第二章電子設(shè)備防護(hù)設(shè)計

第二章電子設(shè)備的防護(hù)設(shè)計

本章主要內(nèi)容：電子產(chǎn)品滿足工作環(huán)境要求的關(guān)健是做好其結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要從工作環(huán)境（氣候環(huán)境，機(jī)械環(huán)境，電磁環(huán)境）等方面介紹電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝方法。

1、氣候因素（潮濕、霉菌、鹽霧等）對電子設(shè)備性能的影響及防護(hù)措施，從材料選用、表面涂覆、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面介紹了金屬防腐的相關(guān)知識。

2、溫度對電子設(shè)備的影響及電子設(shè)備散熱原理，從熱的傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射的原理出發(fā)，分析了電子設(shè)備自然散熱與強(qiáng)迫散熱途徑，提出了增強(qiáng)電子設(shè)備散熱能力的方法和措施。

3、防電磁干擾的屏蔽原理和提高屏蔽效果的措施，較詳細(xì)地分析了各種屏蔽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)，介紹了目前一些新的屏蔽技術(shù)。

4、從機(jī)械環(huán)境（特別是機(jī)械振動）對電子設(shè)備的影響，介紹振動與沖擊的隔離原理，并對元器件及整機(jī)結(jié)構(gòu)的振動情況進(jìn)行分析，提出了電子設(shè)備從結(jié)構(gòu)方面提高振動沖擊能力的方法與措施。2.1電子設(shè)備的氣候防護(hù)本節(jié)教學(xué)要求：掌握電子設(shè)備的氣候防護(hù)方法。一、“三防”措施1、防潮濕：浸漬、灌封、密封、對某些設(shè)備定期通電、放硅膠等干燥劑吸潮。2、防鹽霧：電鍍、密封、灌封。3、防霉菌：控制環(huán)境溫度阻止霉菌的生長；密封加干燥劑；使用防霉材料；用防霉劑處理零件和整機(jī)。二、防腐蝕的措施1、采用耐腐蝕材料；2、采用表面涂覆；3、采用合理的金屬構(gòu)件。

氣候環(huán)境要素有:溫度、濕度、氣壓、鹽霧、風(fēng)沙、太陽輻射等。

對電子設(shè)備氣候因素的影響的防護(hù)，一般從以下三方面考慮：

1、選用適當(dāng)?shù)牟牧希?/p>

2、采取化學(xué)和電化學(xué)防護(hù)措施；

3、采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。

2.1.1潮濕、霉菌、鹽霧的防護(hù)2.1電子設(shè)備的氣候防護(hù)氣候環(huán)境要素有：溫度、濕度、氣壓、鹽霧、風(fēng)沙、太陽輻射等。對電子設(shè)備氣候因素的影響的防護(hù)，一般從以下三方面考慮：

1．選用適當(dāng)?shù)牟牧?/p>

2．采取化學(xué)和電化學(xué)防護(hù)措施

3．采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施

1．潮濕的防護(hù)電子設(shè)備受到潮濕空氣的侵蝕，會在元器件或材料表面凝聚一層水膜，并能滲透到材料內(nèi)部，從而造成絕緣材料的表面絕緣性能下降，體積電阻率降低，介質(zhì)損耗增加，導(dǎo)致零部件電氣短路、漏電或擊穿等；潮氣還能引起覆蓋層起泡甚至脫落，使其喪失保護(hù)作用。防潮濕的措施很多，常用的方法有浸漬、灌封、涂覆等。(1)浸漬浸漬是將被處理的元件或材料浸入不吸濕的絕緣漆中，經(jīng)過一段時間使絕緣漆液體進(jìn)入元件或材料的小孔、縫隙和結(jié)構(gòu)件的空隙，從而提高元件或材料的防濕性能和其他性能。

(2)灌封灌封是用熱溶狀態(tài)的樹脂、橡膠等將電器元件澆注封閉，形成一個與外界完全隔絕的獨(dú)立的整體。灌封除可保護(hù)電子元件避免潮濕、腐蝕外，還能避免強(qiáng)烈震動、沖擊及劇烈溫度變化等對電子元件的不良影響。

