Массу блока можно оценить по формуле

.

где , , , - массы соответственно модулей A1, A2, А3 элементов на платах, корпуса и винтов.

10 Таким образом:

М_бл=1,21кг

.

Согласно расчёту, блок удовлетворяет требованиям ТЗ по массогабаритным характеристикам.

2.5 Расчет топологических характеристик печатной платы

Цель расчета: определение класса точности печатной платы, основных параметров проводников и контактных площадок, а также проведение проверочных расчетов.

2.5.1 Общие сведения

Топологическим конструированием печатных плат называется разработка рисунка печатной платы (трассировка соединений) и размещения элементов. За основные критерии при топологическом конструировании принимаются два критерия минимизации (правило двух минимумов):

а) минимум пересечений;

б) минимум длины связей.

Первое требование имеет приоритет, так как оно косвенно обеспечивает лучшие электрические параметры, экономию меди. Это так же означает максимум связей с соседними элементами, что повышает быстродействие и частотный диапазон.

2.5.2. Выбор и обоснование класса точности.

Для печатных плат А2, А3, в соответствии с ГОСТ 23751 был выбран 2й класс точности, т.к. в ходе предварительной компоновки элементов схемы на плату было определено, что именно 2й класс точность наиболее удовлетворяет необходимой плотности трассировки проводников и плотности размещения ЭРЭ.

Параметры монтажа для 2 класса точности:

- минимальная ширина проводника - 0,45 мм;

- минимальное расстояние между проводниками - 0,45 мм;

- ширина пояска контактной площадки - 0,20 мм;

- отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы - 0,40 мм.

2.5.3. Выбор материала печатной платы.

В качестве материала печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751 выбран стеклотекстолит фольгированный СФ2Н-50Г-1,5 1кл. ГОСТ 10316. Стеклотекстолит наиболее подходит для разрабатываемого устройства, так как он имеет высокую механическую прочность, влагоустойчивость, устойчивость к вибрациям и ударом, а также имеет большой срок службы.

Основные параметры материала основания:

а) предел прочности при растяжении не более - 200 кг/см ²;

б) предельно допустимое напряжение на изгуб - 2300 кг/см ²;

в) плотность - 1,6…1,85 г/см ³;

г) водопоглащаемость не более - 3%;

д) удельное электрическое объемное сопротивление - 10 ¹²Ом∙см;

е) тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1МГц - 0,025;

ж) прочность сцепления печатных проводников с основанием платы при обрыве

не менее - 2…3,5 Н/мм ²;

з) пробивное напряжение в направлении, перпендикулярном к поверхности платы

не менее - 25 кВ/мм;

и) рабочие температуры от -60 до +120 ⁰С.

2.5.4. Расчет номинального значения расстояния между соседними элементами проводящего рисунка.

Данный расчет проводится для определения минимального расстояния между элементами проводящего рисунка, при котором будет обеспечиваться остаточная электрическая прочность.

Номинальное значение расстояниям между соседними элементами проводящего рисунка определяется по формуле):

S = S_М + Δt_ВО , (4.14)

где S_М - значение минимально допустимого расстояния между соседними элементами проводящего рисунка в соответствии с ГОСТ 23751 и используемого класса точности выбирается равным 0,45 мм;

Δt_ВО - верхнее предельное отклонение ширины проводника, равное 0,15 мм.

Минимальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка:

S = 0,45 + 0,15 = 0,6 мм.

Таким образом рассчитанное значение минимального расстояния между соседними элементами проводящего рисунка не противоречит техническим требованиям выбранного класса точности для производства печатной платы, значит электрическая прочность для печатной платы обеспечена.

2.5.5. Определение номинальных значений диаметров монтажных отверстий.

Данный расчет проводится для определения минимального количества различных типоразмеров отверстий на печатной плате, т.к. это является одним из важнейших факторов при производстве печатных плат.

Значение диаметра отверстий определяется по формуле

d = d_Э + r + |Δd_НО|,

где d_Э - диаметр вывода навесного элемента, устанавливаемого на плату;

r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра ЭРЭ, равное 0,1

Δd_НО - нижнее предельное отклонение значения диаметра отверстия, равное 0,2;

Таким образом, для производства печатной платы разрабатываемого устройства необходимые типы отверстий приведены в таблице 4.10

Таблица 4.10 Типоразмеры отверстий печатный плат

2.5.6. Определение номинального значения ширины проводника.

Расчет номинального значения ширины проводника проводится для определения такой ширины печатного проводника, при которой не будет происходить его перегрева.

Ширины печатного проводника определяется по формуле

где l_H - ток нагрузки равный 0,45 А;

p - удельная плотность тока, равная для наклеенной фольги 20 А/мм;²

h - толщина проводника, равная 0,05 мм;

В результате минимальная ширина печатного проводника равна:

t =0,45 мм

Вывод:так как расчет номинального значения проводника составляет 0,45 мм и соответствует выбранному классу точности, то, таким образом, будет обеспечиваться надежная защита проводника от перегрева.

2.5.7 Расчет сопротивления изоляции параллельных проводников.

Данный расчет проводится для определения надежности электрической изоляции близлежащих проводников в условиях максимальной влажности.

Сопротивление изоляции рассчитывается по формулу:

где R_S - поверхностное сопротивление изоляции, Ом;

R_V - объемное сопротивление изоляции, Ом.

Так как платы двухсторонние, то для определения сопротивления изоляции необходимо рассчитать поверхностное и объемное сопротивление изоляции.

