Анализ схемотехнических требований и ограничений
На конструкцию РЭС громадное влияние оказывают назначение и режимы функционирования электрорадиоэлементов электрических схем.
Анализ электрических схем и карт электрических режимов работы ЭРЭ, выполненных с помощью схемотехнических САПР [21] позволяет найти решение следующих задач.
1. Выделить функциональные узлы и устройства, которым в последующем можно придать конструктивную обособленность.
2. Обнаружить компоненты, определяющие особенности компоновки:
- Массивные и крупногабаритные ЭРЭ (силовые трансформаторы, дроссели и т.п.) в зависимости от условий эксплуатации могут потребовать дополнительные крепления или фиксацию, чтобы надёжность РЭС от влияния механических воздействий существенно не снизилась. Если масса ЭРЭ более 70 г. или его габариты слишком велики, размещать такой ЭРЭ на печатной плате нецелесообразно. В любом случае обязателен анализ последствий и специальное обоснование дополнительных креплений.
-
| Рис. 2.1 - Радиаторы-теплоотводы для ЭРЭ с большим тепловыделением |
Мощные тепловыделяющие элементы (транзисторы, диоды, тиристоры, семисторы, резисторы, радиолампы и т.п.) при малой выделяемой тепловой мощности могут эксплуатироваться без радиатора-теплоотвода. Однако если выделяемая мощность превышает значения, допустимые техническими условиями, то такие элементы для снижения теплового сопротивления элемент – окружающая среда [22,23,24,25] потребуют использования дополнительного теплоотвода-радиатора (Рис. 2.1).
|
|
|
- Теплочувствительные ЭРЭ, которые следует размещать подальше от ЭРЭ, являющихся источниками значительного тепловыделения.
- 
| Рис. 2.2 – Некоторые виды переменных резисторов |
| Рис. 2.3 - Конденсаторы переменной ёмкости |
Заметим, что для таких ЭРЭ сразу же надлежит выбрать и оптимальный способ их подсоединения - с помощью разъёма или без него (например, с помощью жгута, припаиваемого к монтажным стойкам или клеммам печатной платы).
- 
| Рис. 2.4 - Подстроечные резисторы |
|
|
|
| Это подстроечные резисторы (Рис. 2.4), конденсаторы (Рис. 2.5) и катушки индуктивности (Рис. 2.6), для регулировки параметров которых употребляют отвёртки, ключи и т.п. | |
| |
|
3. Проанализировать функциональное назначение различных электрических цепей. Выявить группы цепей, к выполнению которых предъявляются особые требования и сформулировать требования к их проектированию.
Разделение электрических цепей на родственные группы особенно важно для обеспечения электромагнитной совместимости высокочастотных РЭС, при проектировании многослойных ПП, а также аппаратуры с малым уровнем входных токов.
Разумно выделить группы цепей со следующими характеристиками:
- 
| Рис. 2.7 – Конденсаторы с оксидным диэлектриком |
|
|
|
- Цепи силовые потенциальные (питания и земли) - от источников питания - и цепи нагрузки. Обычно такие цепи характеризуются прохождением значительных токов и поперечное сечение проводника (его ширина на ПП) уточняется расчётом.
- Слаботочные сигнальные и управляющие цепи с аналоговыми и импульсными сигналами – ширина проводников может быть минимальной и определяется классом точности изготовления печатной платы.
| - Цепи, используемые для проведения внутрисхемного контроля электрических параметров и требующие введения в топологию проводящего рисунка контрольных контактных площадок для подключения измерительных приборов. | 
|
- Высокочастотные цепи, проектирование которых требует учёта электромагнитной совместимости[3].
В принципе помехи могут приходить от источника помех к приёмнику через электрические, магнитные и электромагнитное поля. Определённые проводники могут играть роль как приёмной, так и передающей антенны. Поэтому для таких цепей важны малые паразитные параметры (ёмкости и индуктивности) и малая задержка сигналов, что достигается уменьшением длины проводников.
|
|
|
При разработке конструкций РЭС, работающих на высоких и сверхвысоких частотах, необходимо учитывать конструкторские и технологические факторы, от которых зависят электромагнитная совместимость[4], потери, добротность и нестабильность волнового сопротивления микрополосковых линий и т.п. Особое внимание должно быть уделено экранированию проводов и кабелей, а также обеспечению электрогерметичности волноводов и экранов.
Для обеспечения элетромагнитной совместимости устройств также необходимо ослабить связи между источниками помех и приёмниками помех до допустимых значений, что достигается их пространственным разнесением.
Цепи и ЭРЭ с большой амплитудой высокочастотных сигналов для снижения уровня помех возможно потребуют экранирования[5].
Помехи нередко распространяются через общие цепи, например, цепи питания. В таких случаях помогает установка помехоподавляющих фильтров в общие цепи источников и приёмников помех.
Цепи с высоким напряжением характеризуютсяповышенной вероятностью пробоя между печатными проводниками, что вынуждает увеличивать зазоры между ними.
В результате выполненного анализа должны быть сформирована схема электрическая принципиальная печатного узла, состоящей только из тех ЭРЭ, которые следует разместить на печатной плате функционального узла.
Анализ способов охлаждения
Только несколько процентов энергии, подводимой от источника электропитания, расходуется в РЭС на полезную работу. Остальная часть энергии выделяется в виде тепловой энергии. В большинстве случаев увеличение тепловой нагрузки на РЭС приводит к значительному снижению надёжности работы. Поэтому проблема отвода избыточного тепла является крайне актуальной.
Тепловой режим РЭС характеризуется температурным полем - пространственно-временным распределением температуры внутри корпуса аппаратуры. На тепловой режим РЭС влияют как внешнее температурное действие окружающей среды, так и тепло, выделяемое радиоэлементами самого РЭС.
В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть либо стационарным, либо нестационарным. Стационарный режим характеризуется неизменным во времени температурным полем. Такой режим наблюдается в тех случаях, когда собственная теплоёмкость РЭС соизмерима с количеством теплоты, выделяемой при работе. У нестационарного режима температурное поле изменятся от времени (например, при включении РЭС, при одиночных и кратковременно повторяющихся тепловых нагрузках).
Тепловой режим ЭРЭ является одним из важнейших факторов, ограничивающих уменьшение габаритов РЭС. Размещение большого числа ЭРЭ на небольшой площади приводит к интенсивному нагреву РЭС, что требует отвода тепла (охлаждения). Чем меньше габариты РЭС и выше требования к его производительности и надёжности, тем актуальнее для него проблема эффективного охлаждения.
Перенос тепловой энергии из от нагретой части РЭС в холодную или в окружающую среду называется теплообменом. Чем больше разность температур между отдельными частями РЭС и окружающей средой, тем теплообмен происходит интенсивнее.
Для характеристики процесса распространения теплоты вводят понятие тепловой поток P [Вт]. Это количество теплоты Q [Дж], проходящей за время τ [с] через некоторую поверхность в направлении нормали к ней:
. (2.1)
Если количество переданной теплоты Q отнести к площади поверхности S [м2] и времени τ, то получим g [Вт/м2] - плотность теплового потока (удельный тепловой поток):
. (2.2)
Теплообмен может происходить за счёт теплопроводности, конвекции и теплового излучения [22,24,25].
Конвекция - перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. При естественной конвекции нижние слои вещества нагреваются, расширяются, их плотность уменьшается, они становятся легче и начинают всплывать (под действием выталкивающей силы Архимеда). Верхние слои, напротив, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. Возникающие локальные течения эффективно уносят тепло из нагретой зоны.
| Рис. 2.8 - Виды корпусов РЭС с интенсивным тепловыделением: а) - с перфорацией стенок; б) - с оребрением стенок |
Для увеличения интенсивности теплоотвода с помощью конвекции корпуса РЭС либо перфорируют, либо с помощью рёбер увеличивают площадь охлаждения (Рис. 2.8). Введение вентиляционных отверстий при их разумном расположении снижает перегревы внутри блока РЭС примерно на 20% [26].
