Конструирование ЭВС (работа 1)
Конструирование ЭВС
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
1. Назначение аппаратуры.
Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд. Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС.
2. Технические требования:
а) условия эксплуатации:
- температура среды t>о>=30 оC;
- давление p = 1.33 × 104 Па;
б) механические нагрузки:
- перегрузки в заданном диапазоне
-
f, Гц
10
30
50
100
500
1000
g
5
8
12
20
25
30
- удары u = 50 g;
в) требования по надежности:
- вероятность безотказной работы P(0.033) ³ 0.8.
3. Конструкционные требования:
а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой;
б) мощность в блоке P £ 27 Вт;
в) масса блока m £ 50 кг;
г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71;
д) тип амортизатора АД -15;
е) условия охлаждения - естественная конвекция.
ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то к нему предъявляются следующие требования:
высокая надежность;
высокая помехозащищенность;
малая потребляемая мощность;
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры.
Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю.
Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики: дополняющие МОП-структуры). Конкретно были выбраны две микросхемы:
К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ;
К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ.
|
Параметр |
К176ЛЕ5 |
К176ЛА7 |
|
Входной ток в состоянии “0”, I>вх>0, мкА, не менее |
-0.1 |
-0.1 |
|
Входной ток в состоянии “1”, I>вх>1, мкА, не более |
0.1 |
0.1 |
|
Выходное напряжение “0”, U>вых>0, В, не более |
0.3 |
0.3 |
|
Выходное напряжение “1”, U>вых>1, В, не менее |
8.2 |
8.2 |
|
Ток потребления в состоянии “0”, I>пот>0, мкА, не более |
0.3 |
0.3 |
|
Ток потребления в состоянии “1”, I>пот>1, мкА, не более |
0.3 |
0.3 |
|
Время задержки распространения сигнала при включении t>зд р>1,0, нс, не более |
200 |
200 |
|
Время задержки распространения сигнала при включении t>зд р>0,1, нс, не более |
200 |
200 |
Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации
-
Напряжение источника питания, В
5 - 10 В
Нагрузочная способность на логическую микросхему, не более
50
Выходной ток I>вых>0 и I>вых>1, мА, не более
0.5
Помехоустойчивость, В
0.9
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА
Исходные данные:
|
Размеры блока: |
L>1>=250 мм L>2>=180 мм L>3>=90 мм |
|
Размеры нагретой зоны: |
a>1>=234 мм a>2>=170 мм a>3>=80 мм |
|
Зазоры между нагретой зоной и корпусом |
h>н>=h>в>=5 мм |
|
Площадь перфорационных отверстий |
S>п>=0 мм2 |
|
Мощность одной ИС |
P>ис>=0,001 Вт |
|
Температура окружающей среды |
t>о>=30 оC |
|
Тип корпуса |
Дюраль |
|
Давление воздуха |
p = 1.33 × 104 Па |
|
Материал ПП |
Стеклотекстолит |
|
Толщина ПП |
h>пп> = 2 мм |
|
Размеры ИС |
с>1> = 19.5 мм с>2> = 6 мм c>3 >= 4 мм |
Этап 1. Определение температуры корпуса
1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q>к>:
где
P>0>
- мощность
рассеиваемая блоком в виде
теплоты;
S>к> - площадь внешней поверхности блока.
Для осуществления реального расчета примем P>0>=20 Вт, тогда
2. По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dt>к>= 10 оС.
3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a>л>>.>>в>, боковой a>л>>.>>б> и нижней a>л>>.>>н> поверхностей корпуса:
Так как e для всех поверхностей одинакова и равна e=0.39 то:
4. Для определяющей температуры t>m >= t>0 >+ 0.5 Dt>k >= 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
где L>опр >>i> - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;
g - ускорение свободного падения;
g>m> - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна g>m>=16.48 × 10-6 м2/с
5. Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры t>m>, Pr = 0.7.
6. Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса:
5 × 106 < Gr>н> Pr = Gr>в> Pr = 1.831 ×0.7 × 107 = 1.282 × 107 < 2 × 107 следовательно режим ламинарный
Gr>б> Pr = 6.832 ×0.7 × 106 = 4.782 × 106 < 5 × 106 следовательно режим переходный к ламинарному.
7. Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока a>k>>.>>i>:
где l>m> - теплопроводность газа, для воздуха l>m> определяем из таблицы 4.10 [1] l>m> = 0.0272 Вт/(м К);
N>i> - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса: N>i> = 0.7 для нижней поверхности, N>i> = 1 для боковой поверхности, N>i> = 1.3 для верхней поверхности.
8. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой s>к>:
9. Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении Dt>к>>.>>о>:
где К>к>>.>>п> - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно К>к>>.>>п> = 1;
К>н1> - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], К>н1> = 1.
10. Определяем ошибку расчета
Так как d=0.332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dt>к>= 15 оС.
11. После повторного расчета получаем Dt>к,о>= 15,8 оС, и следовательно ошибка расчета будет равна
Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1
12. Рассчитываем температуру корпуса блока
Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны
1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q>з>:
где P>з> - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, P>з> = 20 Вт.
2. По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dt>з>= 18 оС.
3. Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними a>з>>.>>л>>.>>н>, верхними a>з>>.>>л>>.>>в> и боковыми a>з>>.>>л>>.>>б> поверхностями нагретой зоны и корпуса.
Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны e>п>>i> :
где e>з>>i> и S>з>>i> - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e>з>>i>> >= 0.92 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай).
Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной e>п> = 0.405 и тогда
4. Для определяющей температуры t>m >= 0.5 (t>к> + t>0 >+ Dt>k>)> >= 0.5 (45 + 30 + 17 =46 oC и определяющего размере h>i> рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
где L>опр >>i> - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;
g - ускорение свободного падения;
g>m> - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна g>m>=17.48 × 10-6 м2/с
Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры t>m>, Pr = 0.698.
Gr>н> Pr = Gr>в> Pr = 213.654 × 0.698 = 149.13
Gr>б> Pr = 875.128 × 0.698 = 610.839
5. Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:
для нижней и верхней
для боковой поверхности
где l>m> - теплопроводность газа, для воздуха l>m> определяем из таблицы 4.10 [1] l>m> = 0.0281 Вт/(м К);
6. Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:
где s - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима s = 240 Вт/(м2 К);
S>l> - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;
К>s> - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен
В результате получаем:
7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dt>з>>.>>о> во втором приближении
где К>w> - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, К>w>> >= 1;
К>н2> - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К>н2> = 1.3.
8. Определяем ошибку расчета
Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1.
9. Рассчитываем температуру нагретой зоны
Этап 3. Расчет температуры поверхности элемента
1. Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины l>экв> = l>п> = 0.3 Вт/(м К) , где l>п >- теплопроводность материала основания печатной платы.
2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем:
где S>0>>ИС> - площадь основания микросхемы, S>0>>ИС> = 0.0195 × 0.006 = 0.000117 м2
3. Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока
где a>1> и a>2>> >- коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП; для естественного теплообмена a>1>> >+ a>2> = 18 Вт/(м2 К);
h>пп> - толщина ПП.
4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы для ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем тепловом режиме:
где В и М - условные величины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8.5 p R2 Вт/К, М = 2;
к - эмпирический коэффициент: для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии менее 3R, к = 1.14; для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии более 3R, к = 1;
к>a> - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) [1] и для нашего случая к>a> = 12 Вт/(м2 К);
N>i> - число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более r>i> < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП N>i> = 24;
К>1> и К>0> - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:
Dt>в> - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:
Q>ИС>>i> - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт;
S>ИС>>i>> >- суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна S>ИС>>i> = 2 (с>1 >× с>2> + с>1 >× с>3> + с>2 >× с>3>) = 2 (19.5> >× 6 + 19.5> >× 4 + 6> >× 4) = 438 мм2 = 0.000438 м2;
d>з>>i> - зазор между микросхемой и ПП, d>з>>i> = 0;
l>з>>i> - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.
Подставляя численные значения в формулу получаем
5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы
Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТ>р> = -45....+70 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.
РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА
Исходные данные для расчета:
|
Масса блока ИС |
m>ис> = 24 г = 0.024 кг |
|
Плотность дюралюминия |
r>др> = 2800 кг/м3 |
|
Плотность стеклотекстолита |
r>Ст> = 1750 кг/м3 |
|
Толщина дюралюминия |
h>k >= 1 мм = 0.001 м |
|
Толщина печатной платы |
h>пп> = 2 мм = 0.002 м |
|
Количество печатных плат |
n>пп> = 60 |
|
Количество ИС |
n>ис> = 25 |
РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ПП
Так как в нашей ПП используются однотипные микросхемы равномерно распределенные по поверхности ПП, то для определения собственной частоты колебаний ПП можно воспользоваться формулой для равномерно нагруженной пластины:
где a и b - длина и ширина пластины, a = 186 мм, b = 81 мм;
D - цилиндрическая жесткость;
E - модуль упругости, E = 3.2 × 10-10 Н/м;
h - толщина пластины, h = 2 мм;
n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;
М - масса пластины с элементами, М = m>пп> + m>ис> × 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;
K>a> - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины;
k, a, b, g - коэффициенты приведенные в литературе [1].
Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты:
РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ
Исходные данные
|
Вид носителя - управляемый снаряд |
||||||
|
Масса блока m = 42.385 кг |
||||||
|
f, Гц |
10 |
30 |
50 |
100 |
500 |
1000 |
|
g |
5 |
8 |
12 |
20 |
25 |
30 |
1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f.
так как нам известен порядок К>e> » 103, то при минимальной частоте f = 10 Гц
следовательно мы можем рассчитать величину вибросмещения для каждой частоты спектра. Результат расчета представим в таблице:
|
f, Гц |
10 |
30 |
50 |
100 |
500 |
1000 |
|
g |
5 |
8 |
12 |
20 |
25 |
30 |
|
x, мм |
13 |
2 |
1 |
0.5 |
0.25 |
0.076 |
2. Расчет номинальной статической нагрузки и выбор амортизатора.
Так как блок заполнен одинаковыми модулями то и масса его распределена равномерно. При таком распределении нагрузки целесообразно выбрать симметричное расположение амортизаторов. В таком случае очень легко рассчитывается статическая нагрузка на амортизатор:
Исходя из значений Р>1>...Р>4> выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Р>ном> = 100....150 Н, коэффициент жесткости k>ам> = 186.4 Н/см, показатель затухания e = 0.5.
3. Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока.
Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле:
Для определения относительного перемещения s(f) необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы
и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле
Результат расчета представим в виде таблице
|
Масса блока m = 42.385 кг |
||||||
|
f, Гц |
10 |
30 |
50 |
100 |
500 |
1000 |
|
g |
5 |
8 |
12 |
20 |
25 |
30 |
|
f, Гц |
10 |
30 |
50 |
100 |
500 |
1000 |
|
x(f), мм |
13 |
2 |
1 |
0.5 |
0.25 |
0.076 |
|
m(f) |
1.003 |
1.118 |
1.414 |
2.236 |
4.123 |
13.196 |
|
s(f)= x(f) m(f) |
13.039 |
2.236 |
1.414 |
1.118 |
1.031 |
1.003 |
РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА ПО ВНЕЗАПНЫМ ОТКАЗАМ
Так как носителем нашего блока является управляемый снаряд время жизни которого мало, и схема состоит только из последовательных элементов тот мы принимаем решение не резервировать систему.
Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия определяется по формуле:
где l>0>>i> - номинальная интенсивность отказов;
k>1>, k>2> - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;
k>3> - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха;
Значения номинальных интенсивностей отказа и поправочных коэффициентов для различных элементов использующихся в блоке были взяты из литературы [1] и приведены в таблице
|
Элемент |
l>0>>i>,1/ч |
k>1> |
k>2> |
k>3> |
k>4> |
|
Микросхема |
0,013 |
1,46 |
1,13 |
1 |
1,4 |
|
Соединители |
0,062 × 24 |
1,46 |
1,13 |
1 |
1,4 |
|
Провода |
0,015 |
1,46 |
1,13 |
1 |
1,4 |
|
Плата печатной схемы |
0,7 |
1,46 |
1,13 |
1 |
1,4 |
|
Пайка навесного монтажа |
0,01 |
1,46 |
1,13 |
1 |
1,4 |
Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки t>p> для нерезервированных систем определяется из формулы:
Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает 1...2 минут и следовательно значение P(0.033) = 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям.