Table of Contents

תכנון למחתרת הלם והתנגדות לעוצמה

אספקת חשמל היא הדם של מערכות אלקטרוניות, המרת כוח קלט גולמי לתוך מתחים מוסדרים כי להפעיל הכל ממוניטורים רפואיים למכ"ם צבאי. כאשר מערכות אלה חייבות לפעול בסביבות תובעניות - מטוס לוח, בתוך רובוטים תעשייתיים, או על כלי רכב צבאיים - היכולת של אספקת הכוח לעמוד בהלם מכני ורטט מתמשך הופכת לביקוש לא ניתן למניעה הנדסית.

מאמר זה חוקר את הפיזיקה הבסיסית של הלם ורטטט, מתווה אסטרטגיות עיצוב מכניות וחשמליות, פרטים על החלטות חומריות וייצור אשר מגבירות עמידות, וסקירות תקני בדיקות בתעשייה.על ידי יישום עקרונות אלה, מהנדסים יכולים לייצר אספקת חשמל המבוצעת באופן אמין גם לאחר שנים של חשיפה ללחץ מכני אינטנסיבי.

הבנה של הלם ויברציה ב- Power Supplies

מה זה הלם מכני?

הלם מכני מתייחס לכוח פתאומי, גבוה בעצימות מוחל על משך קצר מאוד.מקורות נפוצים כוללים טיפות, השפעות של טיפול, פיצוץ נפץ, או שינויים האצה פתאומי במהלך ההובלה.באספקת חשמל, הלם יכול שברים המפרקים, קרמיקה קפיטורים, קרמיקה, ניתוק רכיבים מגנטיים כבדים, או אפילו לשבור את המתחם.

מה זה Vibration?

Vibration כרוך בתנועה תקופתית או אקראית או או או או או מסע צלבי שיכול להימשך דקות, שעות, או שנים. זה עולה ממכונות מסתובבות, מנועי רכב, זעזוע מטוסים, או אפילו רעש אקוסטי. רטט מתמשך יכול לגרום לעייפות מובילה מתכת, מזרזים רופפת, ללבוש מגעים, בהדרגה degrader מכר משותף עד שהם סדקים.

כיצד הלם ופגיעה בכוח גובר

מנגנוני הכישלון העיקריים המושרה על ידי הלם ורטטט כוללים:

  • (ב) [15] ,0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) חומרים שברים אחראיים (FLT:1) - חומרי בריטל כמו כקפי קרמיקה, מתנגדים, חבילות IC פורצות תחת כוחות G גבוהים.
  • (ב) ⁇ :0) החלפת חלקים גדולים של חלק גדול מ- 1 (הרובוטים, המחנכים, והקפיפונים האלקטרוליטיים עוברים, שוברים קשרים או גורמים מעגלים קצרים.
  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: "ה', ויקרא י"ד, ויקרא י"ד, ו"וְאֶשׁ הוּא הוּא הוּא עַמֶּרְתִּים הוּא עַמַרְתִּים עַל עַל עַם הוּא" (בראשית כ"ד).
  • (ב) מדרש (ב) ,ב"ה) או "התחילה" (ב) ,"הכתובים" (בתרגום חופשי: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ).
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הבנת מצבי הכישלון האלה חיונית לבחירת אמצעי הנגד הנכונים במהלך עיצוב.

אסטרטגיות עיצוב מכני

מערכות הרהורים ושיקום

מערכת הרים חזקה היא קו ההגנה הראשון.המטרה היא לנתק את אספקת החשמל ממקור רטט או הלם באמצעות חומרים תואמים שתופסים אנרגיה.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

גומי או סיליקון גרממטים ממוקמים סביב ברגים עולה לספק ממשק רך כי לאטוט גבוה סיבולת. הם בעלות נמוכה וקל ליישם, למרות שיש להם טווח השתקפות מוגבל.

Wire-Rope Isolators

עבור הלם באנרגיה גבוהה ו רטט רב-אקסי, מפולנים חוט מציעים לחות יוצאת דופן.הם מורכבים כבלי נירוסטה של פלדה נוצר לתוך לולאות המצורף בין שתי צלחות מתכת.הם יכולים להתמודד עם עקירות גדולות והם נפוצים באספקת כוח צבאי ואוויר.

הרהורים של סקואוליסטי

הרות אלה משלבות חומר לחות (למשל, פוליאורטן) עם מחצני מתכת.הם מספקים תמיכה גבוהה לחבית ועומס, מה שהופך אותם אידיאליים עבור אספקת חשמל כבדה יותר.

מיקום הרהורים

ניתוק נקודות הרהור אפילו סביב המטר של אספקת החשמל מקטין רגעים מכווצים.באופן אידיאלי, על הרפסים להיות ליד מרכז הכבידה של הרכיבים הכבדים ביותר. להימנע מעודף או עיצובים מחוסנים.

