Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

181

Зная термические сопротивления R

кс

и R

зк

можно определить темпера-

туру нагретой зоны по формуле:

t

з

= t

c

+ Ф

⋅

(R

кс

+ R

зк

) . (11.26)

Термическое сопротивление R

з1

определяется [26]:

R

з1

= r

o

⋅

K

b2

⋅

a

⋅

S

з

-1

⋅ 6,5 ⋅ (0,5⋅10

-2

⋅ t

з

–1,35)⋅(0,01 + b

з

) , (11.27)

где r

о

– удельное фоновое сопротивление, зависящее от q

з

, определяемое по

графику П15;

К

b2

– коэффициент, зависящий от b

эф

, определяемый по графику П14;

Определив термическое сопротивление R

з1

можно оценить температуру

в центре нагретой зоны по формуле:

t

зо

= t

з

+ (Ф – Ф

j

)

⋅

R

з1

. (11.28)

Максимальный фоновый перегрев

ν

зо

= t

зо

– t

c

поверхности элемента на-

блюдается в нагретой зоне на расстоянии 0,8h

к

. Если при этом в данном мес-

те установлен ЭРЭ, то средний объемный перегрев элемента

ν

vэ

= 0,5

⋅

(

ν

зо

+

ν

э

) ,

где

ν

э

= Ф

j

⋅

R

з2

– перегрев от собственной мощности теплового рассеивания;

Оценку термического сопротивления элемента расположенного в центре

нагретой зоны можно определить, если известна теплопроводность ЭРЭ по

координатным осям [26]:

( )

дxyz

b

з

A

aК

R

⋅++

⋅

=

λλλ

3

2

8,0

, (11.29)

где К

b3

– коэффициент, зависящий от b

эф

, определяемый по графику П14;

А

д

– площадь всей поверхности исследуемого элемента;

λ

z

,

λ

y

,

λ

x

– коэффициенты теплопроводности ЭРЭ по координатным осям.

В реальных конструкциях всегда имеется неравномерность температур-

ного поля по нагретой зоне, что приводит к появлению ошибок при расчете

перегрева ЭРЭ. Для того чтобы расширить возможности графоаналитическо-

го метода расчета теплового режима ЭРЭ вводят коэффициенты неравномер-

ности тепловой нагрузки и температурного поля:

182

n

р

= Ф

i

/Ф ; n

ν

=

ν

i

/

ν

s

,

где Ф

i

и Ф – мощности источников теплоты на i-той плате и суммарная

мощность всех плат;

ν

i

и

ν

s

– среднеповерхностные перегревы i платы и нагретой зоны.

Анализ результатов расчета для неравномерной нагрузки, показал, что

даже при значениях на отдельных платах n

p

= 2,5 неравномерность поля

температур нагретой зоны не превышает n

ν

≤ 1,3. Максимальная неравномер-

ность наблюдается в тех случаях, когда наиболее разогретые платы располо-

жены в средней области нагретой зоны, Если такие платы расположены на

периферии, то температурное поле выравнивается и , например при 0,1 ≤ n

p

≤

≤≤

≤

2,5 значение n

ν

отличается от равномерного поля не более чем на 10 ÷ 15%.

Для приближенной оценки средних поверхностных перегревов рекомен-

дуется использовать следующие формулы:

- для блоков в герметичном корпусе

ν

i

=

ν

s

⋅( 0,88 + 0,12 ⋅ n

p

)

- для блоков с перфорированным корпусом

ν

i

=

ν

s

⋅

⋅⋅

⋅ (0,8 + 0,2 ⋅ n

p

) .

Обе формулы получены для неравномерностей 0 ≤ n

pi

≤ 4 при 2 ≤ b ≤

30мм.

Для блоков с герметичным корпусом средняя плотность q

v

источников

теплоты на единицу объема нагретой зоны составляет 2⋅10

3

≤ q

v

≤ 8⋅10

3

Вт/м

3

; а для блоков с перфорированным корпусом 2,5⋅10

4

≤ q

v

≤ 7⋅10

3

. При

этом эффективный коэффициент перфорации К

п

= 0,2 ÷ 0,3.

Допущения, принятые при графоаналитическом расчете дают средне-

квадратические расхождения от эксплуатационных перегревов в пределах 10

÷ 15%.

11.3. Задания к выполнению самостоятельной работы.

