Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Основы проектирования электронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

зуют для защиты от механических и атмосферных воздействий и усиления

конструкции. Каждое волокно снаружи имеет пластмассовые покрытия

(рис 6.21).

Сразу же после вытяжки на

стеклянное волокно наносится

тонкая (5-10 мкм) лаковая пленка

из эпоксидной смолы, ацетата и

т.п. Затем дается одно или двух-

слойное полимерное покрытие

(полиэтилен, нейлон).

Защитная наружная

оболочка чаще всего выполняется пластмассовой

из полиэтилена. Для подземной прокладки может выполняться из алюми-

ния с покрытием полиэтиленом от коррозии. Подводные кабели имеют

стальную круглопроволочную броню и полиэтиленовую оболочку герме-

тизации.

Демпфирующее заполнение выполняется в виде слоя из мягких порис-

тых материалов (например, пенопласт). Он амортизирует ОВ при внешних

механических воздействиях

и обеспечивает подвижность при изгибах ОК.

Волоконно-оптические системы передачи.

Наиболее распространенной волоконно-оптической системой связи яв-

ляется цифровая система с временным разделением каналов и импульсно-

кодовой модуляцией интенсивности излучения источника (рис. 6.22, 6.23).

Двухсторонняя связь осуществляется по двум волоконным световодам.

По одному световоду передается сигнал в направлении А-В, по другому в

направлении В-А.

Через определенные расстояния 5-50 км вдоль оптической линии

рас-

полагают линейные регенераторы (ЛР). В ЛР сигнал восстанавливается и

усиливается до требуемого значения.

Оптические кабели соединяются с передатчиком и приемником с по-

мощью разъемного соединителя. Для соединения ОВ могут применяться

неразъемные соединения (например, электрической дуговой сваркой или с

помощью стеклянной трубки с отверстием под клей).

Контрольные вопросы

Преимущества печатного монтажа.

Классификация печатных плат по конструкциям и технологическим

процессам изготовления.

Классификация печатных плат по точности и плотности печатных

проводников.

Требования к проектированию печатного монтажа.

Покрытие ОВ

Рис. 6.21. Конструкция ОК

Покрытие ОВ

5. Какие материалы используют для изготовления печатных плат?

Особенности печатных плат с поверхностно-плоскостным монта-

жом.

Правила оформления чертежа печатной платы.

Правила установки элементов на печатной плате.

Основные виды проводных и кабельных линий связи. Их отличи-

тельные особенности.

10.

Волоконно-оптические линии связи. Их достоинства и возможности

применения в ЭС.

11.

Основные типы световодов в волоконно-оптических линиях связи.

12.

Схемы волоконно-оптических систем передачи.

ЭОП – электрически-оптическое преобразование сигнала (светодиод,

полупроводниковый лазер);

ОЭП – оптически-электрическое (фотодиод);

СУ – согласующие устройства;

ИКМ – импульсно-кодовая модуляция;

ПК – преобразователь кода;

Р – регенератор.

Рис. 6.22. Схема волоконно-оптической связи

ОК

ИКМ

ПК

СУ

ЭОП

СУ

ОЭПР

ОК

ИКМ

ПК

Рис. 6.23. Канал волоконно-оптической системы связи

7. Основы защиты ЭС от тепловых нагрузок

7.1 Основные факторы и законы охлаждения

ЭС имеют невысокий КПД, а значит, большая часть потребляемой

энергии превращается в энергию тепловых потерь.

Тепловые потери вызывают перегрев элементов конструкции относи-

тельно температуры окружающей среды. Температура нагрева элементов

или прибора в целом может превысить допустимую температуру для ЭРЭ.

Поэтому возникают задачи расчёта температуры элементов и конструкции

в целом и

проектирования локальных и общих систем охлаждения.

Всякое нагретое тело отдаёт тепло и охлаждается за счёт 3-х основных

факторов:

- конвекции,

- излучения,

- теплопроводности (кондукции).

Конвекция.

Конвективно охлаждаются нагретые тела за счет движения газа или

жидкости, которые, нагреваясь, отбирают тепловую энергию.

Интенсивность теплового потока охлаждения при конвекции можно

оценить по закону Ньютона:

,)(Q

Stt

cк

⋅

−

⋅

где:

– интенсивность теплового потока, ккал/ч;

S – площадь поверхности нагретого тела, м

;

t – температура нагретого тела,

ОЭП УС

ЭОП

ОЭПУС

– температура окружающей среды,

– коэффициент конвекции жидкости или газа для охлаждения нагретого

тела, ккал/(ч

К).

Улучшить условия конвективного охлаждения можно за счёт несколь-

ких решений:

Увеличивают площадь поверхности нагретого тела (увеличение

площади происходит, прежде всего, за счёт ребрения поверхности).

Увеличивают коэффициент конвекции жидкости или газа.

Так для спокойного воздуха α

находится в пределах от 2 до 8

ккал/(час⋅м

⋅К).

Коэффициент α

(табл. 7.1) не однозначен, так как зависит от геомет-

рических размеров нагретого тела, его температуры и расположения плос-

костей. Поэтому в инженерных расчётах этот коэффициент уточняют до

конкретных значений исходя из особенностей устройства.

Таблица 7.1. Значения коэффициента конвекции жидкости или газа

Среда

, ккал/(час⋅м

⋅К)

Движущийся воздух 20…100

Спокойная жидкость 200…600

Движущаяся жидкость 1000…3000

Испарение жидкости 40000…120000

Увеличивать коэффициент конвективного охлаждения можно за счет

естественной вентиляции через применение перфорации, принудительной

вентиляции, жидкостного охлаждения с неподвижной или с подвижной

жидкостью или применяя испарение жидкости с нагретого тела.

Излучение.

Всякое нагретое тело излучает энергию. Интенсивность теплового по-

тока можно оценить по закону Стефана-Больцмана:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅=

час

ккал

100100

S – площадь поверхности нагретого тела, м

;

Т – температура нагретого тела, К;

– температура окружающей среды, К;

– коэффициент излучения абсолютно черного тела, ккал/(час⋅м

⋅К);

ε - степень черноты нагретого тела.

Улучшить условия охлаждения излучением можно за счёт следующих

решений:

1. Увеличивая площадь поверхности нагретого тела, например, вводя

ребра.

Увеличивая степень черноты поверхности нагретого тела за счет

увеличения шероховатости поверхности и окрашивания её в темные цвета,

лучше всего в черный цвет. Например, для полированной поверхности, ли-

бо поверхности металла после проката ε = 0,02…0,08. Для дерева, резины

и большинства окрашенных поверхностей ε увеличивается до 0,9 – 0,95.

При этом максимальное значение ε имеет для поверхности

, окрашенной в

черный матовый цвет.

Кондукция (теплопроводность).

Нагретое тело может отдавать тепло через теплопровод за счёт тепло-

проводности материала. Интенсивность теплового потока кондукцией

можно оценит по закону Фурье:

⋅

∆

⋅

где: S-площадь поперечного сечения теплопровода, м

; δ - длина теплопро-

вода, м; ∆t - разность температур нагретого и охлажденного концов тепло-

провода, К; λ - коэффициент теплопроводности материала, ккал/(час⋅м

⋅

C).

Значения λ для некоторых материалов приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2. Значения коэффициента теплопроводности материала

Материал

λ, ккал/(час⋅м

⋅

Медь 330

Алюминий 175

Сталь 50

Вода 0,5

гетинакс, прессованная бумага, фанера 0,1…0,2

воздух 0,02

Отсюда видно, что если ЭРЭ или ЭС большой мощности тепловых по-

терь размещены на диэлектрическом основании (например, на печатной

плате), то кондуктивное охлаждение практически отсутствует. Для улуч-

шения охлаждения таких элементов и устройств рекомендуют:

•

использовать для них теплопроводы из материалов высокой тепло-

проводности (алюминий, медь и др. металлы);

•

увеличивать площадь S теплопровода до возможных значений;

•

уменьшать длину δ теплопровода, размещая элемент с теплопрово-

дом на несущих конструкциях S, или использовать несущие конструкции в

качестве теплопровода;

•

увеличить перепад температур ∆t, охлаждая конец теплопровода.

7.2 Основы расчёта температуры перегрева

Уравнение теплового баланса.

Рис. 7.1. Схема корпуса прибора для составления уравнения теплового

баланса

Целью расчёта тепловых режимов является определение температуры

нагрева на элементах и средней температура нагрева прибора в целом при

заданных параметрах конструкции и условиях эксплуатации. Задача реша-

ется через уравнение теплового баланса мощностей P тепловых потерь с

мощностями охлаждения Q

, Q

. Составим уравнение теплового балан-

са для расчёта средней температуры t

нагрева корпуса прибора (рис. 7.1).

Так на корпусе прибора:

P = Q

+ Q

В случае, если прибор стоит на диэлектрическом основании и окружён

воздухом, то теплопроводность пренебрежимо мала и Q

можно пренеб-

речь. Тогда

Stt

cк

⋅−⋅+⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

= )(S

1001000,86

Т.к. α

зависит от геометрических размеров прибора и температуры его

нагрева, то уточним его значение по формуле

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅=

N – коэффициент, учитывающий расположение плоскости корпуса и, соот-

ветственно, интенсивность конвекции.

Коэффициент 0,86 учитывает соотношение единиц измерения мощно-

сти:

Мощность

Р, Вт

•

1Вт = 0,86 ккал/час.

Для боковых поверхностей N

= 1, нижней плоскости N

= 0,7, верхней

плоскости N

= 1,3.

– определяющий размер охлаждаемой плоскости. Для боковых плос-

костей L

= L

(высота), для верхней и нижней L

– узкая сторона.

А – коэффициент конвективного охлаждения, зависящий от температу-

ры, и геометрических размеров корпуса прибора выбирается из таблиц.

Таким образом:

()

S3,17,0

10010086,0

нбсо

−⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+⋅

+⋅+⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

В записанном уравнении теплового баланса коэффициент А зависит от

искомой температуры t. Поэтому такие уравнения решаются методом по-

следовательных приближений через построение тепловой характеристики

прибора.

Для построения тепловой характеристики задаются предполагаемой

температурой перегрева прибора ∆t

-t

, выбирают из таблиц коэффици-

ент А, подставляют в уравнение теплового баланса принятые значения и

рассчитывают мощность P

(рис. 7.2)

Рис. 7.2. Построение тепловой характеристики прибора

Т.к. тепловая характеристика нелинейная, то необходимо найти ещё

одну точку характеристики, задавшись новым значением перегрева ∆t

рассчитав новые значения мощности P

∆t

По тепловой характеристике для реального заданного значения мощно-

сти рассчитываются реальные температуры перегрева прибора.

7.3 Методы интенсификации охлаждения. Элементы локального ох-

лаждения

Для интенсификации локального охлаждения элементов конструкции

улучшают условия охлаждения за счёт теплопроводности, конвекции и из-

лучения.

Под мощные транзисторы или микросхемы предлагают теплопровод

(рис. 7.3). Теплопроводы выполняют из металла высокой теплопроводно-

сти, например, алюминий, но лучше из меди, однако следует учитывать,

что медь дороже и тяжелее алюминия.

Чтобы улучшить условия охлаждения

теплопроводом, увеличивают

площадь его сечения S, а также площади поверхности его охлаждения S.

Увеличить площадь теплопровода у транзистора можно его ребрением

(ребристый радиатор). Дополнительно увеличить площадь радиатора мож-

но, предлагая вместо рёбер игольчатую форму (игольчатый радиатор).

Под микросхемы с планарными выводами (тип корпуса 4) и под микро-

схемы со штырьковыми выводами (тип корпуса

2) предлагают шины теп-

лоотводящие, показанные на рисунках 7.3 и 7.4.

