Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Курсовой проект

по курсу “Конструирование ЭВС”

студент: Вилинский Д. группа ИУ4-92

консультант: Шахнов В( А(

Москва

1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

|Техническое |3 |
|задание............................................................| |
|............. |4 |
| | |
|Подбор элементной |5 |
|базы...............................................................| |
|... |13 |
| | |
|Расчет теплового режима |13 |
|блока....................................................... | |
| |14 |
|Расчет массы | |
|блока..............................................................|16 |
|............ | |
| |18 |
|Расчет собственной частоты | |
|ПП...................................................... | |
| | |
|Расчет схемы | |
|амортизации........................................................| |
|...... | |
| | |
|Расчет надежности по внезапным | |
|отказам...................................... | |
| | |
|Литература.........................................................| |
|............................... | |
| | |

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 tо=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) ( 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”( Iвх0( мкА( не |-0(1 |-0.1 |
|менее | | |
|Входной ток в состоянии “1”( Iвх1( мкА( не |0(1 |0.1 |
|более | | |
|Выходное напряжение “0”( Uвых0( В( не более |0(3 |0.3 |
|Выходное напряжение “1”( Uвых1( В( не менее |8(2 |8.2 |
|Ток потребления в состоянии “0”( Iпот0( мкА( |0(3 |0.3 |
|не более | | |
|Ток потребления в состоянии “1”( Iпот1( мкА( |0(3 |0.3 |
|не более | | |
|Время задержки распространения сигнала при |200 |200 |
|включении tзд р1(0( нс( не более | | |
|Время задержки распространения сигнала при |200 |200 |
|включении tзд р0(1( нс( не более | | |

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

|Напряжение источника питания( В |5 - 10 В |
|Нагрузочная способность на логическую микросхему( не |50 |
|более | |
|Выходной ток Iвых0 и Iвых1( мА( не более |0(5 |
|Помехоустойчивость( В |0(9 |

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные(

|Размеры блока( |L1=250 мм L2=180 мм L3=90 мм |
|Размеры нагретой зоны( |a1=234 мм a2=170 мм a3=80 мм |
|Зазоры между нагретой зоной и корпусом|hн=hв=5 мм |
|Площадь перфорационных отверстий |Sп=0 мм2 |
|Мощность одной ИС |Pис=0,001 Вт |
|Температура окружающей среды |tо=30 оC |
|Тип корпуса |Дюраль |
|Давление воздуха |p = 1(33 ( 104 Па |
|Материал ПП |Стеклотекстолит |
|Толщина ПП |hпп = 2 мм |
|Размеры ИС |с1 = 19(5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 |
| |мм |

Этап 1( Определение температуры корпуса

1( Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока qк(
[pic]где P0 - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты(

Sк - площадь внешней поверхности блока(

Для осуществления реального расчета примем P0=20 Вт, тогда
[pic]

2( По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении
(tк= 10 оС(

3( Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней (л(в, боковой (л(б и нижней (л(н поверхностей корпуса(

[pic]

Так как ( для всех поверхностей одинакова и равна (=0(39 то(

[pic]

4( Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 (tk = 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

[pic] где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса( g - ускорение свободного падения(

(m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4(10 [1] и равна (m=16(48 ( 10-6 м2/с

[pic]

5( Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4(10 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.7(

6( Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса(

5 ( 106 < Grн Pr = Grв Pr = 1(831 (0(7 ( 107 = 1(282 ( 107 < 2 ( 107 следовательно режим ламинарный

Grб 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 (k(i(

[pic] где (m - теплопроводность газа, для воздуха (m определяем из таблицы
4(10 [1] (m = 0(0272 Вт/(м К)(

Ni - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса( Ni =
0.7 для нижней поверхности( Ni = 1 для боковой поверхности( Ni = 1(3 для верхней поверхности(

8( Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой (к(
[pic]

9( Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении
(tк(о(

[pic] где Кк(п - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока( Так как блок является герметичным, следовательно Кк(п = 1(

Кн1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис( 4(12 [1], Кн1 = 1(

10( Определяем ошибку расчета

[pic]

Так как (=0(332 > [(]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав
(tк= 15 оС(

11( После повторного расчета получаем (tк,о= 15,8 оС, и следовательно ошибка расчета будет равна

[pic]

Такая ошибка нас вполне устраивает (=0(053 < [(]=0.1

12( Рассчитываем температуру корпуса блока

[pic]

Этап 2( Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

1( Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока qз(

[pic] где Pз - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, Pз = 20 Вт.

