Расчёт теплового режима

Расчёт радиатора

В устройстве нет мощных силовых ЭРЭ, а, значит, нет и теплонагруженных. Вследствие этого, в качестве элемента с повышенным тепловыделением возьмем транзистор КТ3102ДМ.

Точное описание температурных режимов внутри устройства ЭС не возможно из-за громоздкости и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов и других факторов. Поэтому при расчете теплового режима изделия ЭС используют приближенные методы анализа и расчета. Целью расчета является определение температур наиболее нагретой зоны и среды вблизи поверхностей ЭРЭ и ИС, необходимых для оценки надежности функционирования схемы и изделия в целом. В качестве примера проведен расчет теплового режима для наиболее тепловыделяющего ЭРЭ - транзистора. Перегрев ЭРЭ и ИС можно уменьшить путем увеличения теплоотдающей поверхности с помощью установки элемента на радиатор. Для охлаждения полупроводниковых приборов используют следующие типы радиаторов: ребристые, игольчато-штыревые, пластинчатые и др.

Исходными данными при проектировании и выборе радиатора в нашем случае являются:

- допустимая температура рабочей области элемента t_р =135⁰С;

- рассеиваемая элементом мощность Р=0,25Вт;

- температура окружающей среды t₀=25 С;

- внутреннее тепловое сопротивление элемента между рабочей областью и корпусом R_вн=40 С/Вт;

- тепловое сопротивление контакта между элементом и радиатором R_к=30 С/Вт;

Тепловая модель элемента и радиатора представлена на рис.5.

1- элемент (ЭРЭ, ИС);

2 - площадь теплового контакта;

3 - радиатор

Порядок расчета может следующий:

Определяем перегрев места крепления элемента с радиатором:

t_к - t₀ = (t_р- t₀) - P(R_вн+R_к)=(135-25)-0,25 · (40+30)=92,5;

Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора t_s=t_s-t₀ 0,83 · (t_к-t₀)=0,83 · 92,5=76,78;

Выбираем тип радиатора. Выбор радиатора является сложным эмпирическим процессом, который требует знаний сравнительной эффективности различных типов радиаторов. Выберем игольчато-штыревой радиатор с параметрами:

h=20мм,S_Ш=7мм,d=2мм.

Находим по соответствующему графику коэффициент эффективной теплоотдачи выбранного радиатора при ∆t_S=77К:

α_ЭФ=60 Вт/(м*К)

Определим средний перегрев основания радиатора во втором приближении. При этом выберем в качестве материала радиатора алюминий, у которого λ_Р=208Вт/(м*К)–коэффициент теплопроводности материала, а толщину основания δ_Р=2 мм.

∆t_Sо=,

где ,α_ЭФS_p/d δ_Р

Тогда используя эти данные получим:

Уточняем площадь основания радиатора:

м².

Вывод: в результате данного расчёта получили радиатор, удовлетворяющий всем требованиям по теплоотводу.

Расчёт надёжности

Расчет надежности изделия ЭВС заключается в определении показате­лей надежности изделия по известным характеристикам надежности ЭРЭ, ИС и др. составляющих конструкцию изделия с учетом условий эксплуата­ции.

Надежность электронной аппаратуры зависит от ее сложности и режи­мов эксплуатации. Поэтому одним из условий надежной работы ЭВС явля­ется правильность выбора режимов работы множества ЭРЭ и деталей, из ко­торых состоит изделие, качество изготовления, а также условий эксплуатации.

Рисунок 1 – Номограммы для определения произведения поправочных коэффициентов в случае учета коэффициента нагрузки K_H и температуры.

Вероятность безотказной работы за заданное время определяется:

,

Интенсивность отказов изделия:

,

где B – показатель степени, зависящий от вида и типа элемента

(В=3…5 – для конденсаторов, В=1…2 для других элементов).

Интенсивность отказов изделия, состоящего из m комплектующих эле­ментов, определяется:

где _i - интенсивность отказа i-го элемента;

,

Среднее время наработки на отказ изделия определяется:

,

Определяем коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС согласно схемы, используя формулы, приведенные в таблице 4:

Таблица 3 – Формулы для расчета коэффициентов нагрузки различных ЭРЭ

Элемент	Формула для определения Кн	Пояснение
Резистор	Кн=Рраб/Рном	Р– мощность
Диод выпрямительный	Кн=Uраб.обр/Uобр.махТУ	Uобр– обратное напряжение
Конденсатор	Кн=Uраб/Uном	U– напряжение
Цифровые интегральные ИМС Аналоговые ИМС	К^Iн=Iвых раб/Iвых мах К^Iн=Iвых раб/Iвых мах К^Pн=Pраб/Pмах	Iвых– выходной ток

Произведем расчет Р_раб и I_вых раб для резисторов и ИС соответственно, а для остальных элементов определяем рабочие параметры непосредственно по схеме:

Р_раб=U²/R

Р_раб1= U²/R=12²/5100=0.028(Вт);

Р_раб2= U²/R=(11,2)²/1050=0.119(Вт);

Р_раб3,6= U²/R=5²/2700000=0.000002(Вт);

Р_раб4,7= U²/R=4²/820=0.02(Вт);

Р_раб5= U²/R=5²/15000=0.002(Вт);

Р_раб8= U²/R=(4,2)²/1500000=0.000003(Вт);

Р_раб9= U²/R=2²/2000=0.002(Вт);

Р_раб10= U²/R=5²/68000=0.000003(Вт);

Р_раб11= U²/R=3²/3000=0.003(Вт);

Iвых раб=U/R

Iвых.раб1=5/1500000=0,003(мА);

Iвых.раб2=5/2700000=0,002(мА);

Iвых.раб3=5/150000=0,033(мА);

Iвых.раб4=5/15000=0,3(мА);

Iвых.раб5=5/150000=0,033(мА);

Iвых.раб6…17=5/150000=0,033(мА);

Расчет  следует проводить на основе ₀ - интенсивности отказов ЭРЭ в номинальных режимах и нормальных условиях эксплуатации без механиче­ских воздействий.

Данные и результаты расчетов сведены в таблице 4.

Таблица 4 – Данные и результаты расчетов интенсивности отказов ЭРЭ

Комплектующие изделия	Кол-во,N шт	10^-60, 1/ч	Кн	Эксплуатационный коэф. отказов а=i/o	10^-6, 1/ч	N10^-6, 1/ч
ИС К561ЛЕ5 К561ЛН2 К561ТМ2 К561ЛА8 К561ИЕ11 К561ИР9	1 1 2 1 8 4	0,013	0,12 0,12 0,1 0,025 0,1 0,1	0,4 0,4 0,6 0,4 0,3 0,3	0,0052 0,0052 0,0078 0,0052 0,0039 0,0039	0,0052 0,0052 0,0156 0,0052 0,0312 0,0156
Резисторы МЛТ0,125 820±10% МЛТ 0,125 1,05к±10% МЛТ 0,125 68к±10% МЛТ 0,125 2к±10% МЛТ 0,125 3к±10% МЛТ 0,125 5,1к±10% МЛТ 0,125 15к±10% МЛТ 0,125 1,5М±10% МЛТ 0,125 2,7Мк±10%	2 1 1 1 1 1 1 1 2	0,05	0,16 0,952 0,0002 0,016 0,024 0,224 0,016 0,0002 0,0001	0,4 1,8 0,25 0,25 0,25 0,4 0,25 0,25 0,25	0,02 0,09 0,0125 0,0125 0,0125 0,02 0,0125 0,0125 0,0125	0,04 0,09 0,0125 0,0125 0,0125 0,02 0,0125 0,0125 0,025
Конденсаторы К10-17 0,015 мкФ К10-17 0,47мкФ К10-17 3,6 мкФ К10-17 5,1 мкФ К10-17 24 мкФ К10-17 43 мкФ К10-17 100 мкФ К10-17 110 мкФ К10-17 680 мкФ	5 1 1 1 1 1 1 1 1	0,15	0,48 0,168 0,4 0,4 0,04 0,4 0,04 0,48 0,4	0,2 0,05 0,15 0,15 0,01 0,15 0,01 0,2 0,15	0,03 0,00075 0,0225 0,0225 0,0015 0,0225 0,0015 0,03 0,0225	0,15 0,00075 0,0225 0,0225 0,0015 0,0225 0,0015 0,03 0,0225
Транзисторы КТ3102ДМ	1	0,4	0,23	0,4	0,16	0,16
Соединения пайкой	331	0,0001	-	0,3	0,00003	0,0093

Суммарная интенсивность отказов:

Σ N= 0,7585510^-6 (1/ч)

Вероятность безотказной работы:

P (t)=exp (-t),

где t – время до отказа работы i – ого элемента

Рисунок 2 – Зависимость вероятности безотказной работы изделия от времени

Среднее время наработки на отказ изделия:

T_ср=1/_Σ

Т_ср=1/0,7585510^-6=1318304 (ч)

Вывод:

• Вероятность безотказной работы при заданном ресурсе и среднее время наработки на отказ удовлетворяет техническому заданию, следовательно, требования надежности выполняются.