Теплоотдача конвекцией определяется законом Ньютона:
, (2.3)
где 
– коэффициент теплопередачи конвекцией;
- тепловое сопротивление конвекции, ᵒС/Вт.
- площадь тепловыделяющей поверхности, cм2.
Если естественная конвекция недостаточно эффективна, то применяют вынужденную (принудительную) конвекцию, когда перемещение вещества обусловлено действием лопастей вентиляторов, насосов и т.п.
Кондукция (теплопроводность) требует непосредственного физического контакта между соприкасающимися телами и не сопровождается переносом вещества. Перенос энергии от более нагретых элементов, узлов и блоков РЭС к менее нагретым происходит за счёт теплового движения и взаимодействия составляющих его структурных частиц - молекул, атомов, свободных электронов. Кондукция приводит к выравниванию температуры тела. Передача тепла через однородный в тепловом отношении слой материала характеризуется уравнением Фурье в интегральной форме (и в дифференциальной форме, если слой неоднородный):
, (2.4)
где 
- удельное тепловое сопротивление материала, ᵒС·см/Вт;
- перепад температур в слое, ᵒС;
- толщина слоя, см;
- площадь поверхности слоя, см2;
- передаваемая мощность, Вт;
- тепловое сопротивление слоя, ᵒС/Вт.
Тепловое излучение (излучения тепла, лучеиспускание) происходит за счёт превращения тепловой энергии в энергию излучения (лучистая энергия) и не сопровождается переносом вещества. Теплоотдача с поверхности нагретого тела в окружающее пространство излучением зависит от температуры тела и окружающей среды, а также от свойств поверхности (от степени черноты и шероховатости поверхности). Количество тепла (Вт), переданного излучением, определяется законом Стефана-Больцмана:
(2.5)
где: αЛ - коэффициент излучения;
SЛ - поверхность излучения, см2.
При нормальных климатических условиях и естественном охлаждении в конструкциях РЭС примерно 70% тепла отводится за счёт конвекции, приблизительно 20% - за счёт излучения и около 10% - за счёт теплопроводности [22]. Другими словами, основную роль в обеспечении теплового режима РЭС в большинстве случаев играет теплообмен с помощью конвекции. Заметим, что с увеличением высоты использования РЭС над поверхностью Земли (горы, самолёты и космические аппараты) плотность и давление воздуха резко уменьшаются и конвективный теплообмен перестаёт работать. При этом охлаждение РЭС становится возможным лишь за счёт теплового излучения.
Способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭС, поэтому систему охлаждения РЭС необходимо выбрать ещё на ранней стадии проектирования. Следует предусмотреть и принять такие конструктивные решения, чтобы в разрабатываемой конструкции максимальные температуры всех элементов не превысили допустимых значений. Неудачное решение этой задачи может обнаружиться только на поздних этапах проектирования и привести к неоправданным экономическим затратам на повторное проектирование.
Таблица 2.2 представляет возможные способы охлаждения РЭС
Таблица 2.2 - Способы охлаждения РЭС
| № | Способ охлаждения | № | Способ охлаждения | ||
| 1 | 1 - стенка РЭС; 2 - ЭРЭ; 3 - теплоотвод; 4 -печатная плата | Кондукция
(теплопроводность) 
| 6 | Естественное жидкостное | Конвекция 
|
| 2 | Естественное воздушное в герметизированном корпусе | Конвекция 
| 7 | Принудительное жидкостное | Конвекция 
|
| 3 | Естественное в негерметизированном корпусе | Конвекция 
| 8 | Охлаждение за счёт изменения агрегатного состояния теплоносителя. | Испарительное 
|
| 4 | Принудительное воздушное в герметизированном корпусе | Конвекция 
| 9 | Излучение 
| |
| 5 | Принудительное воздушное в негерметизированном корпусе | Конвекция 
| 10 | Поглощение или выделение тепла при прохождении тока в месте спая двух разнородных проводников | Эффект Пельтье 
|
Системы охлаждения можно также классифицировать по коэффициенту теплоотдачи K, Вт/(м2×°С) (Таблица 2.3).
Таблица 2.3 - Коэффициенты теплоотдачи K для различных систем охлаждения
| Система охлаждения | Коэффициент теплоотдачи К, Вт/(м2 × °С) |
| Естественная воздушная конвекция и излучение | 2 - 10 |
| Принудительная конвекция в воздухе и парах | 10 - 100 |
| Естественная конвекция в масле и других жидкостях той же плотности | 200 - 300 |
| Принудительная конвекция в масле и других жидкостях той же плотности | 300 - 1000 |
| Естественная конвекция в воде | 200 - 600 |
| Кипение воды | 500 - 45000 |
| Капельная конденсация водяных паров | 40000 - 120000 |
В реальных РЭС все перечисленные выше способы переноса тепла могут работать одновременно в различных сочетаниях, и тепловой режим РЭС определяется их суммарным действием. Тот или иной вид теплоотвода приобретает преобладающее значение в зависимости от назначения и конструкции РЭС.
| Рис. 2.9 – Области рационального применения различных способов охлаждения РЭС: · возможно применение единственного способа: 1 - свободное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 - принудительное испарительное; · возможно применение нескольких способов охлаждения: 2 - свободное и принудительное воздушное, 4 - принудительное воздушное и жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и свободное испарительное, 7 - принудительное жидкостное, принудительное и свободное испарительное, 8 - свободное принудительное и свободное испарительное, 9 - свободное и принудительное испарительное |
Заметим, что верхние кривые на Рис. 2.9, соответствуют ΔТ > 100 °С, и применяются обыкновенно для выбора способа охлаждения больших элементов (крупногабаритные лампы, магниты, дроссели и т.п.), так как при охлаждении разветвлённых поверхностей больших элементов можно получить более высокие эффективные коэффициенты теплоотдачи. Нижние кривые на Рис. 2.9 не являются продолжением соответствующих кривых в верхней части. Они применяются для выбора способа охлаждения блоков, стоек и т.п., выполненных на небольших ЭРЭ, так как для них, как правило, ΔТ < 100 °С.
При естественном воздушном охлаждении выделяющаяся в РЭС тепло конвекцией, теплопроводностью и излучением передаётся его корпусу и таким же путём рассеивается в окружающую среду. Метод естественного воздушного охлаждения не требует дополнительных затрат энергии, прост, высоконадёжен, полностью бесшумен и имеет небольшую стоимость. Недостаток — небольшая эффективность охлаждения и громоздкость: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25 – 30 см2. Чтобы необоснованно не увеличивать габариты РЭС, этот способ разумно использовать лишь при небольших удельных мощностях рассеивания тепла g (g < 0,2 Вт/см2).
Поверхность полупроводникового кристалла слишком мала, чтобы конвекции было достаточно для его охлаждения. Наиболее распространённый способ увеличения площади охлаждения ЭРЭ — применение пассивных теплоотводов на основе алюминиевых или медных ребристых и игольчатых (штыревых) радиаторов, обладающих высокой теплопроводностью (200…400 Вт/(м∙К). Они могут различаться формой, конструкцией, размером (Таблица 2.4). При закреплении корпуса ЭРЭ на радиаторе площадь поверхности охлаждения многократно увеличивается и, следовательно, тепловое сопротивление радиатор-среда уменьшается. От корпуса ЭРЭ к металлическому радиатору тепло передаётся за счёт теплопроводности, а от радиатора теплоотдача осуществляется уже конвективным и лучистым теплообменом.