А. По данным таблицы 11.1 произвести расчет теплового режима блока,

платы с ЭРЭ которого размещены в герметичном корпусе. В процессе расчета

определить температуру поверхности корпуса, температуру поверхности на-

гретой зоны, температуру в центре нагретой зоны и сделать вывод о правиль-

ности разработанного блока с точки зрения тепловых режимов работы ЭРЭ.

Если тепловые условия работы не выполняются, то произвести корректиров-

ку конструкции блока для обеспечения условий тепловых режимов ЭРЭ.

183

Таблица 11.1.

№

вар.

Q

[Вт]

Т

окр

[K]

Условия

размещ.

плат

Т

доп

[K]

Размеры

корпуса

а

к

×

××

×b

к

×

××

×h

к

[мм]

Размеры

нагр. зоны

а

з

×

××

×b

з

×

××

×h

з

[мм]

λ

λλ

λ

x

= λ

λλ

λ

y

[Вт/м К]

λ

λλ

λ

z

[Вт/м

К]

Окраска

корпуса

1

2

3

4

5

6

7

8

9

5,0

10,0

7,0

2,0

8,0

4,0

12

1,0

6,0

313

293

303

318

298

313

283

308

303

Горизонт.

«-«

333

323

328

333

328

333

323

318

323

70×

××

×50×

××

×100

100×

××

×80×

××

×150

100×

××

×80×

××

×150

70×

××

×50×

××

×100

120×

××

×100×

××

×180

100×

××

×80×

××

×150

120×

××

×100×

××

×180

70×

××

×50×

××

×100

100×

××

×80×

××

×150

65×

××

×45×

××

×95

84×

××

×64×

××

×134

90×

××

×70×

××

×140

58×

××

×38×

××

×88

100×

××

×80×

××

×160

92×

××

×72×

××

×142

100×

××

×80×

××

×160

65×

××

×45×

××

×95

84×

××

×64×

××

×134

0,08

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,08

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Эмаль

«-«

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

5,0

7,0

2,0

8,0

4,0

12

1,0

5,0

10,0

7,0

2,0

313

328

303

313

303

298

293

313

293

303

318

Вертик.

b<

<<

<3мм

«-«

Горизонт.

«-«

333

348

343

333

328

338

333

323

328

333

120

×

××

×

100

×

××

×

180

70×

××

×50×

××

×100

150×

××

×120×

××

×200

120×

××

×100×

××

×180

70×

××

×50×

××

×100

100×

××

×80×

××

×150

150×

××

×120×

××

×200

70×

××

×50×

××

×100

100×

××

×80×

××

×150

100×

××

×80×

××

×150

70×

××

×50×

××

×100

90

×

××

×

70

×

××

×

140

65×

××

×45×

××

×95

142×

××

×112×

××

×192

115×

××

×95×

××

×175

50×

××

×30×

××

×80

92×

××

×72×

××

×142

132×

××

×102×

××

×182

65×

××

×45×

××

×95

84×

××

×64×

××

×134

90×

××

×70×

××

×140

58×

××

×38×

××

×88

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,08

0,1

0,11

0,12

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,4

0,5

0,6

Муар

серый

«-«

бронзовая

«-«

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

8,0

4,0

12

1,0

6,0

5,0

7,0

2,0

8,0

4,0

12

1,0

298

313

283

308

303

313

328

303

313

303

298

293

«-«

Вертик.

b>

>>

>3мм

«-«

328

333

323

318

323

333

348

343

333

328

338

333

120

×

××

×

100

×

××

×

180

100×

××

×80×

××

×150

120×

××

×100×

××

×180

70×

××

×50×

××

×100

100×

××

×80×

××

×150

120×

××

×100×

××

×180

70×

××

×50×

××

×100

150×

××

×120×

××

×200

120×

××

×100×

××

×180

70×

××

×50×

××

×100

100×

××

×80×

××

×150

150×

××

×120×

××

×200

100

×

××

×

80

×

××

×

160

92×

××

×72×

××

×142

100×

××

×80×

××

×160

65×

××

×45×

××

×95

84×

××

×64×

××

×134

90×

××

×70×

××

×140

65×

××

×45×

××

×95

142×

××

×112×

××

×192

115×

××

×95×

××

×175

50×

××

×30×

××

×80

92×

××

×72×

××

×142

132×

××

×102×

××

×182

0,13

0,14

0,15

0,16

0,08

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,7

0,8

0,9

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

«-«

алюми-

ниевая

«-«

Обозначения, принятые в таблице 9.1:

Q – потребляемая мощность прибора;

Т

окр

– температура окружающей среды;

b – зазор между плат;

Т

доп

– минимально допустимая температура ЭРЭ;

λ

x

;

λ

y

;

λ

z

– коэффициенты теплопроводности нагретой зоны вдоль, по

ширине и поперек плат соответственно.

