Теоретические сведения для выполнения курсовой работы

Нагрев и охлаждение.

Во всех электрических схемах существуют потери мощности, выделяемые в виде тепла в окружающую среду. Мощность рассеяния часто указывается в паспортных данных на электронные компоненты и используется, например, при выборе рабочих точек транзисторов. Температура нагрева элементов зависит от геометрии их конструкций, теплопроводности материалов и скорости воздушных потоков. Большая площадь поверхности и хороший обдув помогают бороться с перегревом компонентов.

Для поддержания требуемой температуры внутри электрических устройств для сильно нагреваемых элементов применяют вентиляторы и радиаторы. Иногда зону между радиатором и поверхностью охлаждаемого компонента для улучшения теплопроводности заполняют специальной пастой.

Надежность и срок службы.

В электронике под надежностью электрических компонентов подразумевается их способность функционировать без поломок (отказов) в течение определенного интервала времени. Для количественной оценки надежности ввели понятие интенсивности отказов, которую можно определить по формуле:

,

где DN - количество отказов;

N - общее число компонентов;

Dt - время наблюдения.

Интенсивность отказов определяет среднее число отказов элементов, входящих в состав электрического устройства, в течение заданного интервала времени. Интенсивность отказов измеряется в единицах, обозначаемых fit (failure in time). 1 fit = 10^-9 ч^-1.

Помимо интенсивности отказов используется характеристика, называемая средним временем между отказами, определяемая как:

.

Она соответствует среднему времени, через которое, вероятно, произойдет отказ устройства. При большом количестве одинаковых тестируемых элементов через интервал времени, равный Т_m, 63 % из них, вероятно, выйдет из строя.

Следующие выражения определяют общую интенсивность отказов

l_total и среднее время между отказами Т_total в группе из i электронных блоков, состоящих из n_i элементов, интенсивность отказов каждого из которых составляет l_i:

, ,

Интенсивность отказов, а следовательно, и срок службы, и надежность электронных компонентов в основном зависят от температуры. Эта зависимость может быть описана законом Аррениуса:

,

где l - интенсивность отказов;

N - количество компонентов;

V_a - энергия активации (эВ), 1 эВ = 1,602 10^-19 Дж;

k - постоянная Больцмана: k = 1,38 10^-23 Дж/К;

T- абсолютная температура.

Надежность и срок службы электронных схем в основном зависят от температуры элементов, входящих в ее состав. С ростом температуры интенсивность отказов увеличивается по экспоненте.

Диапазон изменений энергии активации составляет 0,3 – 1,3 эВ, а ее типовое значение равно 0,5 эВ.

Если известна интенсивность отказов l_i устройства при температуре T₁ то найти интенсивность отказов при температуре T₂ можно при помощи следующего соотношения:

.

На рисунке 28 показана типовая зависимость интенсивности отказов от температуры устройства. Расчет радиаторов должен проводиться не только исходя из предельно допустимых температур, указанных в спецификациях на компоненты, но и с целью обеспечения экономичного режима работы при минимально возможных температурах.

Температуру электронных схем следует поддерживать как можно более низкой. Это не только повышает надежность и срок службы устройств, но и снижает затраты на эксплуатацию.

Рисунок 28 - Рост интенсивности числа отказов при увеличении температуры для двух разных значений энергии активации