Гост 15150-69

Для изделий с естественным воздушным охлаждением температура внешней среды – это температура среды на уровне расположения РЭА.

3. Относительная влажность воздуха

Отношение кол-ва водяного пара при данной температуре в данном объёме к их максимальному количеству.

4. Абсолютная влажность

Кол-во водяного пара в 1м³

5. Точка росы

Температура, при которой наступает пересыщение (влажность = 100%)

6. Осадки

Бывают жидкие (дождь, роса, туман) и твёрдые (снег, град, иней)

Возникают вследствие охлаждения ниже точки росы.

Капельки малых размеров – туман – висят в воздухе при охлаждении поверхности земли охлаждаются и образуют росу. Если Т<<Т росы, то образуется снег, град или иней.

7. Ветер

Горизонтальное движение воздуха, которое характеризуется направлением и силой. Наличие твёрдых или газообразных примесей существенно влияет на характер воздействия воздушной среды на РЭА.

8. Пыль

- до 20 мкм – тонкая пыль

- более 20 мкм – грубая пыль

9. Плесневые грибки

Способны разлагать высокомолекулярные естественные (древесина) и искусственные (пластмасса) соединения и нарушать работу РЭА.

Макроклиматические районы

1	Для районов с умеренным климатом	У
2	Умеренный и холодный климат	УХЛ
3	Влажный тропический климат	ТВ
4	Сухой тропический климат	ТС
5	Влажный тропический и сухой тропический	Т
6	Для районов на суше, кроме районов с очень холодным климатом	О
7	Умеренно холодный морской климат	М
8	Тропический морской климат	ТМ
9	Умеренно-холодный и тропический морской климат	ОВ
10	Во всех районах	В

Укрупнённые категории		Дополнительные категории
Характеристика	Обозначение	Характеристика	Обозначение
Для эксплуатации на открытом воздухе	1	Для хранения в процессе эксплуатации в помещениях категории 4 и работы как в условиях категории 4, так и (кратковременно) в других условиях, в т.ч. на открытом воздухе	1.1
Для эксплуатации под навесом или в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ к наружному воздуху (палатка, кузов), а также изделия категории 1 в оболочке, при отсутствии прямого воздействия солнечного излучения и осадков.	2	Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплексных изделий категории 1, 1.1, 2, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах.	2.1
Для эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности, а также воздействие песка и пыли меньше, чем на открытом воздухе.	3	Для эксплуатации в нерегулярно отапливаемых помещениях.	3.1
Для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями (закрытые отапливаемые и вентилируемые производственные помещения).	4	Для эксплуатации в помещениях с кондиционируемым или частично кондиционируемым воздухом.	4.1
		Для эксплуатации в лабораторных, капитальных, жилых и др. помещениях подобного типа.	4.2
Для эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью (невентилируемые подземные помещения, в т.ч. шахты, подвалы, почва, судовые, корабельные и др. помещения), в которых возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги.	5	Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри компактных изделий категории 5, конструкция которых исключает конденсацию влаги на встроенных элементах	5.1

Воздействие ветра и гололёда

(Для РЭА вне помещений и укрытий)

При оледенении увеличиваются поперечные размеры и масса элементов, что приводит к росту аэродинамических и механических нагрузок.

При расчёте прочности элементов РЭА широко используется метод эквивалентных нагрузок, основанный на обработке графиков загрузки этих элементов во времени.

Гололёдно-ветровая нагрузка определяется как геометрическая сумма ветровой горизонтальной и гололёдной вертикальной нагрузок.

Воздействие влаги, пыли, солнечной радиации и биологических факторов

Воздействие влаги на металлы и изоляционный материал имеют разную природу, но один и тот же результат – разрушение исходной структуры материала (в металле за счёт коррозии, а в изоляционных материалах за счёт влагопоглощения). Влага является причиной и различных побочных явлений, увеличивающих дестабилизирующее влияние пыли и биологических факторов.

