная рассеиваемая мощность P_э = 600 Вт;

• число печатных плат в блоке N_п = 19;

• максимально возможное число ЭРЭ в блоке n = 3000;

• внутренние размеры кожуха по координатам Y и Z: L_z = 530 мм, L_y=220 мм;

• толщина печатной платы h_п = 2,6 мм;

• ширина печатной платы l_п = 240 мм;

• средние размеры ЭРЭ: l_y=8 мм, l_z= 5 мм, l_x=12 мм.

Алгоритм расчета:

Задаются объёмный расходом воздуха G:

где V– скорость потока воздуха, м/с; S- площадь сечения потока воздуха, м². Площадь сечения потока воздуха обусловлена размерами вентиляционных отверстий в блоке и их количеством. Таких отверстия в блоке 2, каждое из которых имеет размеры: 0,1064м х 0,167 м = Все значения округляются сторону ужесточения расчёта.

Рассчитывается площадь среднего поперечного сечения воздушного канала:

S_x = 220 * 530 – 2,6 * 240 * 19 – 8*5*2500 = 6,862 * 10^-5м²

Определяется число Рейнольдса:

где - кинематическая вязкость воздуха, .

Определяется коэффициент теплоотдачи i-й микросхемы:

где - теплопроводность воздуха, .

Рассчитывается перегрев воздуха, протекающего вблизи ЭРЭ, расположенного на расстоянии Х от начала платы (сечение проходит по середине платы):

где P_Эi - мощность тепловыделения i-го элемента, расположенного до сечения X; –плотность воздуха. Среднее число ЭРЭ на плату равно 132 шт.; сечение проходит по середине платы, количество ЭРЭ на половине платы примерно равно 66 шт. Средняя мощность на один ЭРЭ составляет Р_Э = 0,04 Вт

Определяется перегрев воздуха за счёт тепловыделения одного дискретного элемента:

где S_э - площадь поверхности элемента, омываемая воздушными потоками.

Следовательно перегрев воздуха за счет теплового выделения одного дискретного элемента равен:

Температура поверхности корпуса ЭРЭ составляет:

где - температура воздушного потока на входе блока, в данном расчёте принята за максимальную температуру окружающей среды.

Средний перегрев воздуха на выходе блока:

2.6.4Выбор способа охлаждения функциональной ячейки

Для предварительного выбора способа охлаждения можно использовать следующую методику выбора системы охлаждения.[10]

На рисунке 3 представлены два типа областей: не заштрихованный - можно рекомендовать применение какого-либо одного способа охлаждения (1 - свободное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 - принудительное испарительное); заштрихованный - возможно применение двух или трёх способов охлаждения (2 - свободное и принудительное воздушное, 4 - принудительное воздушное и жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и свободное испарительное, 7 - принудительное жидкостное, принудительное и свободное испарительное, 8 - свободное принудительное и свободное испарительное, 9 - свободное и принудительное испарительное).

Рисунок 3 - Области целесообразного использования различных способов охлаждения.

Тепловой режим ячейки состоит из температур всех элементов, установленных на ней.

Диапазон рабочих температур составляет от -40ºС до 65ºС.

Т_среды= +50°С – максимальная возможная температура среды;

Т_мах=+75°С – наименьшая из предельных (максимальных) температур всех ЭРЭ (температура работы микросхем N74F393D)

Мощность, рассеиваемая на всех элементах ячейке Q= 30,654 Вт.

Площадь условной поверхности охлаждения нагретой зоны определяется по формуле:

где L₁, L₂ и Н – линейные размеры нагретой зоны. L₁, L₂ – принимаются равными размерам печатной платы, так как все элементы рассеивающие мощность находятся на ней.

Н - определяется высотой элементов и толщиной печатной платы, разъёмы исключены из расчёта и Н = 3,4мм;

К - коэффициент плотности компоновки,

При расчёте для функциональных ячеек К = 1. Размеры печатной платы стандарта 6U составляют: 240 мм х 150 мм.

S_з =2[L₁ * L₂ +( L₁ + L₃) * H *K = 2 *[240*160 + (240 + 160)*11,6 + 1,5)*1] = 77246 мм²= 0,077347 м²

Удельная мощность нагретой зоны вычисляется по формуле:

.

Допустимый перегрев, определяется температурой окружающей среды и минимальной предельной рабочей температурой и рассчитывается по формуле:

;

.

Находя точку пересечения двух значений на диаграмме, определяется способ охлаждения.

Рисунок 4 - Выбор способа охлаждения для данного случая

На диаграмме точка попала в зону 2, где возможно как свободное воздушное, так принудительное воздушное. Ячейка устанавливается в блок, а блок устанавливается в шкаф с продувом воздуха, при этом ей будет присуще принудительное воздушное охлаждение.

2.6.5Расчет и анализ надежности.

Прогноз безотказности ЭРЭ иностранного производства выполнен по методу анализа нагрузок на элементы. В основе метода лежат так называемые коэффициентные модели, когда базовая интенсивность отказов для каждой группы изделий дополняется коэффициентами, учитывающими особенности режимов и условий работы элементов [24].

В общем случае интенсивность отказов зависит от следующих факторов:

• Электрического режима работы элементов

• Температуры окружающей среды

• Влажности

• Давления

• Вибрационных воздействий

• Механических ударов

• Линейных ускорений

• Воздействий биологических факторов

• Радиации и т.д.

Тогда интенсивность отказов рассчитывается по формуле [19], [24]:

- номинальная интенсивность отказов элементов;

К ...К - поправочные коэффициенты общие для всей конструкции;

К - учитывает вибрацию;

К - учитывает ударные нагрузки;

К - учитывает влияние влажности;

К - учитывает влияние атмосферного давления;

- коэффициент режима.

К_{Э -} коэффициент эксплуатации, был выбран в пункте 1.5.2 и равен К_Э=2,0.

В связи со спецификой данного оборудования коэффициенты К ...К не учитываются, так как на ходу данная аппаратура не работает, шкаф и кабина имеют систему кондиционирования воздуха и поддержания температуры.

Тогда интенсивность отказов изделия определяется по формуле [19]:

,

где k – количество элементов на плате.

Коэффициент режима К_р определяется по таблице [19] для каждого из элементов с помощью коэффициента нагрузки К_Н, который в худшем случае равен К_Н=0,5. Пайка и разъемы имеют К_Н=1.

Промежуточные результаты расчетов сведены в таблицу 7:

Итоговая интенсивность отказов с учётом коэффициента эксплуатации: