ОГЛАВЛЕНИЕ
Техническое задание
Подбор элементной базы
Расчет теплового режима блока
Расчет массы блока
Расчет собственной частоты ПП
Расчет схемы амортизации
Расчет надежности по внезапным отказам
Литература
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
1. Назначение аппаратуры.
Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд. Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС.
2. Технические требования:
а) условия эксплуатации:
- температура среды tо=30 оC;
- давление p = 1.33 × 104 Па;
б) механические нагрузки:
- перегрузки в заданном диапазоне
f, Гц
10
30
50
100
500
1000
g
5
8
12
20
25
30
- удары u = 50 g;
в) требования по надежности:
- вероятность безотказной работы P(0.033) ³ 0.8.
3. Конструкционные требования:
а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой;
б) мощность в блоке P £ 27 Вт;
в) масса блока m £ 50 кг;
г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71;
д) тип амортизатора АД -15;
е) условия охлаждения - естественная конвекция.
ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то к нему предъявляются следующие требования:
· высокая надежность;
· высокая помехозащищенность;
· малая потребляемая мощность;
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры.
Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40 .45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю.
Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики: дополняющие МОП-структуры). Конкретно были выбраны две микросхемы:
· К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ;
· К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ.
Параметр
К176ЛЕ5
К176ЛА7
Входной ток в состоянии “0”, Iвх0, мкА, не менее
-0.1
-0.1
Входной ток в состоянии “1”, Iвх1, мкА, не более
0.1
0.1
Выходное напряжение “0”, Uвых0, В, не более
0.3
0.3
Выходное напряжение “1”, Uвых1, В, не менее
8.2
8.2
Ток потребления в состоянии “0”, Iпот0, мкА, не более
0.3
0.3
Ток потребления в состоянии “1”, Iпот1, мкА, не более
0.3
0.3
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р1,0, нс, не более
200
200
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р0,1, нс, не более
200
200
Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации
Напряжение источника питания, В
5 - 10 В
Нагрузочная способность на логическую микросхему, не более
50
Выходной ток Iвых0 и Iвых1, мА, не более
0.5
Помехоустойчивость, В
0.9
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА
Исходные данные:
Размеры блока:
L1=250 мм L2=180 мм L3=90 мм
Размеры нагретой зоны:
a1=234 мм a2=170 мм a3=80 мм
Зазоры между нагретой зоной и корпусом
hн=hв=5 мм
Площадь перфорационных отверстий
Sп=0 мм2
Мощность одной ИС
Pис=0,001 Вт
Температура окружающей среды
tо=30 оC
Тип корпуса
Дюраль
Давление воздуха
p = 1.33 × 104 Па
Материал ПП
Стеклотекстолит
Толщина ПП
hпп = 2 мм
Размеры ИС
с1 = 19.5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 мм
Этап 1. Определение температуры корпуса
1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока qк:
где P0 - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты;
Sк - площадь внешней поверхности блока.
Для осуществления реального расчета примем P0=20 Вт, тогда
2. По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dtк= 10 оС.
3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней aл.в, боковой aл.б и нижней aл.н поверхностей корпуса:
Так как e для всех поверхностей одинакова и равна e=0.39 то:
4. Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 Dtk = 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;
g - ускорение свободного падения;
gm - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна gm=16.48 × 10-6 м2/с
5. Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.7.
6. Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса:
5 × 106 Grб Pr = 6.832 ×0.7 × 106 = 4.782 × 106 7. Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока ak.i:
где lm - теплопроводность газа, для воздуха lm определяем из таблицы 4.10 [1] lm = 0.0272 Вт/(м К);
Ni - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса: Ni = 0.7 для нижней поверхности, Ni = 1 для боковой поверхности, Ni = 1.3 для верхней поверхности.
8. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой sк:
9. Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении Dtк.о:
где Кк.п - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно Кк.п = 1;
Кн1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], Кн1 = 1.
10. Определяем ошибку расчета
Так как d=0.332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dtк= 15 оС.
11. После повторного расчета получаем Dtк,о= 15,8 оС, и следовательно ошибка расчета будет равна
Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 12. Рассчитываем температуру корпуса блока
Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны
1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока qз:
где Pз - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, Pз = 20 Вт.
2. По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dtз= 18 оС.
3. Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними aз.л.н, верхними aз.л.в и боковыми aз.л.б поверхностями нагретой зоны и корпуса.
Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны eпi :
где eзi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, eзi = 0.92 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай).
Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной eп = 0.405 и тогда
4. Для определяющей температуры tm = 0.5 (tк + t0 + Dtk) = 0.5 (45 + 30 + 17 =46 oC и определяющего размере hi рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;
g - ускорение свободного падения;
gm - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна gm=17.48 × 10-6 м2/с
Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.698.
Grн Pr = Grв Pr = 213.654 × 0.698 = 149.13
Grб Pr = 875.128 × 0.698 = 610.839
5. Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:
· для нижней и верхней
· для боковой поверхности
где lm - теплопроводность газа, для воздуха lm определяем из таблицы 4.10 [1] lm = 0.0281 Вт/(м К);
6. Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:
где s - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима s = 240 Вт/(м2 К);
Sl - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;
Кs - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен
В результате получаем:
7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dtз.о во втором приближении
где Кw - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, Кw = 1;
Кн2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Кн2 = 1.3.
8. Определяем ошибку расчета
Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 9. Рассчитываем температуру нагретой зоны
Этап 3. Расчет температуры поверхности элемента
1. Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины lэкв = lп = 0.3 Вт/(м К) , где lп - теплопроводность материала основания печатной платы.
2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем:
где S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС = 0.0195 × 0.006 = 0.000117 м2
3. Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока
где a1 и a2 - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП; для естественного теплообмена a1 + a2 = 18 Вт/(м2 К);
hпп - толщина ПП.
4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы для ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем тепловом режиме:
где В и М - условные величины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8.5 p R2 Вт/К, М = 2;
к - эмпирический коэффициент: для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии менее 3R, к = 1.14; для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии более 3R, к = 1;
кa - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) [1] и для нашего случая кa = 12 Вт/(м2 К);
Ni - число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более ri К1 и К0 - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:
Dtв - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:
QИСi - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт;
SИСi - суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна SИСi = 2 (с1 × с2 + с1 × с3 + с2 × с3) = 2 (19.5 × 6 + 19.5 × 4 + 6 × 4) = 438 мм2 = 0.000438 м2;
dзi - зазор между микросхемой и ПП, dзi = 0;
lзi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.
Подставляя численные значения в формулу получаем
5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы
Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТр = -45 +70 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.
РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА
Исходные данные для расчета:
Масса блока ИС
mис = 24 г = 0.024 кг
Плотность дюралюминия
rдр = 2800 кг/м3
Плотность стеклотекстолита
rСт = 1750 кг/м3
Толщина дюралюминия
hk = 1 мм = 0.001 м
Толщина печатной платы
hпп = 2 мм = 0.002 м
Количество печатных плат
nпп = 60
Количество ИС
nис = 25
РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ПП
Так как в нашей ПП используются однотипные микросхемы равномерно распределенные по поверхности ПП, то для определения собственной частоты колебаний ПП можно воспользоваться формулой для равномерно нагруженной пластины:
где a и b - длина и ширина пластины, a = 186 мм, b = 81 мм;
D - цилиндрическая жесткость;
E - модуль упругости, E = 3.2 × 10-10 Н/м;
h - толщина пластины, h = 2 мм;
n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;
М - масса пластины с элементами, М = mпп + mис × 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;
Ka - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины;
k, a, b, g - коэффициенты приведенные в литературе [1].
Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты:
РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ
Исходные данные
Вид носителя - управляемый снаряд
Масса блока m = 42.385 кг
f, Гц
10
30
50
100
500
1000
g
5
8
12
20
25
30
1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f.
так как нам известен порядок Кe » 103, то при минимальной частоте f = 10 Гц
следовательно мы можем рассчитать величину вибросмещения для каждой частоты спектра. Результат расчета представим в таблице:
f, Гц
10
30
50
100
500
1000
g
5
8
12
20
25
30
x, мм
13
2
1
0.5
0.25
0.076
2. Расчет номинальной статической нагрузки и выбор амортизатора.
Так как блок заполнен одинаковыми модулями то и масса его распределена равномерно. При таком распределении нагрузки целесообразно выбрать симметричное расположение амортизаторов. В таком случае очень легко рассчитывается статическая нагрузка на амортизатор:
Исходя из значений Р1 .Р4 выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Рном = 100 150 Н, коэффициент жесткости kам = 186.4 Н/см, показатель затухания e = 0.5.
3. Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока.
Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле:
Для определения относительного перемещения s(f) необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы
и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле
Результат расчета представим в виде таблице
Масса блока m = 42.385 кг
f, Гц
10
30
50
100
500
1000
g
5
8
12
20
25
30
f, Гц
10
30
50
100
500
1000
x(f), мм
13
2
1
0.5
0.25
0.076
m(f)
1.003
1.118
1.414
2.236
4.123
13.196
s(f)= x(f) m(f)
13.039
2.236
1.414
1.118
1.031
1.003
РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА ПО ВНЕЗАПНЫМ ОТКАЗАМ
Так как носителем нашего блока является управляемый снаряд время жизни которого мало, и схема состоит только из последовательных элементов тот мы принимаем решение не резервировать систему.
Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия определяется по формуле:
где l0i - номинальная интенсивность отказов;
k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;
k3 - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха;
Значения номинальных интенсивностей отказа и поправочных коэффициентов для различных элементов использующихся в блоке были взяты из литературы [1] и приведены в таблице
Элемент
l0i,1/ч
k1
k2
k3
k4
Микросхема
0,013
1,46
1,13
1
1,4
Соединители
0,062 × 24
1,46
1,13
1
1,4
Провода
0,015
1,46
1,13
1
1,4
Плата печатной схемы
0,7
1,46
1,13
1
1,4
Пайка навесного монтажа
0,01
1,46
1,13
1
1,4
Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки tp для нерезервированных систем определяется из формулы:
Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает 1 .2 минут и следовательно значение P(0.033) = 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. О. Д. Парфенов, Э. Н. Камышная, В. П. Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. “Радио и связь”, 1989 г.
2. Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М. “Высшая школа”, 1986 г
3. В. А. Шахнов. Курс лекций.