Контрольная работа: Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
Интегральная плотность потока солнечной энергии одинакова на поверхности Земли и на высоте 15 км и составляет 1125 Вт/м2, при этом 42 Вт/м2 приходится на ультрафиолетовую часть спектра.
Грибковые образования (плесень) относят к низшим растениям, не имеющим фотосинтеза. В процессе своей жизнедеятельности они выделяют лимонную, уксусную, щавелевую кислоты и другие химические вещества, под действием которых изменяются характеристики многих материалов. Активно поглощая воду, эти вещества способствуют ускорению процессов коррозии, ухудшают электроизоляционные свойства полимерных материалов и т. д.
Идеальные условия для развития грибковых образований: температура 25... 35 °С, относительная влажность 80... 100 %, неподвижность воздуха, отсутствие света (особенно ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра).
Механические факторы
В процессе транспортирования и эксплуатации ЭА подвергается воздействию вибраций, представляющих собой сложные колебания, которые возникают при контакте конструктивных элементов с источником колебаний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным частотам колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры противодействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью. Виброустойчивость определяет способность ЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия вибраций. Вибропрочность характеризует качество конструкции ЭА, т. е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в нерабочем состоянии и продолжать нормально работать после включения и снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на конструкцию ЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения (в единицах g).
Явление удара в конструкции ЭА возникает в случаях, когда объект, на котором установлена машина, претерпевает быстрое изменение ускорения. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные.
Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.
Акустический шум, проявляющийся в ЭА, устанавливаемых вблизи работающих двигателей ракет, самолетов, на кораблях, автомобильном и железнодорожном транспорте, характеризуется давлением звука, мощностью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.
При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конструкции ЭА в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную систему, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку и определенный вид закрепления концов.
Следует отметить, что механизм влияния на конструкцию ЭА акустических шумов и ударно-вибрационных нагрузок различен. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элементы конструкции. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭА через их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется также положением элементов относительно его направленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются своего рода демпферами, ослабляющими действие источника вибраций. Поэтому при прочих равных условиях следует признать действие акустического шума более разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.
Все более расширяющиеся сферы применения ЭА практически во всех сферах человеческой деятельности ужесточают требования к устойчивости их конструкции воздействию механических факторов. Это иллюстрируется данными табл. 1, в которой приведена динамика роста требований нормативно-технических документов по механическим нагрузкам.
Таблица 1. Уровень требований кЭА
| Воздействия | Уровень требований | |||
| 1980 г. | 1995 г. | 2000 г. | 2005 г. | |
| Вибрации: | ||||
| частота, Гц | 5...60 | 5... 1000 | 5...2500 | 5...5000 |
| ускорение, g | 7,5 | 10 | 15 | 40 |
| Линейное ускорение, g | 25 | 75 | 150 | 500 |
| Одиночные удары, g | 75 | 150 | 500 | 1000 |
| Многократные удары, g | 40 | 75 | 150 | 150 |
| Акустические шумы, дБ | — | — | — | 165 |
Радиационные факторы
Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию ЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют электромагнитные излучения и частицы высоких энергий.
Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до тысячных долей нанометра. Наиболее значимое воздействие на ЭА оказывают рентгеновское излучение и гамма-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают значительной проникающей и ионизирующей способностью и характеризуются дозой и мощностью излучения.
Экспозиционная доза излучения, измеряемая в кулонах на килограмм (Кл/кг), представляет количество излучения, создающее посредством ионизации в одном килограмме воздуха заряд, равный одному кулону.
Мощность экспозиционной дозы характеризует интенсивность излучения и измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Она равна экспозиционной дозе излучения в 1 Кл/кг, переданной в течение 1 с. Широкое хождение имеют внесистемные единицы измерения экспозиционной дозы, называемые Рентген, равный 2,5 810*4 Кл/кг, и мощность экспозиционной дозы — Рентген в секунду (Р/с).
Поглощенная доза излучения, зависящая от параметров источника излучения и особенностей облучаемого вещества, измеряется отношением средней энергии, переданной излучением веществу к его массе. Единицей поглощенной дозы является Гр (Дж/кг), равный поглощенной дозе, соответствующей энергии в 1 Дж, переданной веществу массой 1 кг.
Мощность поглощенной дозы характеризует интенсивность передачи энергии излучения веществу и соответствует приращению поглощенной дозы за единицу времени (Гр/с). Допускается применение внесистемных единиц для описания поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы, называемых рад и, соответственно, рад в секунду (рад/с); 1 рад = 0,01 Гр.
Существенное воздействие на конструкцию ЭА оказывают заряженные частицы: а-частицы, протоны, Р-частицы и нейтроны, обладающие высокой проникающей способностью. Для количественного описания их воздействия применяют физические величины, называемые потоком и плотностью потока частиц.
Поток ионизирующих частиц характеризуется отношением числа частиц, прошедших через данную поверхность за все время облучения, и измеряется в с*1.
Плотность потока ионизирующих частиц определяется потоком частиц, отнесенному к площади поверхности проникновения излучения, и измеряется в с/м2 .
Облучение частицами может вызвать в веществах обратимые, полуобратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают с его прекрашением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения, увеличиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения. Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной дозы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.
Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Так, интегральный поток нейтронов величиной 1020 частиц/см2 на свойства большинства металлов практически не влияет. Однако следует учитывать, что у большинства металлов при облучении снижается предел текучести в 2—3 раза, ударная вязкость уменьшается, удельное сопротивление возрастает на 20...30%. Наименьшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электротехнические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден и др., после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.
Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмолекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В результате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими, уменьшается их прочность на разрыв.
При облучении резисторов возникают обратимые и необратимые изменения сопротивления, уровень шума увеличивается, параметр влагостойкости уменьшается. Керамические и проволочные резисторы наиболее устойчивы к действию облучения. Интегральный поток величиной до 1020 частиц/см2 почти не вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к облучению металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры заметно ухудшаются при интегральном потоке свыше 10м частиц/см2. Так же чувствительны к облучению и композиционные резисторы.
Облучение конденсаторов ухудшает их электрическую прочность, изменяет емкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Причиной этого являются необратимые явления в структуре диэлектрика, механические деформации, ионизация диэлектрика и воздушных промежутков. Наиболее стойкими к облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные конденсаторы. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые, лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной радиационной стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее низкой стойкостью, в них разгерметизация и разложение электролита наступают при низких дозах облучения.
По сравнению с другими типами электрорадиоэлементов наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы вследствие возникновения в них обратимых и необратимых явлений. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов из-за постепенного увеличения удельного электросопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки, пробивное напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 1О12...1О14 нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 1О4...1О7 рад при гамма-облучении.
В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изменяются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирующие свойства разделительных переходов, возрастают токи утечки, появляются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.
Литература
1. Мальков М.Н., Свитенко В.Н. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы.Консп. лекций, часть I.- Харьков: ХИРЭ,- 2002. – 140с.
2. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры,Изд.2-е, перераб. и доп. М.:”Энергия”,2007.-656с.
3. Проволочные резисторы. Под ред. М.Т.Железнова, Л.Г.Ширшева.- М.:Энергия.2000.-240с.
4. Справочник конструктора-приборостроителя. В.Л.Соломахо и др.-М:Высш.шк,2008.-271с.
5. Белинский Б.Т., Гондол В.П. и др. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА. – К: Вища шк.,2002 – 494с.