Влияние влаги на изоляционные материалы определяется отсутствием изоляционных пластмасс, которые могут противостоять воздействию влаги. Низкокачественные изоляционные материалы с макроскопическими порами или трещинами поглощают влагу за счёт капиллярных эффектов. В высококачественных изоляционных материалах определяющим фактором является диффузия.

Диффузия – процесс поглощения вещества (воды) изоляционным материалом до полного уравновешивания давления в окружающей среде и изоляционном материале, после чего процесс поглощения влаги прекращается.

Проникновение водяных паров включает в себя 3 стадии:

1. Проникновение влаги через поверхность со стороны повышенной концентрации влаги.

2. Диффузия от наружной поверхности плёнки к внутренней.

3. выход влаги через внутренние поверхности плёнки.

Процесс диффузии определяется в основном свойствами, формой и размерами изолируемой детали. Процесс проникновения зависит от концентрации частиц вне корпуса и внутри корпуса.

Песок и пыль

Максимальная опасность исходит не от крупных частиц пыли и песка (у них меньше острых граней), а от мелких, взвешенных в атмосфере с величиной зерна 1-40мкм.

Попадание мелких частиц песка и пыли в подшипник выводит его из строя. В контактах это препятствие нормальной работе реле и переключателей.

На поверхности изоляционных материалов – паразитная проводимость.

На поверхности металлических деталей – приводит к стиранию защитной поверхности и последующей коррозии.

В тропических условиях пыль может быть питательной средой для плесневых микроорганизмов.

Пыль в пустыне более твёрдая и абразивная.

При значительной запыленности, повышенной температуре пыли, наличии кислорода и источника энергии – пыль взрывоопасна.

Оптисальные условия работы РЭА – это обеспыленная среда с постоянной температурой.

Солнечная радиация

Различают 2 группы воздействия:

-фотолитическая. Фотолитическое воздействие характеризуется избирательным поглощением солнечных лучей. Воздействие фотонов приводит к отрыву фотоэлектронов и разрыву молекулярных связей, следствием чего является изменение цвета ряда полимерных материалов, хрупкости, нарушению лакокрасочных покрытий нарушение прочности.

-фотоокислительная. Фотоокислительное воздействие – это разрыв химических связей при определённом воздействии излучения, кислорода, воздуха и влаги. Как результат – ускорение процессов коррозии.

Перегрев РЭА до 25-30град. От поглощения энергии происходит за счёт воздействия излучения солнца, излучения, рассеянного и отражённого атмосферой, тёплых слоёв воздуха, излучения от грунта.

Биологические факторы

К биологическим факторам относят:

-плесневые грибки. Основное условие образования – высокая влажность (80-100%), наличие питательной среды и малая освещённость. Изоляционные материалы на основе целлюлозы при воздействии плесневых грибков ухудшают свои механические и электрические параметры и могут разрушаться.

-насекомые. Редко повреждают РЭА, самыми опасными являются термиты (в тропических условиях). Наиболее эффективная защита от термитов это бетонный фундамент, пропитка деревянных материалов и специальная пластмасса, специальные пропитки ядом от термитов.

Опасность летающих насекомых в том, что они летят на источники тепла и света. В связи с этим вентиляционные и другие отверстия следует закрывать мелкой сеткой.

-грызуны. Повреждают кабели и пластмассовую и неармированную резиновую изоляцию. Для защиты применяют стальную оплётку, но обычно повреждение не превышает 2%.

Воздействие полей СВЧ

В электромагнитном поле СВЧ ряд определённых свойств материалов существенно изменяется за счёт поверхностного (скин) эффекта. Уменьшается проводимость металлов и сплавов.

За счёт поляризации изменяется диэлектрическая проницаемость, увеличиваются диэлектрические потери, следовательно, свойства материала ухудшаются.

За счёт гиромагнитного эффекта изменяется магнитная проницаемость ферритов.

Металлические материалы в СВЧ используются в качестве проводниковых поверхностей.