Поверхностное сопротивление изоляции рассчитывается по формуле:

где р_П - удельное поверхностное сопротивление основания платы, равное для

стеклотекстолита 5∙10 ¹⁰Ом;

б - расстояние между двумя наиболее близкорасположенными проводниками, равное 1,25 мм;

L -длина параллельного пробега проводников, равная 18,75 мм.

R_S = 5∙10 ¹⁰ ∙ 1,25/18,75 = 3,33 ГОм

Объемное сопротивление изоляции проводником рассчитывается по формуле:

R_V = р_V∙h/F,

где р_V - удельное объемное сопротивление основания платы, равное для

стеклотекстолита 5∙10 ⁹Ом∙см;

h - толщина зазора между проводниками, равная 1,25∙10 ^-3м;

F - минимальная площадь проекции печатных проводников друг на друга, равная 735 мм ².

Таким образом, объемное сопротивление равно:

R_V = 5∙10 ⁷∙1,25∙10 ^-3 / 735∙10 ^-6 = 85,04 МОм

Для нормальной работы печатной платы сопротивление изоляции между разобщенными цепями в условиях в наивысшей влажности должно подчиняться неравенству

R_S , R_V ≥ 10 ³R_ВХ ,

где R_ВХ - входное сопротивление цепей, равное 50 кОм, следовательно условие будет выполняться.

2.6. Расчёт амортизации блока

Исходные данные

- вес блока согласно разделу 5 ПЗ: G=mg G=1,210 x 9,8=11,858H

- верхняя частота внешних воздействий согласно ТЗ: f_в=60 Гц

- допустимая нагрузка согласно ТЗ:. К_д=2g

Расчёт амортизации блока

Максимальная амплитуда колебаний блока:

.A₀=250K_д/ f_в²=0,16мм=1,6х10 ^-4 м

Суммарная жёсткость амортизаторов системы:

С=G/A₀=7,4x10 ⁴H/м

Собственная частота колебаний блока:

. f₀=(1/2π)x c/m=40Гц

Коэффициент расстройки:

. α= f_в/f₀=60/40=1,5

Коэффициент передачи:

. E=1/(α²-1)=0,8

Эффективность виброизоляции:

Э=1-Е=0,2=20%.

Поскольку собственная резонансная частота в 1,5 раза отличается от верхней воздействующей частоты , то амортизаторы не требуются.

Расчёт прочности основания

Исходные данные

- масса блока согласно разделу 5 ПЗ:m=1,21

- толщина основания=1,5мм;

- габаритные размеры корпуса (без ножек):LxBxH= 165x200x60;

- расстояние между ножками корпуса (вдоль длинной стороны):l=195мм;

- нижняя частота внешних воздействий согласно ТЗ: ;

- верхняя частота внешних воздействий согласно ТЗ: ;

- допустимая нагрузка согласно ТЗ: ;

- материал корпуса: полистирол УПС-1002 ГОСТ 28250-89;

- предел прочности: s_пр=420х10 ⁶Па

- предел текучести: s_т=296х10 ⁶Па

- модуль упругости: Е=73х10 ⁹Па

Расчёт прочности основания

Нагрузка на основание:

. =141,12 H/м

Момент инерции сечения:

J= =0,2x10 ^-10м ⁴

Собственная резонансная частота:

f₀.= =1,1Гц

Изгибающий момент:

Ми = 0,125*Рр*L²=3,175 H/м

Момент сопротивления сечения:

Wc = B*h ²/6=0,2х10 ^-7 м ³

Напряжение в середине основания:

S = Mu/Wc=15,9х10⁷ Па

Полученное значение напряжения не превышает предела прочности и предела текучести материала, следовательно, основание позволяет выдержать прилагаемые механические нагрузки

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ.

Для теплового расчёта необходимы сведения о конструкции изделия и состоянии окружающей среды. Для расчёта применим методику, предложенную в

Большинство радиотехнических устройств, потребляя от источников питания мощность, измеряемую десятками ватт, отдают полезной нагрузке от десятых долей до единиц ватта. Остальная электрическая энергия, превращаясь в тепловую, выделяется внутри аппарата. Как известно, надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры сильно зависит от температуры окружающей среды. Для каждого типа элемента в технических условиях указывается предельная температура, при превышении которой элемент нельзя эксплуатировать. Поэтому одной из важнейших задач конструирования является обеспечение правильных тепловых режимов для каждого элемента.

Тепловой режим характеризуется совокупностью температур в отдельных точках аппаратуры и считается нормальным, если температура любой из точки конструкции не выходит за допустимые пределы. Другими словами, задачей теплофизического конструирования является создание такого температурного режима, при котором обеспечивается работа элементов РЭС в пределах, допускаемых по ТУ. Основной путь решения этой задачи – обеспечение условий, при которых количество тепла, отдаваемого в окружающую среду, будет равно мощности тепловыделения ЭА.

Блок представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Точное аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников тепла, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блока использованы приближенные методы анализа и расчета.

2.8.1 . Исходные данные:

1. Габаритные размеры корпуса:

L = 350 мм - длинна;

B = 240 мм - ширина;

Н = 180 мм – высота.

3. Эмпирический коэффициент, зависящий от физических свойств теплоносителя, его температуры и характера движения А₂ = 1,3.

4. Коэффициент заполнения корпуса блока модулями К_З = 0,7.

5. Максимальная температура внутри блока T_MAX = 343 ^оK (максимальная температура наименее термоустойчивого элемента);

6. Максимальная температура окружающей среды T_ОС = 308 ^оК (в соответствии с климатическим исполнением по техническому заданию).

7. Максимальная рассеиваемая мощность внутри блока Р = 13 Вт.