Основы конструирования и технологии РЭС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Разработка конструкции частотомера.

3.1. Обоснование компоновочной  схемы

Согласно техническому заданию, частотомер должен иметь габариты не более 88×68×25 и должен быть выполнен на одной плате (стеклотекстолит), с  использованием корпусированных дискретных радиоэлементов. Конструктивно устройство состоит из блока. На боковой стороне проделаны отверстия для питающих и управляющих проводов.

3.2 Выбор системы охлаждения  частотомера

Поскольку способ охлаждения в значительной мере определяет структуру  конструкции РЭС, уже на ранних стадиях  разработки важно правильно выбрать  способ охлаждения. Способ охлаждения выберем с помощью диаграммы (Рисунок 3.1).

допустимый перегрев конструкции

 

min температура РЭ.

поверхностная плотность  теплового потока,

где S площадь модуля:

 

_k – поправочный коэффициент на давление окружающей среды

 

 

 

Берем десятичный логарифм от P_os.

Далее по диаграмме (рис.3.1) определяем способ охлаждения. Подставляя полученную точку (1,2;15) (участок 1), можно утверждать, что рассчитываемая конструкция обеспечивает нормальный тепловой режим при естественном воздушном охлаждении.

Рис.3.1

Указанные на рисунке 3.1 зоны относятся к следующим способам охлаждения:

1 – естественное воздушное;

2 – естественное и  принудительное воздушное;

3 – принудительное воздушное;

4 – принудительное воздушное  или жидкостное;

5 – принудительное жидкостное;

6 – принудительное жидкостное  или испарительное;

7,8 – жидкостное или испарительное с прокачкой;

9 – испарением жидкости  с прокачкой.

3.3 Выбор материалов конструкции 

3.3.1 Выбор материала  основания печатной платы

Выбор материала для управляющей  части  радиомикрофона производить  среди основных материалов для производства ПП – гетинакс и стеклотекстолит.

Выбор печатный платы произведен на основании комплексного показателя качества.

Комплексный показатель качества представляет собой сумму взвешенных дифференциальных и нормированных  показателей качества

 

весовой коэффициент

нормированный показатель качества

Для расчётов используются следующие показатели качества приведенные в таблице 3.1

Т а б л и ц а 3.1

 

№ п/п	Материал	Плотность материала кг/м3	Разрушающее напряжение при  изгибе перпендикулярно слоями не менее  МПа	Разрушающее напряжение при  растяжении, не менее МПа	Значение допустимого  рабочего напряжения при ширине зазора 0,5мм В
1	Стеклотекстолит ГОСТ 12652-74	1600	350	220	350
2	Гетинакс ГОСТ 2718-74	1300	135	120	250

Произведём выравнивание влияния дифференциальных показателей. При увеличении пробивного, разрушающего и допустимого рабочего напряжения качество материала платы повышается. А при увеличении плотности материала  качество ухудшается, так как это  ведет к увеличению массы платы  в целом и напрямую отразится  на показателе вибропрочности. Поэтому показатель плотности заменим обратной величиной. Данные заносим в таблицу.

Т а б л и ц а 3.2

Материал	(кг/м3)-1	МПа	МПа	В
Стеклотекстолит	0,00063	350	220	350
Гетинакс	0,00077	135	120	250

Выполним нормирование значений показателей качества путём деления  каждого на максимальное значение своего подпункта.

Т а б л и ц а 3.3

Материал	(кг/м3)-1	МПа	МПа	В
Стеклотекстолит	0,81	1	1	1
Гетинакс	1	0,39	0,55	0,71

Введем весовые коэффициенты по десятибальной шкале:

- плотность материала – 2

- разрушающее напряжение  при растяжении – 2

- разрушающее напряжение  при растяжении – 2

- значение допустимого  рабочего напряжения – 4

Рассчитываем значение комплексного показателя качества для каждого  материала.

Стеклотекстолит:

 

Гетинакс:

 

Так как при выравнивании влияния дифференциальных параметров выбрана тенденция на увеличение показателей (чем больше, тем лучше), то лучшим вариантом будет показатель с наибольшим значением, то есть стеклотекстолит.

Для основания печатной платы  выбираем 2-х слойный стеклотекстолит.

3.3.2 Выбор материала  для корпуса частотомера

Заготовкой для корпуса  модуля служит пластмассовый корпус с габаритными размерами 80×66×30, основанием для выбора этого корпуса является ТЗ на устройство.

3.4 Разработка конструкции  функциональных ячеек

3.4.1 Определение  геометрических размеров печатной  платы

Чтобы определить геометрические размеры ПП необходимо учитывать:

1. Ожидаемая площадь платы
2. δ=1,5 мм – толщина печатной платы;
3. d=3 мм – отверстие для крепления платы.

