Электрические и механические свойства диэлектриков и металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос №1

Как влияет влажность на электрические и механические свойства диэлектриков и металлов?

Ответ№1

Влияние повышенной влажности проявляются в следующем:

1) увеличивается диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов;

2) снижается их удельное поверхностное сопротивление;

3) уменьшается электрическая проницаемость воздушных зазоров;

4) происходят побочные физико-химические процессы в диэлектриках и металлах.

Эти причины вызывают нежелательные изменения емкости конденсаторов, уменьшение сопротивления изоляции, искрение, пробой, разбухание и отслаивание диэлектриков, коррозию металлов, появление плесени внутри аппаратуры.

При малой величине влажности наблюдается высыхание диэлектриков и их растрескивание.

Вопрос №2

Какие предельно допустимые температуры типовых электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и изоляционных материалов?

Ответ№2

При выборе материала печатной платы необходимо иметь ввиду следующее: материал, из которого предполагается выполнить печатную плату, должен обладать высокими электроизоляционными показателями в заданных условиях эксплуатации усилителя мощности, т.е. иметь большую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, быть химически стойким к действию растворов, используемых при изготовлении печатных плат, допускать штамповку, выдерживать кратковременные воздействия температуры до 240°С в процессе пайки электрорадиоэлементов.

В частности , для некоторых материалов :

-резисторы типа С1-4 рабочий диапазон температур: от -55єС до +125єС;

-конденсаторы рабочий диапазон температур: от -40єС до +85єС.

 Фольгированный стеклотекстолит марки СТФ-2(изоляционное основание)может работать при температуре 180° С 

Керамические материалы в зависимости от категории (1…4) могут работать в диапазоне температур от -60 до 300°С.

Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гарантированы, если температура среды внутри РЭА является нормальной и равной 20-25 °С. Изменение температуры относительно нормальной на каждые 10 °С в любую сторону уменьшает срок службы аппаратуры приблизительно в 2 раза.

Вопрос №3

3. Как влияет влажность на надёжность и стабильность параметров электрорадиоэлементов?

Ответ№3

Длительное воздействие высокой влажности вызывает коррозию металлических конструкций, набухание и гидролиз органических материалов. Продуктом гидролиза являются органические кислоты, разрушающие органические материалы и вызывающие интенсивную коррозию металлических несущих конструкций. Наличие во влажной атмосфере промышленных газов и пыли приводит к прогрессирующей коррозии. В результате создания благоприятных условий для образования плесени воздействие влаги может многократно усилиться.

Существенно влияние влажности на электрические соединения. При повышенной влажности коррозируют проводники, на разъемных контактах появляются налеты, ухудшающие их качество, отказывают паяные соединения, особенно если они загрязнены. С течением времени рыхлая окисная пленка может оказаться в гнездовых контактах соединителей, что приводит к трудно устранимым отказам.

Слоистые диэлектрики, поглощая влагу, меняют параметры и характеристики. Образование на печатных платах водяной пленки приводит к снижению сопротивления изоляции диэлектриков, появлению токов утечки, электрическим пробоям, механическим разрушениям вследствие набухания-высыхания материала. Из-за поглощения влаги значительно уменьшается электрическая прочность, что особенно сказывается на работоспособности высоковольтных узлов. Влажность ускоряет разрушение лакокрасочных покрытий, нарушает герметизацию и целостность заливки элементов влагозащитными материалами. За 3 - 4 года эксплуатации при относительной влажности ниже 20 % и температуре +30 °С полностью высыхает изоляция проводов, в результате чего она становится ломкой, меняет свойства.



Вопрос №4

Сформулируйте основной закон теплопроводности

Ответ №4.

Количество переданной теплоты пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты.

Если количество переданной теплоты отнести к единице площади сечения и единице времени, то установленную зависимость можно записать :

=-*grad t.

Это уравнение является математическим выражением основного закона теплопроводности (закона Фурье).

Согласно гипотезе Фурье, количество теплоты d²Q_ф, проходящее через элемент изотермической поверхности dF за промежуток времени dф, пропорционально температурному градиенту :

d²Q_ф=-**дF*д

Здесь множитель л называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры.

Этот закон лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процесса теплопроводности.

Вопрос №5

Напишите дифференциальное уравнение теплопроводности, поясните физический смысл величин, входящих в него.

Ответ №5

Дифференциальное уравнение теплопроводности (уравнение Фурье) имеет следующий вид : =а*W² t+.

где : - скорость изменения температуры по времени,

а -коэффициент температуропроводности вещества,

W² t= ++

-оператор Лапласа, или сумма вторых частных производных, выражающая приращение температуры в зависимости от направления теплового потока ( по осям координат);

t -значение температуры;

- тепло, поступающее от внутренних источников.

Вопрос №6

Напишите и поясните выражение теплового сопротивления плоской, цилиндрической и шаровой стенки.

Ответ №6

Термическое сопротивление теплопередачи через стенку определяет падение температуры в стенке на единицу плотности теплового потока.

1.Термическое сопротивление теплопередачи через многослойную стенку :

R_t= + + , где - термическое сопротивление i- го слоя;

n- общее число слоев ;

и -термическое сопротивление теплоотдачи наружной и внутренней поверхностей стенки.

2. Термическое сопротивление теплопередачи через цилиндрическую стенку : R_ц= + ln

Термическое сопротивление теплопередачи равно сумме термического сопротивления теплоотдачи от горячего флюида к стенке , термических сопротивлений теплопроводности слоев цилиндрической стенки lnи термического сопротивления теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю .

d_i - диаметр цилиндра i-го слоя, d₁ и d_n+1 - диаметры наружного и внутреннего слоев.

3. Термическое сопротивление теплопередачи через шаровую стенку

R_ш= + ( -)+

Термическое сопротивление теплопередачи равно сумме термического сопротивления теплоотдачи от горячего флюида к шаровой стенке , термического сопротивления теплопроводности шаровой стенки

( -) итермического сопротивления теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю .

теплопроводность закон микросхема

Вопрос №7

Как рассчитать температуру элемента микросхемы?

Ответ №7

Для учета влияния температуры на эксплуатационную интенсивность отказа элементов _э принимается во внимание верхнее значение предельной рабочей температуры (t_{раб мах}=45°С), соответствующее РЭУ исполнения УХЛ2.1 по ГОСТ 15150-69 и возможное увеличение предельной рабочей температуры на значение t_с=10°С за счет нагрева (солнечными лучами) РЭУ и следовательно модуля в составе РЭУ.

Предельная рабочая температура теплонагруженных элементов t_{эл max} (ИМС, транзисторы, диоды, мощные резисторы)определена как :

t_{эл max}=( t_{раб max}+t_с)+ t_з=(45+10)+15=70°С,

где t_з- перегрев в нагретой зоне конструкции РЭУ.

Нагретая зона-это гипотетический объем, в котором условно рассеивается вся тепловая энергия, выделяемая элементами РЭУ.

Значение величины t_{эл max} для нетеплонагруженных элементов (конденсаторы, слабонагруженные резисторы, соединитель, кварцевый резонатор)подсчитано как t_{эл max}=( t_{раб max}+t_с)+ t_в=(45+10)+10=65°С,

где t_в-средний перегрев воздуха в нутрии конструкции РЭУ.

В реальных условиях эксплуатации очень трудно обеспечить одинаковые температурные режимы микросхем на плате или транзисторов в одной микросхеме. Зависимость электрических параметров элементов ИМС от температуры саморазогрева приводит к появлению тепловой связи между ИМС или элементами ИМС на кристалле.

Температура i-го элемента (компонента) определяется выражением :

T_i=T_c+_k+,

где: T_c- температура окружающей среды,

_k- перегрев корпуса относительно T_c( зависит от способа монтажа, составляет обычно 5…10К

_ji - составляющая i-го элемента( первый индекс- номер источника тепла , второй- приемника тепла; перегрев _ji, обусловленный мощностью, рассеиваемой i-м элементом, называют собственным).

Для полупроводниковых приборов и ИПС определяется также температура p-n переходов

T_BHi=T_i+_BHi ,

где _BHi=P_i*R_T*b_Hi- внутренний перегрев i-го компонента, рассеивающего мощность P_i;

R_T*b_Hi^- внутреннее тепловое сопротивление компонента , учитывающее способ его закрепления .

Собственный перегрев элемента( компонента) определяется выражением

_ii= P_i*R_{Ti max}(r, q)= , где

R_{Ti max}- максимальное тепловое сопротивление i-го элемента;

- теплопроводность подложки ;

S_i- площадь i-го элемента;

l=h_п+_hk/_k

- эквивалентная толщина подложки (при _k/ =0,1…1 и

h_k/ h_п=0,1…0,3);

_k- теплопроводность клея, закрепляющего плату в корпусе

(/_k0,3 Вт/м*К)

h_k0,1мм- толщина слоя клея, h_п- толщина платы.

