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 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) 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”, Iвх0, мкА, не менее |
-0 1 |
-0.1 |
Входной ток в состоянии “1”, Iвх1, мкА, не более |
0 1 |
0.1 |
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, не более |
0 3 |
0.3 |
Ток потребления в состоянии “1”, Iпот1, мкА, не более |
0 3 |
0.3 |
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р1, 0, нс, не более |
200 |
200 |
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р0, 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 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
где P0 - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты;
Sк - площадь внешней поверхности блока
Для осуществления реального расчета примем P0=20 Вт, тогда
2 По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении D tк= 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 tm = t0 + 0.5 D tk = 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
где Lопр 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 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 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);
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 s к
9 Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении D tк о
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
Так как d =0 332 > [d ]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав D tк= 15 оС
11 После повторного расчета получаем D tк,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 qз
где Pз - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, Pз = 20 Вт.
2 По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны D tз= 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 пi
где e зi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e 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 e п = 0 405 и тогда
4 Для определяющей температуры tm = 0 5 (tк + t0 + D tk) = 0 5 (45 + 30 + 17 =46 oC и определяющего размере hi рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса
где Lопр 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 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
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);
Sl - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;
Кs - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен
В результате получаем
7 Рассчитываем нагрев нагретой зоны D tз о во втором приближении
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
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 S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС = 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);
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
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;
кa - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис 4 17) [1] и для нашего случая кa = 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
D tв - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке
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;
d зi - зазор между микросхемой и ПП, d зi = 0;
l зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор
Подставляя численные значения в формулу получаем
5 Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы
Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы D 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 |
r др = 2800 кг/м3 |
Плотность стеклотекстолита |
r 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 |
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 = mпп + mис × 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;
Ka - 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 Кe » 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 Р1...Р4 выбираем амортизатор АД -15 который имеет номинальную статическую нагрузку Рном = 100....150 Н, коэффициент жесткости kам = 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 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 |
l 0i,1/ч |
k1 |
k2 |
k3 |
k4 |
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 tp 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