(3)其他防潮手段密封是防潮濕的最有效方法。密封是將零件、元器件、部件或一些復(fù)雜的裝置，甚至整機(jī)安裝在不透氣的密封盒內(nèi)，這種防潮手段屬于機(jī)械防潮。作為防潮濕的輔助手段，有時可以對某些設(shè)備用定期通電加熱的方法來驅(qū)除潮氣，也可通過在設(shè)備內(nèi)存放硅膠等干燥劑吸掉潮氣。2．鹽霧的防護(hù)鹽霧是一種含有鹽分的霧狀氣體，主要發(fā)生在海上和海邊，在陸上可以因鹽堿被風(fēng)吹刮起或鹽水蒸發(fā)而引起。鹽霧對設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在其沉降物溶于水，在一定濕度條件下對元件、材料和線路產(chǎn)生腐蝕或改變其電性能，使設(shè)備的可靠性下降。

3．霉菌的防護(hù)霉菌是指生長在營養(yǎng)基質(zhì)上而形成絨毛狀、蜘蛛網(wǎng)狀或絮狀菌絲體的真菌。它使材料性能劣化，表面絕緣電阻下降，漏電增加。霉菌的代謝物也會對材料引起間接的腐蝕，包括對金屬的腐蝕。電子設(shè)備的霉菌防護(hù)的方法有以下幾種：

(1)控制環(huán)境條件，足夠的紫外線輻射，定期對電子設(shè)備通電增溫。

(2)密封防霉，將設(shè)備嚴(yán)格密封，并加入干燥劑。

(3)使用防霉材料。

(4)用防霉劑處理零件和整機(jī)。

2．1．2金屬腐蝕的防護(hù)

1．金屬的腐蝕金屬和合金由于外部介質(zhì)的作用而遭到的破壞稱為腐蝕。金屬的腐蝕分為化學(xué)性腐蝕和電化學(xué)腐蝕。腐蝕造成機(jī)械性能變壞甚至失效，機(jī)械傳動系統(tǒng)的精度降低，導(dǎo)電性能降低，電磁元件的參數(shù)改變等不良后果，使設(shè)備的可靠性下降。

2．金屬的防腐蝕措施

(1)材料的選擇

(2)采用表面涂覆方法

(3)合理設(shè)計金屬件結(jié)構(gòu)2.2電子設(shè)備的散熱電子設(shè)備中任何一個具有實(shí)際電阻的載流元件都要將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，即都是熱源。采取有效散熱手段確保設(shè)備的工作溫度低于極限溫度，使設(shè)備在正常環(huán)境中工作，才能提高其可靠性和穩(wěn)定性。2．2．1溫度對電子設(shè)備的影響溫度對電子設(shè)備的影響分為對電子元器件的影響和對整機(jī)的影響。溫度對電子元器件的影響主要表現(xiàn)在電性能改變和噪聲增大等，嚴(yán)重時損壞元器件。表2.2列出了常用元器件表面的允許溫度值。高溫環(huán)境對電子設(shè)備的主要影響有：(1)氧化等化學(xué)反應(yīng)加速，表面防護(hù)層老化。(2)增強(qiáng)水的穿透能力和水汽的破壞作用。(3)使有些物質(zhì)軟化、融化，使結(jié)構(gòu)在機(jī)械應(yīng)力下?lián)p壞。(4)使?jié)櫥瑒┱扯葴p小，發(fā)生流失和蒸發(fā)，喪失潤滑能力(5)使物體產(chǎn)生膨脹變形，從而導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力增大，運(yùn)行零件磨損增大或結(jié)構(gòu)損壞。

低溫環(huán)境則會使空氣的相對濕度增大，有時可能達(dá)到飽和而使機(jī)內(nèi)元器件及印制電路板上產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，使故障率大大增加。另外，低溫環(huán)境還會使某些材料性能變脆或嚴(yán)重收縮，造成結(jié)構(gòu)損壞。2．2．2熱的傳導(dǎo)方式熱能的傳播方式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射，三種傳播方式往往同時存在。1．熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是指物體內(nèi)部或兩物體接觸面間的熱能交換。熱傳導(dǎo)是固體中熱能傳遞的主要方式。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱能力多少，除與材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)外，還與發(fā)生傳熱的兩點(diǎn)的溫差及傳熱面積、傳熱距離有關(guān)。增強(qiáng)熱傳導(dǎo)散熱的主要措施有：（1）選用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料制造導(dǎo)熱零件（2）在兩接觸面間涂硅脂或墊人軟金屬箔，如銦片、銅箔等。(3)盡量縮短熱傳導(dǎo)路徑，導(dǎo)熱路徑中不應(yīng)有絕熱或隔熱元件。2．熱對流熱對流是指流體(氣體或液體)與高溫物體(固體)表面直接接觸，相互間所進(jìn)行的熱能交換。熱對流可分為自然對流和強(qiáng)迫對流兩種。自然對流是由于冷熱流體的密度不同而引起介質(zhì)的自然運(yùn)動；強(qiáng)迫對流是受機(jī)械力的作用促使流體運(yùn)動。增強(qiáng)對流散熱的主要措施有：

