5. Допустимая плотность тока, jдоп = 48 А/мм2;
6. Удельное объемное сопротивление ρ = 0,0175 Ом·мм2/м;
7. Способ изготовления печатного рисунка: комбинированный позитивный.
Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:
, (3.4)
где bmin1 - минимальная ширина печатного проводника, мм;
jдоп - допустимая плотность тока, А/мм2;
t – толщина проводника, мм;
мм.
Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:
, (3.5)
где ρ — удельное объемное сопротивление [3], Ом·мм2/м;
l — длина проводника, м;
Uдоп— допустимое падение напряжения, определяется из анализа электрической схемы. Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем.
Определяем ширину bmin3, проводников при изготовлении комбинированным позитивным методом, мм:
, (3.6)
где b1min — минимальная эффективная ширина проводника b1min=0,15 мм для плат 4-го класса точности.
Принимаем bmin = max{bmin1, bmin2, bmin3} = 0,23 мм
Максимальная ширина проводников, мм:
(3.7)
Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:
, (3.8)
где dэ — максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;
Δdн.о — нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, Δdн.о = 0,1 мм;
r — разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах от 0,1 до 0,4 мм. Примем r = 0,1 мм.
d1 = 0,7+0,1+0,1 = 0,9 мм;
d2 = 0,8+0,1+0,1 = 1 мм;
d3 = 0,2+0,1+0,1 = 0,4 мм;
Рассчитанные значения d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Принимаем для выводов 1-й группы d1 = 0,9 мм; для второй - d2 = 1 мм; для третей – d3 = 0,6 мм.
Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, мм:
, (3.9)
где t — толщина фольги, мм;
D1min— минимальный эффективный диаметр площадки, мм:
, (3.10)
где bм — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, [3], bм=0,025 мм;
δd и δр — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [3], δd=0,05 мм и δр=0,15 мм;
dmax — максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:
, (3.11)
где Δd — допуск на отверстие, мм, [3], (d≤1, Δd=0,05мм; d≥1, d=0,1мм).
Для 1-й группы:
мм;
Для 2-й группы:
Для 3-й группы:
Максимальный диаметр контактной площадки Dmax, мм:
, (3.12)
Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.
Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм:
, (3.13)
где L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0 = 1,3 мм;
— допуск на расположение проводников, мм, =0,03.
мм,
Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:
, (3.14)
Минимальное расстояние между двумя проводниками, мм:
, (3.15)
Силовой узел (А2) выполнен на двусторонней печатной плате с металлизацией сквозных отверстий из СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316-78 толщиной 1,5 мм (толщина фольги – 0,050 мм).
Выбран 3-ий класс точности ОСТ 4.010.022— 85. Метод изготовления печатной платы – комбинированный [3].
Исходные данные для расчета печатного монтажа узла А2:
Диаметры выводов для элементов С4, С6, С9, С11, С13, С15, С16, XP2 и ZQ1 равны 0,6 мм – 1-я группа; для элементов С14, R14, R24, R25, T1 равны 0,8 мм – 2-я группа; для элементов DA1, DA2, держателей предохранителя, K1, VD16-VD19, VT5-VT10 и XT1 равны 1,3 мм – 3-я группа; переходных отверстий равны 0,3 мм – 4-я группа.
1. Imax — максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках (определяется из анализа электрической схемы), Imax = 0,7 A – для цепей управления; Imax = 10 А – для силовых цепей питания; Imax = 3,3 А – для цепей силовых транзисторов;
2. Толщина фольги, t = 50 мкм;
3. Напряжение источника питания, Uип = 20 В – для цепей управления; Uип = 380 В – для силовых цепей;
4. Длина проводника, l = 0,1 м;
5. Допустимая плотность тока, jдоп = 38 А/мм2;
7. Способ изготовления печатного рисунка: комбинированный позитивный;
Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления по формуле (3.4):
для цепей управления:
для силовых цепей:
для цепей силовых транзисторов:
Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем по формуле (3.5):
Определяем ширину bmin3, проводников при изготовлении комбинированным позитивным методом по формуле (3,6), мм:
b1min=0,25 мм для плат 3-го класса точности.
Принимаем для цепей управления b1min=max{b1min1,b1min2, bmin3}=0,37мм; для силовых цепей b2min = max{b2min1, b2min2, bmin3} = 5,2 мм. Для уменьшения ширины печатного проводника силовых цепей коммутация элементов производится с 2-х сторон печатной платы, следовательно ширину проводника можно уменьшить до 2,6 мм; для цепей силовых транзисторов b3min = max{b3min1, b3min2, bmin3} = 1,7 мм..
Максимальная ширина проводников рассчитана по формуле (3.7), мм:
Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий по формуле (3.8) мм:
Δdн.о = 0,1 мм;
r = 0,1 мм.
d1 = 0,6+0,1+0,1 = 0,8 мм;
d3 = 1,3+0,1+0,1 = 1,5 мм;
d4 = 0,3+0,1+0,1 = 0,5 мм;
Рассчитанные значения d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Принимаем для выводов 1-й группы d1= 0,8 мм; для второй - d2 = 1 мм; для 3-й группы d3 = 1,5 мм; для 4-й группы d4 = 0,5 мм.
Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП по формулам (3,9; 3,10; 3,11), мм:
bм — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, [3], bм=0,035 мм;
δd и δр — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [3], δd=0,08 мм и δр=0,2 мм;
Δd — допуск на отверстие, мм, [3], (d≤1, Δd=0,05мм; d≥1Для 1-й группы:
Для 4-й группы:
Максимальный диаметр контактной площадки Dmax определен по формуле (3.12), мм:
Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой рассчитано по формуле (3.13), мм:
L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0 = 1 мм;
— допуск на расположение проводников, мм, =0,05 [3].
Минимальное расстояние между двумя контактными площадками рассчитано по формуле (3.14), мм:
L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0 =2,5 мм;
Минимальное расстояние между двумя проводниками рассчитано по формуле (3.15), мм:
L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0=0,9 мм;
Контактные площадки для поверхностно монтируемых элементов выбираются исходя из их установочных размеров. Для конденсаторов размеры контактных площадок 1,2×0,8 мм; для элементов R1-R11, R13, R15-R23 - 2×0,8 мм; для элементов R12, VD12-VD15 – 1,2×1 мм; для диодов VD1-VD11 - 1,2×3 мм; для транзисторов VT1-VT4 – 0,8×0,8 мм.
Таким образом, параметры печатного монтажа узла А1 отвечают требованиям, предъявляемым к платам 4-го класса точности. Имеем диаметр отверстия/диаметр контактной площадки (мм) для элементов 1-й группы 0,9/1,6; для элементов 2-й группы – 1/1,8; для переходных отверстий – 0,4/1. Принимаем ширину печатного проводника равной 0,3 мм, минимальные расстояния между: проводником и контактной площадкой – 0,17 мм; двумя контактными площадками - 0,6 мм; двумя проводниками - 0,24мм.
Параметры печатного монтажа узла А2 отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса точности. Имеем диаметр отверстия/диаметр контактной площадки (мм) для элементов 1-й группы 0,8/1,7; для элементов 2-й группы – 1/1,9; для элементов 3-й группы – 1,5/2,4; для переходных отверстий – 0,7/1,2. Принимаем ширину печатного проводника равной 0,4 мм для цепей управления; 2,6 мм (двухсторонний проводник) для силовых цепей и 1,7 мм для цепей силовых транзисторов, минимальные расстояния между: проводником и контактной площадкой – 0,4 мм; двумя контактными площадками - 0,4 мм; двумя проводниками - 0,4 мм.
3.3 Расчет радиатора
В устройстве используются теплонагруженные элементы – силовые ключи (IGBT-транзисторы). Мощность, рассеиваемая на данном транзисторе равна 15 Вт. Максимальная рабочая температура равна 150°С [3]. Для обеспечения нормального функционирования данного транзистора, необходимо использовать радиатор. Далее определены размеры ребристого радиатора для транзистора IRG4BC20KD.
Исходные данные:
предельная температура транзистора tp = 423 К;
рассеиваемая элементом мощность Р = 15 Вт;
температура окружающей среды to = 318 K;
тепловое сопротивление между рабочей областью транзистора и его корпусом Rвн = 0,5° С/Вт;
Перегрев места крепления прибора с радиатором, К:
; (3.16)
где , 1/м2 ;
Sk – площадь контактной поверхности (Sk = 1,5·10-4 м2).
1/м2;
К.
Средний перегрев основания радиатора в первом приближении, К:
; (3.17)
Удельная мощность рассеяния, K/м2:
q = P/Sp; (3.18)
где Sp – площадь основания радиатора (в данном случае задается ориентировочно Sр = 0,0016 м2),
q = 15/0,0016 = 9375 K/м2.
По графику рисунка 4.21 [3] определен тип радиатора с учетом того, что площадь его основания равна 0,0016 м2.
Выбран ребристый радиатор со следующими геометрическими размерами: размеры основания L1 = L2 = 40 мм; высота ребра h = 32 мм; расстояние между ребрами Sш = 10 мм; толщина ребра δ1 = 1 мм; толщина основания δо = 5 мм.
Из рисунке 4.24 [3] определен коэффициент эффективной теплоотдачи выбранного радиатора при Δts = 63 K:
αэф = 72 Вт/(м·К).
Средний перегрев основания радиатора во втором приближении, К:
; (3.19)
где
; (3.20)
; (3.21)
λр – коэффициент теплопроводности материала радиатора (для алюминия λр = 208 Вт/м·К).
;
Уточненная площадь основания радиатора [3], м2:
; (3.22)
м2.
Имеем размеры основания радиатора: Spo = L1·L2, т. к. высота радиатора ограничена габаритом корпуса указанным в техническом задании (120 мм), то ее значение не может быть больше указанной величины. Принимаем L1 = 0,12 м. Следовательно, L2 = Spo/ L1 = 0,0045/0,12 = 0,037 м. Имеем общую длину радиатора для шести транзисторов 0,037×6 = 0,22 м.
3.4 Расчет теплового режима
Исходные данные.
Длина блока L1,м - 0,25;
Ширина блока L2, м – 0,16,;
Высота блока L3,м - 0,12;
Коэффициент заполнения Kз - 0,02;
Мощность расеиваемая в блоке Pз, Вт – 45;
Давление среды H1i=H2i, мм.рт.ст - 800;
Мощность рассеевания тепловыделяющего элемента (силовой транзистор) Pэл., Вт - 15;
Максимально допустимая температура тепловыделяющего элемента (силовой транзистор) Тэ.эл1., К – 423;
Максимально допустимая температура элемента (DD1) Тэ.эл2., К – 358;
Максимально допустимая температура для материала корпуса Тк1, К - 723;
Температура среды Тв., К – 318.
Рассчитывается поверхность корпуса блока:
м2, (3.23) где и - горизонтальные размеры корпуса аппарата, м.
- вертикальный размер, м.
Определяется условная поверхность нагретой зоны:
м2, (3.24)
где - коэффициент заполнения корпуса аппарата по объему,
Определяется удельная мощность корпуса блока:
Вт/ м2 , (3.25)
где Р - мощность, рассеиваемая в блоке, Вт.
Вт/ м2
Определяется удельная мощность нагретой зоны:
Вт/ м2, (3.26)
Вт/ м2.
Находится коэффициент в зависимости от удельной мощности корпуса блока:
, (3.27)
Находится коэффициент в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:
, (3.28)
Находится коэффициент в зависимости от давления среды вне корпуса блока :
, (3.29)
где - давление окружающей среды в Па.
.
Находится коэффициент в зависимости от давления среды внутри корпуса блока :
, (3.30)
где - давление внутри корпуса аппарата в Па.
Определяется перегрев корпуса блока:
K, (3.31)
Рассчитывается перегрев нагретой зоны:
К, (3.32)
Определяется средний перегрев воздуха в блоке:
К, (3.33)
Определяется удельная мощность теплонагруженного элемента:
Вт/, (3.34)
где - мощность, рассеиваемая теплонагруженным элементом (узлом), температуру которого требуется определить, Вт;
- площадь поверхности элемента (вместе с радиатором), омываемая воздухом, . = 0,04 м2.
Рассчитывается перегрев поверхности элемента:
К, (3.35)
Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:
К, (3.36)
Определяется температура корпуса блока:
K, (3.37)
где - температура среды, окружающей блок , К.
Определяется температура нагретой зоны:
, K, (3.38)
Находится температура поверхности элемента:
К, (3.39)
Находится средняя температура воздуха в блоке:
K, (3.40)
Находится температура среды, окружающей тепловыделяющий элемент:
К, (3.41)
При сравнении расчётных данных с необходимыми условиями: Тэ.эл 1> Тэ.эл2 > Т в (423>358 >354,5 K),
Тэ.эл 1 > Т эс(423 >351,5 K),
Тэ.эл 1 > Т з (423 >368 K),
Тк1 > Tк (723>341 К).
Подтверждено, что тепловой режим блока собюдается.
3.5 Расчет надежности
Исходными данными для данного расчета является схема электрическая принципиальная устройства «Преобразователь частоты» ПАЛ.437293.001.Э3, а также перечень элементов.
Время наработки на отказ tз = 5000 ч.
Коэффициенты электрической нагрузки элементов РЭУ:
Активные: 0,6
Резисторы: 0,7
Конденсаторы: 0,8
Другие: 0,8
Средняя температура эксплуатации - 25° С.
Условия эксплуатации – стационарные.
Относительная влажность – до 75%.
Атмосферное давление – от 84 до 107 кПа
В данном расчете учитываются электрический режим и условия эксплуатации элементов, кроме того, принимаются во внимание конструктивные элементы устройства.
1. Используя справочные данные [11], определены поправочные коэффициенты (учитывающие влияние температуры и коэффициента нагрузки-α1,2; влияние механических воздействий- α3; влияние относительной влажности- α4; влияние атмосферного давления- α5; вносим их в таблицу. Суммарный поправочный коэффициент:
αΣ = α1,2 ∙ α3∙ α4 ∙ α5, (3.42)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