Из условий ТЗ печатная плата имеет прямоугольную форму, на ПП должны быть размещены РЭ и краевые поля, показанные на рисунке 3.2

X1

X2

Y1

Y2

 

 

 

 

80

412

Рис. 3.2

Расчет:

X1=X2=Y1=Y2= δ+d=4,5 мм

L_x=80+X1+X2=80+4,5+4,5=89 мм

L_y=41+Y1+Y2=41+4,5+4,5=50 мм

Исходя из линейных размеров ПП L_x=90мм и L_y=50мм. Площадь платы по ТЗ Sпл= 4500 мм². Отсюда вывод, что все элементы смогут быть размещены на плате с выбранными геометрическими размерами.

3.4.2 Расчет элементов  печатной платы

Расчету подлежат диаметры монтажных отверстий и переходных площадок, минимальная ширина проводников  на падение напряжений на проводниках, обусловленные сопротивлением проводников. Расчеты геометрических размеров элементов  проводятся с целью коррекции  изменения размеров элемента в процессе изготовления платы. За счет подтравливания проводников в процессе травления меди, ширина проводников уменьшается, поэтому при изготовлении фотошаблона размеры элементов должны быть увеличены на значения технологических погрешностей. Выбор класса точности обусловлен, прежде всего элементной базой. Элемент с наименьшим расстоянием между выводами HG1 и оно составляет 2,5 мм. Следовательно, оптимальным будет выбор 1 класса точности.

1.Минимальный диаметр  переходного отверстия d_по

 

 толщина ПП

 – отношение  диаметра металлизированного отверстия  к толщине платы, для ПП 1-го  класса точности.

 

2 .Диаметр монтажного  отверстия:

 

где – диаметры выводов равные 0,46 мм, 0,6 мм

 – толщина  гальванического осаждения меди  в отверстия,

– необходимый зазор между  выводом радиоэлемента и поверхностью отверстия,

 – погрешность  диаметра монтажного отверстия,

, выбираем .

, выбираем .

3.Минимальный диаметр  контактной площадки:

 

где – ширина пояска контактной площадки,

 – погрешность  расположения отверстия,

 – погрешность  расположения контактной площадки,

 – погрешность  фотошаблона,

 – толщина  фольги,

,

4.Минимальная ширина проводника:

_{, выбираем 0,75 мм.}

где – ширина проводника соответствующая 1-му классу точности.

5.Минимальное расстояние  между проводниками:

 

где – расстояние между осевыми линиями проводников, предусмотренное топологией печатной платы,

 – погрешность  смещения проводников.

4. Расчет показателей качества  конструкции частотомера

ФЯ размещена в корпусе и закрепляется с помощью установочных элементов на направляющие блока. Поверхности корпуса и нагретой зоны приняты за изометрические с температурами t_к и t_з. Суммарную мощность источников тепла обозначим P,Вт. Тепло с поверхности нагретой зоны конвекцией σ_зк, теплопроводностью через элементы крепления σ_зт и излучением через воздушные промежутки σ_зл передаётся на стенки корпуса σ_ст. Передача тепла с корпуса окружающей среде t_с осуществляется за счет конвекции σ_кк и излучения σ_кл.

Для расчета теплового  режима необходимо перейти от реального  изделия к тепловой модели. Тепловая модель показана на рис. 4.1.

1

2

3

Рис. 4.1

1 – ФЯ, 2 – корпус, 3 – крепеж.

Воспользуемся принципом  электротепловой аналогии и перейдем от тепловой модели к тепловой схеме. Тепловая схема показана на рис. 4.2.

Рис.4.2

t_нз – температура нагретой зоны (температура на поверхности печатной платы);

t_с – температура окружающей среды;

t_вк – температура внутри корпуса;

t_к – температура корпуса;

σ_эк – конвективная проводимость нагретой зоны;

σ_зт – кондуктивная проводимость нагретой зоны;

σ_эл – лучевая проводимость нагретой зоны;

σ_ст – проводимость стенки корпуса;

σ_кк – конвективная проводимость корпуса;

σ_кл – лучевая проводимость корпуса.

4.1 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса.

метод

1. Расчет ведется методом последовательных приближений.

.

2. Характерный размер:

.

3. Произвольный перегрев в первом приближении:

.

4. Температура на поверхности корпуса:

.

5. Средняя температура окружающей среды:

.

6. Значения теплофизических параметров носителя по таблице 6.1 [2].

Коэффициент теплопроводности:

;

Коэффициент кинематической вязкости:

^;

Коэффициент объемного расширения:

 

7. Критерий Грасгофа

 

где g = 9,8 [ ] – ускорение свободного падения.

8. Произведение Грасгофа на Прандтля:

P_r = 0,7 – критерий Прандтля.

 

9. Значения коэффициентов, характеризующих движение теплоносителя из таблицы 4.1:

Коэффициент, отвечающий за форму тела: C = 0,54.

Коэффициент, отвечающий за тип обтекания: n = 0,25.

Т а б л и ц а 4.1.

	0,5	0
	1,17	0,125
	0,54	0,25
	0,135

 

10. Критерий Нуссельта:

 

 

11. Конвективный коэффициент теплопередачи при естественной вентиляции в неограниченном пространстве в первом приближении: