Усилитель ИК сигналов

3.3.3. Определение компановочных  характеристик корпуса ИК приемника  включает в себя 2 этапа:

 

1. Определение габаритных размеров корпуса блока,
2. Определение общей массы конструкции блока.

     Габаритные размеры корпуса блока  определяются исходя из конструкторских  соображений.

     Определяем  ориентировочный объем проектируемой  конструкции:

                                               

                 V_S = V_устi,

 

где К_v – обобщенный коэффициент заполнения объема,

V_устi – установочный объем i-го элемента.

В качестве установочного  объема i-го элемента выбираем объем  ячейки. Тогда формула  примет вид:

                             

 

                 V_S = V_{яч i}                                                         (5)           

 

                 V_яч1 = H_i L_i B_i                                                                (6)

 

                V_яч1 = 60 40 21,5=52800 мм³ = 52,8 10^-6м³,

 

V_S = 52,8 10^-6 = 66 10^-6м³.

 

Высота  корпуса блока определяется по формуле:

 

H =  H_яч +Х₁+Х₂,          (7)

 

где  H_яч – высота  ячейки,

       H_яч=21,5 мм,

Х_1, Х₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок,

Х₁ = 2,5 мм, Х₂ = 15 мм.

 

H = 21,5 + 2,5 + 15 = 39 мм.

 

Ширина корпуса  блока определяется по формуле:

 

B =  B_яч + Y₁ + Y₂,             (8)

                                                       

где  B_яч – размер  ячейки,

       B_яч = 40 мм,

Y₁,Y₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок,

Y₁ = 2,5 Y₂ = 2,5 мм

 

B = 40 + 5 = 45 мм.

 

Длина корпуса блока определяется по формуле:

 

  L = L_яч + Z₁ + Z₂,           (9)

 

где L_яч – размер ячейки, L_яч = 60 мм

Z₁, Z₂ – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячеек в блок,

Z₁=2,5 мм,  Z₂ = 3 мм

L = 60 + 2,5 + 3  = 65,5 мм.

 

Масса корпуса определяется по формуле:

 

m = m_яч + m_к  + m_доп,          (10)

                         

где  m_яч– масса ячейки, кг,

       m_к – масса корпуса блока, кг,   

       m_доп – масса дополнительных элементов, кг.

 

m_к = m_осн + m_крышки + m_{крепления} – m_{отверстий}    (11)

 

Т.к. корпус сделан из алюминия, то его плотность r = 2700 кг/м³

 

Расчитаем обьемы, а затем и массу составных  частей корпуса (для удобства рачетов, найдем обьемы частей без учета отверстий под фотоприемник, светодиод и разъем).  

 

V_{осн (без учета кромки)} = (((0,065+0,039*2)*0,045)+0,0125*2*0,065)*0,002 = 16,86 10^-6 м³

V_осн = 16,86 10^-6 – 0,065*0,005*0,001*2 =16,21 10^-6 м³

 

m_осн = rV_осн = 2700*16,21 10^-6 10^-6 = 43,76 г,

 

V_{крышки(без учета кромки)} = 0,065*(0,045+(0,039-0,0125)*2) *0,002 = 12,87*10^-6м³

V_крышки = 12,87*10^-6– 0,065*0,005*0,001*2 =12,22*10^-6м³

 

m_крышки= rV_крышки = 2700*12,22 10^-6 = 33 г.

 

 Учтем отверстия  под фотоприемник, светодиод, разъем  и найдем обьем  который  они занимают.

 

V_{отверст} = (0,004²*3,14+0,006²*3,14+0,0065*0,0195)*0,002=0,58*10^-6м³

M_{отверст} = 0,58*10^-6 *2700 = 1,55 г.

m_к = 43,76 + 33 + 2,5*4 –1,55 = 85,21 г.

m_блока= 0,08092 + 0,08521+ 0,0075  = 0,2471 кг.

 

Вывод: Определены габариты блока L * B *H: 0,0655*0,045 0,039,  и масса m = 0,2486 кг.

 

3.3.4. Расчет теплового режима блока.

 

Расчет  теплового режима блока производят в 2 этапа:

1. определение температуры корпуса блока t_к;
2. определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з.

     Для выполнение расчета теплового  режима необходимы следующие исходные  данные:

• размеры корпуса:

                                  - ширина B = 0,045 м;

                                  - длина L = 0,0655 м;

                                  - высота H = 0,039 м;

 

• размеры нагретой зоны l b h, 0,0655 0,045 0,039;
• величина воздушных зазоров между

нагретой  зоной и нижней поверхностью корпуса h_н = 0,015 м,

     нагретой зоной и верхней поверхностью  корпуса h_в = 0,0025 м;

• мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Р_о »  60 мВт (т.к. потребляемая мощность составляет 150 мВт, то предположив что к.п.д. этой схемы не более 70%, мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Р_о »  40 мВт);
• мощность радиоэлементов, расположенная непосредственно на корпусе блока Р_к = 0 Вт;
• диапазон рабочей температуры самого нетермостойкого элемента сост. (-40¸70)^оС.

      -    температура окружающей  среды t_о = 55^оС

 

Этап 1. Определение температуры корпуса.

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока:

q_к = P_o/S_к ,

где S_к – площадь внешней поверхности корпуса блока,

S_к = 2

(H B+B L+H L)

S_к = 2

(0,039 0,045+0,045 0,065+0,039 0,065) = 0,01454 м²

q_к = 60*10^-3/0,01454 = 4,12 Вт/м.

 

Т.к. удельная поверхностная  мощность корпуса блока составляет q_к = 4,12 Вт/м , то дальнейший расчет теплового режима для Т_max = 55°C – не целесообразен.

 

 

 

3.3.5. Расчёт системы  на механические воздействия

 

Для выполнения расчета  механических воздействий необходимы следующие      исходные данные:

• геометрические размеры платы, l b h, м:

0,0655*0,045 0,039;

• диапазон частот вибрации, f_виб = 10…..30 Гц;
• длительность удара, τ = 10 мс;
• амплитуда ускорения при ударе, Н_у = 245м/с² = 25g ;
• предельное ускорение, выдерживаемое элементами блока без разрушения:

при вибрации 25 g

при ударах 35 g

при линейных ускорениях 40 g

 

 

1) Расчет на действие  вибрации.

Расчет собственных  колебаний конструкции является трудоемкой задачей. Поэтому заменим  конструкцию эквивалентной расчетной  схемой. Определяем частоту собственных  колебаний отдельных конструкционных элементов.

 

Частота собственных  колебаний равномерно нагруженной  пластины вычисляется по формуле:

 

               f_o =                                (12)

 

 

             Ka= = 30.78

 

 

где     a и b – длина и ширина пластины, м;

D –  цилиндрическая жесткость пластины, Н м;

 

                 D = έ h³/12 ( 1- ) ,                                                (13)

 

έ –  модуль упругости, Н/м²;

h –  толщина пластины, м;

m –  масса пластины, с элементами, кг.

 

                  D = = 10,06 Н м;

 

 

                  f_o = = 675 Гц

 

Для печатного  узла должно выполняться условие f_o > f_в. Так как f_o >> f_в, то обеспечивается защищенность конструкции ИК усилителя от вибрационных воздействий, за счет отстройки собственной частоты печатного узла от максимальной частоты внешних вибрационных воздействий.

 

 

2) Расчет  на действие удара

Движение системы, вызываемое ударной силой, в течение времени действия этой силы определяется законом вынужденных колебаний. После прекращения действия ударной силы, движение системы подчиняется закону свободных колебаний. Начальными условиями при этом являются смещение и скорость движения в момент прекращения действия удара.

1. Определяем условную частоту ударного импульса:

 

                ,                                                                   (14)

 

где     - длительность ударного импульса, с.