184

В. По данным таблицы 11.2 произвести расчет теплового режима блока,

платы с ЭРЭ которого размещены в перфорированном корпусе и вертикально

ориентированы, с зазорами более 3мм. В процессе расчета определить темпе-

ратуру поверхности корпуса, температуру поверхности нагретой зоны, тем-

пературу в центре нагретой зоны и сделать вывод о правильности разрабо-

танного блока с точки зрения тепловых режимов работы ЭРЭ. Если тепловые

условия работы не выполняются, то произвести корректировку конструкции

блока для обеспечения условий тепловых режимов ЭРЭ. Недостающие дан-

ные для расчета взять из таблицы 11.1 для соответствующего варианта.

Таблица 11.2

№

вар

Q

[Вт]

b

[мм]

A

1

[мм

2

]

А

2

[мм

2

]

∑

∑∑

∑V

эi

[мм

3

]

N

[шт]

n

[шт]

1

2

3

4

5

6

7

8

20,0

30,0

35,0

10,0

25,0

20,0

40,0

5,0

5

6

7

8

9

10

11

12

700

2050

2400

1400

1800

1600

3000

1225

750

2000

2450

1400

1850

1650

3000

1225

55500

135000

151000

46000

240000

156800

240000

55500

200

250

300

350

400

450

500

450

3

4

3

5

4

5

3

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

25,0

20,0

30,0

10,0

35,0

20,0

40

5,0

20,0

40,0

30,0

10,0

35,0

15,0

40

5,0

25,0

20,0

30,0

10,0

35,0

20,0

40

30,0

13

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

5

6

7

8

9

10

11

12

10

9

8

7

3200

1800

1450

3650

4200

875

2000

1850

1100

3200

2800

1000

4200

1600

4800

700

2050

1850

1400

1850

4200

1050

3200

5000

3250

1850

1400

3600

4200

875

2050

1800

1150

3200

2800

1050

4250

1600

4800

750

2000

1800

1400

1800

4250

1100

3250

5000

135000

252000

74100

654300

402500

48000

209000

576600

74100

135000

151200

46000

240000

156800

240000

55600

135000

189000

55600

654000

402500

48000

209000

576600

400

350

300

250

200

150

500

450

400

350

300

250

500

400

300

200

300

400

500

600

500

400

300

600

4

5

3

6

5

3

4

6

3

4

3

5

4

5

3

4

5

3

6

5

3

4

6

Обозначения принятые в таблице 11.2:

b – расстояние между плат;

А

1

– площадь перфорации верхней части корпуса;

185

А

2

– площадь перфорации нижней части корпуса;

∑

V

эi

– суммарный объем всех деталей на всех платах;

n – количество плат;

N – общее количество ЭРЭ на всех платах.

В процессе расчетов по разделам А и В принять следующие допущения:

- температурное поле симметрично вертикальной оси блока;

- мощность источников энергии на платах распределена одинаково

по платам и равномерно;

- коэффициенты теплопроводности по осям нагретой зоны удовле-

творяют выражению

λ

x

=

λ

y

≠

λ

z

.

В отчете по практической работе должны быть приведены следующие

данные:

- исходные данные для расчета;

- поверхностные температуры корпуса и нагретой зоны и темпера-

тура в центре нагретой зоны;

- вывод о правильности сконструированного блока с точки зрения

тепловых режимов работы применяемых ЭРЭ;

- принятые меры по корректировке конструкции электронного блока

в случае не соответствия тепловых режимов работ применяемых ЭРЭ;

- расчетные данные по поверхностным температурам корпуса и на-

гретой зоны и температуре в центре нагретой зоны и выводы о рационально-

сти принятых мер.

