Глава 3. Основные методики выполнения расчетов

3.1. Расчет компоновочных характеристик.

Качество компоновки может быть определено весом P , объемом V, энергетическим коэффициентом полезного действия ŋэн , длиной соединительных трасс, характером работы оператора, технологич-ностью и пр. Основными характеристиками являются коэффициенты заполнения по объему К^vзап_.. и по весу К^Gзап :

а) К^vзап_. = ,

где Viуст - установочный объем элементов схемы, без которых невозможно выполнить основную целевую функцию;

Vуст = Vфиз + Vмонт + Vдоп ,

где Vфиз - физический объем элемента;

Vмонт - обьем, необходимый для монтажа;

Vдоп - дополнительный объем для зазоров, выбранных изусловия электрических параметров (например, U ) или по тех-нологическим соображениям;

Vij - объем разработанного устройства;

n - количество типов элементов;

Ni - количество элементов i -го типа.

Пример.

Определить установочный объем резистора ОМЛТ-0.25 ГОСТ 7113-71 при напряжении между токоведущпми частями U = 12В. Из ГОСТа или ТУ выбираются размеры элементов и требования к монтажу (расстояние до гнутья и пайки). Резистор 0МЛТ - 0,25.

Рис.1. Монтаж резистора ОМЛТ - 0,25 на плате : Vуст_R = L ∙ B ∙ H; L = l_физ + l_монт + l_доп; l_физ = l₁ = 8 мм ; l_монт = 2l₂ + 2R + 2d = 2 ∙ 3 + 2 ∙ 2 ∙ 0,8 + 2 ∙ 0,8 = 10,8 мм; l_доп = 1,5÷2 мм; выбирается из технологических требований. L = 8 + 10,8 + 1,5 = 20,3 мм; В = Вфиз + Вдоп;Вфиз = D = 3 мм, Вдоп = 1 мм.

Элементы рекомендуется устанавливать с зазором I мм для незалитых конструкций и 0,5 мм при заливке.

В =3 + 1 = 4 мм; Н = h_физ + h_доп; . h_физ = Д = 3 мм; h_доп = 1 мм (см. для «Вдоп»);

Н = 3+ 1 = 4 мм.

Vуст_R = 20,3 ∙ 4 ∙ 4 = 324,8 мм³, округляем до 0,33 см³

б) К^Gзап = ∑Gi Ni ,

G_y

где Gi - вес i -го элемента;

G_y - общий вес устройства;

в) определяем удельный вес устройства:

G’ = G_y ;

V_y

данные расчета сводятся в табл.9.

	Поз. обознач.	Наименование	ГОСТ ТУ, черт.	Кол-во, N	Gj, г	NGj, г	Viуст, см^3	NViуст, см^3
1	R1 ÷ R5	ОМЛТ – 0,25– 5,1 ± 10%	ГОСТ-7113-71	5	1	5	0,33	1,65

Таблица 9

г) полученные значения К^vзап и G’ не должны быть меньшерекомендованных значений в табл.11;

д) значения К^vзап и К^Gзап используются при сравнении компоновки однотипных устройств.

Для сравнения разных по конструктивному решению устройствприменяется показатель n шт/дм³ - количество деталей в единицеобъема

n = N

V

или определяется выигрыш по объему и весу сравнительно с устройст-вом на дискретных элементах:

К^vзап = Vдискр ; К^Gзап = Gдискр ,

Vмм G мм

где К^vзап; К^Gзап - коэффициент выигрыша по объему и весу;

Vдискр., Gдискр. - общий объем и вес устройства,собранного на.радиоэлементах;

V мм, G мм - объем и вес устройства, собранного с применением микроминиатюризации.

Таблица 10

№ п/п	Тип прибора (транзисторы)	Физи-ческий объем, см^3	Устано-вочный объем, см^3	Мас-са, г	При-мечание
1.	2	3	4	5	6
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.	МП16, МП16А, МП16Б МП16ОС, МП16АОС, МП16ВОС МП20, МП21, МП21А, МП21Б МП25, МП25А, МП25Б, МП26, МП26А, МП26Б МП25АОС, МП25ОС, МП25БОС, МП26ОС, МП26АОС, МП26БОС МП101, МП101А, МП101Б, МП102, МП103, МП103А МП101ОС, МП101АОС, МП101БОС, МП102ОС, МП103ОС, МП103АОС МП104, МП105, МП106 МП104ОС, МП105ОС, МП106ОС П210А П210Ш П210ОС, П210АОС П210ШОС П213/ А, Б/ П214/ АБВГ/ П215 П213/ А, Б/ ОС, П214/ АБВГ/ ОС П215ОС П216/ АБВГД/ П217/ АБВГ/ П216ОС ÷ П216ДОС П217ОС ÷ П217ГОС 2Т301/ Г, Д, Е, Ж/ 1Т403А, Б, В, Г, Д, 1609А, 1609Б, 1610/ аб/ 1611 1Т308А, 1Т308Т, 1Т308В 1609АОС, 1609ВОС,1610ОС, 1610АОС, 1610БОС, 1611ОС	0,55 0,55 0,54 0,54 0,55 0,54 0,55 0,54 0,55 10,5 2,62 (без 2,62 (без (без 2,62 (без 0,5 0,73 0,55 0,49 0,55	1,85 1,85 2,3 2,3 1,85 2,3 1,85 2,3 1,85 11 11,8 фланца) 11,8 фланца) 11,8 фланца) 11,8 фланца) 0,58 2 1,8 1,85 1,85	2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 19 17 17 17 0,5 4 2 2 5

№ п/п	Тип приборов (диоды)	Физи-ческий объем, см^3	Устано вочный объем, см^3	Вес, г	При-меча-ние
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.	Д104, Д104А, Д105, Д105А, Д106, Д106А Д214÷Д215, Д231÷Д234 Д219АОС, Д220ОС, Д220АОС6, Д220ВОС Д223, Д223А, Д223Б Д302 Д303 Д304 Д311, Д311А, Д311Б Д312, Д312А Д808, Д809,Д810, Д811, Д813 Д814А, Д814Б, Д814В, Д814Г, Д814Д Д814АОС, Д814БОС, Д814ВОС, Д814ГОС, Д814ДОС 1601/ А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, К, М, Н, Л/ ОС Д104, Д104А, Д105А, Д106 Д214÷215, Д231÷234	0,15 0,9 0,15 0,15 0,15 0,15 0,29 0,29 0,29 0,12 0,15 0,9	0,47 1,9 0,47 0,47 16 26 115 0,47 0,47 1,26 1,7 1,7 0,36 0,47 19	0,53 18 0,5 0,53 0,6 1 1 1 1 0,3 0,53 18

Таблица 11

Аппаратура	G’, кг/дм^3	К^vзап
Передающая: с естественным охлаждением с принудительным охлаждением для летательных аппаратов	0,55 0,67 0,9	0,2 0,4 0,65
Приемная: с естественным охлаждением с принудительным охлаждением для летательных аппаратов	0,45 0,7 0,9	0,4 0,5 0,75
Релейная: - с естественным охлаждением - с принудительным охлаждением - для летательных аппаратов	0,65 0,8 1,1	0,7 0,7 0,85
Питания: - с естественным охлаждением - с принудительным охлаждением - для летательных аппаратов	0,9 0,8 до 1,6	0,5 0,65 до 1

В том случае, когда устройство проектируется на микросхемах (МС), компоновочными характеристиками являются размещение и установка МС на ПП.

Расчет максимального количества микросхем на печатной плате

n₁ = n_x n_y

n₂ = 2(n_x n_y)

n_x = L_x – 2x₁ - l_x + L при условии x₁ = x₂ ,

t_x

n_y = L_y - y₁ – y₂ – l_y + L

t_y

где n₁ - количество МС при одностороннем размещении;

n₂ - количество МС при двухстороннем размещении;

n_x - количество МС в одном ряду;

n_y - количество рядов МС;

L_x , L_y – размеры ПП;

l_x , l_y – размеры между крайними выводами МС;

t_x , t_y - шаги установки МС;

x₁ , x₂, y₁ , y₂ – краевые поля.