Рис. 7.3. Использование радиаторов и теплоотводящих шин

Толщина шин может быть

0,5…0,7 мм, что определяет-

ся максимально допустимым

зазором между микросхемой

и платой. Под шину на плату

печатную должна устанавли-

ваться диэлектрическая про-

кладка из стеклоткани прокладочной СП1 толщиной 0,1 мм. Прокладка

на

плату приклеивается клеем ВК-9. Микросхемы также приклеиваются к

шине теплоотводящей, что улучшает теплопроводность и повышает проч-

Рис. 7.4. Использование теплоотводящей

шины

ность конструкции. Эквивалентная схема теплоотвода от корпуса ИС в

этом случае имеет вид (рис. 7.5):

где R

– тепловое сопротивление клея,

рассчитываемое по формуле:

S⋅

где δ

, λ

, S

–параметры слоя клеевого

соединения, как участка теплопровода.

– тепловое сопротивление тепло-

отводящей шины, рассчитываемое по

формуле:

S⋅

где δ

, λ

, S

– параметры теплоотводя-

щей шины.

Так как теплопроводность клея λ

очень низкая, то тепловое сопротивле-

ние клееного соединения микросхемы получается соизмеримым с тепло-

вым соединением шины. Отсюда следует:

Необходимо исполнить клееные соединения малой толщиной клея

(не более 0,1 мм).

Увеличивают теплопроводность клея, применяя пасты с повышен-

ной теплопроводностью либо добавляя компоненты высокой теплопровод-

ности.

Тепловое сопротивление теплопровода нет смысла приближать к

нулю, увеличивая сечение S, а поэтому толщину теплопроводящих шин

ограничивают значением 0,5-0,6 мм. Для микросборок или корпусирован-

ных ИС в корпусе толщина теплопровода может быть увеличена до 1,8 мм.

Теплопроводящее основание представляет собой конструкцию тепло-

провода по всей плоскости печатной платы, в котором выполняются окна

под выводы

микросхем.

Улучшить условия охлаждения теплопроводом можно, уменьшая дли-

ну теплопровода от транзистора или микросхемы на корпус прибора, для

этого предлагают транзистор с радиатором установить не на печатную

плату, а на несущие металлические конструкции прибора. Лучше когда ра-

диатор с транзисторами используется в качестве несущей конструкции

устройства.

Значительно увеличить теплопроводность можно

с помощью тепловых

труб – стержней, тепловое сопротивление которых близко к нулю.

Рис. 7.5. Эквивалентная схема

теплоотвода

ИС

7.4 Общие системы охлаждения

Общие системы охлаждения предназначены для охлаждения приборов

и устройств в целом. Приборы и устройства ЭС могут исполнятся даже в

герметичном корпусе и охлаждаться естественным путём, если удельная

поверхность охлаждения S

уд

= S/P более 90 см

/Вт. В этом случае удельная

мощность тепловых потерь: Pуд = P/V не более 10…15 Вт/дм

Если указанные условия не выполняются и

удельная поверхность

меньше чем 90 см

/Вт, то необходимо предлагать общую систему охлаж-

дения. Самым простым способом интенсификации охлаждения является

естественная вентиляция. Естественную вентиляцию внутри прибора мож-

но обеспечить, если предложить перфорацию корпуса. Для улучшения

конвективного охлаждения электрорадиоэлементов рекомендуется верти-

кальная компоновка плат параллельно, либо перпендикулярно передней

панели прибора. Количество перфораций определяется оптимальным ко-

эффициентом перфораций (рис. 7.6)

/S,

где S

- суммарная площадь перфораций поверхности, а S – площадь по-

верхности.

- интенсивность теплового потока охлаждения конвекцией,

Q- общая мощность тепловых потерь.

Рис. 7.6. Зависимость эффективности охлаждения от коэффициента

перфораций

Из графика видно, что для герметичного корпуса (К

=0) интенсивность

конвекции охлаждения составляет 40% от общих тепловых потерь. Пред-

0 0,1 0,2 0,3 0,4

0,7

0,6

0,5

0,4