Расчет теплового режима с изделия ЭС

В качестве элемента с повышенным тепловыделением возьмем микросхему КР1040УД1.

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. 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. Наиболее эффективные радиаторы игольчато-штыревые.

Исходными данными при проектировании и выборе радиатора являются:

рассеиваемая элементом мощность Р =35 Вт;

температура окружающей среды t₀ =25 С°;

внутреннее тепловое сопротивление R_вн = 1,35 К/Вт,

Тепловая модель элемента и радиатора представлена на рисунке 6.

 

Рисунок 6. Тепловая модель элемента с радиатором.

1 - элемент (ЭРЭ, ИС);

2 - площадь теплового контакта;

3 – радиатор

 

Порядок расчета:

1. Определим допустимый нагрев контакта микросхемы с радиатором:

 

t_k-t₀=(t_p-t₀)-P(R_вн+R_k), где R_k ≈ 1,2*10^-4 S_k

 

где S_k — площадь контактной поверхности, м².

 

t_k-t₀=(160-25)-35* (1,35+1,2*10^-4/65,5*10^-6)= 16,4 К.

 

2. Определим средний перегрев основания радиатора в первом приближении:

 

∆t_S=0,83(t_k-t₀)=0.83* 16,4= 11,61 К.

 

3. Выберем игольчато-штыревой радиатор с параметрами: h=10мм, S_Ш=2мм, d=2мм.

4. Находим по соответствующему графику коэффициент эффективной теплоотдачи выбранного радиатора при ∆t_S=15К: α_ЭФ=58 Вт/(м*К)

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

 

∆t_Sо = ,

Где

 

,

 

 α_ЭФS_p/d δ_Р, где δ_p —толщина основания радиатора.

Тогда, используя эти данные, получим:

 

B= 58* 65,5*10^-6 /(208* 2* 10^-3) =9,1*10^-3 .

0,078

S_p= p/ (α_ЭФ*∆t_S).

S_p = 0,078/ (58*14,79) = 0,91*10^-4

∆t_Sо =12,34 К

 

6. Уточняем площадь основания радиатора:

 

S_po = p/( α_ЭФ* ∆t_Sо);

м².

 

Расчет надежности

Теория надёжности – научная дисциплина, её цель – выяснение условий получения высокой надёжности изделий ЭВС при наименьших материальных, финансовых и трудовых затратах.

Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах и условиях применения данного изделия.

Надежность закладывается в изделие в процессе проектирования и производства и обеспечивается в процессе эксплуатации.

Часто под надёжностью понимают безотказность изделия.

Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени изделие работоспособно. Под вероятностью безотказной работы за время t понимают вероятность вида:

 

P (t)= Вер {T>t} ,

где t - заданное время безотказной работы изделия

T - прошедшее время.

Вероятность отказа равна Q(t) = 1 – P ( t )

Зависимость вероятности от времени есть функция надёжности.

Она распределена по экспоненциальному закону:

 

P (t) = EXP ( -  t_изд) ,

 

где  - вероятность отказа.

 

T_{без.раб.}=1/ ,

 

где  - суммарная вероятность отказов.

Коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС определяем, используя формулы, приведенные в таблице 4.

 

Таблица 4.

Элемент	Формула для определения Кн	Пояснение
Резистор	Кн=Рраб/Рном	Р– мощность
Конденсатор	Кн=Uраб/Uном	U– напряжение
Цифровые интегральные ИМС Аналоговые ИМС	КIн=Iвых раб/Iвых мах КIн=Iвых раб/Iвых мах КPн=Pраб/Pмах	Iвых – выходной ток
Элементы коммутации низковольтные (U<3000)	Кн=Iраб/Iном	I – ток через контакт

 

Выбирем ориентировочные интенсивности отказов элементов λ0 при номинальных значениях таблицы 5:

 

Таблица 5.

Элемент	λ0*10-6 1/час	Элемент	λ0*10-6 1/час
Транзистор до 2квт - до 20квт - до 200квт	0,4 0,6 0,7	Диоды Ge	0,157 0,2 0,25
		Диоды Si
		Реле
Резисторы	0,05	Интегральные схемы средней степени интеграции	0,013
Конденсаторы -бумажные -керамические	0,05 0,15	МПК; БИС	0,01

 

Данные и результаты расчетов сведены в таблице 6.

 

Таблица 6.

Наименование ЭРЭ и ИС	Количество элементов		Kн
ИС КР1157ЕН602А К561ТЛ1 К561ИЕ11 КР1040УД1	1 1 1 1	0,013 0,013 0,013 0,013	0,46 0,57 0,46 0,6	0,006 0,009 0,006 0,0097	0,006 0,009 0,006 0,0097
Диоды КД521Д	1	0,2	0,3	0,042	0,168
Стабилитроны КС147Г	1	0,16	0,42	0,088	0,088
Конденсаторы К50-15 К50-6 К53-1	1 1 1	0,15 0,15 0,12	0,67 0,67 0,66	0,6 0,6 0,84	2,4 2,4 0,84
Резисторы МЛТ-0,125 МЛТ-0,5	13 1	0,05 0,05	0,6 0,6	0,06 0,06	1,2 1,2
Транзисторы КТ361В КТ829Г	1 1	0,84 0,84	0,42 0,42	0,59 0,59	0,59 0,59

 

По исходным данным произведём расчёты.

Суммарная интенсивность отказа:

Среднее время наработки на отказ изделия:

 

T_ср = 1 / 4,63*10^-6 = 191325 ч.

 

Вероятность безотказной работы при ресурсе t=100000 ч:

 

P(t)=exp(-4,63×10^-6×100000)=0,78

Вывод: вероятность безотказной работы при заданном ресурсе и среднее время наработки на отказ удовлетворяет техническому заданию, следовательно, требования надежности выполняются. Данное устройство будет безотказно работать в течение 191325 часов. Это является отличным показателем для данного типа устройств.

Заключение

 

В ходе работы был разработан стабилизатор напряжения и комплект конструкторской документации на него. Полученные данные полностью удовлетворяют техническому заданию. Была разработана печатная плата размером 55x70 мм с шагом координатной сетки – 2,5 мм. Паразитные параметры печатных проводников не превышают заданных для данного типа ИМС и не оказывают негативного влияния на работу устройства. Параметры надежности удовлетворяют техническому заданию. Устройство устойчиво к воздействию заданных внешних факторов.

В данной курсовой работе был проведен анализ электрической принципиальной схемы (Э3) (см. приложение А.). На основании Э3 было составлено техническое задание и проведен его анализ. Проведен конструкторский анализ электрической принципиальной схемы, в результате чего были найдены аналог устройства, сравнив с ним выяснили что разрабатываемое устройство не только не уступает аналогу, но и превосходит его по некотором показателям. Также было выбрано наилучшее расположение элементов на печатной плате.

В результате расчета печатной платы, были рассчитаны наилучшие габариты печатной платы и наилучшее заполнение печатной платы (максимальная плотность k_з =0,52) (см. приложение Б).

 

Список использованной литературы

1. Иванов Б.С. Энциклопедия начинающего радиолюбителя: Описание практических конструкций. – М.: Патриот, 1994, 416 с., ил.

2. Конденсаторы. Справочник. Под ред. Четверткова И. И. — М.: Радио и связь, 1993.

3. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник, т.5. — М.: РадиоСофт. 2000.

4. Парфенов Е. М. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. Учебное пособие для вузов. — М.: Солон, 1996.

5. Преснухин Л. Н., Шахнов В. А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. — М.: Высшая школа, 1986.

6. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. Под ред. Романычевой Э. Т., — М.: Радио и связь, 1989.

7. Резисторы. Справочник. Под ред. Четверткова И. И. — М.: Радио и связь, 1989.