Значения t_x , t_y , x₁ , x₂ приведены в табл. 12.

Таблица 12

Корпус ми-кросхемы	Число задей-ствов.выводов	Шаг установки, мм		Эскиз установки	Х1(Х2)
		х	у		1мм	2мм
1	2	3	4	5	6	7
151.15-1 2 3 4 5 6	8 9 11 12 14 15	22,5 22,5 25 25 27,5 27,5	15 17,5 17,5 20,5 20,5 22,5		5 5
153.15-1	8 10 12 15	22,5 25 27,5 30	25,0 25,0 25,0 25,0
155.15-1	8 10 12 15	22,5 25 27,5 30	32,5 35 37,5 40
155.36-1	16 19 22 25 28 34 36	32,5 35 37,5 40 42,5 45 47	22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5		7,5 7,5
157.29-1	13 20 22 24 26 29	42,5 47,5 50 52,5 55 57,5	32,5 32,5 32,5 32,5 32,5		5 7,5
201.14-1	8 9 11 12 14	22,5 22,5 25 25 27,5	12,5 15 15 17,5 17,5		2,5 5
209.24-1	18 20 22 24	42,5 45 45 47,5	22,5 22,5 25 25

Продолжение табл. 12

1	2	3	4	5		6	7
	44 46 48	67,5 70 70	45 45 47,5
301.8-1 301.8-2	8	12,5	12,5			2,5	5
301.12-1	10 12	15 17,5	17,5 17,5
401.14-3 401.14-4	10 11 12 14	12,5 12,5 15,0 15,0	15 17,5 17,5 20,0			2,5	5
402.16-1	14 16	12,5 17,5	20 20	5			5
402.16-2	16	17,5	20		2,5/5		2,5
421.40-1	40	37,5	32,5	1,2	2,5/7,5		5/10
421.48-2 421.50-1	46 48	40 40	37,5 40		2,5/5		5/7,5

3.2. Тепловой расчет

3.2.1. Тепловой расчет можно разделить на два вида:

расчет теплообмена всего изделия и расчет радиаторов для тепло - выделяющих элементов.

Метод расчета теплообмена зависит, в свою очередь, от выбранной системы охлаждения и конструкции изделия и сводится к определению тепловых характеристик самого изделия и его элементов: кожуха, платы, радиоэлементов и т.п.

Тепловая характеристика тела представляет собой зависимость температуры тела (нагрева) от мощности тепловых потерь при постоянной температуре окружающей среды с учетом свойств тела, его расположения в пространстве, условий теплообмена и пр. Отвод тепла в окружающую среду может осуществляться за счет теплопроводности (10%), конвекции (80%) и излучения (10%).

В зависимости от выбранного метода охлаждения существуют следующие расчеты:

а) расчет охлаждения изделия при естественной конвекции в герметичном кожухе;

б) расчет охлаждения изделия при естественней конвекции в перфорированном кожухе;

в) тепловой расчет ивделия о принудительным воздушным охлаждением ;

г) тепловой расчет при охлаждении жидкостью и испарением;

д) расчет теплового режима термостатированного изделия.

Расчет тепловой характеристики изделия производится на тепловой модели методом последовательного приближения.

3.2.2 Расчет охлаждения изделия в герметичном кожухе при естественной конвекции

Естественное воздушное охлаждение электронного блока осуществляется за счет естественной конвекции и лучеиспусканием при мощностях теплового потока до 500 Вт/м2 при перегреве внут-ри блока ≤ 30°С.

Для расчета составляется тепловая модель блока, представленная на рис.2.

Рис.2. Физическая модель одноблочной конструкции с горизонтальным расположением нагретой зоны:

1 – объем над нагретой зоной;

2 – объем под нагретой зоной;

3 – объем нагретой зоной;

4 - объем между нагретой зоной и боковыми поверхностями кожуха.

Нагретая зона представляет собой группу произвольно расположенных элементов блока или блоков на шасси; рассматривается как одно эквивалентное однородное тело с равномерно распределенными источниками тепла общей мощностью, равной сумме мощностей составляющих источников.

У дельная мощность при одинаковой рассеиваемой мощности блоков определяется из выражения:

Вт/м3.

Если неравномерность по мощности в блоках больше 15%, то расчет Руд ведется по формуле:

P_уд = . P_{imax .} ,

2(L₁ + L₂)H_i

где ∑P_i - полная мощность источников тепла, Вт;

L₁ , L₂ , L₃ – габариты изделия, м;

P_imax - мощность наиболее нагруженного блока, Вт;

H_i – высота этого блока, м.

Определяем тепловую характеристику кожуха P = f(∆t).

Основное соотношение между мощностью, потребляемой изделием P Вт,средней температурой перегрева поверхности ∆t ºС, тепловой проводимостью от кожуха в среду G_к Вт/град выражается равенством:

P = ∆t G_к ,

где ∆t = t_к - t_с , t_к - температура кожуха;

t_с - температура среды.

G_к = G_кв + G_кн + G_кб = α_ВS_B + α_HS_H + α_бS_б ,

α_В , α_Н , α_б - полные коэффициенты теплоотдачи верхней, нижней и боковой поверхностей Вт/м² ∙ град.;

S_B , S_Н , S_б - площади верхней, нижней и боковой наружных поверхностей кожуха, м² ;

α_i =α_кi + α_лi ,

где α_кi – конвективный коэффициент теплоотдачи;

α_лi – коэффициент лучеиспускания;

α_лi = ε_ni φ_ij f(t_K , t_j) ,

где ε_ni - приведенная степень черноты i -й наружной поверхности кожуха; выбирается из табл.15.

Если блок находится в неограниченном пространстве, то ε_ni = ε_i (степень черноты соответствующей стенки);

φ_ij - коэффициент взаимной облученности i - й поверхности кожуха и соседнего блока ( j ); при отсутствии соседних блоков

φ_{ij =}1.

Значение функции f (t_K , t_c) приведено в табл.13.

Значение α_кi определяется в зависимости от закона теплообмена, соответствующего четырем режимам движения:

а) пленочному режиму – теплообмен обусловлен явлениями теплопроводности;

б) ламинарному режиму движения (тонкие проводники) – теплообмен по закону степени 1/8:

Таблица 13

Значение функции f ( t_K , t_c )

tKºС	tcºС
	10	15	20	25	30	35	40	45	50	60
15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100	5,32 - - - - - - - - - 5,45 5,59 - - - - - - - - 5,59 5,76 5,9 - - - - - - - 5,76 5,90 6,05 6,20 - - - - - - 5,90 6,05 6,20 6,35 6,51 - - - - - 6,06 6,20 6,35 6,51 6,60 6,82 - - - - 6,20 6,35 6,51 6,60 6,83 7,00 7,14 - - - 6,35 6,51 6,60 6,83 7,00 7,17 7,35 7,50 - - 6,70 6,87 7,04 7,19 7,35 7,51 7,89 7,87 8,05 - 7,06 7,21 7,39 7,55 7,72 7,86 8,05 8,24 8,42 8,80 7,44 7,59 7,75 7,80 8,07 8,26 8,45 8,65 8,83 9,20 7,82 7,98 8,13 8,31 8,49 8,67 8,86 9,04 9,25 9,65 8,19 8,37 8,53 8,72 8,91 9,09 9,28 9,46 9,66 10,98

в) интенсивному ламинарному и локонообразному потоку (плоские цилиндрические кожухи средних размеров, плоские ребрарадиаторов и т.п.) - теплообмен по закону степени 1/4:

г ) турбулентному движению (блоки больших размеров) - теплообмен по закону степени 1/3:

где t _m - средняя температура.

t _m = t_K + t_c , ºС

L - определяющий размер; для вертикально ориентиро-ной поверхности определяющим размером является высота, для горизонтальной поверхности - наименьшая сторона (диаметр), м;

N - коэффициент, определяющий ориентацию плоской нагретой поверхности:

вертикально ориентированная - N = 1;

горизонтально ориентированная с нагретой стороной, обра-щенное вверх - N = 1,3 ; обращенной вниз - N =0,7. Значения A1; A2; A3 для воздуха выбираются из табл. 14.