(1)加大溫差△t，降低散熱物體周圍對流介質(zhì)的溫度。

(2)加大散熱面積，采取有利于對流散熱的形狀和安裝位置。(3)加大對流介質(zhì)的流動速度，選擇有利于對流換熱的流體介質(zhì)，以帶走更多的熱量。3．熱輻射熱輻射是以電磁波輻射形式進(jìn)行的熱能交換。由于物體只要其溫度高于絕對零度(—273℃)，都會對外輻射電磁波，所以自然界物體大多均在對外輻射能量，這種以電磁波對外輻射能量的現(xiàn)象，稱為熱輻射。加強(qiáng)熱輻射散熱的主要措施有：

(1)在零部件或散熱片上涂覆黑色粗糙的漆，以增強(qiáng)輻射能力。對熱敏感元件的表面應(yīng)做光亮的表面，以減小吸收輻射。

(2)加大輻射體的表面積。

(3)設(shè)法降低設(shè)備周圍溫度，加大輻射體與周圍環(huán)境的溫差。2．2．3電子設(shè)備的散熱及提高散熱能力的措施1．自然散熱電子設(shè)備的自然散熱途徑通常有兩種情況：對于封閉式機(jī)箱，另一種對于敞開式機(jī)箱。實(shí)際上必須從兩方面來考慮電子設(shè)備的自然散熱問題：一方面是提高機(jī)殼向外界的熱傳遞能力；另一方面是改善設(shè)備內(nèi)部電子元器件向機(jī)殼的傳熱能力。

(1)機(jī)殼的散熱設(shè)計機(jī)殼在自然散熱中起重要作用，應(yīng)充分考慮熱傳遞的途徑，進(jìn)行合理的散熱設(shè)計。①降低壁面?zhèn)鳠釤嶙杌蛟黾訐Q熱表面積②加強(qiáng)電子設(shè)備的輻射散熱能力，主要是提高電子設(shè)備機(jī)箱外殼和元器件外表面的熱輻射能力。③提高對流換熱效果(煙囪效應(yīng))

(2)設(shè)備內(nèi)部的自然散熱①設(shè)備內(nèi)部電子元件的散熱a．電阻電阻的溫度與其型式、尺寸、功耗、安裝位置以及環(huán)境溫度有關(guān)。b．變壓器變壓器主要依靠傳導(dǎo)散熱。

c．晶體管對于功率小于100mW的晶體管，一般不加散熱器，

d．集成電路主要依靠其外殼及引出線的對流。

②合理布置元器件：

A．在設(shè)備內(nèi)部，各元器件、結(jié)構(gòu)件間應(yīng)保持一定距離，以利于空氣流動，增強(qiáng)對流傳熱。

B．在印制板上安裝元器件時，使整個印制板上元件的溫度較均勻。

C．對熱敏感元件，可采用熱屏蔽的方法來解決。

③合理安排印制板若設(shè)備中只有一塊印制板，水平或垂直放置均可；若設(shè)備中有多塊印制板，應(yīng)垂直并列安裝且間隔不小于30mm，以利于自然對流散熱。④合理安排機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)件盡量增大進(jìn)出風(fēng)口的距離和它們的高度差，增強(qiáng)自然對流。大面積的元器件(如機(jī)箱底的底板、隔熱板、屏蔽板等)要特別注意其位置.