186

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица П1

Резисторы в зависимости от рассеиваемой мощности в номинальном режиме

(Т = 20

о

С и к

н

=1)

Обозначение резисторов Номинальная рассеиваемая мощность (Вт)

0,25 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0

Интенсивность отказов λ

λλ

λ

j

н

⋅

⋅⋅

⋅10

-

6

ч

-

1

Непроволочные

МЛТ

ТВО

МОУ

МУН

УНУ

КЭВ

ВС

УЛИ

Проволочные

ПТН

ПКВ

ПЭВ

ПТП

0.4

0.5

0.6

0.7

0.6

-

0.5

0.45

0.55

0.6

0.7

0.75

0.8

0.65

1.1

1.2

1.6

-

1.0

0.8

1.1

1.2

1.3

1.35

1.3

1.4

1.5

2.2

1.6

1.4

1.5

2.0

1.7

1.75

1.8

-

1.8

2.0

2.6

-

2.2

2.3

-

2.3

2.5

-

2.5

3.0

-

3.0

3.1

-

3.0

3.3

-

187

Таблица П2

Остальные электроэлементы

Наименование

Тип ЭРЭ

λ

λλ

λ

о

⋅

⋅⋅

⋅10

-

6

ч

-

1

Германиевые Кремниевые

Диоды

Выпрямители точечные

Выпрямители микроплоскостные

Выпрямители плоскостные

Импульсные сплавные

Управляемые

Стабилитроны

Варикапы

Выпрямительные столбы

Микромодульные

0.7

-

4.2

2.0

0.7

5.0

0.6

5.0

4.5

Транзисторы

Маломощные низкочастотные

Мощные низкочастотные

Маломощные высокочастотные

Мощные высокочастотные

Микромодульные

3.0

4.6

2.6

5.0

1.0

4.0

-

1.7

-

Интегральные микросхемы

Гибридные

Полупроводниковые

0.4

0.1

Конденсаторы

Бумажные

Металлобумажные

Слюдяные

Стеклянные

Керамические

Пленочные

Электролитические алюминиевые

Электролитические танталовые

1.8

2.0

1.2

1.6

1.4

2.0

2.4

2.2

Трансформаторы и моточные изделия

Автотрансформаторы

Силовые

Высоковольтные

Накальные анодные

Импульсные

Дроссели

Катушки индуктивности

5.0

3.0

4.0

2.0

0.5

1.0

0.5

Коммутационные элементы и соединители

Выключатели магнитные

Провода соединительные

Кабели

Соединение пайкой

Гнезда

Соединительные штепсельные

Контакторы

Реле малогабаритные

Переключатели миниатюрные

Переходные колодки

0.36

0.12

2.2

0.01 на контакт

0.02 на штырек

0.06 на штырек

0.25 на конт. Группу

5.2

188

Таблица П3

Поправочные коэффициенты для учета нагрузки

и рабочей температуры электроэлементов ИВК

Наименование,

тип элемента

Т

(

о

С)

Коэффициент нагрузки к

н

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Транзисторы

кремниевые

Транзисторы

германиевые

Диоды

кремниевые

Диоды

германиевые

Конденсаторы

слюдяные

негерметичные

Конденсаторы

слюдяные

герметичные

Конденсаторы

стеклянные,

пленочные,

металлобумаж-

ные

Конденсаторы

электролитиче-

ские с алюми-

ниевым анодом

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

20

30

40

50

60

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

0.16

0.17

0.18

0.19

0.20

0.23

0.27

0.32

0.42

0.52

0.63

0.77

0.85

0.92

0.98

1.04

0.15

0.19

0.23

0.32

0.53

0.18

0.19

0.20

0.21

0.22

0.23

0.26

0.32

0.40

0.50

0.63

0.80

0.78

0.85

0.92

1.00

1.08

0.22

0.26

0.32

0.45

0.66

0.20

0.22

0.23

0.24

0.26

0.27

0.35

0.45

0.55

0.68

0.86

1.11

0.79

0.86

0.94

1.02

1.11

0.30

0.35

0.41

0.60

0.86

0.08

0.09

0.10

0.12

0.15

0.36

0.38

0.42

0.49

0.61

0.76

0.36

0.38

0.42

0.49

0.61

0.76

0.48

0.60

0.90

1.40

2.10

3.60

0.35

0.37

0.40

0.45

0.50

0.56

0.42

0.52

0.66

0.84

1.10

1.40

0.81

0.88

0.97

1.05

1.16

0.39

0.45

0.51

0.76

113

0.11

0.13

0.15

0.20

0.26

0.49

0.50

0.54

0.63

0.75

0.96

0.49

0.50

0.54

0.63

0.75

0.96

0.40

0.48

0.63

1.17

1.80

2.90

0.43

0.46

0.51

0.55

0.61

0.70

0.50

0.65

0.81

1.08

1.38

1.73

0.83

0.90

1.00

1.09

1.22

0.50

0.55

0.63

0.95

1.40

0.20

0.22

0.28

0.36

0.45

0.60

0.18

0.22

0.28

0.36

0.45

0.60

0.64

0.70

0.80

0.95

1.19

1.58

0.48

0.60

0.90

1.40

2.10

3.60

0.52

0.55

0.59

0.65

0.71

0.81

0.70

0.83

1.04

1.31

1.65

2.05

0.85

0.92

1.04

1.13

1.30

0.62

0.66

0.76

1.15

1.75

0.25

0.27

0.35

0.46

0.62

0.83

0.23

0.27

0.35

0.46

0.62

0.83

0.8

0.94

1.10

1.43

2.00

2.30

0.65

0.82

1.24

1.73

2.30

4.30

0.63

0.67

0.72

0.78

0.85

0.97

0.74

0.95

1.22

1.50

1.90

2.35

0.88

0.97

1.08

1.19

1.39

0.74

0.79

0.91

1.41

2.13

189

Продолжение таблицы П3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Конденсаторы

электролитиче-

ские с тантало-

вым анодом

Резисторы

непроволочные

Резисторы

проволочные

Моточные из-

делия, транс-

форматоры

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

0.20

0.27

0.33

0.40

0.47

0.54

0.02

0.04

0.06

0.09

0.11

0.13

0.26

0.34

0.42

0.50

0.57

0.64

0.02

0.04

0.06

0.09

0.11

0.14

0.20

0.22

0.30

0.40

0.50

0.65

0.35

0.43

0.51

0.59

0.67

0.75

0.05

0.08

0.11

0.15

0.18

0.21

0.10

0.20

0.30

0.40

0.20

0.22

0.30

0.40

0.50

0.65

0.42

0.51

0.60

0.71

0.82

0.94

0.10

0.14

0.19

0.27

0.32

0.37

0.10

0.20

0.30

0.40

0.60

0.20

0.22

0.30

0.40

0.50

0.65

0.50

0.62

0.76

0.92

1.08

1.26

0.20

0.26

0.32

0.43

0.51

0.61

0.20

0.30

0.50

0.80

1.20

2.00

0.39

0.41

0.47

0.57

0.70

0.86

0.60

0.75

0.94

1.17

1.43

1.72

0.34

0.73

0.53

0.68

0.79

0.91

0.30

0.60

1.20

1.80

2.50

4.20

0.72

0.88

1.11

1.38

1.70

2.04

0.51

0.60

0.69

0.88

1.04

1.24

0.60

1.00

1.80

2.80

4.10

7.20

0.84

1.07

1.38

1.76

2.17

2.69

0.73

0.81

0.92

1.16

1.43

1.80

0.80

1.40

2.40

4.00

6.40

10.7

1.00

1.26

1.71

2.22

2.81

3.52

1.00

1.10

1.29

1.71

2.18

2.89

1.00

1.60

3.00

5.20

8.60

14.0

Таблица П4

Поправочные коэффициенты для учета

механических воздействий

Условия эксплуатации

ИВК

Поправочный коэффициент для интенсивность отказов

Вибрационные

нагрузки

Ударные на-

грузки

Суммарное

воздействие

Лабораторные

Стационарные (полевые)

Корабельные

Авто фургонные

Железнодорожные

Самолетные

1.00

1.04

1.30

1.35

1.40

1.46

1.00

1.03

1.05

1.08

1.10

1.13

1.0

1.07

1.37

1.46

1.54

1.65

190

Таблица П5

Поправочные коэффициенты для учета

влажности

Влажность

(%)

Температура

(

о

С)

Поправочный коэффициент

для интенсивности отказов

60 – 70

90 –98

20 –40

20 – 25

30 – 40

1.0

2.0

2.5

Таблица П6

Поправочные коэффициенты для учета

высоты (разрежения)

Высота

(км)

Попр

авочный

коэффициент

Высота

(км)

Поправочный

коэффициент

0 – 1

1 – 2

2 – 3

3 – 5

5 – 6

6 – 8

1.00

1.05

1.10

1.14

1.16

1.20

8 – 10

10 – 15

15 – 20

20 – 25

25 – 30

30 – 40

1.25

1.30

1.35

1.38

1.40

1.45

П7. Амортизаторы пластинчатые типа АП:

4 отв. ∅

∅∅

∅d

1

Р d

2

d

A

B

H

Рис. П7

Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.