Таблица 14

tm, ºC	0	10	20	30	40	60	80	100	120	140	150
A1 A2 A3 A5	0,29 1 1,69 0,63	1,40	0,295 5 1,38 1,61	1,36	0,30 1,34 1,53 0,58	0,306 1,31 1,45	0,310 1,29 1,39	0,315 1,27 1,33 0,56	0,32 1,26	1,25	1,245 1,23 0,44

Расчет тепловой характеристики кожуха сводится к следующему:

а) задается температура кожуха tK ;

б) вычисляют значения коэффициентов теплоотдачи αк и αл тепловую проводимость Gк ;

в) находят значение Р = Gк (tK - tc) - это есть первая точка характеристики Р = f (∆t );

г) задаются вторым значением t'H

д) повторяют расчет пунктов б) и в), находят вторую точку

характеристики;

е) строят характеристику Р = f ( ∆t ) по трем точкам;третья точка начало координат;

ж) по известной мощности рассеивания Р по характеристикеP = f ( ∆t ) определяется температура кожуха tк.

Определение температуры нагретой зоны в замкнутом пространстве

Тепловая характеристика нагретой зовы: t3 – tc = f ( p). Учитывается теплоотдача за счет конвекции и кондукции. Определяется температура нагретой зоны t3 , температуракожуха tк и связь между ними:

tк = tc + p .1

Gк

t3 = tc + p (1 +1) t3 - tc = (tк - tc)(1 + Gк),

Gз Gк Gз

где Gз - тепловая проводимость от нагретой зоны к кожуху, Вт/град;

Gк - тепловая проводимость между кожухом и средой, Вт/град;

Gз = ∑ (Ki + αлi ) Sзi.

Коэффициент лучеиспускания определяется по формуле

αлi = εnif1 ( t3, tк ); Sзi = l1l2 ; Ski = 2hi(L1 + L2 – 4L4) + (L1 – 2L4)(L5 – 2L4)

ε_ni =

S_зi , S_ki - площади поверхностей условно нагретой зоны и внутренней части кожуха в i - й области;

ε_3i , ε_ki – степень черноты реальной нагретой зоны и внутренних поверхностейкожуха в i - й области.

Приведенная степень черноты в четвертой зоне (рис.2) определяется извыражения ε_n4 = ε_з4 ∙ ε_к4,

где ε_з4 - степень черноты боковой поверхности реальной нагретой зоны;

ε_к4 - степень черноты внутренней боковой поверхности кожуха в районе нагретой зоны;

Кi – коэффициент теплоотдачи.

Для блоков с горизонтальным расположением шасси,

где l = √( l1 l2) ; А5 выбирается по табл.14; N = 1,3; f2(hi/l) выбирается по графику (рис.3).

Рис. 3. Значение функции f(hi/l), где λb2 – коэффициент теплопроводности в зоне 2; λb = 0,04кДж. К4 =К1

Для блоков с вертикальным расположением шасси

K₄ = K₁ + K₂

Расчет тепловой характеристики

производится в следующей последовательности:

а) при расчете в первом приближении можно использовать выражение для ориентировочного определения тепловой проводимости от нагретой зоны к кожуху

G₃ = 23 (L₁ – 2L₄)(L₅ – 2L₄);

б) при расчете во втором приближении задаются температурой нагретой зоны, полученной в результате расчета в первом приближении (t3);

в) определяют более точно все тепловые проводимости Gз;

г) находят температуру зоны во втором приближении (tз’’);

д) если разница между tз” и tз’ составляет более 10%, проводят расчет в третьем приближении; при этом температура нагретой зоны принимается равной средней температуре между tз” и tз’

е) из выражения Р = Gз(tк - tз ) находят Р1 ;

ж) задаются другим значением tк и находят tз2 ; нахо-

дят Р2;

и) строят характеристику (tк - tз ) = f(P);

ж) при заданной мощности Р по характеристике находят температуру перегрева зовы ∆tз ; если ∆tз больше допустимой, то изменяется система охлаждения.

Таблица 15

Степень черноты рабочих поверхностей

М а т е р и а л	ε
Алюминий полированный	0.05
Алюминий шероховатый	0,055
Алюминий оксидированный	0.15
Сталь полированная	0,2
Сталь литая необработанная	0,9
Сталь шлифованная	0,55
Сталь листовая с плотным блестящим слоем окиси	0,8
Латунная пластина прокатанная, с естественной поверхностью	0,06
Латунная пластина прокатанная, обработанная грубым наждаком	0,20
Латунь окисленная	0,6
Медь тщательно полированная, адевтролитическая	0.02
Медь окисленная	0,7
Никель технически чистый, полированный	0,08
Никель окисленный	0,4
Хромоникель	0,7
Железо луженое листовое (жесть)	0,05
Лак белый эмалевый на шероховатой пластине	0,9
Лак черный блестящий	0,87
Лак черный матовый	0,96
Лак белый	0,90
Сажа, свечная копоть	0,95
Стеклоэмаль	0,9
Масляные краски различных цветов	0,9

3.2.3. Расчет теплоотвода

Теплоотводы условно можно разделить на три группы: пластина, оребренный с одной стороны, оребренный с двух сторон. При расчете составляется эквивалентная схема.

Упрощенная эквивалентная схема имеет вид:

RKT

где Т_pn – температура перхода, ºС;

Т_к - температура корпусов, ºС;

Т_с - температура среды, ºС;

R_nk – тепловое сопротивление переход-корпус;

R_КТ - тепловое сопротивление корпус-теплоотвод;

R_ТС - тепловое сопротивление теплоотвод-среда.

Задачей расчета теплоотаода является определение таких конструктивных форм и размеров его, при которых получается лучшая теплоотдача в окружающую среду.

Теплоотвод применяется не для увеличения мощности рассеивания на полупроводниках сверх установленной по ТУ, а для максимального снижения рабочей температуры переходов при заданной мощности и повышения надежности.

Исходные данные для расчета:

а) мощность, рассеиваемая транзистором Ррасс (выбирается по ТУ на транзистор или по схеме принципиальной);

б) температура окружающей среды Т_с (задана в техническом задании на проектирование);

в) максимально допустимая температура коллекторного перехода транзистора Т_pn (выбирается по ТУ на транзистор, напри-мер, для германиевых транзисторов:

Т_pn = 85 ºС при Тс = -60 ÷ 70 ºС,

для кремниевых транзисторов:

Т_pn = 130 ÷ 150 ºС при Тс = -60 ÷ 120 ºС);

г) тепловое сопротивление между переходом и корпусом

R_пк ºС/Вт (выбирается по ту на транзистор) (табл.16);

д) тепловое контактное сопротивление между корпусом и теплоотводом R_КТ определяется экспериментальным путем и лежит в пределах 0,1 – 1,0 ºС/Вт.

Р а с ч е т :

а) определение максимальной мощности, которую может рас-сеять транзистор с теплоотводом, P_max :

Pmax = Tp –Tc Вт .

Rпк

Если заданная мощность P превышает Pmax , то данный транзистор на заданную мощность применять нельзя;

б) определение теплового сопротивления теплоотвода по исходным данным:

Рисх.дан. = q (T_РП - Т_с) – Р(R_ПК + R_КТ) ºС/Вт ,

Р

где q - коэффициент, учитывающий неравномерный xapaктер распределения температуры по теплоотводу; q ≈ 0,9 ;

в) определение среднеповерхностной температуры перегрева теплоотвод – среда:

Т_Т - Т_С = Р R_ТС ,

где RТС = Rисх. дан. – тепловое сопротивление теплоотвода, определенное по исходным данным;

г) определение площади теплоотвода ; предварительно ориентировочно задаются основными геометрическими размерами теплоотвода (рис.4).

