Конструирование блока индикации

Определим минимальную ширину печатного проводника по постоянному току по следующей формуле:

                                                                                          (3.1.)                           

 где - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках, А;

- допустимая плотность тока, А/мм²;

    - толщина проводника, мм.

  Максимальный ток в данной схеме равен 1А. Тогда, задавшись значениями = 62,5 А/мм² и = 0,035 мм, получим:

( мм ).

Исходя из этого значения, примем ширину проводников равной 0,5 мм. Шины питания и заземления будем выполнять шириной 1,6 мм.

 

 

3.3.2. Выбор металлизированных отверстий.

 

Минимальный диаметр  металлизированных отверстий определяется соотношением d/S (диаметр отверстия  к толщине платы), которое оговорено  ГОСТ 23751-86 и зависит от класса точности. Эти данные содержатся в таблице 3.5

Разрабатываемая плата  выполняется по третьему классу точности. Согласно классу точности 3 (ГОСТ 23751-86), отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных  отверстий к толщине печатной платы равно 0,33:

 

Таблица 3.5.                    Отношение диаметра отверстия к толщине платы   

                                           в зависимости от класса точности 

 

	Класс точности
	1 и 2	3	4	5
d/S	0,4	0,33	0,25	0,2

 

Для производства печатной платы используется материал-заменитель: ФС-2-35-2,0;ФС-2-50-2,0 толщиной 2 мм. По третьему классу точности при толщине платы 2 мм, диаметр металлизированного отверстия составит 0,66 мм. Примем минимальный диаметр металлизированных отверстий равным 0,7 мм. Этот диаметр рассчитан для переходных отверстий, то есть для мест перехода проводника с одного слоя на другой.

При расчете диаметра металлизированного отверстия для  монтажа   dip-компонентов следует предусматривать гарантированный зазор               (не менее 0,1 мм) для заполнения металлизированного отверстия расплавленным припоем.

                       d = ds + |∆| + 0,1,                                               (3..2)

где  d - диаметр отверстия;

ds - диаметр вывода;

|∆| - модуль (абсолютное значение) нижнего значения допуска на отверстие.

Предельные отклонения размеров отверстий, оговоренные    ГОСТ 23751-86, представлены в таблице 3.6.

 

Таблица 3.6.                   Предельные отклонения размеров отверстий 

Диаметр отверстия	Металлизация отверстия	Класс точности
		1 и 2	3 и 4	5
До 1,0 мм (включительно)	Без металлизации	±0,1	±0,05	±0,025
	С металлизацией без оплавления	+0,05 -0,15	-0,1	-0,075
	С металлизацией и оплавлением	+0,05 -0,18	-0,13	-0,13
Свыше 1,0 мм	Без металлизации	±0,15	±0,1	±0,1
	С металлизацией без оплавления	+0,1 -0,2	+0,05 -0,15	+0,05 -0,15
	С металлизацией и оплавлением	+0,1 -0,23	+0,05 -0,18	+0,05 -0,18

 

Наименьший  номинальный  диаметр D  контактной    площадки (согласно ГОСТ 23751-86) рассчитывают по формуле:

D=(d+∆d_в.о)+2b+∆t_в.о+2∆d_тр+(T_d²+T_D²+∆t_п.о²),  (3.3.)

где: d – диаметр отверстия; 

b — гарантийный поясок ( b=0.1)

∆d_в.о— верхнее предельное отклонение диаметра отверстия ( при d≤1мм ∆d_в.о =0 ; при d>1мм ∆d_в.о =0,05мм);

∆t_в.о — верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки ( с мегалитическим покрытием ∆t_в.о =0,1);

∆d_тр — значение подтравливания диэлектрика в отверстии (для ДПП ∆d_тр=0);

∆t_п.о— нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки ( с мегалитическим покрытием ∆t_в.о =-0,1);

T_d — значение позиционного допуска расположения осей отверстий;

       T_D — Значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок;

Таким образом для  отверстий диаметром меньше 1мм включительно имеем:

D=(d+0)+2•0.1+0.1+2•0 +(0.03²+0.15²+0.1²)=d+0.333  (3.4.) 

Для отверстий, диаметром  больше 1мм имеем:

D=(d+0,05)+2•0.1+0.1+2•0+(0.03²+0.15²+0.1²)=d+0.383 (3.5.)

Рассчитаем размеры  отверстий и контактных площадок для различных диаметров выводов  компонентов. Так как используется большая номенклатура элементов с различными диаметрами выводов, имеет смысл для разных, но близких по значению диаметров выводов сделать одинаковые диаметры металлизированных отверстий. Так, например, рассчитанный диаметр переходных отверстий (0,7 мм) был увеличен до 0,9 мм. Таким образом будет сокращена номенклатура инструмента при сверлении, что упростит производство печатной платы.

Результаты расчета  отверстий и контактных площадок сведены в таблицу 3.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.7.        Размеры отверстий и контактных площадок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Расчетная  часть

 

4.1.Расчет теплового  режима

 

Нормальное функционирование РЭА  возможно  лишь  при  условии  поддержания температур ее элементов  в  определенных  пределах. Изменение  теплового режима оказывает влияние  на  характеристики элементов и может  привести  к  возникновению физико – химических  процессов, выводящих элемент  из  строя. При  этом дестабилизирующими тепловыми воздействиями являются рассеиваемые  при  работе  элементов  мощности, изменения температуры внешней среды  и  тепловые  потоки  от  окружающих прибор объектов. Поэтому на этапе конструкторского проектирования РЭА при выборе вариантов конструкции и компоновки наряду  с  задачами обеспечения монтажно – коммутационных требований, помехоустойчивости, технологичности, вибропрочности необходимо  решать  задачи  обеспечения нормального теплового режима.

Применение  новой  элементной  базы,  позволяющей  уменьшить массу и объем устройств, во многих случаях  увеличивает удельные  рассеиваемые мощности, что заставляет искать новые пути решения задач обеспечения теплового режима. Часто требования к тепловому режиму  приводят к необходимости использования систем охлаждения и термостатирования, конструкции которых во многом  определяют  конструкцию самой аппаратуры, причем массогабаритные показатели  и  энергопотребление  системы охлаждения могут быть  соизмеримы  или  превышать  соответствующие характеристики функциональных устройств.

Из сказанного вытекает, что проблемы комплексной  микроминиатюризации, унификации конструкций, повышения надежности  и  автоматизации конструкторского проектирования РЭА неразрывно связаны с разработкой эффективных систем охлаждения и методов проектирования конструкций, обеспечивающих нормальный тепловой режим.

Точное аналитическое  описание температурных полей внутри блока невозможно из–за громоздкости  задачи  и  неточности  исходных  данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блоков РЭА используют приближенные  методы  анализа  и  расчета.  Рекомендуется  проводить  расчет для наиболее критичного элемента, т. е. элемента, допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди  всех  элементов, входящих в состав устройства и образующих нагретую зону.

 

 

 

4.1.1. Определение среднеповерхностной  температуры нагретой зоны

 

В конструкции модуля индикации нагретой зоной будем считать плату индикации.  Критичными элементами являются энкодеры PEC16-4215F-S0024 с предельно допустимой температурой = 70 ^о С . Размеры платы индикации 120х80х2 мм.

 

1.Вычисляем условную  удельную поверхностную мощность  нагретой зоны блока  :

 

 ,                             (4.1.1 )

 

где и - размеры нагретой зоны;

    ( Вт / м² ).

2.По графику находим  в первом приближении перегрев  нагретой зоны относительно температуры,  окружающей блок среды:

 = 19 ^о С.

3. Определяем  коэффициент   теплообмена  излучением  между  нижними, верхними и боковыми  поверхностями нагретой зоны  и корпуса :

 

     ,     (4.1.2 )

 где   - приведенная степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны  и корпуса :

 

 ,                           ( 4.1.3 )

 

 где    - степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны;

      - площадь i-ой поверхности нагретой зоны.

 

.

 

.

 

.

         = 4,7 .

 

4.Рассчитаем определяющую  температуру :

 

 ,                                                              ( 4.1.4 )

 

 (^o C )

 

5. Для определяющей температуры  и  определяющего  размера  h_ί  находим числа Грасгофа и Прандтля  по формуле 4.1.5:

                                                         ( 4.1.5 )

Gr_mв =21,95*10⁶;

Gr_mн =5,09*10⁶;

Gr_mб =0,07*10⁶;

Pr = 0,696.

6. Рассчитываем коэффициенты  конвективного теплообмена между   нагретой  зоной и корпусом  для каждой поверхности :

 

а) для нижней поверхности:

 

;                                                            ( 4.1.8 )

                            .

 

б) для верхней поверхности:

 

;                                                       ( 4.1.6 )

                            .

 

в) для боковой поверхности:

 

  _;                                                                            ( 4.1.7 )

.

7. Рассчитаем значение  коэффициента, учитывающего  кондуктивный  теплообмен:

 

 

                 при £ 4 ,

                                                                       ( 4.1.8 )

                                1                при   > 4 ,

 

 где   - удельная тепловая проводимость от платы к корпусу блока ;

       - площадь контакта  с корпусом блока, м².

      

 

.

8. Определяем тепловую  проводимость между нагретой  зоной и корпусом :

 

 _,                         ( 4.1.9 )

 

.

9. Рассчитываем нагрев  нагретой зоны  во втором приближении :

 

                                   ( 4.1.10 )

где - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха в блоке ;

  - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока.

              = 0,8 , = 0,55  и    =1,1.

 

  ( ^о С ).

 

10. Определяем ошибку  расчета :

<0,1.

< 0,1.

Так как величина погрешности  меньше допустимой, то расчет можно  считать законченным.

 

11. Рассчитываем температуру  нагретой зоны :

 

  .                                                   ( 4.1.11 )

 

 ( ^о С ).

  Так как максимальная температура нагрева платы преобразователя меньше предельно допустимой (+70^о С), делаем вывод, что дополнительной системы охлаждения, кроме конвекционной (естественной) для устройства сопряжения не требуются.

 

4.2.Расчет надежности

 

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность изделия обусловлена его безотказностью, ремонтопригодностью, а также долговечностью его частей.

Надежность аппаратуры и ее элементов зависит от большого количества внешних и внутренних воздействий, к числу которых  относятся режим работы, воздействия температуры, влажности, атмосферного давления, удары и вибрации и т.д. В результате комплексного воздействия перечисленных факторов значительно ускоряются процессы изнашивания и старения элементов.

Все устройства с точки  зрения надежности делят на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемым считается устройство, работа которого после отказа может быть восстановлена в результате проведения необходимых восстановительных работ. Устройство, работа которого после отказа полностью невозможна или нецелесообразна, называется невосстанавливаемым.

В настоящее время  существует методика, которая с большой  вероятностью позволяет рассчитать  показатели надежности аппаратуры по известным интенсивностям отказов  электрорадиоэлементов, их коэффициентам нагрузки и условиям эксплуатации. Результатом расчета является среднее время работы устройства до отказа и вероятность безотказной работы за время t.

       Основной характеристикой  надёжности устройства является среднее время наработки на отказ t_ср., вычисляемое по формулам: