Влияние теплового режима на надежность РЭС

В процессе эксплуатации РЭС подвергаются влиянию положительных и отрицательных температур, источниками которых являются окружающая среда, объект установки и сама РЭС. Диапазон изменения температур в околоземной атмосфере может составлять ± 100°С, а в космосе он еще шире. Объект установки РЭС может иметь источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным топливом, жидкий азот для охлаждения чувствительных элементов). Сама РЭС является источником тепла, поскольку представляет собой систему преобразующую энергию.

Баланс энергии в РЭС определяется выражением

Р = Р_П + Р_Р + Р_Н,

где Р - полезная энергия, подводимая к изделию от источника питания;

Р_П - полезная энергия, затрачиваемая на функционирование изделия;

Р_Р - тепловая энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве;

Р_Н - тепловая энергия, затрачиваемая на нагрев элементов.

Рассеиваемая энергия составляет 70...90% от энергии потребления:

Р_Р + Р_Н = (0,7...0,9)Р.

КПД любого электронного устройства определяется как

h = .

Таким образом, КПД устройства тем выше, чем меньше расход энергии на тепло. Обычно КПД РЭС невелик. Следовательно, значительная часть энергии выделяется в виде тепла. Если эту энергию не рассеять в окружающее пространство, то она пойдет на нагрев РЭС.

Воздействие положительных и отрицательных температур может снизить надежность аппаратуры. Причинами п а р а м е т р и ч е с к и х отказов могут быть:

n ухудшение изоляционных свойств материалов;

n изменение коэффициента усиления;

n изменение параметров конденсаторов, резисторов, магнитных сердечников и т.п.

Все эти факторы могут привести к искажению сигнала до уровня, при котором нормальное функционирование невозможно.

Причинами в н е з а п н ы х отказов, вызванных воздействием низких температур являются:

n затвердевание резины (разгерметизация прокладок, выход из строя амортизаторов);

n увеличение вязкости смазок;

n замерзание влаги, вызывающее увеличение микротрещин в материалах, и т.п.

Повышение температуры приводит к:

n выделению летучих веществ из изоляционных и смазочных материалов, что изменяет их свойства;

n изменению структуры керамических материалов;

n старению материалов;

n образованию пор в паяном шве и т.п.

Если в конструкции имеются материалы с разными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), то это приводит к поломке конструкции: обрыв проводников в МПП, заклинивание подшипников и зубчатых пар, выход из строя паяных, сварных и клеевых швов.

Функциональные элементы и механические части РЭС различаются т е р м о с т о й к о с т ь ю, т.е. способностью элементов и материалов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также термоударов. Термостойкость определяют по температуре, соответствующей началу существенных изменений параметров или свойств элементов. Поэтому элементы и материалы могут нормально функционировать в пределах некоторого диапазона температур. (Это явление наблюдается и в природе - нормальная температура человеческого тела 36,6 ± 0,1°С).

Таким образом, обеспечение надежности РЭС связано с обеспечением температуры всех их частей в заданных пределах.

Т е п л о в ы м р е ж и м о м называется пространственно-временное изменение температуры устройства. Оно зависит от мощности источников и поглотителей энергии, геометрических и физических параметров среды, поглощающей тепло.

Тепловой режим блока РЭС характеризуется совокупностью температур отдельных его точек в пространстве и во времени - т е м п е р а т у р н ы м п о л е м, Т (х,у,z,t).

Рисунок 7.1 – Температурное поле РЭС

Если температура в любой из точек не выходит за пределы допустимого, то такой тепловой режим называется н о р м а л ь н ы м.

В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным.

С т а ц и о н а р н ы й режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени, обусловленной термодинамическим равновесием между источником и поглотителями тепловой энергии.

Н е с т а ц и о н а р н ы й режим характеризуется сильной зависимостью температурного поля от времени. Он обычно имеет место при одиночных и кратковременно повторяемых тепловых нагрузках.

Увеличение функциональной сложности при уменьшении габаритов РЭС приводит к теплонагруженности аппаратуры, что требует принятия специальных мер для обеспечения нормального теплового режима.