עיצוב Enclosure

המתחם עצמו חייב להיות נוקשה וחזק להתנגד לעיוות תחת עומסי הלם.מתכת של גיליון דק-קירה יכולה לכווץ ולהעביר מתח לרכיבים פנימיים.

  • השתמש במכות מד עבה יותר (למשל, 1.5 מ"מ פלדה או 2 מ"מ אלומיניום) או מחזק thermoplastics.
  • הוספת צלעות קשיחות, סדקים, או דבורים מבניות פנימיות כדי להגדיל את הנוקשות ללא משקל מופרז.
  • מאובטח את המתחם לצ'אסים עם מספר רב של ממריצים, באמצעות כביסה מנעולים או תרכובות של חסימה חוט.
  • ודא כי מכסה או מכסה מחובר היטב עם ברגים במרווחים קרובים (לא latches מתאימים בסביבות גבוה shock).
  • עיצוב לנקה נאותה בין רכיבים פנימיים לבין קירות המתחם כדי למנוע נזק השפעה אם לוח הגמישות.

לכידת ושגשוג

טפטוף כולל מילוי הרכבה של אספקת החשמל עם תרכובת מוצקה או חצי פתורה (epoxy, Polyurethane, סיליקון) כדי לטבול רכיבים ולספוג אנרגיה מכנית.טכניקה זו יעילה מאוד נגד הלם ורטט כי:

  • היא מבטלת את התנועה היחסית בין חלקים, מונעת עייפות מובילה.
  • זה זוגות תרמיים מרכיבים את המתחם, סיוע של פיזור חום.
  • הוא מספק חסימת סביבה נגד לחות ומזהמים.

הפסקות סחר כוללות משקל מוגבר, קושי לתקן, ולחץ התרחבות תרמי פוטנציאלי.ג'לים הסיליקון מציעים אלטרנטיבה מחודשת, בעוד epoxy מספק את הנוקשות הגבוהה ביותר.

שיקולים של עיצוב חשמל

בחירה מתאימה לגמישות גבוהה

לא כל הרכיבים שווים תחת לחץ מכני.מהנדסים צריכים לציין חלקים שנועדו ליישומים גבוהים של G:

  • (FLT:0)Capacitorsph:1; השתמש פולימר אלקטרוליטי או קרמיקה X7R / X8R במקום נמוך Y5V. Multilayer קרמיקה capaciacitors (MLCCs) צריך להיות סיום גמיש (ציפוי פולימר שמפחית את הסדקים).
  • (FLT:0) מחנכים והופכים: בחרו רכיבים עם חור דרך מוביל המספקים כוח מכני. ליבות טוראידיות פחות נוטים לפצח מאשר ליבות EE.
  • (ב) ,0) קונקטורטורים FLT:1: בחירת מחברים עם תכונות שימור חיוביות (למשל, הברזל, הבריון) השתמש בהקלה בזנים על עזיבת כבל.
  • (FLT:0) מוליכים גרפיטי (FLT:1): מכשירים על פני השטח (SMDs) הם בדרך כלל פחות חזקים מאשר חבילות חור עבור סביבות גבוהה G. שבו SMDs הם הכרחיים, להשתמש בחבילות גדולות יותר (למשל, DPAK במקום SOT-23) ולהימנע מגדלי גוף גדולים שגורמים לזנים הנמכרים גבוה יותר.
  • (ב) ,0) טרמינלים ואוטובוסים קוויים: לספק צ'יפס עמידים עם בלוויל כביסה או ניילון נעילת כתמים.

לוח השידור (PCB) Layout

ה- PCB הוא עמוד השדרה המבני של אספקת החשמל. פריסה טובה מפחיתה את ריכוזי הלחץ:

  • (ב) ,0) ,Board עוביFLT:1: השתמש 2.0 מ"מ או עבה יותר FR-4 עבור קשיחות גמישה יותר. Copper משקל של 2 oz או יותר עוזר גם כן.
  • (ב) [ה]הההרים: [ההההנחים]: הניחו חורים קרובים לרכיבים כבדים, השתמשו בארבע נקודות או יותר ויותר עלות מאשר שתיים, ודאו שיש אזור מטוס סביב חורים עולים כדי להפיץ מתחים מכניים.
  • (FLT:0)ComponentכיווןFLT:1: מיקום רכיבים ארוכים (טרנספורפורפורים, capacitors) כך ציר ארוך שלהם מתאים עם ציר הרטט הראשי אם הרטט הוא כיוון.
  • (FLT:0) מרכיבים כבדים FLT:1: לאבטח אותם עם תמיכה מכנית נוספת - אג"ח דבק (RTV סיליקון) או נקודות-לנקודות-נגד למטה.
  • (ב) ,0 דרך-החור נמכר ב- 1:1: עבור חלקי חור, להבטיח אורך מוביל הולם מעל ומתחת לדירקטוריון כדי לאפשר כמה גמישות.
  • (ב) ,0) ,5 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניהול תרמית ואינטראקציה עם Vibration

חום מגביר עייפות מכנית על ידי רכך חומרים ו מאיץ מצמרר. ולהיפך, רטט יכול לפסול סנפירים חום או סדק חומרי ממשק תרמיים.

  • מוזגות עם ברגים ואביבים ולא קליפים שיכולים להשתחרר תחת הרטט.
  • השתמש בחומרי דבק תרמיים או שינוי שלב שנשאר גמישים לאחר ריפוי.
  • ודא כיבים מעריצים הם מאוזנים דינמי ומאובטח; להשתמש אוהדים נושאי כדור במקום שרוולים נושאים לחיים ארוכים יותר תחת רטט.
  • עבור ציוד חשמל מוטבע התנהגות, להבטיח אפילו לחץ על פני כריות תרמיות באמצעות לוח אחורי נוקשה.

אפשרויות ייצור ומוצרים

PCB Substrates and Laminates

סטנדרטי FR-4 יש ביצועים מכניים בינוניים.עבור אספקה של כוח אחריות גבוהה, לשקול כימות ברמה גבוהה יותר:

  • (ב) [ה]התמדה:0] גבוה-Tg FRAVE-4FLT:1 (180°C+): התנגדות טובה יותר לדמוניזציה וסדקים תחת לחץ תרמי ומכני.
  • (ב) ,0) ,"מעבור" (ב) לטמפרטורה קיצונית ולמחזורי רטט.
  • (ב) [העיקרון]:0 [ה-metal-core] PCBsFLT:1 (בסיס הנחושת או נחושת): לספק נוקשות טובה והתפשטות חום מעולה, אך דורש עיצוב זהיר כדי להימנע מהתאמה תרמית עם רכיבים.

ייצור משותף והצלה משותפת

מכרים ללא עופרת (SAC305) הם סטנדרטיים, אבל הם יותר מלוטשים מובילים. עבור יישומים גבוהים, כמה מוצרים ספק חלב עדיין להשתמש tin-lead (Sn63-Pb37) בנוסף, יצרנים רבים ליישם תחת פיפיל (עבור חבילות BGA) או דבק (עבור רכיבים פסיביים גדולים) כדי לחזק מפרקי מכרה.

עקבו אחרי

ציפויים קונפוראליים (קריליק, פוליאורטן, סיליקון) להגן מפני לחות, אבל הם גם מוסיפים כמות קטנה של תמיכה מכנית על ידי החזקת חוטים דקים ורכיבי SMD קטנים במקום.עם זאת, היתרון העיקרי הוא למנוע מעגלים קצרים הנגרמים על ידי פסולת או condensation תחת רטט.

מהירר וHardware

תמיד להשתמש בחומרה נעילה: ניילון להכניס אגוזים, תרכובות חוט (Loctite 242/271), מברשות מנעולים מפוצלים, או מגורשים מחוסנים.עבור ברגים בדיור תרמופלסטיים, השתמש בזריז כדי להימנע מפסיגה.מפטרים באביב (Belleville) לספק עומס קבוע אפילו כפי שהחומרים מיישבים.

בדיקות סטנדרטיות ואימות

תקני תעשייה

כמה סטנדרטים מגדירים שיטות בדיקת הלם ורטוטציה עבור אספקת חשמל.ההתייחסות ביותר הן:

  • (FLT:0)MIL-STD-810HFIRLT:1) - תקן צבאי אמריקאי הכולל שיטה 514.7 עבור רטט ושיטת 516.8 עבור הלם.
  • (FLT:0)IEC 60068-2-6FLT:1 - תקן בינלאומי לבדיקת רטט סינוסאיד; רמות חומרת טיפוסיות הן 10 שנים של שירות.
  • (ב) [15] (ה-י"א) - ⁇ (ב) [15]
  • (ב) [15] [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0.19ASTM D4728FLT:1 - בדיקות רטט אקראיות עבור מיכלי משלוח, לעתים קרובות החלים על אריזות אספקת חשמל.

בעת תכנון אספקת חשמל מותאמת אישית, המהנדס חייב לבחור את התקן החל על בסיס הסביבה של שימוש הקצה: אלקטרוניקה צרכנית עשויה לדרוש רק מבחן ירידה, בעוד מוצרי אווירור דורשים רטט אקראי קפדני עד 20 G RMS.

נוהלי בדיקות מזעזעים

בדיקות הלם בדרך כלל כרוכות בהרכבת אספקת החשמל לקביעת מבחן על שולחן הלם (מגדל קשקשים או אקטוומטי) יחידה נתונה בצורת הדופק מוגדרת (למשל, חצי-Sine 50 G עבור 11 מ"מ) בכל אחד משלושת צירים, הן בדיקות חיוביות ושליליות.

המונחים:

בדיקות הוויברציה מבוצעות על אלקטרודינמיקה או על מטלטלרים הידראוליים.אספקת החשמל מדגימה לשולחן הטלדר באוריינטציה של שימוש.

  • (FLT:0)Sinusoidal טאטא 1 בינואר – סופ מ-5 הרץ ל-500 הרץ בעקירה מתמדת או האצה כדי לזהות תדרים חוזרים.
  • (FLT:0Random רטטFLT:1) - פרופיל רחב-ספקטרום המחקה קלט אקראי בעולם האמיתי.היחידה מנוהלת במשך 30 דקות עד 3 שעות בציר בעוד ממריץ.
  • (ב) ,0) מבחן פרייגל (FLT:1) - מבחן מחזורי גבוה בשיקום כדי להאיץ את הכשל המשותף של מכר.

בדיקה אחרונה ב-ALT

שילוב של רכיבה על טמפרטורה עם רטט יכול לחשוף פגמים מאוחר כי לא יופיעו לבד או לבדוק את זה גבוה מאוד מבחן החיים (HALT) שיטה דוחפת את היחידה הרבה מעבר לגבולות העיצוב שלה למצוא נקודות חלשות. כל כישלונות הם לנתח ותיקון בעיצוב.

דוגמאות עיצוב specific Design

כוח צבאי ואווירי

יחידות אלה חייבות לשרוד הלם חמור (עד 50 G או יותר) וטטוטציה (עד 10 G RMS אקראי) עיצובים בדרך כלל תכונה מלא encapsulation, כוסדות אלומיניום כבד, ו מזרזים אדומים. Connectors הם D-sub או מעגלי עם מנגנונים נעילה.במקרים רבים, אספקת החשמל מיועדת כמודול קפט-אין עם מסגרת אנרגטית ושבויה לעתים קרובות.

כוח תעשייתי ורכבי

תקני רכבת (EN 50155) כופים פרופילים רטטיים ארוכים של רטט אקראי.אספקת חשמל תעשייתי עבור דחוסים או מעבירים פנים מול רטט קבוע נמוך רטט כאן, צבירה ועלייה חזקה הם נפוצים, יחד עם מסופי בורג והגנה מפני אבק מוליכים.רבים משתמשים במתח מתכת עם כיסויים מחוספס גז כדי למנוע התקפות.

כוח רפואי

ציוד רפואי (משחרר, מפקחי המטופל) חייב לעמוד טיפות מקריות רטט תחבורה, אבל גם דרישות דליפות קפדניות הנוכחיות.מעצבים לתעדף גודל קטן ומשקל אור, ולכן הם משתמשים בסירות גבוהה ודגימות של אלסטוממים. Connectors הם מפתח ומנעולים. אספקת רפואית רבים נועדו לענות על IEC 60601-1, הכולל בדיקות ירידה.

רכב ורכב חשמלי (EV) Power Supplies

על גבי לוח מודולים מופקדים DC-DC ממירים ב EVs חייבים לשרוד את רטט הכביש ואת ההשפעות אקראיות. הדרישה הטיפוסית היא 5-20 רטט אקראי עם רכיבה תרמית גבוהה. אספקת החשמל האלה להשתמש ציפוי קונפורמנטלי, תנורי חום מופרשים, ו capaciaciistant רטט עמידים.חלקים רבים של מכוניות הם מוסמך AEC-Q200, הכולל בדיקות מכניות.

מסקנה

תכנון אספקת חשמל לזעזוע ולהתנגדות לרטטט דורש גישה שיטתית המשלבת קטורת מכנית, בחירת רכיב חשמלי, פריסת PCB, אפשרויות חומריות, ואימות קפדני.על ידי הבנת מנגנוני הכישלונות ויישום אמצעי נגד מוכחים - כגון בידוד, לוחות עבים, אג"ח רכיב, וסירינג - גורמים יכולים ליצור אספקת חשמל ששורדים בסביבות המבוקשות ביותר.

ככל שמערכות אלקטרוניות הופכות ליותר משולבות ופועלות בתנאים קשים יותר, החשיבות של אינטנסיביות מכנית בעיצוב אספקת חשמל רק תגדל.מהנדסים אשר מאמצים השקפה הוליסטית – מעבר לאספקת החשמל לא רק כעיגול חשמלי אלא כרכב מכני החשוף לעומסים דינמיים – יספקו את האמינות שיישומים קריטיים דורשים.