2( По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны (tз= 18 оС(

3( Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними (з(л(н, верхними (з(л(в и боковыми (з(л(б поверхностями нагретой зоны и корпуса(

Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны (пi (
[pic] где (зi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны,
(зi = 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 (п = 0(405 и тогда

[pic]

4( Для определяющей температуры tm = 0(5 (tк + t0 + (tk) = 0(5 (45 + 30
+ 17 =46 oC и определяющего размере hi рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

[pic] где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса( g - ускорение свободного падения(

(m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4(10 [1] и равна (m=17(48 ( 10-6 м2/с

[pic]

Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4(10 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.698(

Grн Pr = Grв Pr = 213(654 ( 0(698 = 149(13

Grб 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

[pic] для боковой поверхности

[pic] где (m - теплопроводность газа, для воздуха (m определяем из таблицы
4(10 [1] (m = 0(0281 Вт/(м К)(

6( Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом(

[pic] где ( - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима ( = 240 Вт/(м2 К)(

S( - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока(

К( - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

[pic]

В результате получаем(
[pic]

7( Рассчитываем нагрев нагретой зоны (tз(о во втором приближении

[pic] где Кw - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, Кw = 1(

Кн2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Кн2 =
1(3(

8( Определяем ошибку расчета

[pic]
Такая ошибка нас вполне устраивает (=0(053 < [(]=0.1(

9( Рассчитываем температуру нагретой зоны

[pic]

Этап 3( Расчет температуры поверхности элемента

1( Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема( Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины (экв = (п = 0.3 Вт/(м К) , где (п - теплопроводность материала основания печатной платы(

2( Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем(

[pic] где S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС = 0(0195 ( 0(006 =
0(000117 м2

3( Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока

[pic] где (1 и (2 - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП( для естественного теплообмена (1 + (2 = 18 Вт/(м2 К)( hпп - толщина ПП(

4( Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы для ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем тепловом режиме(
[pic] где В и М - условные величины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8(5 ( 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( - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис( 4(17) [1] и для нашего случая к( = 12 Вт/(м2 К)(

Ni - число i-х корпусов микросхем( расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более ri < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП Ni = 24(

К1 и К0 - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже(

[pic]

(tв - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке(

[pic]

QИСi - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0(001 Вт(

SИСi - суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна SИСi = 2 (с1 ( с2 + с1 ( с3 + с2 ( с3) = 2
(19(5 ( 6 + 19.5 ( 4 + 6 ( 4) = 438 мм2 = 0(000438 м2(

(зi - зазор между микросхемой и ПП, (зi = 0(

(зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор(

Подставляя численные значения в формулу получаем
[pic]

5( Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы

[pic]
Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы (Тр =
-45((((+70 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения(

РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

Исходные данные для расчета(

|Масса блока ИС |mис = 24 г = 0(024 кг |
|Плотность дюралюминия |(др = 2800 кг/м3 |
|Плотность стеклотекстолита |(Ст = 1750 кг/м3 |
|Толщина дюралюминия |hk = 1 мм = 0(001 м |
|Толщина печатной платы |hпп = 2 мм = 0(002 м |
|Количество печатных плат |nпп = 60 |
|Количество ИС |nис = 25 |

[pic]

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(
[pic] 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(
( - коэффициент Пуассона, ( = 0.279(
М - масса пластины с элементами, М = mпп + mис ( 25 = 0.095 + 0.024 ( 25 =
0.695 кг(
K( - коэффициент( зависящий от способа закрепления сторон пластины( k, (, (, ( - коэффициенты приведенные в литературе [1](
Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты(
[pic]

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.

[pic] так как нам известен порядок К( ( 103, то при минимальной частоте f =
10 Гц

[pic] 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 |
|(, 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(

[pic]

Исходя из значений Р1...Р4 выбираем амортизатор АД -15 который имеет( номинальную статическую нагрузку Рном = 100....150 Н, коэффициент жесткости kам = 186(4 Н/см, показатель затухания ( = 0(5(

3( Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока(

Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле(

[pic]

Для определения относительного перемещения s(f) необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы

[pic]

[pic] и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле

[pic]

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 |
|((f), мм |13 |2 |1 |0(5 |0(25 |0(076 |
|((f) |1.003 |1.118 |1.414 |2.236 |4.123 |13.196 |
|s(f)= ((f) |13.039 |2.236 |1.414 |1.118 |1.031 |1.003 |
|((f) | | | | | | |

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(

[pic] где (0i - номинальная интенсивность отказов( k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов( k3 - 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 |(0i,1/ч |k1 |k2 |k3 |k4 |
|Микросхема |0,013 |1,46 |1,13 |1 |1,4 |
|Соединители |0,062 ( |1,46 |1,13 |1 |1,4 |
| |24 | | | | |
|Провода |0,015 |1,46 |1,13 |1 |1,4 |
|Плата печатной |0,7 |1,46 |1,13 |1 |1,4 |
|схемы | | | | | |
|Пайка навесного |0,01 |1,46 |1,13 |1 |1,4 |
|монтажа | | | | | |

Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки tp для нерезервированных систем определяется из формулы(

[pic]

[pic]

Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает 1...2 минут и следовательно значение P(0.033) = 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям(

ЛИТЕРАТУРА

1. О. Д. Парфенов, Э( Н( Камышная( В( П( Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры( “Радио и связь”( 1989 г.
Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М. “Высшая школа”, 1986 г
1. В. А. Шахнов. Курс лекций.