Физические процессы в радиоэлектронных средствах

Содержание

1. Введение

2. Тепловое моделирование и расчёт теплового режима РЭС

2.1 Определение параметров модели пакета РЭС

2.2 Выделение элементарной тепловой ячейки

2.3 Составление схем теплопередачи в элементарной ячейке

2.4 Расчёт показателей теплового режима

3. Заключение

Список литературы

1. Введение

В настоящее время наиболее частыми причинами отказа и выхода из строя аппаратуры является нарушение теплового режима устройства. Для устранения подобных случаев разработчики моделируют схожие ситуации и проводят расчет тепловых режимов РЭС.

В данной курсовой работе рассмотрена методика теплового моделирования блока РЭС на основе модели однородного анизотропного тела, которая представляет реальную конструкцию или её части однородным анизотропным телом в виде прямоугольного параллелепипеда, для которого находят эквивалентные коэффициенты теплопроводности по направлениям осей координат ,, Для определения коэффициентов теплопроводности конструкции необходимо выполнить следующие задачи:

·        выделить в структуре конструкции элементарную ячейку, состоящую из однородных по теплофизическим характеристикам простейших тел правильной геометрической формы;

·        составить схемы теплопередачи в ячейке по направлениям x,y,z и в результате преобразования схем найти тепловые проводимости элементарной ячейки ,,;

·        через тепловые проводимости элементарной ячейки ,, и геометрические размеры конструкции ,, найти тепловые проводимости эквивалентного анизотропного тела ,, и коэффициенты теплопроводности ,,.

1. Задание

-   Размеры платы функциональной ячейки -  мм,  мм

-   Толщина печатной платы  мм

-   Число микросхем на плате

-   Тип корпуса микросхемы 201.16-13 (рисунок 1)

-   Материал корпуса микросхемы керамический

-   Шаг установки микросхем на плате мм, мм (рисунок 2)

-   Число функциональных ячеек

-   Шаг установки функциональных ячеек мм

Рисунок 1 - микросхема в корпусе типа 201.16-13

Рисунок 2 - размещение микросхем на плате ФЯ

2. Тепловое моделирование и расчёт теплового режима РЭС

2.1 Определение параметров модели пакета РЭС

Установочные размеры микросхемы: длина - 19.5 мм, ширина - 7.5 мм, высота - 3.2 мм.

Коэффициенты теплопроводности для микросхемы (керамика 22ХС), печатной платы (стеклотекстолит фольгированный) и воздуха соответственно равны:

;

;

Размеры элементарной тепловой ячейки будут соответствовать шагам установки микросхем на плате:  мм и шагу установки функциональных ячеек мм, т.е. равны 27.5x17.5x18 мм.

Модель пакета функциональных ячеек, представленная в виде однородного анизотропного тела, изображена на рисунке 3 и описывается следующими параметрами:

 − количество элементарных тепловых ячеек вдоль оси X;

 − количество элементарных тепловых ячеек вдоль оси Y;

 − количество элементарных тепловых ячеек вдоль оси Z;

 − общее количество элементарных тепловых ячеек.

Рассчитаем геометрические размеры однородного анизотропного тела:

радиоэлектронное средство тепловой режим

 − ширина однородного изотропного тела вдоль оси X;

 − длина однородного изотропного тела вдоль оси Y;

 − высота однородного изотропного тела вдоль оси Z.

Рисунок 3 - модель пакета функциональных ячеек

2.2 Выделение элементарной тепловой ячейки

Объёмное изображение элементарной тепловой ячейки показано на рисунке 4. Здесь же дано разбиение ячейки на простейшие составляющие однородные изотропные тела. Все выделенные тела представляют собой прямоугольные параллелепипеды, для которых при известных коэффициентах теплопроводности материала и геометрических размерах тепловая проводимость может быть найдена по формуле:

 (1),

где S - площадь стенки параллелепипеда, перпендикулярной направлению теплового потока;  - длина стороны параллелепипеда, совпадающей с направлением теплового потока.

Рисунок 4 − модель элементарной тепловой ячейки

Размеры простейших однородных тел элементарной тепловой ячейки приведены в таблице 1.

Таблица 1

.3 Составление схем теплопередачи в элементарной ячейке

После выделения элементарной тепловой ячейки и разбиения её на простейшие однородные изотропные тела составляем тепловые схемы, отражающие процесс переноса тепла в ячейке по направлениям осей координат. На рисунках 5,6,7 показаны тепловые схемы ячеек, соответствующих передаче тепла по осям Х,Y,Z. Индексы тепловых проводимостей совпадают с нумерацией простейших однородных тел тепловой ячейки.

Рисунок 5 - тепловая схема процесса передачи тепла по оси X

Рисунок 6 - тепловая схема процесса передачи тепла по оси Y

Рисунок 7 - тепловая схема процесса передачи тепла по оси Z

2.4 Расчёт показателей теплового режима

Рассчитаем тепловые проводимости простейших однородных тел для каждого направления осей координат с помощью формулы (1).

По направлению Х:

;

;

;

;

;

По направлению Y:

;

;

;

;

;

По направлению Z:

;

;

;

;

.

С помощью эквивалентного преобразования схем найдём тепловые проводимости элементарной ячейки по соответствующим направлениям координат: для оси X:

;

для оси Y:

;

для оси Z:

.

Рассчитаем тепловые проводимости нагретой зоны по направлениям x,y,z (1):

;

;

.

Рассчитаем эквивалентные коэффициенты теплопроводности однородного анизотропного тела (1):

;

;

.

В результате по полученным теплопроводностям и геометрическим размерам однородного анизотропного тела можно определить тепловое сопротивление между центром тела и его поверхностью нагретой зоны, которое позволяет найти температуру центра нагретой зоны, как самой “горячей” точки в пределах конструкции. Зная эту температуру уже можно дать объективную оценку тепловому режиму.

3. Заключение

В результате проделанной работы была построена модель однородного анизотропного тела для пакета функциональных ячеек (рисунок 3) и произведен расчет теплового режима блока РЭС, исходя из заданных конструктивных параметров.

Определены параметры конструкции пакета РЭС и геометрические размеры однородного анизотропного тела. После чего была выделена элементарная тепловая ячейка и разбита на простейшие однородные тела, для которых были составлены тепловые схемы, отражающие процесс теплообмена в элементарной ячейке по направлениям осей координат. Рассчитаны тепловые проводимости для каждого направления пространства x,y,z и по полученным значениям найдены тепловые проводимости для элементарной ячейки с помощью эквивалентного преобразования тепловых схем: , , . Затем были рассчитаны тепловые проводимости нагретой зоны для направлений x,y,z:    и найдены эквивалентные коэффициенты теплопроводности однородного анизотропного тела:

Список литературы

1.       Лекции по курсу "Физические процессы в РЭС". Борисов В.Ф. /Борисов С.Ю. − 2011;

2.       Проектирование РЭС: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию / В.Ф. Борисов, А.А. Мухин, М.Ф. Митюшин, А.Н. Шишков, Ю.В. Чайка. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008. - 96c.: ил.