Таблица 2.4 - Конструкции радиаторов охлаждения ЭРЭ
| Ребристые радиаторы | 
|
| Игольчатые радиаторы | 
|
Для естественной конвекции лучшей считается игольчатая конструкция, позволяющая увеличить эффективность охлаждения иногда на 100% при одинаковых размерах с ребристыми. Круглые штыри позволяют отводить тепловой поток во всех направлениях.
Даже между хорошо обработанными поверхностями есть воздушные зазоры. Так как воздух очень плохо проводит тепло, то передача тепла между поверхностями ЭРЭ и радиатора затруднена. Для уменьшения теплового сопротивления между соприкасающимися достаточно шероховатыми поверхностями радиатора и ЭРЭ используется теплопроводная паста (термопаста) — многокомпонентное пластичное вещество с высокой теплопроводностью. Воздух, находящийся между поверхностями, заменяется на теплопроводящую пасту со значительно более высокой теплопроводностью, что обеспечивает улучшенный тепловой контакт.
Перспективным направлением является замена термопаст на резиноподобные термоэластичные полимеры с высокой теплопроводностью [27], из которых изготавливаются тонкие пластины (прокладки). Они размещаются взамен традиционных термопаст и снижают тепловое сопротивление системы охлаждения. Прокладки из термопластичных полимеров технологичны, дешевле и долговечнее большинства термопаст. К тому же из них легко могут быть отлиты сложные 3D-изделия, эффективно «выбирающие» воздушные зазоры в трёх измерениях.
Вместо алюминия и меди в системах охлаждения в последнее время предлагается применять в качестве полноценной замены теплорассеивающие пластмассы (полимерные композиты) с теплопроводностью в 5…10 Вт/(м∙К) [27]. Многократное повышение теплопроводности стало возможным за счёт использования наполнителей с высокой теплопроводностью (до 200 Вт/(м∙K)), подбора специальных технологических добавок, специализированного технологического оборудования для высокого и сверхвысокого наполнения пластмасс. Подобным радиаторам для повышения площади теплоотдачи нетрудно придать сложную форму. Кроме того, у них отсутствует «антенный эффект», характерный для алюминиевых радиаторов. Изделия специальной техники с такими радиаторами имеют гораздо более низкий уровень радиозаметности, и с них существенно затруднён несанкционированный сбор информации.
Заметим, что теплорассеивающие пластмассы могут быть с успехом использованы и для деталей конструкции двоякого назначения: всевозможные корпуса, оболочки, монтажные стойки, переходники и другие детали одновременно являются эффективными теплорассеивающими поверхностями.
Стоимость изделий из теплорассеивающих пластмасс в 2—3 раза ниже, чем аналогичных деталей из алюминия. Они в среднем на 40% легче аналогичных алюминиевых, что позволяет существенно уменьшить вес бортовой аппаратуры. Поверхность подобных изделий, полученных высокоточным литьём под давлением, не шероховатая, а имеет «зеркальное» качество, и они без всякой доработки полностью готовы к сборке.
Сильно теплонагруженные блоки РЭС могут потребовать применения систем принудительного охлаждения - кулеров [24,25]. Кулер (англ. cooler - охладитель) - название системы воздушного охлаждения, состоящей из вентилятора и радиатора. Конструкция кулеров зависит от плотности теплового потока. (Таблица 2.5).
Таблица 2.5 - Конструкции систем принудительного охлаждения
| Радиаторы с вентиляторами - кулерами | 
|
По характеру работы принудительная вентиляция может осуществляться тремя способами.
При приточной вентиляции охлаждённый и очищенный воздух нагнетается в корпус РЭС. Для отвода нагретого воздуха из РЭС служат вентиляционные отверстия или жалюзи на его корпусе.
При вытяжной вентиляции вентилятор вытягивает из РЭС нагретый воздух. Холодный воздух поступает в РЭС через вентиляционные отверстия в дне или боковых стенках корпуса аппарата.
При приточно-вытяжной вентиляции нагнетание холодного, и вытяжка нагретого воздуха осуществляются двумя различными вентиляторами.
При использовании приточной вентиляции вентилятор работает в более холодном и, следовательно, более плотном воздухе, поэтому она считается эффективнее вытяжной.
Вентиляционные отверстия для входа воздуха в корпус РЭС обычно снабжаются фильтрами для защиты от пыли.
| Рис. 2.10 - Жидкостная система охлаждения мощных ЭРЭ компании Zalman |
В последние годы нагрев современных процессоров и видеокарт стал настолько высоким, что часто на одном кулере можно увидеть не один вентилятор, а несколько. При этом существенно увеличиваются габариты и масса системы охлаждения, уровень шума и стоимость. Для улучшения теплоотвода особо теплонагруженных деталей РЭС (мощные выходные каскады передатчиков, силовые полупроводниковые элементы, лазерные диоды и т.д.) (Рис. 2.10) всё чаще применяют жидкостные системы охлаждения, у которых значимо более высокая эффективность при умеренных габаритах, так как теплопроводность жидкости-хладагента (вода, тосол, спирт, трансформаторное масло, жидкий азот, ртуть и др.) в пять - семь раз выше, чем у воздуха (соответственно меньше и её тепловое сопротивление, а тепловой поток выше).
В подобных системах небольшой теплообменник, объем которого существенно меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ЭРЭ. Из него по трубке с помощью микронасоса жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Недостатки жидкостных систем охлаждения связаны, прежде всего, с возможностью протечек хладагента, способных вывести из строя всё РЭС. Увеличенный шум (вентилятор и микронасос), повышенная стоимость и невысокая надёжность (изнашивающиеся элементы) также не способствуют широкому применению жидкостных систем охлаждения.
Тепловая труба (Таблица 2.6) — это герметическое теплопередающее устройство, которое работает по замкнутому испарительно-конденсационному циклу в тепловом контакте с внешними — источником и стоком тепла. Тепловые трубы широко используются для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры. Их целесообразно употреблять при конструктивной невозможности жидкостного охлаждения или охлаждения с применением вентилятора.
Таблица 2.6 - Конструкции систем с тепловыми трубами
| Тепловая трубка представляет собой закрытую трубку из теплопроводящего металла (например, меди), в которой находится легкокипящая жидкость (аммиак, метанол, этанол и т.п.). Внутренняя поверхность трубы представляет собой капиллярно-пористую структуру и играет роль фитиля. | 
| |
| Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном. Здесь пар конденсируется на стенках, впитывается фитилём и жидкость под действием капиллярных сил снова поступает по фитилю в зону испарения. |
| |
| Один конец тепловой трубки подключают к источнику тепла, а другой — к приёмнику — радиатору, который может охлаждаться вентилятором. В результате интенсивного теплообмена количество отводимого тепла получается во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра. | 
| |
| Применение больших радиаторов совместно с тепловыми трубками, пронизывающих рёбра радиатора в нескольких местах, позволяет ускорить распространение тепла по всему объёму радиатора, из-за чего улучшается теплообмен с окружающей средой, нет шума и потребления энергии. | 
| |
| Особенно полезно применение тепловых труб для переброса тепловых потоков от тепловыделяющих узлов к местам, где возможен их эффективный съем - например, за пределы корпуса РЭС или современных мощных компьютерных систем (в ноутбуках, в силовой электронике и т.п.). | 
| |
| Кроме отвода тепла от элементов РЭС и других тепловыделяющих устройств, тепловые трубы широко используются в космической технике для снижения разности температур между поверхностью, обращённой к солнцу, и холодной поверхностью космического аппарата, внутри которого создаётся относительно равномерное температурное поле, что позволяет снизить механические напряжения, проще решать задачи стабилизации температуры и т.п. |
 
|
Французский физик Жан Пельтье в 1834 году обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока через цепь из различных проводников, место соединения проводников охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока, причём количество поглощаемой теплоты пропорционально току, проходящему через проводники (Рис. 2.11).
| Сам по себе элемент Пельтье может обеспечить только хороший отвод тепла от нагревающегося компонента. Чтобы эффективно рассеивать это тепло, необходимо устанавливать на горячую сторону элемента довольно мощный вентилятор или делать жидкостное охлаждение (Рис. 2.12). | 
|
| Рис. 2.12 – Системы базе модулей Пельтье: а) воздушное; б) жидкостное (видеокарта GeForce6800 компании Ultra Arctic Spider мощностью 437 Вт, на который установлен водоблок. Система дополнительно потребляет 600 Вт) |
В настоящее время термоэлектрические модули активно используются в таких высокотехнологичных областях, как телекоммуникации, космос, ядерные установки, высокоточное оружие, медицина и в других современных лазерных, оптических, радиоэлектронных системах.
Достоинства систем охлаждения с использованием эффекта Пельтье:
- относительно простая и недорогая конструкция;
- значительная мощность теплопередачи при маленьких габаритных размерах;
- возможность плавного и точного регулирования холодопроизводительности и температурного режима;
- лёгкость перехода из режима охлаждения в режим нагрева;
- бесшумность работы;
- большой срок службы.
Недостатки:
- большие потребляемые токи и отдельное стабильное питание. охлаждения на
- дополнительный нагрев и низкий КПД (до 10%).
Подводя итог, можно сделать следующие выводы.
В ходе проектирования РЭС всегда возникает задача расчёта и анализа тепловыделения, на основании которого производится выбор конструктивных решений при проектировании систем. Прежде чем приступить к разработке конструкции РЭС, необходимо установить допустимую тепловую нагрузку всех радиоэлектронных элементов, а также параметры их реальных режимов эксплуатации.
Отвод тепла из блока РЭС к внешней поверхности кожуха, в котором имеются тепловыделяющие элементы, может осуществляться за счёт теплопроводности, конвекции и излучения. В большинстве случаев для РЭС, особенно бортовых, в этом случае основным механизмом отвода тепла является теплопроводность. Отвод тепла излучением эффективен при высоких температурах нагретой зоны (более 100 .. 150оС), а надёжная работа РЭС при таких температурах невозможна. При достаточно высокой плотности компоновки конвективный перенос тепла внутри блока может быть затруднён из-за малого сечения воздушных каналов. Отвод тепла от кожуха блока во внешнюю среду осуществляется теми же механизмами. За счёт естественной конвекции в условиях, когда давление среды не ниже 50% от нормального, от блока можно отвести не менее 90% выделяемой в нём тепловой мощности. При этом поверхностная плотность тепловыделения не должна превышать 0,02 Вт/см2. Если тепловыделение превышает указанный уровень, то необходимо переходить на принудительное охлаждение: воздушную вентиляцию, жидкостное или испарительное охлаждение блока.
Расчёты тепловых режимов РЭС базируются на методе электротепловой аналогии, который позволяет сводить расчёт тепловых систем к расчёту электрических схем по основным правилам электротехники. Для этого тепловые величины заменяются их электрическими аналогами, после чего рассчитывается электрическая схема и находится искомая тепловая величина. При этом аналогом теплового потока (мощности нагретой зоны Pнз) в тепловой цепи является ток на участке электрической цепи; аналогом разности температур ΔT нагретой зоны Tнз и температуры окружающей среды Tср (или перегрева) на участке тепловой цепи является падение напряжения на участке электрической цепи; аналогом теплового сопротивления Rт соответствует электрическое сопротивление R, а тепловой проводимости δ - электропроводность.
Можно предложить несколько конструктивных решений, направленные на обеспечение приемлемого теплового режима:
1) важно всемерно обеспечить эффективный отвод тепла от источника во внешнюю среду (перфорация корпуса, расположение плат, широкие воздушные каналы и т.д.);
2) необходимо разнести на максимальное расстояние теплочувствительные элементы от максимально нагретых и обеспечить теплоизоляцию их друг от друга;
3) если это не противоречит условиям электромагнитной совместимости или другим важным параметрам РЭС, то теплонагруженные и теплочувствительные радиоэлектронные элементы лучше разнести по разным блокам;
4) тепловыделяющие элементы желательно располагать ближе к корпусу или непосредственно на его стенках;
5) для улучшения теплоотвода разумно использовать массу металлических шасси, на которых крепятся узлы и элементы РЭС. Там, где это возможно, размеры шасси и толщину их материала следует выбирать не только из соображений механической прочности, но и достаточной массы для обеспечения высоких теплопоглощения и теплопередачи.
6) в качестве конструкционных материалов целесообразно выбирать материалы с высокой теплопроводностью, а в качестве теплоизоляции - материалы с низкой теплопроводностью (Таблица 2.7);
Таблица 2.7 - Коэффициенты теплопроводности некоторых конструкционных материалов
| Материал | Коэффициент теплопроводности, Вт/м·град |
| Воздух | 0,027 |
| Пенопласт | 0,03 - 0,06 |
| Слюда | 0,52 |
| Вода | 0,58 |
| Стеклотекстолит | 0,4 - 0,74 |
| Стекло | 0,74 |
| Ситалл | 1,3 - 1,5 |
| Керамика на основе оксида алюминия (Al2O3) | 18 - 24 |
| Кремний | 84-126 |
| Керамика на основе оксида бериллия (BeO) | 220 - 240 |
| Керамика на основе нитрида алюминия (AlN) | 200 -240 |
| Сталь | 45 - 92 |
| Припой | 75 |
| Алюминий | 230 |
| Золото | 320 |
| Медь | 390 |
| Серебро | 430 |
| Алмаз | до 2600 |
| Графен | до 5300 |
| Тепловые трубы | до 105 – 106 |
7) чем ниже тепловое сопротивление, тем выше теплопередача. Поэтому для повышения эффективности теплового охлаждения необходимо всемерно снижать тепловое сопротивление переходных слоёв компонентов РЭС (кристалл - подложка, подложка - основание, основание - радиатор) с помощью теплопроводящих клеев, паст, подложек, пайки, хорошего прижима;
8) для ослабления переноса тепла от нагретой зоны в сторону, противоположную корпусу или радиатору, целесообразно использовать тепловые экраны с применением материалов с низкой теплопроводностью;
9) Из приведённой выше таблицы видно, что значение коэффициентов теплопроводности различных керамик близки к коэффициентам теплопроводности металлов, что позволяет существенно улучшить теплоотдачу при конструировании микросхем и некоторых видов РЭС. Керамическим подложкам характерны повышенная устойчивость к воздействию теплового удара, влаге и химическим реагентам, высокая твёрдость, широкий диапазон рабочих температур и механических нагрузок, хорошие диэлектрические и тепловые свойства, а также повышенная стабильность размеров. У металлов, кремния и керамики невысокие коэффициенты температурного линейного расширения, достаточно близкие в широком температурном диапазоне, что позволяет создавать высоконадёжные в эксплуатации монтажные СВЧ- и ВЧ-платы для поверхностного монтажа беспроводных коммуникационных систем, станций сотовой связи, мобильных коммуникационных систем. космической, медицинской и другой аппаратуры.
Для определения исходных параметров конструкции расчёт охлаждения аппаратуры можно провести только приближённо [24,25]. Более точные расчёты температурных полей ведут с помощью компьютерных систем теплового моделирования [28,29,30,31].
Дата добавления: 2021-04-07; просмотров: 293; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!