Разработка конструкции и технологии микроэлектронного варианта «Генератор звука НЧ»

 

 

 

Рассчитаем  момент инерции для сечения А-А:

 

 

Цилиндрическая  жёсткость рамки ФЯ:

 

Где - определяющий размер «длина» сечения.(При цилиндрическом изгиби в сечении А-А сопротивляется изгибу длинна ячейки, т.е l=91мм)

Таким образом, жёсткость ячейки на изгиб:

 

Для определения  найдём массу единицы площади ФЯ:

 

Коэффициент закрепления ФЯ при:

 

 

 

   Частота  механического резонанса  ФЯ будет равна:

 

Проверим, является ли рассматриваемая ячейка вибропрочной в данном сечении. Принимаем  коэффициент динамичности ФЯ μ=10, тогда  из рисунка представленного ниже для    найдём допускаемую ФЯ перегрузку , что превосходит значения перезагрузки заданное по ТЗ равное 20

 

 

        Рис.2.3.2 Зависимость прегрузки от допустимой частоты резонанса ФЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проведем  расчет вибропрочности для сечения  В-В. Представим сечение В-В состоящим  из элементарных прямоугольных фигур, габариты которых показаны на рис. 2.3.3.

 

 

Рис 2.3.3 Элементарные прямоугольные фигуры в сечение  В-В

 

 

Цилиндрическая  жесткость ФЯ складывается из жесткости  печатной платы и жесткости рамки:

 

Для оценки жёсткости рамки  необходимо вычислить момент инерции сечения В-В. Для этого найдём моменты инерции сечений элементарных фрагментов:

 

 

 

 

 

Для определения  момента инерции  сечения В-В необходимо предварительно определить координату центра тяжести сечения В-В и расстояния между центром тяжести сечения В-В и центрами тяжести элементарных фрагментов 1,2

 

Подставив значения получим

 

При расчёте учтём, что некоторые  элементарные фрагменты встречаются  не один раз.

 

 

 

 

 

Рассчитаем  момент инерции для сечения А-А:

 

 

Цилиндрическая  жёсткость рамки ФЯ:

 

Где - определяющий размер «длина» сечения.(При цилиндрическом изгиби в сечении В-В сопротивляется изгибу длинна ячейки, т.е l=104мм)

Таким образом, жёсткость ячейки на изгиб:

 

Для определения  найдём массу единицы площади ФЯ:

 

Коэффициент закрепления ФЯ при:

                                

 

 

  Частота  механического резонанса  ФЯ будет равна:

 

Проверим, является ли рассматриваемая ячейка вибропрочной в данном сечении. Принимаем  коэффициент динамичности ФЯ μ=10, тогда  из рисунка представленного ниже для    найдём допускаемую ФЯ перегрузку , что превосходит значения перезагрузки заданное по ТЗ примерно в 2,5 раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

     Рис.2.3.4 Зависимость прегрузки от допустимой частоты резонанса ФЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Оценка теплового  режима микроблока.

3.1 Выбор  компоновочной и обоснование  тепловой схемы микроблока.

Одним из необходимых требований нормального  функционирования МЭА является обеспечение  ее температурного режима, который  определяется температурным перегревом, т.е. разностью температур некоторой  точки (области) конструкции МЭА  и окружающей среды. Известно, что 90...95% потребляемой радиоустройством мощности превращается в тепловую энергию, которая  способствует росту интенсивности  отказов радиоэлементов, вызывает ускоренное старение, уход характеристик за установленные  пределы, а иногда к пробою 
p-n - переходов. Именно поэтому проблема обеспечения тепловых режимов МЭА весьма актуальна и по сей день.

Оценим  тепловой режим пакета из пяти функциональных ячеек, помещенных в металлический  корпус.

Через размеры  ФЯ можно найти размеры конструкции  блока, Для этого сначала определяют глубину пакета функциональных ячеек:

 

где b_я- расстояние между ФЯ

    n_я-число ячеек в блоке, в нашем случае n_я=6

расстояние  между ФЯ

ФЯ:

где b-расстояние между соседними ячейками.

В блоках РЭС на бескорпусных МСБ b_Я=h_Я=7.2мм

Тогда  

Выбираем 4 тип компоновки блока (Л2, стр. 26, рис. 3.1), т.е. книжную конструкцию. 
     Вариант 4 может использоваться в случае принудительного воздушного охлаждения при установке вентилятора на заднюю или лицевую панель. Для выбранной компоновочной схемы блока размеры пакета ФЯ дополняются глубиной характерных вспомогательных зон. Тогда габариты микроблока будут равны

,

,

мм

Где, для  приблизительных расчётов принимаем  глубину зон  и равной 30 мм, а равной 50 мм.

В практике конструирования РЭС широкое  распространение получила унификация конструкций и в первую очередь  несущих конструкций, принимаемых  за базу (основу) для создания различных  изделий, аналогичных или близких  по функциональному назначению. Этот 
метод называется методом базовых несущих конструкций (БНК), где под БНК понимают несущие конструкции, габаритные, установочные и присоединительные размеры которых стандартизированы и обеспечивают размерную взаимозаменяемость аппаратуры.

Типоразмер  блока ряда БНК может быть выбран по значениям . За минимальные габаритные размеры блока для используемой БНК можно принять:

 

 

 

Согласно  ОСТ 4 ГО.410.003 и из рис 3.8 (Л2, стр. 42) выбираем типоразмер корпуса БНК 3М с размерами: 

Корпус  блока выполнен из алюминиевых сплавов, покрытых чёрным матовым лаком, степень  черноты покрытия составляет ε = 0,98 (Л2, табл. П 8.2, стр. 113).

При оценке теплового режима конструкции будем  считать, что с поверхности нагретой зоны посредством конвекции¹, кондукции и излучения через воздушные прослойки тепло передается на внутреннюю поверхность корпуса. За счет теплопроводности стенок тепло выводится на наружную поверхность корпуса, откуда конвекцией и излучением переносится в окружающее пространство. Тепловая модель блока представлена на рис. 3.1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При построении тепловой модели принимались следующие  допущения:

• нагретая зона является однородным анизотропным телом;
• источники тепла в нагретой зоне распределены равномерно;
• поверхности нагретой зоны и корпуса - изотермические.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Оценка  теплового режима блока

Произведем  ориентировочный расчет  теплового  режима микроблока, выполненного на металлических  ФЯ. Блок ФЯ с размерами помещен в герметичный корпус с внешними размерами и установлен на 4 приливах (бобышках) основания корпуса. Приливы армированы титановыми вставками диаметром и высотой .

Мощность, потребляемая микроблоком, . Температура окружающей среды =(-40…+55)°С.

Используем  методику расчёта представленную в  Л3, стр. 32, пример 2.

1. Определяем площадь внешней поверхности корпуса микроблока:

 

2. Определяющий размер корпуса:

 

3. Задаемся перегревом корпуса  °С относительно температуры среды и определяем среднее значение температуры:

 

 

4. По номограммам (рис. 3.2.1) находим конвективный коэффициент теплопередачи  и коэффициент теплопередачи излучением от корпуса к среде. Пересчитаем для для фактического ε       
5.    рис. 3.2.1. Номограммы для определения конвективного и лучевого коэффициентов теплопередач в условиях неограниченного пространства
6. Вычисляем суммарную тепловую проводимость между корпусом и средой в первом приближении:

 

7. Находим расчётное значение перегрева корпуса:

 

Так как расчётное  значение перегрева значительно  отличается от заданного, то проведём второе приближение.

 

 

8. Определим среднеповерхностную температуру корпуса МСБ

 

9. Определяем поверхность нагретой зоны

 

10. Расчет среднего зазора l между поверхностью нагретой зоны и корпусом

 

 

11. Расчет коэффициента теплопередачи кондукцией через воздушный зазор между нагретой зоной и корпусом.

 

 

где λ_возд=0,025 – коэффициент теплопроводности воздуха.

 

Практика  показывает, что коэффициент теплопередачи  излучением от нагретой зоны к корпусу  мало зависит от размеров нагретой зоны и корпуса и составляет приблизительно

 

12. Расчет тепловой проводимости приливов корпуса  .

На т.н. приливах лежит пакет ячеек микроблока. Без учета теплового сопротивления  контакта между пакетом ячеек  и приливами корпуса  определяется только материалом (сплав ВТ1-0, λ_пр=15 ) и геометрическими размерами приливов.

Следовательно,

 

                   

13. Расчет тепловой проводимости между нагретой зоной и корпусом.

 

14. Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны.

 

 

15. Расчет температуры в центре нагретой зоны t₀.

Экспериментально  установлено, что для конструкций  микроблоков, выполняемых на металлических  функциональных ячейках, перегрев в  центре нагретой зон не превышает 2…5 C. Поэтому не применяя сложных расчетов, принимаем

.

Так как элементарной базой 4-го поколения служат активные элементы, выполненные на основе кремния, для которых допустимая температура  окружающей среды находится в  пределах от 80 до 125 С, то условие нормального  теплового режима для данного  микроблока выполняется.

Для оценки системы охлаждения используем следующие  параметры: тепловой поток ; площадь поверхности теплообмена (корпуса) S_к=0,177м²; допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента t_эл.min=100 C; максимальная температура окружающей среды t_cр.max=55 C; минимальное давление окружающей среды Н_ср.min=740мм.рт.ст

Чтобы выбрать  систему охлаждения, необходимо найти  поверхностную плотность теплового  потока:

 

 

Где -поправочный коэффициент на давление окружающей среды; Н=760мм.рт.ст-нормальное давление; допустимый перегрев в конструкции

Тогда:

Значения P_oS и Δt_доп являются координатами точки, положение которой на рис.3.2.2 определяет систему охлаждения конструкции

Из рис 3.2.2 и проделанного расчёта видно, что  достаточно естественного воздушного охлаждения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Оценка надёжности  МСБ

Надёжность изделия, свойство изделия сохранять значения установленных параметров функционирования в определённых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Расчет  надежности заключается в определении  показателей надежности изделия  по известным характеристикам надежности элементов и условиям эксплуатации.

Расчет  надежности выполняется на основе логической модели безотказной работы РЭС. При  составлении модели предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и в целом РЭС  могут находиться в одном двух состояний: работоспособном или  неработоспособном.

Основным  количественными характеристиками надежности являются вероятность безотказной  работы РЭС  и среднее время наработки до отказа ,

где t –  время  непрерывной работы изделия,

λ_Э – эксплуатационное значение интенсивности отказов РЭС.

Для последовательной логической схемы надежности:

 

Где, - эксплуатационное значение интенсивности отказов i-го элемента, учитывающее внешние воздействия, влияние тепловых и электрических нагрузок элементов, n – число элементов.