Поверхностный эффект – уменьшение плотности тока СВЧ в направлении от поверхности внутрь проводника по экспоненциальному закону. Глубина проникновения зависит от длины волны СВЧ поля.

Потери энергии СВЧ определяются величиной удельного активного сопротивления:

Где - электропроводность материала.

Проводимость материала зависит от вида обработки токонесущих поверхностей.

При выборе способа обработки токонесущей поверхности следует учитывать, что после чистовой механической обработки образуется поверхностный слой толщиной до десятков мкм с размельчёнными до 0,01мкм зёрнами металла. Такой слой будет …

Диэлектрические материалы широко используются в качестве заполнителей, герметиков, покрытий, поглотителей мощности.

Для миниатюризации устройств СВЧ их заполняют титановыми соединениями, имеющими более высокие значения диэлектрической проницаемости.

Ферриты используются для создания различного рода устройств СВЧ (модуляторы, переключатели и др.).

Ферриты – это твердые хрупкие материалы с механическими свойствами близкими к керамике.

По химическим свойствам ферриты можно разделить на :

-никелевые

-бариевые

-магниевые и др.

К основным параметрам ферритов относятся :

-ширина линии ферромагнитного резонанса – 2дН

-намагниченность при насыщении – I

- относительная диэлектрическая проницаемость – эпсилон

-угол диэлектрических потерь – тангенс тетта

-точка кюри – O’

-магнитная индукция – В

-остаточная магнитная индукция – В1

-коэрцитивная сила – Н

-относительная магнитная проницаемость – мю

-удельное электрическое сопротивление

Никелевые ферриты используются в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн, обладают высокой термостабильностью.

Основной недостаток – большие потери.

Магниевые ферриты применяются в сантиметровом диапазоне. Т.к. длина волны больше, то нагреваются они сильнее, следовательно, термостабильность у них ниже. Обладают малыми магнитными и диэлектрическими потерями, высоким коэффициентом прямоугольности.

Магниевые ферриалюминаты используются в длинноволновой части диапазона, характеризующимся малыми значениями индукции при насыщении.

Основной недостаток – низкая термостабиоьность.

Никелевые феррохромиты – применяются в резонаторах, устойчивых к высокому уровню мощности.

Иттриевые феррогранаты используются в низкочастотной области СВЧ.

Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение – любое излучение, при воздействии с которым происходит процесс ионизации среды.

Излучение делится на:

1. первичное – приходит от источника излучения

2. вторичное – излучается облучённым материалом

Ионизирующие излучения могут быть электромагнитными в виде гамма- и рентгеновского излучения, корпускулярными в виде потока частиц с массой покоя от нуля (альфа и бета излучение)

Ионизирующее излучение характеризуется:

-полем

-потоком ионизирующих частиц (Фн)

-плотностью потока (фи-н)

-поток энергии (Фии)

-плотность потока энергии (фи-ии)

-перенос ионизирующих частиц (Fн)

-перенос энергии (Fии)

Поток ионизирующих частиц

dN – число ………………………………………………..

всякие формулы

……………………………………………………………..

Взаимодействие ионизирующего излучения со средой оценивается поглощённой дозой D и мощностью поглощённой дозы P

…………………..опять формула………………………..

Наиболее опасным для работы устройств является гамма и рентгеновское излучение. Опасность состоит в том, что они приводят к необратимым последствиям – устройства выходят из строя.

При рассмотрении ионизирующего излучения вводятся следующие понятия:

Радиационный эффект – это изменение значений параметров изделий и материалов в результате воздействия ионизирующего излучения.

Ионизационный эффект – радиационный эффект, обусловленный ионизацией и облучением атома вещества.

Радиационный дефект – дефекты, вызванные воздействием радиации, которые могут иметь обратимый и необратимый характер.

Радиационный разогрев – появление дефектов под воздействием излучения, связанное с разогревом материала.

При воздействии гамма излучения наблюдается увеличение носителей заряда, что влечёт к увеличению проводимости как проводников, так и диэлектриков и полупроводников.

Влияние ионизационного излучения на материалы

Наиболее устойчивыми к ИИ являются металлы. Им свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики слабо зависят от дефектов. При высоких дозах ИИ у металлов возрастает пластичность (текучесть)

Наиболее радиационно-стойкими являются электротехнические стали и магнитные материалы.

Некоторые металлы, такие как цинк, кобальт, марганец, при облучении могут быть источниками вторичного излучения. Это связано с физико-химической структурой материалов.

Наиболее уязвимы к ИИ – органика и полупроводники.

У полупроводниковых материалов изменяется время жизни носителей зарядов и их подвижность.

У органических материалов изменяются механические свойства – изменяется текучесть, изменяется тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость.

Влияние ИИ на резисторы

При воздействии на резисторы могут возникать как обратимые, так и необратимые изменения сопротивления. Может увеличиваться уровень шумов и улучшаться влагостойкость материала.

Основные причины выхода из строя резисторов – деградация электрофизических характеристик резистивного или влагоустойчивого материала.

Гамма-излучение как правило вызывает обратимые изменения. При воздействии поля его резистивность уменьшается, но при снятии поля его характеристики восстанавливаются.

Наиболее устойчивыми к ИИ являются керамические и проволочные резисторы.

Наименее устойчивые – органические и плёночные.

Влияние ИИ на конденсаторы

-изменение тангенса диэлектрических потерь

-изменяется ёмкость

Основные причины – преобразования в структуре диэлектрика, ионизация диэлектриков и выделение газов.

Наиболее стойкие к излучению конденсаторы с неорганическим диэлектриком: керамические, стеклоэмалевые, слюдяные. Время восстановления для таких конденсаторов менее двух часов.

Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые) обладают пониженной устойчивостью к излучению. Причиной этого является разложение полимерных материалов. Время восстановления составляет 200-300ч (причём восстановление не полное).

Электролитические конденсаторы при облучении ненадёжны, отмечаются случаи разгерметизации и разложения электролита.

Наиболее устойчивые из интегральных тонкоплёночных конденсаторы на основе Al₂O₃.

Влияние ИИ на полупроводники.

Воздействие излучения служит причиной обратимых и необратимых дефектов.

Ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объёме полупроводника избыточного заряда.

Для германиевых диодов время восстановления – несколько дней.

В случае транзисторов радиационная стойкость определяется деградацией коэффициента передачи по току, причиной которого являются эефекты.

Влияние ИИ на интегральные микросхемы.

Действие излучения проявляется в обратимых нарушениях работоспособности, вызванных ионизационными эффектами, и в необратимой деградации параметров (истощение плёнок, диффузия, миграция атомов плёнок).

Причина нарушения: изменение параметров у входящих в микросхему элементов, повреждения межсоединений, ухудшение качества изоляции.

Конструктивно-технологические методы повышения стойкости:

1. Обеспечение стойкости к излучению активных (перобразуют входной сигнал) и пассивных (конденсаторы, резисторы) элементов.

2. Создание надёжной изоляции.

3. Использование радиационно-стойких проводящих и диэлектрических пассивирующих материалов (оксидные плёнки, стойкие к излучению).

4. Ослабление излучения за счёт рационального выбора конструкции корпуса и применения материалов, поглощающих энергию излучения.

Физико-математические основы конструирования РЭС

Общие положения

При анализе и синтезе конструкций РЭА чаще всего необходимо представлять исходные материалы в виде графических и знаковых моделей (рисунки и графики, формулы и таблицы).

График – это двух- или трёхмерное изображение двух или трёх групп параметров в виде одной или семейства линий или поверхностей.

График обладает наивысшей степенью наглядности. Значения параметров могут быть как качественными, так и численными.

Уравнение – символьная запись связи многих групп параметров.

Формула – символьная запись ограниченного числапараметров для конкретной системы единиц, часто включающих в себя какие-то системы единиц.

Формулы обладают наивысшей степенью определённости, но пригодны в узкой области.

Таблица – форма записи числовых значений взаимосвязанных параметров. Составляется по экспериментальным данным либо по результатам вычислений.

Графически наиболее распространёнными являются 3 системы координат:

1. Декартова

2. Цилиндрическая

3. Сферическая (двух- и одномерные случаи)

В номограммах и сложных графиках используются косоугольные и криволинейные системы координат (параболические и др.)

Оптимальный выбор графических или знаковых моделей и их пространств отображения позволяет дать наиболее компактное и наглядное представление о конструкции.

Методы теории подобия и моделирования (ТПМ)

МТП решает следующие задачи:

1. Обобщение результатов ограниченного числа опытов с получением на их основе достоверной математической модели

Процесс изучения системы

Качественное исследование системы

Обобщение разрозненных данных

Нахождение закономерностей

Создание математической модели

Наиболее доступные методы ТПМ:

- анализ размерностей

- пи-теорема

- метод подобия

- физическое моделирование

Анализ размерностей

В общем виде результат измерения можно представить как совмещение пространства размерностей с данной конструкцией.

Если свойства конструкции совпадают с соответствующими осями координат, то получаем безразмерное описание, если нет – вводятся дополнительные производные величины.

Вопрос о характере и числе единиц решается на основе целесообразности или удобства использования, при этом стоит помнить, что перевод из одной системы в другую связан с введением коэффициентов пропорциональности.

Основные размерности определены в системе СИ:

Длина – м

Время – с

Сила тока – А

Сила света – Кд

Температура - К

Зная размерности основных и производных величин можно проверить их правильность, определив размерность правой и левой части.

Пример:

Нахождение размерности для единицы расстояния S

S=м

V₀=м/с

Пользуясь анализом размерности можно определить вид функциональной связи параметров

Пи-теорема

Теорема лежит в основе анализа размерностей.

Суть теоремы:

Если имеется функциональная зависимость n размерных параметров

F(q1,q2,..,qn)=0

То ей всегда соответствует эквивалентное соотношение m безразмерных параметров

Пи-теорема даёт возможность описать конструкцию не только в пространстве первичных параметров, но и вторичных.

Условия применения пи-теоремы:

В исходный список параметров должны быть включены все определяющие конструкцию величины, т.к. на промежуточных этапах анализа пи-теорема не позволяет этого сделать.

Число основных размерностей выбирается самым тщательным образом. Для упрощения желательно, чтобы в каждой обобщённой характеристике была только одна зависимая величина.

Метод подобия

Метод включает 2 теоремы, устанавливающие условия подобия и закон моделирования систем, принадлежащих заданному классу исследований.

1 теорема: У подобных явлений определённое сочетание параметров, в виде критерия подобия, одинаково.

2 теорема: Необходимым и достаточным условием подобия реальной системы и её модели является пропорциональность всех сходных характеристик.

Это означает, что если в совокупность граничных характеристик включаются граничные условия, то они должны быть подобны.

В соответствии с 1-ой теоремой признаками подобия физических систем является подобие отношений свойств материалов, сил, энергий и т.д.

Если исходная информация о конструкции неполная, неизвестно математическое описание или метод его решения, недостаточно изучено физическое содержание процесса, то одним из эффективных способов является модельный эксперимент.

В этом случае последовательно определяют основные процессы, подлежащие моделированию, законы и масштабы моделирования, требования к установке для моделирования и оценки точности для моделирования.

При моделировании необходимо учитывать следующие дополнения:

- сложные системы будут подобными, если составные части этих систем подобны;

- основные теоремы подобия оказываются справедливыми для нелинейных систем, если их безразмерные нелинейные характеристики совпадают.

- условия подобия однородных систем могут быть распространены на моделирование систем, если неоднородность сравниваемых систем одинакова.

Обобщающие модели конструирования РЭА

Преобразования, определяющие физический эффект работы и конструкции РЭА

РЭА и её элементы можно представить в виде преобразователей, соединённых в сложные структуры с помощью различных связей (динамические, электрические, магнитные).

P1

P2

В основу обобщающих физических моделей можно положить эффект преобразования. Для создания внутренней структуры конструкции или преобразователя необходимо элементы соединить так, чтобы эффект преобразований был максимальный, а структура преобразователя сохраняла свои свойства в течении заданного времени.

П

1

реобразователи можно разделить на:

- динамические (активные) (ПА);

-

5

статические (пассивные) (ПП).

С

4

хема активного преобразователя:

\

РЭА – это сложный ПА, который включает в себя источник энергии (1), потребитель энергии (2), потребитель энергии, бесполезно теряемой преобразователем (окружающая среда) (3), ПА (4), источник энергии управления преобразователем (5).

Обобщающая физическая модель РЭА

РЭА состоит из множества ПП и ПА соединения которых можно представить в виде:

1

dW, dm=0

∑∑

2

Дельта – ПП

Квадрат – ПА N – число внешних связей

Часто для упрощения N=1 и исследуют влияние каждой связи по отдельности.

Положим N=1, тогда многогранник 1..N можно представить в виде РЭА (границ ядра) и полупрозрачной для определённых воздействий оболочки (в виде кожуха).

Определяющими параметрами модели будут:

- энергия W

- масса m, содержащаяся в общем объёме V

- толщина оболочки (дельта мал) и её сечение S

- физические характеристики материала ядра и оболочки.

Всё это – модель первого рода.

Данную модель можно использовать для расчётов энерго-массопереноса, при расчёте электромагнитных экранов, при расчёте способов защиты от радиации, при расчётах герметизации устройства, при расчёте от механических и акустических воздействий и т.д.

Здесь определяющим конструкцию параметром является обобщённая проводимость оболочки.

Модель второго рода

Если в модели первого рода полупрозрачную оболочку заменить непрозрачной, ввести абсолютно прозрачные контакты и сложную структуру ядра из двух частей разной физической природы, то получим модель второго рода.

Модель второго рода используется для расчётов эффектов преобразования.

Она позволяет рассмотреть конструкцию, элементы РЭА в целом в виде преобразователей, определить условия получения максимального КПД и оценивать качество конструкции РЭА и её частей.

29.09.2010

Модель 3го рода

Отличие от модели первого рода заключается в увеличении толщины полупрозрачной оболочки.

Если увеличить толщину оболочки, то можно добиться того, что по границе поверхности эффект энерго-массо переноса будет столь незначительным, что в каких-либо задачах можно приравнять

dW=0

dm=0

Такая модель используется при решении компоновочных задач.

Модель четвёртого рода

Наличие связи между элементами конструкции требует рассмотрения простейшей модели связи двух элементов.

Эта модель представляет собой совокупность моделей 1 и 2 и 3 го рода и наличие связей между ними.

Такая модель используется при анализе и расчёте параметров в системе «человек-машина»

m₁ V₁

m₂ V₂

Структура РЭА можно рассмотреть также с позиции памяти и сложности.

Структурная сложность конструкции оценивается числом элементов и их внутренними и внешними связями.

Мерой структурной сложности является отношение площади элемента к его периметру и число элементов на единицу площади или объёма.

Под памятью понимается зависимость данного макроскопического состояния от состояния в более ранние моменты времени.

Принципы описания конструкций в обобщённых параметрах

Все воздействия на элементы конструкции принято описывать как результат действия некоторых сил.

При этом оперируют понятиями обобщённых координат, по которым в данной конструкции происходят изменения. Такими величинами в статических механических элементах являются длина, угол поворота, площадь, объём и т.д.

Рассмотрим конструкцию в виде упрощённой модели первого рода с однородной структурой, которая характеризуется внутренней энергией W и обобщённой координатой Е.

Справедливо утверждение:

W=f(E)

x – обобщённая сила

с – обобщённая жёсткость системы

При рассмотрении модели второго рода:

Законы энерго- и массопереноса

где σ=1/z.

т.к. х – обобщённая сила, имеющая векторный характер, то

Отсюда обобщённая форма переноса:

в частном случае он записывается: