3.3.3 Тепловой расчет

Для расчета теплового режима проектируемого устройства удобно воспользоваться коэффициентным методом расчёта. Его суть заключается в том, что искомую температуру перегрева корпуса и печатного узла (нагретой зоны) можно представить в виде произведения:

t = tр К1 К2 … Кn

где t - искомая среднеповерхностная температура перегрева, С;

tр - базовый перегрев, определяемый мощностью, приходящейся на единицу поверхности;

К1, К2 … Кn - коэффициенты, учитывающие различные факторы, влияющие на условия теплообмена, причём каждый коэффициент зависит только от одного параметра..

Исходные данные для расчёта:

L1 = 83 мм - длина корпуса прибора.

L2 = 43 мм - ширина корпуса прибора.

h = 23 мм - высота корпуса прибора.

Еп = 0,8 - относительная степень черноты поверхности.

Ро = 750 мм рт. Ст. - атмосферное давление.

tокр = 24 С - максимальная температура окружающей среды.

Считаем, что ориентация нагретой зоны горизонтальная.

Целью расчёта является определение среднеповерхностной температуры корпуса и печатного узла, которые в данном разделе называются нагретой зоной.

Определим рассеиваемую мощность внутри корпуса:

где Uпит - напряжение питания, 12 В,

Iпот - потребляемый ток, 0,5 А.

Определим объём корпуса приборов:

Vпр = L1 L2 h,

где L1 - ширина корпуса, м;

L2 - длина корпуса, м;

H - высота корпуса, м.

Vпр = 0,042*0,083*0,023=0,000082 м3.

Определим коэффициент заполнения объёма:

где Vд - объём всех деталей прибора;

Vпр - объём корпуса прибора.

Рассчитываем приведённый размер основания нагретой зоны:

где L1 - ширина корпуса, м;

L2 - длина корпуса, м;

Рассчитываем приведённую высоту нагретой зоны:

где h - высота корпуса, м;

Кз - коэффициент заполнения объёма.

Определяем приведённую высоту воздушного зазора между нагретой зоной и корпусом:

где h - высота корпуса, м;

h3 - приведённая высота нагретой зоны.

Определяем геометрический фактор:

где h1 - приведённую высоту воздушного зазора между нагретой зоной и корпусом, м;

Iпр - приведённый размер основания нагретой зоны, м.

Рассчитываем площадь поверхности корпуса прибора:

где L1 - ширина корпуса, м;

L2 - длина корпуса, м;

H - высота корпуса, м;

Рассчитываем приведённую поверхность нагретой зоны:

где Iпр - приведённый размер основания нагретой зоны, м;

hз - приведённая высота нагретой зоны.

Рассчитаем удельную поверхностную мощность нагретой зоны:

где Ррас - мощность, рассеиваемая внутри корпуса прибора, Вт;

Sз - приведённая поверхность нагретой зоны.

Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса:

где Ррас - мощность, рассеиваемая внутри корпуса прибора, Вт;

Sк - площадь поверхности корпуса прибора.

Определяем среднеповерхностный перегрев корпуса:

где - коэффициенты определяются по графикам, приведены на рисунке 2.

Определяем среднеповерхностную температуру корпуса:

где tокр - температура окружающейсреды;

tк - среднеповерхностный перегрев корпуса.

Определяем среднеповерхностный перегрев нагретой зоны:

где - коэффициенты определяются по графикам, приведённым на рисунке 2.

Определяем среднеповерхностную температуру нагретой зоны:

где tk - среднеповерхностная температура корпуса;

tз - среднеповерхностный перегрев нагретой зоны.

Основываясь на полученных данных, делаем вывод, что элементная база выбрана правильно, так как температурный режим не превышает диапазона температур входящих в него элементов.

3.3.3 Поверочный конструкторский расчет надежности

Т_ср=3000 ч - заданная наработка на отказ. Вероятность безотказной работы р(t)=0,9. При расчёте надёжности допускаем, что отказы элементов внезапные и независимые.

Интенсивность отказа элементов с учётом условий эксплуатации ЭА:

л_i = л_0i•k•a_i(T,k_н),

где л_0i - номинальная интенсивность отказов;

k =2,8 - поправочный коэффициент на условия эксплуатации (носимая ЭА),

Средние значения коэффициентов нагрузки k_н, учитывающего режим электрической нагрузки:

· для резисторов - 0,6,

· для конденсаторов - 0,7,

· для диодов - 0,5.

Поправочный коэффициент a_i(T,k_н) в зависимости от температуры Т^о и коэффициента нагрузки k_н:

· для резисторов - 1,

· для конденсаторов - 0,6,

· для диодов - 0,6.

Интенсивность отказа микросхем:

л_мс=(0,01•3+0,017•2) •2 •10^-6=0,213•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа диодов:

л_VD=0,2•5 •2•0,5•10^-6=1,0•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа кварцевых резонаторов:

л_Q=0,002•2•10^-6=0,04•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа джапмеров:

л_J=0,1•5•2•10^-6=1,0•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа разъёмов:

л_X=0,003•30•2•10^-6=0,18•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа конденсаторов:

л_C = (12•0,01+2•0,015) •0,6•2•10^-6=0,18•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа резисторов:

л_R=22•0,01•0,6•2•10^-6=0,44•10^-6 1/ч

Интенсивность отказа паяного соединения:

л_0ОМ=214·0,01·10^-6=2,14·10^-6 1/ч

Интенсивность отказа системы:

л= (0,128+2+0,04+1+0,18+0,18+0,44)•10^-6 =5,8•10^-6 1/ч

Среднее время наработки на отказ:

Т_{ср.расч.}=1/л = 172413,8 ч.

Т_{ср.расч.}=172413,8 ч > Т_ср.= 3000 ч.

Таким образом расчётное среднее время наработки на отказ Т_{ср.расч.} превышает заданное время наработки на отказ ячейки Т_ср.

Рассчитаем вероятность безотказной работы за 3000 часов:

Р(t) = е^{-? t}

Р(t) = ехр(-5,8•10^-6•3000) = 0,98.

Вероятность работы для 3000 ч Р(t)=0,8, что превышает заданную вероятность работы Р(t)=0,95.

рис.3

3.3.5 Расчет на электромагнитную совместимость

Основными электрическими параметрами линий связи являются: погонная емкость и индуктивность, а электрические параметры определяются физическими характеристиками: относительной электрической и магнитной проницаемостью и конструктивными параметрами, а именно коэффициентом формы. Значение коэффициента формы определяется конструкцией линий связи, оно зависит только от ее формы, размеров и расположения. Для копланарных линий связи коэффициент формы считается:

w - ширина проводника;

b - расстояние между ними;

T - толщина.

Расчёт погонных параметров линии связи

;

где

, , - погонные значения взаимной емкости, взаимоиндукции и задержки;

- диэлектрическая проницаемость воздуха;

- магнитная проницаемость воздуха;

, - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости платы;

, - диэлектрические проницаемости платы и лака соответственно (значения диэлектрических проницаемостей приведены для стеклотекстолита);

- относительная магнитная проницаемость.

.

Следовательно: .

Критическая длина линий связи:

Определим, к какому классу относятся линии связи:

Исходя из того, что частота процессора ~20 MHz, минимальная длительность фронта сигнала, передаваемого по линии связи .

Средняя длина линий связи:

Выполняется условие , а значит линии классифицируются, как электрически короткие.

Определим комплексную составляющую помехи:

Параметры, МК

Комплексное взаимодействие:

Взаимная ёмкость:

Взаимоиндукция:

Таким образом, помеха при согласном включении:

А при встречном:

Полученные значения комплексных взаимодействий удовлетворяют допустимому значению: Uп<Uдоп=0,9В.

Вывод

В процессе разработки проекта интерфейсного модуля RS2-4.5x был проделан ряд работ:

· Проведен анализ конструкции и принципов функционирования интерфейсного модуля RS2-4.5x,

· Разработаны и документированы принципы функционирования модуля.

· Разработана структура модуля на типовых (стандартных) микросхемах.

· Разработаны принципиальная электрическая схема модуля и конструкция печатной платы.

· Проведены поверочные конструкторские расчеты.