Рис. 4. Односторонне ребристый теплоотвод

Оптимальные величины размеров найдены экспериментально; толщина ребра δ выбирается из технологических соображений :

δ = 1 – 3 мм;

толщина плиты теплоотвода d выбирается из условий минимального пути теплового потока, а также из конструктивных и технологических соображений:

d = 3 – 5 мм;

расстояние между ребрами В выбирается больше толщины погранич ного слоя А, величина которого зависит от способа охлаждения; при eстeственной конвекции А = 8 – 10 мм :

В ≥ (2 - 3) δ или В = l – δn;

n – 1

высота ребра h выбирается из условия

> ,

где а - суммарный коэффициент теплоотдачи; при ориентировочном расчете для естественного воздушного охлаждения.принимается а = 10 - 100 ккал/м2 ∙В ∙град; рекомендуемая высота ребра h ≤ 40 мм; протяженность ребра Lmin выбирается по графику (рис.5) в зависимости от теплового сопротивления R_ТС и температуры перегрева Т_Т - Т_С .

Рис. 5. График зависимости минимального теплового сопротивления теплоотвода от Lmin и Т_Т - Т_С .

Длину стороны плиты теплоотвода, на которой развиты ребра, определяют по формуле

l =[ B (n - 1) + 2n] мм,

где n - количество ребер, или из условия

n = l + B шт l ≈ L .

B + δ ,

Общая площадь теплоотвода ST складывается из площади глад- кой поверхности Sгл и площади оребренной поверхности Sоребр.

S_T = Sгл + Sоребр

Для одностороннего оребрения при креплении транзистораглад-кой стороны

Sоребр = S₁ + S₂ + S₃

где S₁ = (n - 1)( B + 2h)h см²

S₂ = (n δ + 2h)h см²

S₃ = 2n δ h см².

Для двухстороннего оребрения:

Sоребр = Lh2n_i (l₁ + l₂)h2 n_l1+l2 +lh + 2n_i δh + 4h δ n_l1+l2 ;

где n_i - число полных ребер;

n_l1+l2 - число неполных ребер.

д) определение коэффициента теплоотдачи.

Теплообмен с окружающей средой происходит за счет конвекции и лучеиспускания с i – й поверхности (гладкой и оребренной):

a_i = a_ni + a_ki ; a_гл = a_kгл + a_nгл ; a_оребр = a _n.оребр + a _k.оребр

У ребер теплоотвода и кожухов тапловой поток распространяется ламинарно и локонообразно, поэтому теплообмен осуществляется по закону степени ¼:

a_ki = А₂ ((Т_Т - Т_С )/ h) ^¼ ,

где L – определяющий размер.

При различной ориентации ребер теплоотвода формула примет вид:

для вертикально ориентированных ребер:

a_ki = 5,62 А₂ (Тт) ((Т_Т - Т_С )/ h) ^¼ Вт/м² град ;

для горизонтально ориентированных ребер, обращенных вверх:

. aki = 1,3 ∙ 5,62 А2 (Тт) ((ТТ - ТС )/ h) ¼ Вт/м2 град ;

для горизонтально ориентированных ребер, обращенных вниз:

a_ki = 0,7 ∙ 5,62 А₂ (Тт) ((Т_Т - Т_С )/ h) ^¼ Вт/м² град ; значение А₂ берется из табл. 15; Тт = Т_Т + Т_С

Рис. 6. График зависимости В = ((Т_Т - Т_С )/ h) ^¼

Значение ((Т_Т - Т_С )/ h) ^¼ можно определить по графику (рис. 6).

Значение a_k берется по графику (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость коэффициента теплоотдачи за счет конвекции:

1 – горизонтальная ориентация пластины нагретой зоной вверх;

2 – вертикальная ориентация пластины;

3 - горизонтальная ориентация пластины нагретой зоной вниз.

Значение ak зависит от давления окружающей среды:

a_k (H) = a_k A (H₀),

где А - коэффициент, определяется из графика (рис.8).

Рис. 8. Зависимость коэффициента А для вычисления ak (H)

Рис. 8.

Коэффициент теплообмена лучеиспусканием определяется поформуле:

a_ni = ε_ni φ_ij f (T_T , T_C)

(определение α_ni см. в п. 3, 2),

для гладкой поверхности φ_ij = 1 ,для ребристой –

φ_ij = . В ;

2h + B

е) определение мощности, рассеиваемой теплоотводом.

Общая расчетная мощность, рассеиваемая теплоотводом Робщ.расч. , складывается из мощности, рассеиваемой гладкой поверхностью Р_гл , и мощясста, рассеиваемой оребренной поверхностью Роребр.:

Робщ.расч = Ргл + Роребр

Ргл = а_гл Sгл (T_T - T_C)Bгл

Роребр = [a_k (T_T - T_C) + a_n (T_T - T_C)]Sоребр где TC - температура среды между ребрами T_C = T_T – К.

Значение коэффициента К определяется из графика (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость коэффициента К для определения температуры среды между ребрами

ж) определение теплового сопротивления R_{Т.С.расч.} :R_Т.С.гл. = . 1 . ºС/Вт ,

а_гл ∙ Sгл

R_{Т.С.оребр} - тепловое сопротивление оребренной поверхности;

R_{Т.С.оребр} = T_T - T_C ºС/Вт;

Р_оребр

и) проверка правильности расчета

R_{Т.С.расч} ≤ R_Т.Сисх

R_{общ.расч} ≥ Pисх.дан

Если условия неравенства не выполняются, то изменяют размеры теплоотвода и расчет повторяют.

ПРИМЕЧАНИЯ.

1. Для расчета теплоотвода типа пластины расчет ведется только для гладкой поверхности.

2. Для расчета теплоотвода, оребренного с двух сторон, расчет ведется только для оребренной поверхности.

3. Некоторые данные для расчета теплоотводов приведены в табл. 16.

Таблица 16

Тепловыехарактеристики некоторых полупроводниковых

приборов

Тип прибора	Тепло-вое сопротивление пере- ход-корпус RПК ºС/Вт	РН max , Вт	Тем-пера-тура пере-хода, Тр..п. .max ºС	Тепловое сопротив-ление переход –среда, RПС ºС/Вт
1	2	3	4	5
П4А–П4Д	2,0	5	85	при использ. без теплоотв.
П201-П203 П209-П210А	3,5 1,0	45/Тт 25ºС/	70	20
П213-П214Б П213А,П214А П214В, П214Г П215	3,5 4,0	11,5/Тт 45 ºС/ 10/при Тт 45 ºС/	85 85	35 35
П216, П216А П217, П217Б 2,0 30/при Т=25 ºС/ 85 30
П216Б2, П216Д 2,5 24/при Т=25 ºС/ 85 30 П217В-П217Г
П302-П303А 10/П303/ 150 П304, П306 10 10 150
П601-П602А 2,0 5 П605, П606А 15 15
П701-П701А 10 10/без тепл.1/ 150 85 П702-П702А 2,5 30
1Т403А, 1Т403Б 1Т403Г, 1Т403Д 1Т403Ж, 1Т403И 15 1 85 90 1Т404В, 1Т403Е 12 90

3.3. Механический расчет конструкции

3.3.1. Механический расчет конструкций проводится в том случае, когда изделие подвергается воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются каждой детали, входящей в конструкцию. Некоторые ориентировочные значения механических нагрузок в зависимости от назначения аппаратуры приведены в табл. 17, 18.

Таблица 17

Механическое воздействие на аппаратуру при эксплуатации

Вид аппаратуры или транспорта	Вибрации					Удары q	Ускорение G
	частота, Гц		амплитуда, мм
1	2		3			4	5
Лабораторная	2-80					до 10 20-75 100-120	1-4 1-4 3-6
Передвижная	20-200		0,05
Морские грузовые суда		5-150		1-0,1				До 6
Транспортная авиация		10-150/500		До 0,15	До 25 за 0,1 с			До 5
Другие виды, не вошедшие в первые четыре группы		5-5000		До 20	100 за несколько миллисекунд			5-50

ПРИМЕЧАНИЕ. Общими видами воздействий являются удары с ускорением до 200 g и более. Их значения оговариваются в техническом задании на изделие.

Aппаратура, транспортируемая не всех видах сухопутного транспорта, должна выдерживать падение с высоты 1 - 1,5 м к воздействию ударов с ускорением 50 - 100 g при частоте 100 Гц.

Таблица 18

Механические воздействия на аппаратуру при

транспортировке

Вид транспорта	Вибрации		Удары
	частота, Гц	амплитуда, мм
1	2	3	4
Сухопутный Гусеничный Автомобильный Железнодорожный	400 0-15 2-3/100/	0,05 несколько десятков до 40/2/	f = 120 Гц 3-5 м/с/-/
Морские грузовые суда	0-15 0-5 (валы) До 15-25 (винты)	До 1,5 -	- -
Транспортная авиация	5-150	0,1-0,15	-

Механический расчет заключается в определении собственных частот элементов конструкции и изделия в целом, определении прочностных характеристик в зависимости от перегрузок, выборе амортизаторов и амортизированной системы.

3.3.2. Определение частоты собственных колебаний (резонансной частоты элементов конструкции)

Элементы конструкций характеризуются своими механическими резонансными частотами, которые могут вызвать чрезмерные механические напряжения, влекущие за собой либо недопустимые деформации, либо разрушения.

При расчете элементы конструкций условно предоставляются в виде физических тел простейших геометрических форм: балок с различным сечением, пластин и т.п. с распределенными или сосре- доточенными нагрузками, определенным образом закрепленными.

Резонансная частота f , Гц определяется по формуле:

где l - длина балки, см;

Е - модуль упругости l-гo рода кг ∙с/см² ; выбирается из табл. 20;

J - момент инерции сечения, см⁴ ;

для прямоугольного сечения J = b h³

12

для квадратного сечения J = b⁴ ;

12

для круглого сечения J = π d⁴

64

для кольца J = π (D⁴ - d⁴) ;

64

q – распределенная нагрузка q=РКg

E

где Р – вес, кг

Кg – пергрузка, q.

α - корень трансцендентного уравнения частот; берется из уравнения изгибающих колебаний для каждого варианта крепления балки:

а ) балка с заделанными концами

ch α cos α -1 = 0 α_i = 2(i + 1) +1 π

2

α_o= 4,7300 – для основного тона, α₁= 7,8532 – первый оберток;

б ) балка с одним заделанным и другим опертым концом

tg α - th α =0 α_i = 4(i +1) + 1 π

4

α_o= 3,9266 α₁ = 7,0685;

Механические свойства некоторых материалов приведены в табл. 19.

Таблица 19

Материал	μ	σр кг∙с/см^2	σн кг∙с/см^2	τср кг∙с/см^2	Е кг∙с/см^2	γ г/см^3
1	2	3	4	5	6	7
Чугун Сталь Ст 10 Ст 45 Ст 3	0,33 0,33 0,33 0,33	2000-2500 3600-4500 6400-7600 4000-5000	3500-5000		9 10 22 10 -“- -“-	7,4 - 7,7 7,87 -“- -“-
Медь		2000-3500			/11-12/10	8,89
Бронза		3000-7000			9 10
Латунь		3500			9 10
Олово	0,33	280			0,49 10	7,3
Алюминий (чист.)		900-1200			/6,9-7,3/10
Алюмин.Ал2/9/		1500			6,7 10	2,77
Сплавы алю-миния АД, АД1 АМД АМГ Д16		1500 . 1100-2200 2400-3400 5000			6,7 10 -“- -“- -“-
Магний	0,33	800-1100			4,5 10	1,74
Магниевые сплавы Мпб		2600		1700	4,5 10
Пластмасса (к-211)		300	500			1,95
Текстолит		500-600	1200	860-1200		1,3-1,4
Стеклотекстолит	0,35	900	1300		2∙10^5	1,65-185
Гетинакс		800-1000	100-1300			1,3-1,4
Резина	0,5		700			1,25

в) балка с одним заделанным и другим свободным концом

ch α cos α + 1 = 0 α_i = 2(i + 1) – 1 π

2

α_o= 1,875 α₁ = 4,6944;

г) балка с опертыми концами

sin α = 0; α_i =(i + 1) π ;

α_o= π α₁ = 2π;

д) балка с одним опертым и другим свободным концом

tg α - th α = 0; α_i =4(i +1) + 1

4

α_o= 3,9266 α₁ = 7,6685 .

При сосредоточенной нагрузке резонансная частота f₁ определяется как f₁ = f ∙ К ,

где f - резонансная механическая частота при распределеной нагрузке;

К - коэффициент, зависящий от . М , выбирается по

т_l

графику (рис. 10).

Рис. 10. Значение К для определения резонансной частоты при сосредоточенной нагрузке

Для элементов, представленных в виде прямоугольных пластин, частоту собственных колебаний f определяют по формуле

f = .1 . α √((D/g)g) ,

2π a²

где а – длина пластины, см; D = E h₃ . – жесткость пластины на изгиб; 12(1-μ₂) h - толщина пластины, см; g – нагрузка на единицу площади пластины;

μ – коэффициент Пуассона; выбирается из табл. 19

Значение α рассчитывается в зависимости от вида закрепления краев пластины:

а) пластина, опертая по всему контуру:

б) пластина, закрепленная по всему контуру:

в) пластина, защемленная по сторонам а и опертая по стонам b :

г) пластина, защемленная и опертая по смежным сторонам:

д ) пластина, защемленная по одной стороне и опертая по остальным сторонам:

e) пластина, защемленная по трем сторонам:

Платы с ЭРЭ не должны иметь резонансных частот: неамортизированная аппаратура до 60 Гц, амортизированная - до 1,5 f б ,f б - наибольшая резонансная частота колебаний блока намортизаторах.

П о отраслевому стандарту

f_o =

где θэ - масса элементов; θп - масса платы

Δ = ;

ρ – плотность материала платы;

α – коэффициент, зависящий от вида крепления платы.

3.3.3 Расчет запаса прочности при перегрузках:

а) определяется изгибающий момент М_изг , кГс.см;

где β - коэффициент усиления, учитывающий множество продольных и поперечных колебаний, обеспечивающий необходмый логарифмический декремент затухания;

y - выбирается по графику (рис.11);

ω - частота вынужденных колебаний , 1/с при резонансе;

ω0 - частота собственных колебаний, 1/с;

l - коэффициент виброизоляции.

Рис.11. График зависимости η = f (y)

б) определяем напряжение изгиба σи , кГс/см2 :

,

где Wизг - момент сопротивления, см3 ,

. W_изг =

для прямоугольного сечения W_изг =

для квадратного сечения W_изг =

для круглого сечения W_изг =

для кольца W_изг=

для балки М_изг = β ;

β = [ σр] - допустимjе напряжение раcтяжения; выбираем по

табл. 19;

М_изг - изгибающий момент

М_изг = β кг∙см (для балок);

в) определяем запас прочности n при изгибе

n_u =

где [σu] - допустимое напряжение изгиба; выбираем для заданного материала по табл. 19;

г ) определяем запас прочности крепежных элементов при растяжении с учетом перегрузок

n_р =

где σ_р - напряжение при растяжении, кГс/см2

σ_р =

где q - перегрузки, g;

p - масса, кг ;

F - площадь поперечного сечения винтов, см2.

Запас прочности должен находиться в пределах 2 – 10.

3.4. Расчет печатных проводников

3 .4.1. Расчет ширины печатных проводников производят по формуле

b ≥

где b – ширина печатного проводника, мм;

J_max - максимальный ток через печатный проводник, А;

γ - допустимая плотность тока в проводнике, А/мм2;

а – толщина печатного проводника, мм.

Значение γ выбирается в зависимости от технологии изготовления печатных плат, например, для медных проводников, по-лученных методом осаждения, γ = (20-60) А/мм2, для медных проводников, полученных методом химического травления,

γ = (30-80) А/мм2. Рекомендуется для расчета γ = 20 А/мм2 для внешних слоев и γ = 15 А/мм2 для внутренних слоев при МПП.

Значение а выбирается в зависимости от метода изготовле- ния и выбранного материала, например, для фольгированного диэлектрика СФ1-50 а = 0,05 мм В цепях со значительными токовыми нагрузками (J > 3A) производится расчет ширины печатного проводника в зависимости от падения напряжения

l ≥

где ρ - удельное сопротивление, Ом∙мм2/м, для медного проводника, полученного методом осаждения; . ρ = (0,02 ÷ 0,03) Ом∙мм2/м, для медного проводника, полученного методом химического травления:

ρ = 0,0175 Ом∙мм2/м;

l - длина проводника, м;

ΔU - падение напряжения, В,

ΔU = (1 ÷ 2) % U

где U - рабочее напряжение, В.

3.4.2. Расчет расстояния между печатными проводниками (b1)

Расстояние между печатными проводниками выбирается в зависимости от электрического напряжения, давления окружающей среды и метода изготовления печатной платы. Значение b1 приведено в табл. 20.

Таблица 20

Расстояние между печатными проводниками, мм	Допустимое напряжение между печатными проводниками, В
1 0,5 0,25 0,15	250 75

Минимально допустимые расстояния между печатными проводниками выбираются в зависимости от класса плотности монтажа печатной платы, установленного по разрешающей способности разного технологического метода изготовления; приведены в табл. 21.

Таблица 21

Класс ПП	Ширина про- водника В, мм	Расстояние между про-водниками b1, мм	Рекомендуемый размер ПП, мм	Рекомендуемый метод изго- товления
1	0,5	0,5	до 170х240	Химический, для односторонних ПП
2	0,25	0,25	до 170х150	Комбинированный позитивный Электрохимический

3.4.3. Распределение переменного тока в печатном проводнике

Глубина проникновения тока Z в немагнитном проводнике

о пределяется формулой:

Z =

мм,

где f - частота, МГц;

ψ = - коэффициент, зависящий от свойств

токопроводящго материала и покрытия; выбирается по табл. 22.

ρ - удельное сопротивление, Ом∙мм₂/м

У дельное поверхностное сопротивление ρs определяется по формуле:

ρ_s =

где q - коэффициент, выбираемый по табл.22.

Материал	ψ	G
Серебро медь золото алюминий	0,064 0,066 0,077 0,084	2,5∙10-4 2,65∙10-4 3,08∙10-4 3,34∙10-4

Таблица 22

3 .3.4. Расчет сопротивления печатного проводника на высоких частотах:

R = Ом.

3.4.5. Тепловой расчет печатных проводников:

а) определяем величину удельной выделяемой моности

Р_о = Вт,

где b – ширина проводника , см;

J – заданный в проводнике ток, А;

б) задаемся вероятным перепадом температур от поверхности платы в окружающую среду, θ ;

в) определяем коэффициент теплопроводности

α_ср =

где α’ и α’’ – коэффициенты теплопередачи со стороны печатного проводника (элемента) и изоляционной платы соответственно:

α’ = 6∙10-4 θ0,25Вт/см2∙с∙град

α’’ = 4∙12∙10-4 θ0,25Вт/см2∙с∙град

Значения α’ и α’’, αср можно определить по графику (рис.12).

Рис.12. Зависимость α_i = f (θ) при T = 35°C

г) вычисляем коэффициент m

т = ,

где λ – теплопроводность материала платы

(гетинакс λ = 0,289∙10-2 Вт/ см2∙с∙град;

текстолит λ = (0,231- 0,035) 10-2 Вт/ см2∙с∙град;

керамика λ = 1,03∙10-2 Вт/ см2∙с∙град);

σ – толщина платы, см;

д) определяем удельную мощность рассеяния тепла конвекцией и излучением

Р_к.и. =

е) определяем по графику (рис.13) перепад температур θ°С.

Если перепад температур сильно отличается от заданнго, корректируется коэффициент теплопроводности и расчет повторяется.

Pис. 13.Зависимость удельной мощности рассеяния от θ°С

1 – гетинакс, 3мм

2 – керамика, 1мм

3 - ,,идеальная”плата

3.5. Раcчет помехоусточивости

3.5.1. При проектировании аппаратуры автоматики необходима защита ее от действия внешних и внутренних помех.

Внешние помехи создаются расположенными рядом саппаратурой источниками питания, генераторами, релейными схемами и т.п.

Внутренние помехи определяются паразитными связями, неизбежными в любой электронной аппаратуре. Эти связи могут быть гальваническими, емкостными и индуктивными.

Гальваническая паразитная связь возникает через сопротивление источника, соединительные провода и участки шасси.

Паразитные емкости и индуктивные связи возникают, в основном, за счет монтажных проводов и печатных трасс.

Расчет помехоустойчивости сводится к определению допустимой величины паразитных связей, допустимой длины проводников и расчету элементов фильтра.

3.5.2. Определение паразитной емкости между проводниками производим по формуле С = С_пог ∙l,где C - паразитная емкость между проводниками; С_пог - погонная емкость, пф/см; l- длина, см

С_пог = К_п ε ,

где К_п - коэффициент пропорциональности, пф/см; выбирается по графику (рис.14).

Рис.14. График зависимости коэффициента пропорциональности К_п от параметра печатной платы:

S₁, S₂ – расстояние между печатными проводниками;

W₁, W₂ – ширина печатных проводников;

ε’ – диэлектрическая проницаемость среды

ε’ = или ε’ =

где ε_в - диэлектрическая проницаемость воздуха ;

ε_п - диэлектрическая проницаемость материала платы;

ε_л - диэлектрическая проницаемость лака (если монтаж покрыт лаком).

Значение С_пог можно выбрать по табл.23, 24

Таблица 23

Значение погонных емкостей для печатных проводников, расположенных друг под другом на соседних слоях.

Ширина проводника, мм	Значение погонной емкости, пФ/см
	Двухсторон-няя печат- ная плата толщиной 1,55 мм	МПП с толщиной изоляционного слоя, мм
		0,15	0,25	0,50
0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 5,0	0,60 0,66 0,72 0,75 0,90 0,96 1,20 1,60 2,60	1,86 2,19 2,55 2,70 3,90 - - - -	1,35 1,62 1,86 2,02 2,25 2,76 - - -	0,78 1,05 1,20 1,35 1,62 1,86 2,28 2,76 -

Ширина проводника, мм	Расстояние между про- водниками, мм	Значение погонной емкости, пФ/см
		Двухсторонняя печатная плата		Внутренние слои МПП, εп =6,0
		нелакирован-ная ε’ =3,5	лакированная, ε’ =5,0
1	2	3	4	5
0,3	0,3	0,53	0,75	0,90

Примечание. Для межслойной изоляции МПП (ФДМТ и СПТ), изготовленных по методу металлизации сквозных отверстий и двухсторонних печатных плат (стеклотекстолит) ε_п = 6.

Таблица 24

Значение погонных емкостей для соседних печатных плат проводников, расположенных на одном слое.

Продолжение табл. 24

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

0,4 0,5 0,6 1,0 1,5 0,3 0,4 0,3 0,5 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1,0 1,5

0,47 0,44 0,42 0,33 0,32 0,58 0,53 0,63 0,53 0,7 0,67 0,6 0,56 0,53 0,46 0,39

0,68 0,63 0,60 0,48 0,45 0,83 0,75 0,90 0,75 1,0 0,95 0,85 0,80 0,75 0,65 0,55

0,81 0,75 0,72 0,57 0,54 0,99 0,90 1,08 0,90 1,2 1,14 1,02 0,96 0,90 0,78 0,66

Примечание. 1. Для лаков УР-231 и ЭП 9114 ε_п =4.

2. Внутренние слои МПП изготовлены методом металлизации сквозных отверстий.

3.5.3. Определение паразитной взаимоиндукции производим по формулам:

N = 2l₂ [ ] – без экрана

М = 2l₂ [ ] – с экраном,

где l₂ – длина печатного проводника;

S₁ – расстояние между печатными прводниками;

S₂ – толщина платы;

W₁ W₂ – ширина печатных проводников.

3.5.4. Определение индуктивности печатного проводника L мкГн L = L_пог ∙ l₂ , где L – погонная индуктивность печатного проводникамкГн/см; выбирается по графику (рис.15).

Рис. 15. График зависимости погонной индуктивности печатного проводника от его ширины (толщина проводника 0,05 мм)

3.5.5. Определение допустимых величин паразитных связей проводников

При проектировании учитывается динамическая помехоустойчивость применяемых цифровых микросхем или снижение коэффициента усиления аналоговых микросхем.

Динамическая помехоустойчивость цифровых схем рассматривается в двух случаях:

- ложное срабатывание: помеха может привести к переключению схем;

Сбой сигнала; помеха накладывается на информационный сигнал и препятствует переключению схемы.Сбой сигнала учитывается в случае максимального быстродействия; при этом обеспечивается условие отсутствия ложных срабатываний. При длительности информационного сигнала более

5 t_здр.ср следует учитывать срабатывание цифровых схем, при этом обеспечивается условие отсутствия сбоя сигнала.

Динамическая помехоустойчивость схем в случае ложного срабатывания характеризуется амплитудой импульса помехии длительностью помехи τпом.

Данные U и τ_пом приведены в табл.25.

ПРИМЕЧАНИЕ. Допустимые величины паразитной емкости между двумя соседними проводниками не должны превышать значений, при которых амплитуды импульсов длительности превышают допустимые уровни.

Значения допустимых величин паразитной емкости [C_пар] и индуктивности [L_пар] приведены в табл.26, 27.

Таблица 26

Значения допустимых величин паразитной емкости между двумя соседними проводниками для случая сбоя

Серия микросхе- мы		Значения допустимой величины паразитной емкости
		Для длительности импульсных сигналов
		2tздр.ср		3 tздр.ср	4 tздр.ср	5 tздр.ср
1		2		3	4	5
104 106 113 114 130 133 134 136 137 138		20 6 7 10 4 10 10 10 5 5		40 15 10 15 12 25 25 25 15 15	50 30 15 20 20 40 37 45 40 40	70 50 22 25 35 50 50 60 80 80
155 187 211 217 229 230 231 240 250 703 706	10 10 10 5 10 10 10 15 10 20 20		25 20 15 8 20 22 15 22 20 40 30		40 30 20 10 30 35 30 30 35 60 45	60 45 30 20 40 50 50 40 50 80 60

Примечание. Значения допустимых величин паразитной емкости между двумя соседними проводниками определялись при условии использования на печатной плате микросхем одной серии.

Таблица 27

Значения допустимой индуктивности шин заземления

Серия микро- схемы	Значения допустимой индуктивности, мкГн
	Значения импульсного перепада тока в шине заземл., мА
	200	180	160	140	120	100	90	80	60	40	20	15	10
104 106 113 114 130 133 134 136 137 138 155 187 211 217 229 230 231 240 250 703 706	- 006 008 010 011 015 020 025 036 05 - - - 025 030 036 040 044 - - - - - - - - - 006 008 010 016 023 026 03 037 047 060 - - 033 044 055 080 - - - - - - - - - - - 004 014 027 046 054 063 - - - - - - - 004 014 027 045 054 063 - - - - - 008 012 018 027 040 06 - - - - - - - 016 012 032 044 080 - - - - - - - - - - - - - - - - - 008 04 06 - - - - - - - - - - - 022  037 062 01 012 015 020 025 036 04 045 - - - - - - - - - - - - - 008 025 06 - - - - - - 006 008 01 015 026 035 052 - - - - - - - 005 01 016 025 040 055 - - - - - - - - 012 027 035 - - - - - - - - - - 03 042 060 - - - - - - - - 035 040 06 - - - - - - - - 008 012 032 060 - - - - - - - 008 012 024 036 050 060 - - - - - - - 035 043 052 06 - - - - - - - - - - 008 013 023 035 060 - - - - - - -

3.5.6. Определение допустимых дли проводников

Допустимая длина параллельно расположенных проводников l_доп с учетом С_пар и L_пар определяется:

где U_пу – значение помехоустойчивости микросхем, приводимое.

в Т_У на эти микросхемы, В;

U_o - значение логического нуля, приводимое в ТУ, В;

К_м – коэффициент запаса, Км =0,5 до 1,0;

ΔI – перепад тока в цепи питания при переключении МС, А.

Допустимая длина шины заземления lз.доп.

l_з.доп. =

Для снижения уровня помех, обусловленного индуктивностью шин питания и заземления, следует увеличивать ширину шин W до 5 мм, располагая их друг под, другом с целью получения возможно большей конструктивной емкости фильтра цепи питания.

3.5.7. Выбор конденсатора фильтра

Сф ≥

где Сф – емкость сглаживающего фильтра;

Δt – наибольшая длительность фронта импульсного тока, мкс;

р – число необходимого уменьшения амплитуды паразитной осцилляции в шинах питания; выбирается от 10 до 50;

L_ш – суммарная индуктивность участка шин питания и заземления, по которым замыкается ток переключения схем, мкГн

где l₃ – длина участка шины питания, см;

Т – толщина шины питания (заземления), см;

W - ширина шины питания (заземления).

Тип конденсатора выбирается по емкости Сф и модулю сопро-тивления этого конденсатора Zн , Ом:

где U_T - амплитуда падения напряжения на конденсаторе фильтра, В;

I_T - амплитуда тока, проходящего через конденсатор, А.

Для одновременного уменьшения низкочастотной и высокочастотной паразитной осцилляции в шинах питания параллельно низкочастотному конденсатору фильтра включают один или несколько высокочастотных конденсаторов с малым модулем сопротивления.

3.5.8. От действия помех электрических, магнитных и электромагнитных полей аппаратура защищается экранами, выполненными в виде металлических кожухов. Экранирующее действие кожухов обусловлено отражением поля от металла и затуханием его при прохождении через металл.

При проектировании экранов отражением обычно пренебрегают, а его действие добавляют к действию ослабления:

А = 0,085 δ √f ,

где А – ослабление магнитного поля, дБ;

δ - толщина медного экрана, мм;

f - частота поля, МГц.

Для уменьшения магнитного поля трансформатора или дросселя используют ферромагнитные экраны: при δ = 1 мм, f = 50-5000 Гц ослабление получается на 5-8 дБ.

3.6. Расчет размерных цепей

3.6.1. Размерной цепью называется замкнутая цепь взаимно связанных размеров, относящихся к одной или нескольким деталям и координирующих относительное положение поверхностей или осей этих деталей.

Задачей расчета размерных цепей является:

а) определение суммарного поля допуска δ_max и δ_min звена по данным поля допуска составляющих звеньев;

б) определение наиболее рациональных допусков на составляющие звенья в зависимости от заданного поля допуска замыкающего звена.

Существует два вида расчетов размерных цепей:

а) экстремальный расчет размерных цепей на max и min;

б) теоретико-вероятностный метод. Теория расчетов базируется на основных положениях теории точности механизмов и машин.

3.6.2. Расчет размерных цепей на max и min

Этот вид расчета применяется для малозвенных цепей высокой точности и для всех цепей малой точности.

Исходным выражением для расчета точности по назначению механизмов и систем является

где - коэффициент влияния; определяет

пропоциональность изменения выходной величины θ∑ от погрешности параметра q;

q – конструктивный параметр составляющего звена;

n - количество звеньев;

Δ θ∑ - значение замыкающего звена

Δ θ_∑ =

В чертежах указываются допустимые отклонения выходной величины каждого параметра q_i .

δ∑ - суммарное отклонение (поле допуска) изделия;

δ∑ = -общее выражение для расчета допуска замыкающего звена

δ∑ = q∑max - q∑min ,

где q∑max - максимальное значение замыкающего звена;

q∑min - инимальное значение замыкающего звена

q∑max =

где qj - увеличивающие (положительные) звенья;

1…т - их количество;

q_k - уменышающие (отрицательные) звенья;

т+1…п - их количество.

Звенья размерных цепей с линейными размерами обозначаются заглавными буквами русского алфавита (кроме А), а с угловыми размерами – буквами греческого алфавита (кроме α и β). Каждой цепи присваивается своя буква. Замыкающее звено получается последним и обозначается индексом “ Z ” . Составляющие звенья нумеруются последовательно по направлению часовой стрелки, начиная со звена, соседнего с замыкающим. По звеньям строится графическое изображение размерной цепи, причем увеличивающие (положительные) звенья направлены вправо (вверх), уменьшающие (отрицательные) – влево (вниз). Данные рекомендуется заносить в табл.28.

Рис.16. Схема устройства для расчета размерных цепей

Таблица 28

№ п/п	Обозн. звена	Наименование	Размер		δimax	δimin
1	2	3	4	5	6	7
1 2 3 4 5	В1 В2 В3 В4 В5	монтаж плата стойка плата стойка	10±0,5 3±0,33 20±0,28 3±0,33 12±0,24	- - - - -	0,5 0,33 0,28 0,33 0,24	0,5 0,33 0,33

Продолжение табл.28

1	2	3	4	5	6	7
6 7 8 9 10	В6 В7 В8 В9 В	основание основание кожух прокладка зазор	3-0,12 1,5±0,2 52±0,2 0,5±0,1 2±2,3 1,46	+ + + -	0,12 0,2 0,2 0,1 2,30	0,2 0,1 1,46

Рис. 17. Графическое изображение размерной цепи.

3.6.3. Теоретико-вероятностный метод расчета размерных цепей cтататичеcким иccледованием точности производства для данного изделия или по выбранному закону распределения.

Для серийного постоянного производства

К = I;

N_i - коэффициент влияния;

n - количество звеньев.

Коэффициент рассеивания выходной величины К_∑ завиcит от qi и законов распределения ошибок

К_∑ = 1, если все параметры q_i имеют распределение погрешности по закону Гаусса (Кj = I), или число параметров qi c доминирующими однородными по величине допусками c любыми одновершинными законами распределения ≥ 5/п ≥ 5/, или число параметров q_i с доминирующими однородными по величине допусками с любыми одновершинными законами распределения ≥ 8/п ≥ 8/.

В остальных случаях К_∑ определяется по формуле:

Для случая, когда поле допуска δ_∑ ≠ 6 δ, К_∑ выбирается из табл.29.

Таблица 29

% брака К∑ % брака К∑

0,02 0,81 2,0 1,29

0,05 0,36 3,0 1,38

0,1 0,91 4 1,46

0,2 0,97 5 1,52

0,5 1,06 6 1,6

1,0 1,16 8 1,71

1,5 1,23 10 1,82

Поскольку отклонение параметра, в пределах нуля допуска - величина случайная, она характеризуется математическим ожиданием, М (среднестатической величиной погрешности δi), дисперсией Di и среднеквадратическим отклонением σ_i . Тогда суммарная погрешность δ_∑ определяется из выражения

где К_∑ и К_i - коэффициенты относительного рассеивания (суммарный и каждого звена), учитывающие действие всех факторов технологического процесса; i - для каждого фактора определяется.

3.6.4. Аналогично рассчитывается точность линейных электрических цепей (метод профессора М.Л.Быковского):

где ΔU - ошибка цепи;

U_o - выходное напряжение идеальной цепи;

Δq_i - первичная погрешность.

Применяется принцип наложения суперпозиции; цепь рассматривается как четырехполюсник.

Пусть рассматриваемая цепь имеет п элементов с параметрами q_i (i = 1,2,3…, п) и т источников энергии с э.д.с. Ек (к = 1,2,3,…, т ).

Н а основании принципа суперпозиции выходное напряжение

где φ_к(q_i) - передаточная функция цепи.

П огрешность цепи по напряжению ΔU_∑ есть разность выходного напряжения цепи реальной и идеальной. Причинами погрешностей могут быть производственные отулонения параметров элементов от номинальных значений и паразитные связи и наводки (R, L, C).

Ошибка выходного напряжения цепи от погрешности парамет-ра одного изсхемных элементов определяется по формуле при одном источнике э.д.с.

где q_i - коэффициент влияния погрешности параметра цепи.

Для цепи с т источниками э.д.с.

З нак коэффициента определяется полярностью Ек по отношению к некоторому опорному источнику э.д.с. и знаком частной производной:

Коэффициенты влияния N_i и N_oi могут быть определены аналтически или экспериментально, как правило, методом преобразованных цепей.

Пусть сопротивление R_s имеет погрешность ΔR_s , которую можно рассматривать как дополнительное сопротивление, включенное последовательно с R_s ; ток вместо i_s будет протекать равным i_s + Δ i_s , дополнительное падение напряжения равно:

ΔU_s = (i_s + Δ i_s ) ΔRs ≈ i_s ΔR_s

Такое же падение напряжения будет при включении в идеальную цепь последовательно с R_s дополнительного генератора, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а э.д.с. – ΔU’_s.

Аналогично можно получить схему замещения проводимости - ΔА_s - паразитной утечки тока из-зa повреждения изоляции при монтаже или недостаточной величины сопротивления изоляции.

По принципу наложения (суперпозиций) дополнительное на­пряжение на выходе эквивалентной цепи, создаваемое генератором, замещающим погрешность ΔR_s или ΔА_s будет ошибкой выходного напряжения ΔU∑s .

Для исключения измерений малых напряжений и токов увеличим напряжение добавочного генератора в y раз:

U’_s = y ΔU’_s .

Напряжение U’_∑s на выходных клеммах преобразованной цепи кратно величине ошибки выходного напряжения от погрешности

ΔR_s или ΔА_s

Заменяя ΔU’_s , получим для погрешности ΔR

З наки в выражениях ΔU_∑s опущены, так как они могут быть учтены соответствующим включением дополнительных генераторов. Определяем коэффициент влияния

г де i_s определяется для действительной цепи, а для преобразованной цепи.

Для расчета в относительных величинах величина коэффициента N_oi определяется

Откуда

При экспериментальном определении N_i для каждого схем- ного элемента или первичной погрешности ΔА_s нужно:

1. в действительности цепи при включенных источниках питания измерить силу тока или напряжение U_s на участке действия погрешности.

2. Составить преобразовочную цепь (замкнуть все источники питания и включить источник, эквивалентный погрешности) и измерить напряжение U’_∑s на выходе и напряжение э.д.с. дополнительного источника U’_s или силу тока на участке действия погрешности i'_s .

Преобразованные цепи могут быть использованы и для ана- логичного определения сомножителей в выражениях коэффициентов N_i и N_oi .

Пример.

Определить коэффициент влияния погрешности резистора R1 делителя, представленного на рис.18.

Рис. 18

По второму закону Кирхгофа для контура цепи делителя

(U_вх , R₁ , R₂ , R₃ ) имеем:

о ткуда

Преобразованная цепь делителя представлена на рис. 19.

Рис.19

Для контура U’_∑ ,R₂, R₃ преобразованной цепи по второму закону Кирхгофа

Для определения относительного коэффициента влияния находим отношение U1/Uвых действительной цепи

Выходное напряжение U_вых найдем решением системы из двух уравнений, составленных на основании второго закона Кирхгофа для контуров U_вх ,R₁, R₂, R₃ и U_вых , R₂, R3 .

Подставляя значения U₁ , U_вых , U’_∑ , U, получим

Знак определяется по направлению действия

погрешности ΔR₁ .

Увеличение R₁ в данном примере вызывает уменьшение U_вых, следовательно, параметр R₁ относится к группе отри- цательных.

Для упрощения расчетов следует использовать выражения N_i и N_оi для типовых видов F(qi).

3.7. Расчет надежности

Таблица 30

Тип элемента	Количес-тво	Интенсив-ность отказов одного элемента ,1/ч	Суммарная интенсив-ность отказов ,1/ч
Динамик	1	2-15	8,5
Конденсатор	17	2,2-2,4	39,1
Батарея	1	0,3-19	9,65
Дроссель	2	1-10	9
Постоянный резистор	18	0,4	7,2
Переменный резистор	4	0,2	0,8
Переключатель	1	0,25-0,5	0,375
Транзистор	8	3-4	28
			102,625

Суммарная интенсивность отказа

,1/ч

Средняя наработка на отказ

,ч

График функции надежности строится исходя из формулы

f(x)

час

Рис. 16. График функции надежности