2．強(qiáng)迫通風(fēng)散熱強(qiáng)迫通風(fēng)散熱適用于中、大功率的電子設(shè)備，利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)或鼓風(fēng)，加速設(shè)備內(nèi)氣流速度，達(dá)到散熱目的。(1)整機(jī)的抽風(fēng)冷卻(2)整機(jī)的鼓風(fēng)冷卻2．2．4元器件的散熱及散熱器的選用電子設(shè)備中使用的電器元件流過電流時，要產(chǎn)生熱量，特別是一些大功率元器件產(chǎn)生的熱量很多，溫升很高，必須采取有效措施將這些熱量散發(fā)出去。本節(jié)僅以晶體管散熱器的選用做簡單介紹。

1．晶體管的熱阻和最大允許集電極功耗的關(guān)系晶體管的PCM、Tjm與環(huán)境溫度Ta和管子的散熱能力之間有以下關(guān)系：

Tjm=Ta+RTPCM或：

PCM=（Tjm－Ta

）/RT式中:RT：為熱阻，為熱阻，Tjm：最大允許結(jié)溫；Ta：環(huán)境溫度；PCM：最大允許集電極功耗。熱阻反映了晶體管的散熱能力，熱阻愈小，則管子散熱能力愈好。單位是℃／W。提高一個晶體管的PCM，需要增加管子的散熱能力，也就是減小它的熱阻。目前，改進(jìn)管子散熱能力的主要方法是裝散熱器。晶體管的散熱系統(tǒng)(1)晶體管散熱器①平板型散熱器，②鋁型材(平行筋片)散熱器，③叉指型散熱器，④輻射式散熱器，⑤針狀散熱器，(2)晶體管的散熱系統(tǒng)分析加散熱器后，晶體管的散熱系統(tǒng)如圖2．16所示，管殼傳熱有兩條路徑：管殼通過對流與輻射把熱量直接傳播到周圍間。管殼把熱量傳給散熱器，散熱器把熱量通過對流及輻射散發(fā)到周圍空間。

在散熱計算時，為確保晶體管工作可靠性高，壽命長，必須使耗散功率小于最大耗散功率，亦即Tj<TJm式(2．11)、(2．13)是分析計算的基本關(guān)系。必須采取有效措施解決晶體管的散熱量問題，否則這些電器元件的工作性能就會變壞，嚴(yán)重時還會燒壞。2．3電子設(shè)備的減振與緩沖2．3．1振動與沖擊對電子設(shè)備的危害電子設(shè)備在使用和運(yùn)輸過程中，不可避免地會受到振動、沖擊等機(jī)械力的作用，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，就會導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞或無法工作。振動與沖擊對電子設(shè)備的影響是多方面的，一般振動引起的是元器件或材料的疲勞損壞，而沖擊則是由于瞬時加速度很大而造成元器件或材料的應(yīng)力損壞；振動引起的故障約占80％，沖擊引起的故障約占20％。2．3．4電子設(shè)備減振緩沖的結(jié)構(gòu)措施為了保證電子設(shè)備在外界機(jī)械力的作用下，仍能可靠地工作，除了安裝減振器進(jìn)行振動、沖擊隔離外，還應(yīng)考慮對電子設(shè)備采取防振和緩沖措施，這些措施歸納起來有以下幾方面：

1．電子設(shè)備的總體布局電子設(shè)備整機(jī)的耐振耐沖程度在元器件已決定的情況下，主要取決于元器件的布局和安裝方式。2．元器件的布置和安裝(1)導(dǎo)線和電纜(2)繼電器(3)晶體管(5)電容器和電阻器(6)印制電路板(7)機(jī)架和底座

3．其他措施※消除振源：即減少或消除振動和沖擊的干擾源。※隔離：在設(shè)備和基礎(chǔ)之間安裝減振器，以減少振動和沖擊對設(shè)備的危害。2.4電磁干擾及其屏蔽2．4．1電磁干擾概述電子設(shè)備的內(nèi)部及外部都存在著各種電磁干擾。外部電磁干擾：是指設(shè)備除所要接收的電磁波信號以外的其他電磁波的干擾，這些電磁波是通過外殼或輸入饋線等途徑輸入設(shè)備內(nèi)部的。內(nèi)部電磁干擾：是指設(shè)備內(nèi)部電路單元之間、元器件之間及導(dǎo)線之間的電磁方面的干擾。在電子設(shè)備內(nèi)這些電磁干擾，我們統(tǒng)稱寄生耦合。

電屏蔽：用于抑制共地電路之間的電場干擾的屏蔽物，即抑制寄生的電容耦合。磁屏蔽：用以衰減恒定或低頻磁場(f<150kHz)的屏蔽物，可抑制恒定或低頻磁場干擾。電磁屏蔽：用于衰減高頻電磁波