(r,q)-функция, зависящая от относительных размеров элемента

=₁/2l; q=₂/2l.

₁, ₂- размеры i-го элемента.

Фоновый перегрев,обусловленный тепловыми потоками соседних элементов( компонентов) , определяетс выражением :

_ji= [(r₁, q₁)+sign(q₂) *sign(₂) (| r₂|, |q₂|)+ sign(q₂) ( r₁ , |q₂|)+

+ sign(r₂) ( q₁ , |r₂|)]

где q₁=₁/2l+ | х₀/ l | ; q₂=₁/2l- | х₀/ l | ; r₁=₂/2l+ | y₀/ l | ; r₂=₂/2l- | y₀/ l | .

₁, ₂- размеры j-го элемента (источника тепла);

х₀, y₀ -координаты i-го элемента(приемника тепла) относительно центра j-го элемента.

Рассчитанные величины температуры элементов и компонентов сравнивают с допустимыми.

Вопрос №8

Какими критериями подобия описывается процесс естественной конвекции? Напишите из выражения и покажите связь между ними.

Ответ №8

По природе возникновения различают два вида движения- свободное и вынужденное. Свободным (или естественной конвекцией) называется движение, происходящее вследствие разности полей нагретых и холодных частиц жидкости в гравитационном поле . Возникновение и интенсивность свободного движения определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур , напряженности гравитационного поля и объема пространства , в котором протекает процесс.

Необходимой предпосылкой подобия процессов теплообмена при свободной конвекции должно быть подобие температурных полей на поверхностях нагрева или охлаждения. При выполнении этих требований стационарные процессы свободной конвекции будут подобны, если выполняются условия :

1. Gr=idem

Число Грасгофа Gr характеризует относительную эффективность подъемной силы, вызывающей свободно-конвективное движение среды, оно имеет вид :

Gr=gt (*)

где g- ускорение свободного падения ;

- температурный коэффициент объемного расширения среды ;

t- характерный температурный напор ;

l- характерный линейный размер системы ;

- кинематический коэффициент вязкости.

2.Pr= idem

Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя.

Pr=*с_р/, (**)

где : - динамический коэффициент вязкости;

с_р- удельная теплоемкость при постоянном давлении ;

- коэффициент теплопроводности теплоносителя.

Условия (*) и (**) обеспечивают подобие процессов свободной конвекции. При выполнении этих условий определяемое число подобия - число Нуссельта Nu также оказывается одним и тем же в таких системах.

Nu=*l/=idem

Уравнение подобия для процессов теплообмена при свободной конвекции имеет вид Nu=f(Gr, Pr).

Вопрос №9.

Напишите и поясните выражение для коэффициента теплоотдачи излучением.

Ответ №9.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела путем электромагнит-ных волн. Под коэффициентом теплоотдачи излучением _л понимают отношение плотности теплового потока излучением q_л к разности температур поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене.

_л=q_л / (t₁-t₂),

где t₁и t₂ - значения температур поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, ^оС.

Вопрос №10.

Напишите и поясните выражение обобщенного дифференциального уравнения ФИКА.

Ответ №10.

В 1855 году немецкий физик Адольф Фик сформулировал следующий закон молекулярного переноса массы:

j=-D

где j - поток массы, то есть переносимое через нормальную единичную площадку количество массы за 1 с;  - плотность переносимой массы кг/м³, n - нормаль к единичной площадке; D - коэффициент диффузии.

Если помимо молекулярного переноса массы существует и конвективный, то общий поток массы описывается обобщенным законом Фика

j=-D +V_x

где V_x - составляющая скорости в направлении оси x, если ось x и направление нормали совпадают, то n = x.

Вопрос № 11.

В чем состоит принцип суперпозиции температурных полей? Какие при этом принимаются допущения?

Ответ №11.

Принцип суперпозиции температурных полей - это принцип наложения температурных полей, возбуждаемых в теле тепловыми возмущениями на его границах и (или) внутренними источниками. Результирующее температурное поле получают суммированием полей,

создаваемых отдельными воздействиями.

Принцип суперпозиции позволяет получать решения сложных задач теплопередачи стационарной и нестационарной путем их разложения на более простые с последующим сложением частных результатов. При этом необходимо, чтобы условия однозначности простых задач (начальное и граничное условия, интенсивность внутренних источников) в сумме соответствовали условиям исходной задачи. Обязательное условие применимости принципа суперпозиции - линейность уравнения теплопроводности и условий однозначности. Линейность нарушается, если какие-либо параметры процесса существенно зависят от температуры. В частности, принцип суперпозиции не применим, если функцией температуры являются теплофизические характеристики материалов, интенсивность внутренних и поверхностных источников, коэффициент теплообмена на границах. Его также нельзя применять, когда действующие факторы взаимосвязаны или результат действия каждого из них, взятого в отдельности, не является линейным. Для большинства теплофизических задач эти ограничения не имеют значения или сказываются несущественно, что способствует широкому использованию принципа суперпозиции в инженерной практике.

Вопрос №12

Начертите схему включения термосопротивления в измерительный мост, объясните принцип работы.

Ответ №12

Измерительным мостом называется электрический прибор для измерения сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей и других электрических величин. Мост представляет собой измерительную мостовую цепь, действие которой основано на методе сравнения измеряемой величины с образцовой мерой. Метод сравнения даёт весьма точные результаты, вследствие чего измерительные мосты получили широкое распространение как в лабораторной, так и в производственной практике.

Термосопротивления предназначены для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел в промышленности, в сельском, лесном и рыбном хозяйстве, строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, науке, на транспорте и в связи.

В практике 95 % измерений температуры производятся термопарами и термометрами сопротивления. Термопары незаменимы в области высоких температур, а термосопротивления позволяют обеспечить высокую точность измерений при умеренных (до 500°С) температурах.

Принцип действия термометра сопротивления основан на изменении его электрического сопротивления в зависимости от температуры.

Наибольшее распространение получили термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику, включенные по 3-х проводной схеме. Также существуют другие схемы подключения термосопротивления в измерительную цепь: двух- и четырехпроводные схемы.

Схема измерительного моста с термосопротивлением.

Схема состоит из двух самостоятельных цепей: измерительной (1) и подогревной (2) . Термосопротивление (3)включается в одно из плеч измерительного моста. Подогревная цепь предназначена для создания температурного перепада между поверхностью датчика и потоком.

Вопрос №13

Какие термочувствительные параметры используются при измерении температуры p-n переходов и внутренних тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов? Начертите схему и объясните методику измерения.

Ответ №13

Метод измерения температуры с помощью термочувствительных параметров является в настоящее время наиболее точным и перспективным применительно к полупроводниковым приборам и интегральным схемам. В диодном термометре для преобразования температуры в электрический сигнал используют один из термочувствительных параметров полупроводниковой структуры.

Основными параметрами, нашедшими применение в качестве термочувствительных для измерения температуры с помощью диода, являются обратный ток р-n-перехода I_обр. и прямое падение напряжения на р-n-переходе U_пр..

Датчики температуры на основе p-n перехода: А - диод, Б - транзистор, включенный по схеме диода.

Известен способ измерения температуры заключающийся в том, что на полупроводниковый диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с полярностью, запирающей его р-n-переход, и измеряют обратный ток диода, по которому определяют температуру окружающей среды.

Недостатком диодных термометров с измеряемым обратным током является сильная нелинейная зависимость измеряемого тока от температуры I_обр.(T) и зависимость его, хотя и слабая, от уровня запирающего напряжения.



Список литературы

1 Г.Н.Дульнев, В.Г.Парфенов, А.В.Сигалов. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990, 312с.

2 Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. Шк., 1984, 247 с.

3 Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник /Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М.Зорина -2-е изд, перераб. -М.: Энергоатом издат. 1988, 632с.

4 Баскаков А.П. Теплотехника. М.:Энергоатомиздат, 1982, 264с.

5 Теория тепломассообмена: Учебник для энергомашиностроительных вузов/Под ред. А.И.Леонтьева. М.: Высш. шк., 1979, 495с.

6 Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. М.: Энергия, 1971, 248 с.

7 Чернышев А.А., Иванов В.И., Аксёнов А.И. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники. М.: Энергия, 1980, 180с.

8 Доценко Н.С., Соболев В.В. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры (влияние влаги). М.: Энергия, 1973, 160с.

9 Нуждин А.С., Уханский В.С. Измерения в холодильной технике: Справ. руководство. М.: Агропромиздат, 1986, 368с.

10 Анализ теплового режима блока РЭА на микросборках (микросхемах): Метод. Указ./Сост. В.А.Карачинов. НПИ, Новгород, 1988, 31с.

11 Варламов Р.Г. Справочник конструктора РЭА. М.: Радио и связь, 1985, 432с.

Размещено на Allbest.ru

...