 

               

 

b) Определяем коэффициент передачи при ударе:

 

                К_у = 2 sin ,                                                             (15)

 

где     - коэффициент расстройки, =

 

                = 314,16 /2π 675 = 0,0741

 

                К_у = 2 sin = 0,722 ;

 

c) Рассчитываем ударное ускорение:

 

                = H_у К_у ,                                                            (16)

 

где     Н_у – амплитуда ускорения ударного импульса

 

                 = 25 0,722 = 18,08 g                                      

 

d) Определяем максимальное относительное перемещение:

 

                  Z_max = sin ,                                                (17)                                       

 

                  Z_max = sin = 0,00255 м

 

e) Проверяется выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

ударное ускорение  должно быть меньше допустимого, т.е. < , где определяется из анализа элементной базы, = 35 g.

 

Z_max < 0,003 b,

 

где     b- размер максимальной стороны ПП.

 

Z_max < 0,00326

 

Так как условия ударопрочности выполняются для ЭРЭ и печатной платы, считаем что ИК усилитель защищен от воздействий удара.

 

Расчёт линейных ускорений в данном случае не целесообразен, т.к. перемещение ИК усилителя на больших скоростях не предусматривается  техническим заданием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение:

 

 

В результате конструирования устройства ИК усилителя, были произведены расчеты устройства по тепловым характеристикам, устойчивость к механическим воздействиям, найдены  массогабаритные параметры корпуса  и устройства в целом.

Были  получены следующие данные:

 

• определены габариты блока L * B *H: 0,0655*0,045 0,039,  и масса m = 0,2486 кг.
• удельная поверхностная мощность корпуса блока составляет q_к = 4,12 Вт/м.

 

• частота собственных колебаний пластины f0 =675Гц.

 

• ударное ускорение =  18,08 g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            

 

                                ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            ПРИЛОЖЕНИЕ 3.

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                      ПРИЛОЖЕНИЕ 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               ПРИЛОЖЕНИЕ 5.

 

Элемент	Марка	Масса, г.	Диапазон  рабочих температур, °С	Габариты l b h, мм.	Вибрация  в диапазоне частот, Гц, с ускорением	Ударные перегрузки , g	Линейное  ускорение, g
D1	K1056УП1	3	-40¸70	6*20*1,5	1…800 до 40g	75	80
V1	ФД320	5	-60¸120	10*10*6,5	1500 до 30g	35	45
V2	КС156А	0,5	-60¸125	6*2 (l*Æ)	1…800 до 35g	45	55
V3	Д9Б	0,5	-60¸125	6*1,5 (l*Æ)	1…800 до30g	45	55
V4	Д9Б	0,5	-60¸125	6*1,5 (l*Æ)	1…800 до 40g	40	50
V5	АЛ107А	2,5	-60¸125	18*4 (l*Æ)	1…800 до 30g	45	50
C1	К10-17	1,4	-60¸125	4*5*3,3	1…5000 до 60g	150	500
C2	К10-23	1,8	-60¸125	5*5*4	1…5000 до 45g	150	500
C3	К50-3	4	-60¸85	8*4 (l*Æ)	1…3000 до 30g	350	200
C4	К10-17	1,4	-60¸125	4*5*3,3	1…5000 до 60g	150	500
C5	К50-3	6	-60¸85	13*6 (l*Æ)	1…3000 до 30g	350	200
C6	К10-17	1,4	-60¸125	4*5*3,3	1…5000 до 60g	150	500
C7	К10-17	1,4	-60¸125	4*5*3,3	1…5000 до 60g	150	500
R1	С2-13	1,2	-60¸120	9*2 (l*Æ)	1…2000 до 30g	35	45
R2	С2-13	1,2	-60¸300	9*2 (l*Æ)	1…2000 до 30g	35	45
L1	ДПК-320	25	-60¸300	20*8*8	1…3000 до 30g	1000	100
Разъем	ХS-1	20	-60¸125	19*6*7	1…5000 до 60g	350	70