Конструирование электронной аппаратуры

Учреждение образования «Гродненский Государственный университет имени Янки Купалы» Инженерно- технический факультет Кафедра информационных систем и технологий Яничкин В.В. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Раздел Конструирование электронной аппаратуры Конспект лекций для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности I-38.02.01 - информационно-измерительная техника Гродно 2020 СОДЕРЖАНИЕ 1. ОСОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНОЙ АППАРАТУРЫ ….……4 1.1. Конструктивно-технологические особенности электронной аппаратуры .……4 2. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЮ ЭА ……………………..6 2.1.Классификация и области применения ЭА …………………………………….….6 2.2.Условия эксплуатации ЭА ………………………………………………………….... 9 2.3. Ремонтопригодность и взаимозаменяемость при эксплуатации ЭА …………..13 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУЫ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ ………………………….…………16 3.1. Основные определения теории надежности ………………………………………16 3.2. Количественные характеристики теории надежности ЭА ……………………...17 3.3. Расчеты надежности при проектировании ЭА …………………………………...21 3.4. Общие и специальные методы повышения надежности ………………………..24 4. КОМПОНОВКА ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ………………………………………...31 4.1. Основные принципы компоновки ……………………………………………….…31 4.2. Внутренняя компоновка изделия …………………………………………………. 31 4.3. Основные направления конструирования ЭА …………………………………... 34 4.4. Критерии качества компоновки и конструкции ………………………………....36 5. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ И УЗЛЫ ………………………………………………………………..38 5.1. Основные понятия …………………………………………………………………....38 5.2. Электрические параметры печатных плат ……………………………………….40 5.3. Материалы для изготовления печатных плат …………………………………....42 5.4. Особенности конструкции печатных плат и элементов печатного монтажа ...44 5.5. Типы печатных плат. Методы изготовления печатных плат ………………….47 5.6. Многослойные печатные платы (МПII) ………………………………………….48 5.7. Разработка и оформление чертежей на печатные платы ……………….………54 5.8. Печатные узлы ………………………………………………………………………..57 6. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ КОМПОНОВКИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ……………61 6.1. Одноблочные и многоблочные конструкции ……………………………………..61 6.2. Модульный метод компоновки приборов ………………………………………....63 6.3. Корпуса радиоэлектронных аппаратов ……………………………………………67 7. ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ….72 7.1. Защита от механических воздействий …………………………………………….72 7.2. Тепловая защита электронной аппаратуры ……………………………………...80 7.3. Влагозащита аппаратуры……………………………………………………………91 ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………………………...…….92 1. ОСОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНОЙ АППАРАТУРЫ. 1.1. Конструктивно-технологические особенности электронной аппаратуры. Современная электронная аппаратура (ЭА) представляет собой сложный комплекс технических устройств, объединенных общим управлением и предназначенных для автоматического приема, преобразования, обработки и передачи информации в соответствии с заданным алгоритмом. С конструктивно-технологической точки зрения ЭА – это совокупность механических деталей, активных и пассивных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС), объединенных в функционально законченные сборочные единицы, и их модульная компоновка. Базовые конструкции аппаратуры имеют несколько уровней модульности, предусматривающих объединение простых модулей в более сложные. По мере развития ЭА элементная база и состав модулей изме­няются, изменяется и технология их изготовления. Эти изменения удобно проследить, рассматривая поколения выпускаемой ЭА (рис. 1.1) Рис.1.1 Структурная схема поколений ЭА. Первое поколение (20–50-е гг.) характеризовалось использованием элек­тровакуумных приборов (ЭВП), элек­тромеханических коммутационных эле­ментов (КЭ) и объемных ЭРЭ. В каче­стве начального уровня использовался объемный модуль (ОМ), под которым подразумевалась часть схемы, выпол­няющая определенную функцию (формирование, усиление, преобразова­ние сигнала) и имеющая законченное конструктивное оформление. Электрическое соединение ЭРЭ на всех уров­нях осуществлялось вручную с приме­нением проводного (объемного) мон­тажа. Аппаратура имела большие га­бариты и массу, низкую надежность, высокую трудоемкость сборки, низкую плотность монтажа (не более 2 – 5 соед/см2), потребляла большое количество электроэнергии (1 – 100 кВт). При дальнейшем развитии ЭА возникло противоречие между стремлением конструкторов повысить плот­ность монтажа и большой мощностью, рассеиваемой ЭВП, которое разрешилось созданием новой элементной базы – полупроводниковых приборов (ППП). Второе поколение (50–60-е гг.) характеризовалось широким примене­нием дискретных ППП, микромодулей из объемных ЭРЭ, внедрением печатных плат (ПП) на этапе сборки функциональных ячеек. Межблочные со­единения выполнялись жгутовым монтажом. Плотность монтажа увеличилась в 10 раз и составила 15–20 соед/см2, в 10 раз увеличилась производительность процессов сборки за счет групповой пайки волной припоя, объем функциональных ячеек уменьшился в 20–25 раз, потребляемая мощность – в 10–20 раз. Третье поколение (70–80-е гг.) характеризовалось использованием интегральных элементов и созданием типовых элементов сборки (ТЭС), которые отличались упорядоченным рас­положением элементов, что позволило использовать их механизированную установку на платы. ИМС стала модулем первого уровня, а плотность упаковки достигла 500 элем/см2. Вначале превалировали аналоговые ИМС на основе биполярных транзисторов. Начиная с 1975 г. большее распространение получили цифровые ИМС на основе МОП-структур (металл– оксид–проводник), которые обладали существенными преимуществами по возможности миниатюризации, энергопотреблению и высокому проценту выхода годных изделий. Объем блоков уменьшился в 20 раз, потребляемая мощность – в 15 раз, а производительность труда увеличилась в 3 – 5 раз по сравнению со вторым поколением ЭА. Для монтажа функциональных ячеек (ФЯ) стали применяться многослойные печатные платы (МПП), а внутриблочный монтаж проводили с помощью коммутационных печатных плат (КПП) и гибких печатных кабелей (ГПК). Межблочные соединения выполнялись методом накрутки с помощью эффективного полуавтоматического и автоматического оборудования. Это позволило достигнуть высокой идентичности и надежности аппаратуры и снизить ее себестоимость, широко применять автоматизацию производства. В дальнейшем возникло новое противоречие: степень интеграции элементов в одном кристалле достигла 105 элементов, а габариты блоков оставались значительными из-за громоздких функциональных, коммутационных и других элементов. Четвертое поколение (80–е гг.) характеризовалось использованием микроблоков, которые содержали микросборки частного применения, бескорпусные ИМС, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИСи СБИС), акусто- и оптоэлектронные приборы, а также безвыводные поверхностно-монтируемые ЭРЭ и ИМС. Основной конструктивной единицей оставался ТЭС, но для его изготовления использовались методы поверхностного монтажа, внутриблочный монтаж полосковыми линиями (ПЛ) и ГПК. Плотность монтажа увеличилась, объем монтажа уменьшился в 20 раз, потребляемая мощность – в 50 раз, производительность труда уве­личилась в 40–50 раз по сравнению со вторым поколением. Совершенствование элементов памяти на полупроводниковых структурах для внутренних запоминающих устройств (ЗУ) позволило в едином технологическом цикле на одной подложке создавать не только матрицы памяти, но и схемы управления ЗУ. Таким образом были созданы микропроцессоры – устройства обработки цифровой информации, состоящие из памяти, операционной и управляю­щей частей. Быстродействие электронных приборов по сравнению со вторым поколением возросло на два порядка, что привело к расширению их функциональных возможностей в обработке информации (1 Гбит/с). Многие виды СБИС, например ана­лизаторы и синтезаторы речи, ЗУ, удовлетворяли требованиям обработки больших объемов данных, свойственных эре информации. Так, в 90-х гг. до 50 % всего работающего населения в США и 35 – 40 % в Западной Европе и Япо­нии было занято в сфере информации. Успехи в развитии технологии СБИС как ключевого элемента систем обработки информации оказали глубокое влияние на всю мировую экономику. Пятое поколение (90–е гг.) характеризуется использованием многокристальных модулей (МКМ), сверхпроводниковых схем и элементов, вхождением в молекулярную электронику. Это требовало создания новых материалов, сверхчистых и безлюдных технологий. Повышение степени ин­теграции изменило состав и структуру конструктивных уровней компоновки ЭА: увеличилась сложность элементной базы, уменьшилось число уровней, снизилась сложность конструкции устройств, т. е. микроэлектронные изделия заняли уровни более высокой функциональной сложности. В XXI в. темпы внедрения иннова­ций в микроэлектронику будут еще выше. Так, программа развития нацио­нальной полупроводниковой промышленности США (National Technology Roadmap for Semiconductors) в 2001 г. предусматривает переход на топологический размер 0,15 мкм, плотность элементов достигнет 107/см2, алюминиевая металлизация будет заменена на медную. Анализ развития ЭА позволяет не только установить особенности современной аппаратуры, но и наметить перспективные пути развития технологии ее производства. К конструктивно-технологическим особенностям ЭА относятся: • постепенное усложнение и переход от аппаратов к сложным комплексам и системам; • прогрессирующая микроминиатюризация изделий; • модульная компоновка из функционально законченных схем и блоков; • изготовление отдельных модулей и последующая их сборка в более сложные единицы; • автоматизация проектирования, изготовления и управления производством. Таким образом, микроминиатюризация и повышение степени интеграции определяют комплексный подход к разработке ЭА, включающий во взаимосвязи решение системо-, схемотехнических и конструкторско-технологических вопросов. 2. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЮ ЭА. 2.1.Классификация и области применения ЭА. Конструкция электронной аппаратуры (ЭА) зависит от большого числа факторов, основными из которых являются: • функциональное назначение аппаратуры; – объект установки; – условия эксплуатации; – эксплуатационные требования; – производственно-технологические требования; – экономические показатели. При разработке конструкции, полностью удовлетворяющей заранее поставленным требованиям, и в процессе конструирования необходимо учитывать эти факторы. Однако современная ЭА настолько многообразна, что требуется определенная специализация при ее конструировании. Прежде всего необходима классификация ЭА, которая четко бы отражала конструктивные особенности аппаратуры. С конструкторской точки зрения наиболее удобной является классификация по назначению, тактике использования и объекту установки. Классообразующим признаком категории ЭА является одна из трех глобальных зон использования – воздушное (космическое) пространство, океан и суша. Поэтому всю ЭА классифицируют по трем категориям: • бортовая • морская • наземная. Внутри каждой категории классификация проводится по объекту установки, т.е. в каждой категории различают группы аппаратуры, а в каждой группе – подгруппы по условиям эксплуатации. Поэтому, при конструировании аппаратуры необходимо пользоваться классификацией, приведенной в таблице 2.1. Таблица 2.1. Классификация электронной аппаратуры. Категория аппаратуры Группа аппаратуры Количество подгрупп по условиям эксплуатации. Бортовая Самолетная (вертолетная), Ракетная Космическая 18 Морская Судовая (корабельная) Буйковая 7 Наземная Возимая, носимая Переносная, бытовая Стационарная 14 Области использования ЭА удобно рассматривать пользуясь приведенной классификацией. Бортовая ЭА – это аппаратура, устанавливаемая на летательных объектах. Основными задачами при конструировании такой РЭА следует считать: • уменьшение массы и габаритов в связи с ограниченными возможностями бортовой ЭА по данным показателям; • необходимость работы ЭА в условиях пониженного атмосферного давления, что требует специальных средств защиты; • необходимость защиты ЭА от сложных механических воздействий. Каждая группа бортовой ЭА имеет свои особенности, обуславливающие дополнительные задачи для конструктора. Самолетная и вертолетная ЭА характеризуются относительной кратковременностью непрерывной работы измеряемой часами. В остальное время РЭА находится под контролем и обслуживанием персонала ремонтной базы. Аппаратура подвергается периодическому осмотру и контролю, а перед каждым вылетом производится предполетная проверка. Следовательно, конструкция должна обеспечивать свободный доступ ко всем частям аппаратуры для уменьшения времени на поиск неисправности. Отсюда вытекает требование высокой ремонтопригодности конструкции. Температура корпуса самолета может изменяться в широких пределах. Летом на аэродромах корпус может нагреваться до +50˚С. При взлете и подъеме на высоту температура резко падает, достигая на высоте 10км – 56˚С. На сверхзвуковых самолетах при полете в плотных слоях атмосферы корпус самолета может нагреваться до +150˚С. В результате ЭА, расположенная вне гермоотсека, может испытывать тепловой удар. Группа самолетной и вертолетной ЭА подвергается также значительным вибрационным, ударным и линейным перегрузкам. Величины перегрузок зависят от класса самолета или вертолета и в каждом конкретном случае имеется свой диапазон вибраций. Вибрации на нижних частотах диапазона возникают во время движения самолета по взлетно- посадочной полосе, а на верхних определяются работой двигателя. На взлете и посадке образуются ударные перегрузки с хаотическим чередованием ударов. При любом изменении скорости возникают линейные перегрузки. Такой сложный комплекс механических воздействий требует применения специальных средств защиты. К космической и ракетной ЭА предъявляются особые требования, основными из которых являются: • ограниченность массы и габаритов в связи с требованиями минимального стартового веса ракеты-носителя; • чрезвычайно высокая безотказность в работе; • ремонтопригодность в предстартовый период; • совместное действие вибрационных и линейных нагрузок во время старта. Условия работы в космическом корабле имеют много общего с условиями работы в самолете, но длительность полета космического корабля требует еще более высокой безотказности работы аппаратуры во время полета. К космической ЭА относится аппаратура искусственных спутников Земли, основная особенность которой – большая продолжительность эксплуатации (годы) без обслуживания. Спутник представляет собой контейнер, заполненный ЭА и физическими приборами, которые являются датчиками для ЭА. Источниками питания служат химические источники, работающие совместно с солнечными батареями. Особенность спутниковой ЭА – работа в условиях атмосферы с постоянным газовым составом низкой влажности или в вакууме, опасность воздействия радиации, воздействие циклически изменяющихся температур, отсутствие механических нагрузок во время работы аппаратуры. Для ракетной ЭА должна быть обеспечена кратковременность предстартовой проверки и ремонтопригодность в предстартовый период, для чего необходимо иметь возможность измерять режим работы и производить подстройку непосредственно перед пуском ракеты. Это требует предусмотреть в конструкции дистанционное управление с выводом контрольных точек в места удобные для доступа. Дополнительными отличительными чертами ракетной ЭА являются: • разовость использования; • работа в условиях быстрого возрастания окружающей температуры на обшивке; • длительная сохраняемость при многолетнем хранении; • большие ударные нагрузки. Морская ЭА характеризуется общими следующими условиями: морская среда, как постоянно действующий фактор, требует разработки аппаратуры в тропическом исполнении, предусматривающем коррозионную стойкость и плеснестойкость, влагозащищенность и брызгозащищенность, ударные перегрузки и линейные ускорения. Значительные ударные перегрузки характерны для любой морской ЭА и возникают при ударах волн, а линейные перегрузки возникают при качке. Судовая (корабельная) ЭА имеет следующие особенности: • необходимость учета ограниченности размеров люков и проходов на судне; • высокий уровень типизации конструкций в целях упрощения материально-технического снабжения судов запасными узлами; • возможность ремонта ЭА на месте установки без заходов на ремонтную базу при минимальном количестве обслуживающего персонала и ограниченных контрольно-измерительных и ремонтных средствах. Буйковая ЭА служит в основном для навигационных целей. К ней так же относятся переносные радиостанции спасательных средств. Особенностями буйковой ЭА являются: • большая продолжительность необслуживаемой эксплуатации; • работа в морской воде в плавающем или погруженном состоянии; • воздействие сильных ударов, связанных с волнением моря и способом постановки буя путем сбрасывания. Температурные условия для буйковой ЭА считаются хорошими благодаря интенсивному теплоотводу от корпуса. Наземная ЭА наиболее обширна и разнообразна. Общей задачей при конструировании наземной РЭА является защита от пыли, вибраций и ударов в условиях нормального атмосферного давления. К возимой ЭА относятся мобильные связные и радиолокационные станции, диспетчерские станции строительных, сельскохозяйственных и транспортных организаций, передвижные телевизионные станции и т.д. Для конструкции возимой ЭА прежде всего необходимо предусмотреть возможность погрузки и разгрузки частей ЭА двумя людьми. Значительная часть возимой ЭА должна работать во время движения. К носимой ЭА относятся станции ближней связи, миноискатели, портативные радиопеленгаторы, отдельные виды медицинской ЭА и т.д. Носимая ЭА используется и обслуживается одним человеком-оператором. Основными требованиями являются защита от случайных ударов и ограничения по массе аппаратуры: аппаратура носимая оператором за плечами должна иметь массу не более 13кг, а аппаратура карманного типа – не более 1кг. Переносная ЭА – это лабораторная измерительная и медицинская аппаратура, устанавливаемая на ровную поверхность стола, причем во время переноски с места на место эта аппаратура не должна работать. Она работает в условиях отапливаемых помещений. Конструктор должен предусмотреть возможность переноски аппаратуры силами не более двух человек. К бытовой ЭА относятся радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и другая аппаратура используемая населением. Бытовая ЭА является разновидностью носимой и переносной, однако ее особенности требуют выделения в самостоятельную группу: • эстетическое значение внешнего вида; • повышенные требования к акустическим данным; • приспособленность к эксплуатации совершенно не подготовленным человеком; • массовое производство, долговечность и определяющее значение стоимости. Стационарная ЭА отличается большими габаритами и массой. Характерные особенности: • продолжительность эксплуатации и необходимость постепенной модернизации; • работа в условиях отапливаемых помещений при нормальных климатических условиях; • отсутствие механических перегрузок во время работы; • необходимость транспортировки к месту работы с использованием амортизаторов внутри упаковки; • возможность хранения в складских условиях климатических зон изготовителя и потребителя. 2.2.Условия эксплуатации ЭА. Конструктивные решения РЭА надо искать не только с позиции основных функций, но и позиций возможности выполнения этих функций в различных условиях эксплуатации. Под условиями эксплуатации РЭА понимается совокупность внешних факторов существенно влияющих на характеристики и работоспособность аппаратуры. Внешние факторы можно классифицировать на два основных вида: климатические и механические воздействия. Климатические воздействия связаны с состоянием атмосферы: ее температурой, влажностью, осадками, давлением, радиацией, загрязненностью пылью, солями, газами, зараженностью микробами и т.д. Причиной механических воздействий могут быть: сила тяжести, силы инерции, возникающие при изменении скорости движения: силы связанные с вибрацией от работы двигателей, и др. Для оценки величины каждого воздействующего фактора его сравнивают с нормальными условиями эксплуатации. Под нормальными условиями понимаются условия работы аппаратуры в закрытых отапливаемых помещениях при отсутствии в воздухе паров, газов, солей кислот и микроорганизмов при температуре 20±5° С, относительной влажности 50–80%, атмосферном давлении (956÷1037)·102 Па и при отсутствии механических воздействий. Наибольшее влияние на работу РЭА оказывает температура окружающей среды. Температура изменяется в зависимости от времени года, от географического положения местности, а также от высоты. Максимальная температура может достигать +55˚С, а пониженные температуры доходить до – 60˚С. С подъемом на высоту до 10–30 км температура падает до – (50÷ 60)˚С. На рис.6.1 показано, что диапазон изменения температуры в околоземной атмосфере может составлять ±100˚С. В космосе этот диапазон еще выше. Рис.2.1. Изменение средней температуры воздуха в зависимости от высоты. Изменение температуры окружающей среды влияет на свойства материалов. При повышении температуры механические свойства большинства металлов снижаются и увеличивается их электрическое сопротивление. У меди, например, при повышении температуры до 100°С сопротивление возрастает на 40%. При понижении температуры у всех материалов понижается пластичность, а при достаточно низких температурах она практически исчезает и материал становится хрупким. В значительной степени зависят от температуры электрические свойства диэлектриков и полупроводников. При повышении температуры у диэлектриков резко падает сопротивление изоляции, растут диэлектрические потери и изменяется диэлектрическая проницаемость. Аппаратура, которая продолжает нормально работать и сохранять свои параметры в заранее установленных пределах при воздействии повышенных температур, называется теплоустойчивой, а при воздействии пониженных температур – холодоустойчивой. В зависимости от географического положения местности может значительно измениться относительная влажность окружающего воздуха. Если нормальная относительная влажность окружающего воздуха составляет 50–80%, то в зоне влажных субтропиков и на побережье Ледовитого океана она достигает 85–90%, а в зоне пустынь 5–10%.На показатели влажности влияет температура окружающего воздуха. При температуре ниже нуля влага конденсируется и выпадает в виде инея, поэтому присутствие ее в атмосфере становится незначительным. При температуре воздуха 20–40°С может иметь место наибольшая влажность, достигшая 100%. Наиболее опасна относительная влажность порядка 80–90%, т.к. в этом случае влага находится в воздухе в газообразном состоянии и легче поглощается толщей материалов, проникая сквозь тонкие щели и мелкие поры. При более высокой влажности, в том числе и при 100%, влага поглощается поверхностью материала и меньше проникает в толщу материала. Различные сочетания той или иной влажности, температуры или последовательности в смене этих факторов образуют разнообразие климатических воздействий на РЭА. Увеличение влажности быстро изменяет диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность воздуха. Это сказывается на изменении емкости между элементами незащищенной конструкции и может стать причиной пробоев. Особенно заметно это явление при высоких температурах. Влияние влаги может привести к отказам в аппаратуре, снижению эффективности и качества РЭА. Лучшим средством защиты конструкции от влаги является герметизация, которая обычно защищает и от других воздействий: пыли, грибков, агрессивных сред, а в отдельных случаях и от определенных механических воздействий. Аппаратура, которая продолжает нормально работать и сохраняет свои параметры в заранее установленных пределах, при воздействии повышенной влажности называется влагоустойчивой. Устойчивость разработанной РЭА к повышенной влажности проверяют при температуре 40С и влажности 98%, т.к. именно при этих условиях происходит наиболее быстрое окисление металлов и развитие грибковых образований (плесени), а электрические характеристики слоистых диэлектриков, поглощающих воду из воздуха, изменяются на несколько порядков. На поверхности Земли атмосферное давление принято считать нормальным, но с увеличением высоты оно резко падает. С увеличением высоты воздух становится сильно разреженным, а электрическая прочность очень низкой. При этом на деталях, имеющих острые углы и высокий потенциал, может возникнуть коронный разряд, может происходить пробой воздушных промежутков, что приводит к выходу аппаратуры из стоя. Кроме того, в аппаратуре ухудшается тепловой режим, т.к. при пониженном давлении уменьшается отвод теплоты от нагревающихся элементов, в результате чего их температура повышается и создаются условия для перегрева аппаратуры. Для средней климатической полосы наиболее характерно наличие в атмосфере песка, пыли. Различных газов. Их влиянию подвергается аппаратура, работающая в зоне пустынь или расположенная на подвижных объектах, передвигающихся по грунтовым дорогам. Обладая высокой твердостью и гигроскопичностью , песок или пыль проникают в трущиеся части механизмов (контакторы, зазоры), что приводит или к поломке аппаратуры или к быстрому износу ее частей, снижает изоляцию токонесущих элементов. Для защиты от пыли и песка в конструкции предусматриваются соответствующие уплотнители. В процессе эксплуатации и транспортирования РЭА подвергается механическим воздействиям. В общем случае внешние механические воздействия на конструкцию приводят к проявлению сил тяжести и инерции, которые действуют на отдельные части конструкции и вызывают деформацию. В зависимости от места приложения силы и геометрической формы конструкции характер деформации и ее величина могут быть различны. В большинстве случаев механические нагрузки имеют сложный комплексный характер. Механические воздействия можно характеризовать диапазоном частот колебаний, амплитудой, ускорением и временем действия. Механическим воздействиям подвергаются все категории РЭА, даже стационарная, эксплуатируемая в нормальных условиях, подвергается транспортной тряске при доставке ее после изготовления на место эксплуатации. Но наиболее сложным механическим воздействиям подвергается РЭА, устанавливаемая на подвижных объектах. Такая аппаратура испытывает воздействие вибрации, ударов и линейных ускорений. Механические воздействия возникают, например, при взлете и посадке самолетов, при изменении скорости движения, при движении объекта по дорогам, маневрировании и торможении, стартовых перегрузках и т.д. Параметры механических воздействий зависят от объекта установки РЭА. Воздействие механических нагрузок приводит к механическим повреждениям, а часто к полному выходу аппаратуры из строя. Например, может произойти разрушение корпуса или отдельных его частей, нарушение герметичности вследствие разрушения паяных, сварных и клеевых швов, обрыв монтажных связей, отслаивание печатных проводников, расслаивание многослойных печатных плат, поломка керамических подложек интегральных микросхем, выход из строя разъемных и неразъемных электрических контактов. Воздействие вибраций проявляется в основном на тех частях конструкции, которые имеют большую возможность деформироваться. Легко деформируемыми могут оказаться конструкции, имеющие большую массу но недостаточную жесткость, или сложные сборные конструкции, имеющие зазоры в соединениях. Наиболее опасным явлением при вибрации является механический резонанс частей конструкции, возникновение которого может привести к разрушению не только отдельных элементов конструкции, но и всей конструкции. Для исключения механического резонанса необходимо, чтобы собственная частота колебаний конструкции находилась вне полосы частот, возникающих при эксплуатации и перевозках. Собственная частота механических колебаний конструкции должна быть больше частоты воздействующих колебаний. Конструкция РЭА должна быть виброустойчивой и вибропрочной. Под виброустойчивостью понимают способность конструкции нормально работать при воздействии вибраций, а под вибропрочностью – ее способность противостоять разрушающему действию вибраций и нормально работать после длительного воздействия вибраций. Вибропрочность связана в основном с транспортировочной вибрацией, когда аппаратура выключена, а виброустойчивость с экслуатационной вибрацией, когда аппаратура включена. Не менее опасны для РЭА ударные нагрузки, возникающие, например, для морской аппаратуры при сильных ударах штормовой волны о борт корабля, для самолетной – при посадке самолета. Удар возбуждает быстро спадающие по амплитуде колебания конструкции на резонансной частоте. При высоких частотах амплитуда колебаний падает быстрее, поэтому выбор наиболее высокой собственной частоты колебаний конструкции является правильным с точки зрения устойчивости конструкции к воздействию удара. Конструкция должна обладать устойчивостью к ударным нагрузкам. Аппаратура, противостоящая разрушающему действию ударов заданной величины и длительности и после их воздействия продолжающая нормально работать, называется ударопрочной, а аппаратура, нормально работающая при воздействии ударов – удароустойчивой. Механические воздействия приводят к перегрузкам. Перегрузкой называется отношение силы механического воздействия F к силе тяжести конструкции Р. Перегрузка G=F/P Если на конструкцию действует вибрация, изменяющаяся по синусоидальному закону, то величину перегрузки определяют по формуле: G=A f 2/250, где А – амплитуда вибрации, мм; f – частота вибрации, гц. Величину перегрузки при ударах можно определить экспериментально при помощи специальных приборов, которые называются акселерометрами. Основными методами защиты от механических воздействий являются виброизоляция аппаратуры с помощью амортизаторов и обеспечение механической жесткости и прочности конструкции. Амортизаторы – это специальные устройства для снижения перегрузок, представляющие собой пружинящий элемент, соединяющий блоки или прибор с вибрирующим основанием (корпусом корабля, фюзеляжем самолета). Введение амортизаторов между электронной аппаратурой и объектом установки ослабляет амплитуду передаваемых колебаний, но не уничтожает их полностью. Поэтому необходимо дополнительно обеспечить жесткость и прочность конструкции. При разработке конструкции РЭА обязательно проводят проверку на устойчивость против механических перегрузок на специальных стендах, осуществляющих вибрацию, тряску и т.д. 2.3. Ремонтопригодность и взаимозаменяемость при эксплуатации ЭА. Большая часть РЭА в процессе эксплуатации подвергается ремонту. От быстрого и качественного ремонта зависит ее дальнейшая эксплуатация. Особенно большое значение имеет ремонт для длительно эксплуатируемой стационарной РЭА. Для радиоаппаратуры проводятся два вида ремонта: профилактический и аварийный. Профилактический ремонт проводится по плану и время его ограничено запланированным перерывом в работе аппаратуры. Такой ремонт производится без нарушения нормального функционирования аппаратуры. При профилактическом ремонте заменяются изношенные части, устраняются обнаруженные в процессе эксплуатации дефекты, которые в дальнейшем могли бы привести к отказу в работе. Аварийный ремонт проводится в случае выхода из строя аппаратуры в процессе эксплуатации. Время аварийного ремонта должно быть минимальным. Если имеются запасные узлы или блоки, то они включаются для работы, а в это время проводится ремонт вышедших из строя устройств. Для оценки ремонтных качеств конструкции вводится понятие ремонтопригодности. Ремонтопригодность РЭА – это приспособленность конструкции к восстановлению исправности и поддержанию заданной долговечности. Долговечность – это свойство конструкции сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние определяется возможность дальнейшего использования устройства по назначению. Для повышения ремонтопригодности в конструкции необходимо предусмотреть: • доступность всех входящих в конструкцию частей осмотру, ремонту и замене без предварительного удаления других частей конструкции; • наличие контрольных точек для подсоединения измерительных приборов при контроле за работой РЭА; • исключение возможности неправильного соединения разъемных частей; • возможность установки извлекаемых частей на столе во время ремонта в удобных положениях; • применение невыпадающих винтов, быстросъемных пружинных фиксаторов и т.п. с целью ускорения сборки и разборки конструкции; • при конструировании массу крупных узлов и блоков следует выбирать такой, чтобы их мог свободно перемещать один человек. Наиболее сложно обеспечить выполнение первого требования. Характерными конструкциями с обеспечением доступа к внутренним частям устройства являются книжная, веерная и кассетная (разъемная) конструкции блоков. Блок книжной конструкции (рис.2.2, а, б) состоит из нескольких субблоков, которые могут откидываться, как страницы книги, вращаясь вокруг оси. Рис.2.2. Блок книжной конструк ции: а – с вертикальной осью раскрытия; б – с горизонтальной осью раскрытия; 1 – общая трассировочная плата; 2 – шарниры; 3 – функциональная ячейка; 4– отверстие для стягивания ячеек в секцию; 5 – передняя панель; 6 – стянутая секция. Каждая страница может представлять собой печатную плату с установленными на ней интегральными микросхемами и другими навесными объемными элементами, установленную в металлическую рамку. Монтаж осуществляется с помощью жгута из объемного провода, проходящего вдоль корешка книги. Смежные страницы могут иметь общий корешок, тогда монтаж между страницами удобно производить печатными шлейфами. Доступ ко всем частям конструкции можно обеспечить при включенном состоянии блока. В рабочем положении книга как бы закрыта, т.е. все субблоки стянуты винтами в плотный пакет, имеющий большую жесткость и хорошо выдерживающий механические перегрузки. Блок веерной конструкции напоминает книжную конструкцию, но платы в нем поочередно могут подниматься для осуществления осмотра и ремонта. Рис.2.3. Блок веерной конструкции. 1 – функциональная ячейка; 2 – корпус блока; 3 – шарнир Электромонтаж в веерной конструкции осуществляется жгутом вдоль оси поворота ячеек, и осмотр плат может производиться во включенном состоянии. Блок кассетной (разъемной) конструкции представляет собой каркас, на котором устанавливаются легкосъемные субблоки или кассеты. Рис.2.4. Блок кассетной конструкции а – с выдвижением функциональных ячеек в горизонтальной плоскости; б – с выдвижением функциональ- ных ячеек в вертикальной плос- кости; 1 – функциональная ячейка; 2 – корпус блока Каждая кассета устанавливается с помощью разъемов и фиксаторов, что очень удобно при замене отдельных кассет. Межкассетная коммутация осуществляется объемным проводом или печатным монтажом. Проверка кассет во включенном состоянии производится с помощью специального удлинителя, представляющего собой кассету с перемычками и разъемами для подсоединения к блоку и основной кассете. Блоки кассетной конструкции, устанавливаемые на подвижных объектах, обычно имеют специальные ловители для обеспечения совмещения частей разъема на кассете и блоке и специальные узлы для механического закрепления кассет. Если доступ к аппаратуре возможен только с одной стороны (отсек самолета, корабля), можно применять откидные блоки. В откинутом состоянии блок поддерживается одной или двумя шарнирными тягами и может проверяться во включенном состоянии. Рис.2.5. Конструкция откидных бло-ков. а – откинут весь блок; б–откинута лицевая панель; 1 – блок; 2 – лицевая панель; 3 – шарнирные тяги; 4 – корпус. Для блоков, размещенных в стойках, используют выдвигание блоков. Блок выдвигается из стойки по специальным направляющим, которые обеспечивают поступательное движение блока с поворотом его на 90˚. Межблочные соединения внутри стоек проходят по металлической арматуре каркаса и заканчиваются гибкой петлей с разъемом на конце. Такое включение позволяет выдвигать блоки стойки для осмотра, не отключая его от всей системы. Рис.2.6. Конструкция выдвижного блока: 1 – шасси блока с передней панелью; 2 – корпус; 3 – направляющая Одним из средств повышения ремонтопригодности является взаимозаменяемость узлов и блоков конструкции. Взаимозаменяемость – это возможность замены одного узла или блока другим без дополнительной подгонки и регулировки. Для осуществлении взаимозаменяемости необходимо, чтобы заменяемые узлы и блоки имели одинаковые конструктивные размеры и присоединительные разъемы, а также одинаковые входные и выходные электрические характеристики. Для выполнения условия взаимозаменяемости задаются допустимые отклонения размеров и параметров, не нарушающие сочленения элементов конструкции и заданных электрических характеристик устройства. Каждое изделие РЭА обеспечивается комплектом запасных деталей, узлов, блоков. Взаимозаменяемость при эксплуатации можно обеспечить заменой отдельных элементов (микросхем, резисторов, транзисторов), узлов (печатные платы, кассеты, модульные узлы) или блоков в целом. Выбор типа замены определяется стоимостью ремонта, квалификацией обслуживающего персонала, инструментами и измерительными приборами, которые имеются на месте ремонта. При конструировании не следует забывать, что стремление к уменьшению массы и габаритов аппаратуры необходимо согласовывать с задачами ремонтопригодности и взаимозаменяемости. В случае миниатюризации аппаратуры задачи взаимозаменяемости и удобства ремонта решать значительно труднее. Чем выше миниатюризация аппаратуры, тем сложнее уход за ней. 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУЫ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ 3.1. Основные определения теории надежности. Современная РЭА имеет очень высокую функцио­нальную сложность. При непрерывном усложнении ра­диотехнических приборов и систем наблюдается диспро­порция между темпами роста сложности и покомпонент­ной надежности РЭА. Особое значение приобретает проб­лема надежности для систем управления сложными автоматическими процессами, для систем бортовой РЭА. Необходимо также учитывать, что элементной базой для современной специальной аппаратуры являются интег­ральные микросхемы (ИМС), где отказ каждой из них может привести к выходу из строя аппаратуры в целом. Таким образом, при проектировании РЭА одной из ос­новных задач является задача обеспечения требуемой надежности. Основные понятия надежности определяются Государственными стандартами. Надежность определяется как свойство аппаратуры выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения уста­новленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и усло­виям использования, технического обслуживания, ре­монтов, хранения и транспортирования. Обеспечение надежности является многоплановой задачей. Над обеспечением надежности современной РЭА работают большие кол­лективы ученых, разработчиков, производственников и эксплуатаци­онщиков. В ряде случаев задача обеспечения надежности приобрета­ет первостепенное значение и имеет приоритет перед задачами обес­печения минимальных габаритов, массы и стоимости аппаратуры. Из определения надежности следует, что надежность является комплексным свойством аппаратуры, которое в зависимости от сложности изделия и условий его экс­плуатации может характеризоваться одним или целым набором показателей надежности, основным из которых является безотказность в работе. Безотказностью называется свойство аппара­туры непрерывно сохранять работоспособность в тече­ние определенного времени. Применительно к изделиям современной РЭА требования к надежности нельзя огра­ничить только безотказностью в работе, а необходимо также обеспечивать долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Поэтому обеспечение надежности надо рассматривать и как задачу устранения возможных причин нарушения этих свойств аппаратуры. Надежность­ это качественное понятие, которое трудно оценить каким ­либо одним числовым показателем. В теории надежности одним из самых важных является понятие отказа. Отказом называется событие, заключающееся в полной или частичной потере работоспособности изделия. Все отказы принято делить на две категории: катастро­фические (внезапные) и параметрические (постепенные). Катастрофические отказы возникают мгновенно в результате концентрации перегрузок и скачкообразного из­менения значений одного или нескольких параметров аппаратуры, а параметрuческuе – в результате посте­пенного равномерного ухода параметров за пределы установленных допусков. При решении задач обеспечения надежности разра­батываемой аппаратуры приходится учитывать специфи­ку и многообразие радиотехнических устройств. Поэтому с позиций надежности различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые системы, однофункциональные и многофункциональные, обслуживаемые и необслуживае­мые, кратковременного или длительного использования. Восстанавливаемыми называются такие си­стемы, которые в процессе выполнения своих функций допускают ремонт. После ремонта такие системы про­должают выполнять свои функции. Большинство совре­менных видов РЭА относятся к восстанавливаемым системам. Примерами восстанавливаемой аппаратуры мо­гут служить ЭВМ, радиолокационные станции, бытовая РЭА. Невосстанавливаемыми называются такие системы, которые в процессе выполнения своих функций не допускают ремонта. После выхода из строя такие из­делия не подлежат восстановлению по техническим или экономическим соображениям. К таким изделиям отно­сятся, например, искусственные спутники Земли. Если система предназначена для выполнения какой­-либо одной задачи, то она однофункциональная, а если система должна выполнять комплекс задач, то она многофункциональная. Примером однофункциональной си­стемы может служить бытовой телевизор, а многофунк­циональной – современная ЭВМ. К обслуживаемым системам относятся системы, которые в течение большо­го времени могут подвергаться профилактическим осмотрам и ремонту. На необслуживаемых системах про­филактический осмотр и ремонт не проводятся. Обслу­живаемые системы не обязательно должны быть восста­навливаемыми. Деление РЭА на аппаратуру кратковре­менного или длительного использования связано с назначением системы. Например, самолетные или наземные радиолокационные станции, системы управления произ­водственным оборудованием относятся к системам дли­тельного использования, а РЭА зенитных управляемых ракет работает кратковременно по сравнению с перио­дом хранения. Рассмотренная классификация аппарату­ры необходима для правильного выбора методики расчетов надежности и методов выявления и устранения возможных причин ненадежности. 3.2. Количественные характеристики теории надежности ЭА. Для оценки РЭА используются критерии надежности. Критерием надежности называется признак, по которому оценивается надежность различных изделий, а характеристикой – количественное значение критерия надежности конкретного изделия. Выбор количественных характеристик надежности зависит от класса проектируемой РЭА. Основные критерии надежности можно разбить на две группы: • характеризующие надежность невосстанавливаемых изделий; • характеризующие надежность восстанавливаемых изделий; Критериями надежности невосстанавливаемых изделий являются: • интенсивность отказов Λ(t); • вероятность отказа в течении определенного времени Q(t); • средняя наработка до первого отказа Тср. При анализе невосстанавливаемых изделий будем считать, что испытаниям на надежность подвергается N изделий и испытания будут закончены , если все изделия вышли из строя, причем вместо отказавших новые или отремонтированные изделия не ставятся. В этом случае под интенсивностью отказов понимается отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в данный отрезок времени: (3.1) где n(Δt) – число отказавших изделий в интервале времени ( Δt); N ср= (Ni + Ni+1)/2 – среднее число исправно работающих изделий в интервале вре- мени Δt; Ni – число изделий, исправно работающих в начале интервала; Ni +1 – число изделий, исправно работающих в конце интервала; Выражение (1) – статическое определение интенсивности отказов. Надежность элементов радиоаппаратуры также характеризуется интенсивностью отказов. Интенсивность отказов элементов показывает, какая доля элементов данного типа выходит из строя за 1 час работы. В дальнейшем интенсивность отказов элементов будем обозначать λ, а интенсивность отказов изделия – Λ. Значения интенсивностей отказов элементов радиоаппаратуры определены экспериментально на основании анализа результатов эксплуатации большого количества изделий и помещены в справочниках. При выборе элементов схемы необходимо обращать внимание не только на электрические и конструктивные параметры элементов, но и на их интенсивность отказов. Установлено, что для большинства элементов зависимость интенсивности отказов от времени имеет одинаковый характер (рис.3.1). Рис.3.1. Зависимость интенсивности отказов элементов от времени: а – катастрофических; б – параметрических; в – суммарная характеристика При нормальной эксплуатации аппаратуры интенсивность катастрофических отказов λк с течением времени резко падает, т.к. устраняются дефектные элементы, места некачественного монтажа и сборки (рис.3.1,а), а интенсивность параметрических отказов λп растет по мере того, как под влиянием внешних условий и внутренних дестабилизирующих факторов происходит разрегулирование аппаратуры и старение ее элементов (рис.3.1,б). Суммарную зависимость (рис.3.1,в) можно разделить на три периода: I – период приработки от начала работы до t1; II – период нормальной работы от t1 до t2; III – период старения и износа после t2. В период приработки из строя выходят элементы со скрытыми дефектами. По мере выхода из строя таких элементов интенсивность отказов уменьшается. Для сокращения времени приработки проводят тренировку элементов. Значение интенсивностей отказов элементов определяется для периода нормальной работы, где могут происходить только отдельные случайные отказы. При отработке аппаратуры на надежность изменением конструкции, совершенствованием технологических процессов или ослаблением влияния внешних факторов добиваются, чтобы суммарная интенсивность отказов была минимальной и примерно постоянной в течение всего периода нормальной эксплуатации аппаратуры. Продолжительность нормальной работы различна для различных элементов РЭА, т.к. старение одних элементов наступает через тысячи часов работы, а для других через десятки тысяч часов. При расчете интенсивности отказов изделия необходимо знать номенклатуру и количество входящих в схему элементов. При этом: Λ = λ1n1 + λ2n2 + λ3n3 +…+λnnn (3.2) где λ1, λ2, λ3, … λn – интенсивность отказов элементов схемы; n1, n2, n3, … nn – количество элементов каждого типа в схеме. Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа. Если считать, что интенсивность отказа определяется для периода нормальной работы, то вероятность безотказной работы Р(t) подчиняется экспоненциальному закону распределения отказов Р(t) = е – Λtp (3.3) где е – основание натуральных логарифмов; tp – время нормальной работы изделия в интервале времени от t1 до t2. Вероятность безотказной работы по статистическим данным об отказах, полученным в результате испытания аппаратуры на надежность, оценивается выражением: (3.4) где N – количество изделий в начале испытаний; n(t) – количество отказавших изделий за время t. ‗‗‗ При большом числе изделий N статистическая вероятность безотказной работы Р(t) совпадает с вероятностью безотказной работы Р(t), рассчитанной по формуле (3). На практике часто вместо характеристики вероятности безотказной работы Р(t) пользуются характеристикой вероятности отказа Q(t). Вероятностью отказа называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени возникает хотя бы один отказ. Отказ и безотказная работа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому: Q(t) = 1 – P(t) (3.5) По статистическим данным вероятность отказа можно определить из выражения: Q(t) = n(t)/N (3.6) Средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание времени работы изделия до отказа. По статистическим данным об отказах среднюю наработку до первого отказа вычисляют по формуле: (3.7) где ti – время безотказной работы i – го образца; N – число испытываемых образцов. Средняя наработка до первого отказа связана с интенсивностью отказов соотношением: Tср = 1/Λ (3.8) Рассмотренные критерии надежности позволяют достаточно полно оценить надежность невосстанавливаемой РЭА. Надежность изделия не всегда нужно оценивать по всем критериям. Выбор конкретных критериев оценки надежности зависит от класса проектируемой аппаратуры. Наиболее удобной характеристикой надежности элементов РЭА является интенсивность отказов, т.к. позволяет более просто вычислять количественные характеристики надежности сложной системы. Для сложных систем целесообразно использовать вероятность безотказной работы, т.к. она характеризует изменение надежности во времени и дает возможность сравнительно просто определять надежность в процессе проектирования и испытаний. Для оценки надежности восстанавливаемых изделий могут использоваться рассмотренные критерии надежности невосстанавливаемой аппаратуры при условии, что время работы берется до первого отказа. Другими критериями надежности восстанавливаемой аппаратуры являются: • наработка на отказ Т0; • коэффициент готовности Кг; • коэффициент вынужденного простоя Кп. При анализе восстанавливаемых изделий будем считать, что на испытании находится N изделий и отказавшие изделия немедленно заменяются исправными (новыми или отремонтированными). Испытания считаются законченными, если число отказов достигает величины, достаточной для оценки надежности с определенной вероятностью. Если не учитывать время , затраченное на восстановление изделий, то достаточно наглядной характеристикой является наработка на отказ. Наработкой на отказ называется среднее время между соседними отказами. По статистическим данным об отказах наработка на отказ определяется по формуле: n Т0 = Σ ti /n (3.9) i=1 где ti – время исправной работы изделия между (i-1)-м и i-м отказами; n – число отказов за некоторое время t. Если учитывать время, затраченное на восстановление изделия, то надежность восстанавливаемых изделий достаточно полно характеризуется коэффициентом готовности и времени вынужденных простоев, взятых за один и тот же срок. Согласно определению: КГ = tР / (tР + tП) (3.10) где КГ – коэффициент готовности; tР – суммарное время исправной работы; tП – суммарное время простоя. Коэффициентом вынужденного простоя называется отношение времени вынужденных простоев к сумме времени исправной работы и времени вынужденных простоев изделия, взятых за один и тот же календарный срок. Тогда коэффициент вынужденного простоя определяется по формуле: КП = tП / (tР + tП) (3.11) Коэффициент готовности и коэффициент вынужденного простоя связаны между собой простой зависимостью: КП = 1– КГ (3.12) Время вынужденного простоя складывается из времени, затраченного на отыскание и устранение неисправностей в аппаратуре. Поэтому коэффициент готовности и коэффициент вынужденного постоя в определенной мере зависят от правильного выбора конструктивных решений, выбора методов повышения ремонтопригодности и взаимозаменяемости в аппаратуре. 3.3. Расчеты надежности при проектировании ЭА. Надежность РЭА зависит не только от выбора схемы и технических характеристик аппаратуры, но и: • от режимов работы аппаратуры и условий ее эксплуатации; • от технологи производства и используемой в производстве системы контроля качества; • от качества исходных материалов и комплектующих элементов; • от уровня квалификации производственного, контрольного и эксплуатирующего аппаратуру персонала. Обеспечить надежность аппаратуры можно суммой мероприятий, выполняемых на всех этапах разработки, производства и эксплуатации. Особое место в этом процессе принадлежит этапу разработки т.к. все принципы обеспечения надежности выбирают на этом этапе. Разработчик современной ответственной РЭА должен стремится обеспечить чрезвычайно высокую надежность аппаратуры, учитывая все реальные эксплуатационные ситуации. При этом необходимо удовлетворить целый ряд основных требований к изделию: обеспечение ее технических и тактико-технических характеристик (габариты, масса, чувствительность, быстродействие, время приведения в готовность), ограничение конструктивной сложности, снижение стоимости и сроков разработки и т.д. Разработчик должен выбрать оптимальное решение, обеспечивающее и высокую надежность, и требуемые технические характеристики. Требования к надежности разрабатываемого изделия задаются в техническом задании на разработку. На ранних стадиях разработки изделия составляется план обеспечения надежности, который на последующих стадиях разработки детализируется и уточняется. Одним из элементов этого плана является расчет надежности проектируемого изделия. В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работу изделия и его надежность, последовательно проводят три расчета надежности: прикидочный, ориентировочный и окончательный. Прикидочный расчет позволяет судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности изделия. Этот расчет используется при проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании, при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов выполнения изделия на ранних стадиях разработки изделия и ряде других случаев. При прикидочном расчете делается допущение, что все элементы схемы равнонадежны, т.к. принципиальные схемы на изделие и его составные части еще окончательно не разработаны. Соединение элементов с точки зрения надежности таково, что выход их строя любого элемента приводит к отказу всего изделия. Интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λi (t) = const. Тогда: Λ = λi N (3.13) Где = λi – средняя интенсивность отказов равнонадежных элементов схемы; N – обще количество элементов. Ориентировочный расчет проводится тогда, когда на изделие и его составные части разработаны электрические принципиальные схемы. При ориентировочном расчете учитывается влияние на надежность изделия количества и типов применяемых в схемах элементов. При расчете делаются следующие допущения: все элементы работают в нормальном режиме, предусмотренном техническими условиями на элементы; все элементы изделия работают одновременно; интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λi(t) = const. Интенсивности отказов элементов каждого типа берутся по соответствующим таблицам из справочников по надежности. Таким образом, ориентировочный расчет надежности позволяет определить рациональный состав элементов в изделии и наметить пути повышения надежности. Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования и учитывает влияние на характеристики надежности режимов работы элементов в схеме и конкретные условия эксплуатации изделия. В общем случае интенсивности отказов элементов зависят от электрического режима работы элемента в схеме, температуры окружающей среды, механических воздействий в виде вибраций и ударов, влажности воздуха, давления, радиации и ряда других возможных факторов. Электрический режим работы элементов при расчете надежности учитывается с помощью коэффициента нагрузки Кн. Известно, что интенсивность отказов резисторов увеличивается с увеличением мощности рассеяния резистора, а интенсивность отказов конденсаторов увеличивается с увеличением рабочего напряжения, приложенного к его обкладкам. Например, если резистор по расчету имеет мощность рассеяния 1 Вт, а в схеме используется резистор с номинальной мощностью рассеяния 2 Вт, то коэффициент нагрузки резистора в схеме КН = Ррасч / Рсх = 1/2 = 0,5 где Ррасч – расчетная мощность рассеяния резистора; Рсх – мощность рассеяния резистора, стоящего в схеме. Для проведения окончательного расчета надежности необходимо иметь данные о коэффициентах нагрузки всех элементов схемы. Для этого при выпуске электрических принципиальных схем заполняются карты режимов работы элементов с указанием коэффициента нагрузки. Необходимым условием получения наиболее точных характеристик надежности при окончательном расчете является знание зависимости интенсивности отказов элементов от воздействующих факторов. Наиболее существенными внешними факторами являются температура окружающей среды, механические нагрузки, влажность и атмосферное давление. Влияние на величину интенсивности отказов каждого из указанных факторов учитывается при расчете надежности с помощью поправочных коэффициентов α и К. Поправочный коэффициент α = λi / λ0 (3.14) где λi – интенсивность отказов данного элемента при конкретном воздействующем факторе и прочих номинальных условиях, λ0 – номинальная интенсивность отказов данного элемента, под которой понимается интенсивность отказов элементов в нормальных условиях эксплуатации при отсутствии механических перегрузок и в номинальном электрическом режиме (Кн = 1). Тогда интенсивность отказов элементов при эксплуатации в реальных условиях определяется как произведение номинальной интенсивности отказов на поправочные коэффициенты. Поправочный коэффициент α учитывает влияние на надежность окружающей температуры и электрической нагрузки, а поправочные коэффициенты К учитывают механические воздействия, влажность, давление. Значения номинальных интенсивностей отказов основных элементов РЭА и коэффициентов К помещены в справочники по надежности в виде таблиц. Поправочные коэффициенты α определяются по справочным данным, которые приводятся или в виде таблиц, или в виде графиков зависимости: α = f(КН,t) где t – температура окружающей среды, ˚С; КН – коэффициент нагрузки элементов. Графики зависимости поправочного коэффициента α от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки приведены на рис.3.2 и рис.3.3. Рис.3.2. Зависимость α от t˚ и КН Рис.3.3. Зависимость α от t˚ и КН для конденсаторов слюдяных для германиевых транзисторов типов КСОТ, КСО Из графиков видно, что если снизить коэффициент нагрузки, то значение поправочного коэффициента снижается, т.е. за счет облегчения режима работы элемента в схеме можно повысить надежность этих элементов, а следовательно, и улучшить характеристики надежности изделия. При расчете характеристик надежности все изделия расчленяются на приборы, приборы на блоки, блоки на узлы и т.д. При этом расчет производится от простого к сложному. Схему расчета надежности удобно составить таким образом, чтобы элементами расчета были конструктивно оформленные узлы или блоки. Окончательный расчет надежности складывается из следующих этапов: • определение типов элементов и их характеристик; • выбор метода расчета с подбором определенных номограмм, таблиц, графиков или поправочных коэффициентов; • определение электрических нагрузок и влияния внешней среды на каждый элемент; • определение по соответствующим таблицам интенсивности отказов каждого элемента; • суммирование всех интенсивностей отказов с учетом количества элементов каждого типа для определения интенсивности отказов всего изделия; • расчет количественных характеристик надежности изделия. Данные расчетов заносятся в итоговые таблицы или приводятся в виде графиков. Оформляется технический отчет по расчету надежности. 3.4. Общие и специальные методы повышения надежности. Наиболее жесткие требования по надежности предъявляются к космической РЭА и РЭА специального назначения. При этом необходимо еще учитывать, что указанные категории аппаратуры подвергаются сложным климатическим и механическим воздействиям Для таких категорий аппаратуры высокие требования по надежности не могут быть обеспечены только за счет общих мер надежности. К общим мерам по обеспечению заданной высокой надежности относятся: • четкая регламентация условий эксплуатации изделия; • оптимальный выбор функциональной схемы изделия; • выбор для изделия комплектующих элементов, обладающих высокой надежностью и стабильностью характеристик, проведение схемных и конструкторских мероприятий, обеспечивающих щадящие режимы работы элементов в устройстве; • реализация технологических мероприятий, обеспечивающих бездефектное изготовление устройств; • проведение всесторонних конструкторских отбраковочных испытаний макетов и опытных образцов устройств, обеспечивающих наиболее полное выявление и устранение слабых мест схемы и конструкции еще на этапе разработки; • создание системы всесторонних производственных испытаний, обеспечивающих выявление производственных дефектов аппаратуры и ее элементов; • создание системы наблюдения за качеством работы устройств в эксплуатации, проведение профилактических мер и т.д. Специальные методы повышения надежности связаны с введением в схему дополнительных элементов, предназначенных для повышения надежности устройства. В теории надежности, прежде чем провести анализ радиотехнического устройства на надежность, принято переходить от электрической принципиальной схемы к эквивалентной структурной схеме надежности. В основу такого перехода положены принятые в теории надежности понятия последовательного, параллельного и смешанного вида соединения элементов, которые не следует путать с аналогичными видами электрических соединений. Виды соединения в теории надежности показаны на рис. 3.4. Рис.3.4. Виды соединений в теории надежности а – основное; б – резервное; в – смешанное. Последовательным, или основным, называется такое соединение элементов системы, при котором отказ хотя бы одного из элементов приводит к отказу системы в целом (рис.3.4,а). Параллельным, или резервным, соединением элементов системы называют такое соединение, при котором отказ системы наступает лишь в случае отказа всех ее элементов (рис. 3.4,б). Смешанным соединением элементов называют сочетание основного и резервного видов соединений или более сложные структуры (рис.3.4,в). Наиболее эффективными мерами повышения надежности на этапе проектирования является применение резервирования. Резервирование – это метод повышения надежности путем введения запасных (резервных) элементов, являющихся избыточными по отношению к функциональной структуре РЭА, необходимой для выполнения заданных функций. Аппаратура с избыточными элементами называется резервированной. В резервированном изделии отказ наступает тогда, когда выйдут из строя все резервные устройства. Применяемые в теории надежности способы резервирования показана на рис.3.5. Рис.3.5. Способы резервирования. Основным параметром резервирования является кратность резервирования. Под кратностью резервирования понимают отношение числа резервных изделий к числу основных (резервируемых). Кратность резервирования обозначается m. Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Например, если m =3, то это означает, что число резервных устройств равно трем, основное устройство одно, а общее число устройств равно четырем. Это резервирование с целой кратностью. Если m = 4/2, то это резервирование с дробной кратностью, при котором число резервных устройств равно четырем, число основных – двум, а число устройств – шести ( сократить дробь нельзя, т.к. если m = 4/2 = 2, то это резервирование с целой кратностью, при котором число резервных устройств два, основное одно, а общее число устройств три). В зависимости от масштаба и принятой единицы резервирования различают общий и раздельный способы резервирования. При общем резервировании резервируется вся система в целом. Общее резервирование в зависимости от способа включения резервных устройств можно разделить на постоянное резервирование и резервирование замещением. При общем постоянном резервировании резервные устройства подключены к основным в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ними режиме. Схема общего постоянного резервирования показана на рис.3.6. Рис.3.6. Структурная схема общего постоянного резервирования. При общем постоянном резервировании может использоваться только нагруженный резерв, что требует полного состава запасных элементов, ведет к увеличению габаритов и массы системы и повышенному расходу энергии. Кроме того, резервные элементы в этом случае «стареют» в так же степени, как и основные рабочие элементы. Указанные факторы несомненно относятся к недостаткам данного вида резервирования. Основные характеристики надежности при общем постоянном резервировании с целой кратностью можно рассчитать по формулам: P(t)p = 1 – [1 – P(t)] m+1 (3.15) где P(t)p – вероятность безотказной работы резервированной системы; P(t) = е-λtp – вероятность безотказной работы нерезервированной системы при экспоненциальном законе распределения надежности; m – кратность резервирования. m Тср. р = Тср · Σ 1 / (i + 1) = Тср [( 1+ 1/2 + … + 1/ (m + 1)] (3.16) i=0 где Тср. р – средняя наработка на отказ резервированной системы; Тср. – средняя наработка на отказ нерезервированной системы. Для наиболее простого случая, когда m = 1, получим: P(t)p = 1 – [1 – P(t)] 2 (3.17) Тср. р = 1,5 Тср (3.18) Таким образом, при одном основном и одном резервном устройстве средняя наработка на отказ увеличивается в 1,5 раза. К преимуществам общего постоянного резервирования относятся: • относительная простота построения схем; • отсутствие хотя бы кратковременного перерыва в работе при отказе одного или даже нескольких элементов системы; • отсутствие дополнительных подключающих элементов, снижающих общую надежность системы. При резервировании замещением резервные изделия замещают основные только после их отказа. Схема общего резервирования замещением показана на рис.3.7. Рис.3.7. Структурная схема общего резервирования замещением с целой кратностью. При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента их включения в работу могут находиться в различных состояниях. Исходя из возможных режимов работы резервных элементов, различают резервы: • нагруженный; • облегченный; • ненагруженный. При резервировании замещением резервное устройство включается в работающую систему с помощью автоматических устройств или вручную. При автоматическом включении требуется чрезвычайно высокая надежность переключающих элементов. При большом количестве и невысокой надежности этих дополнительных элементов, входящих в резервированную систему, ее надежность может понизиться по сравнению с надежностью нерезервированной системы. Кроме того, даже при высокой степени быстродействия переключающих элементов имеется перерыв в работе системы на время переключения на резервные устройства. Следует заметить, что при ручной замене отказавших элементов возрастает время переключения, но надежность оператора, выполняющего функции переключающего устройства, может быть принята за единицу. При использовании нагруженного резерва запасные резервные элементы находятся в том же режиме работы, что и основной элемент, независимо от того, участвуют они в работе схемы или нет. Если при этом основной и резервный элементы идентичны, то интенсивности их отказов совпадают и надежность основного и резервного устройств одинакова. При использовании нагруженного резерва, если не учитывать надежность автоматических переключающих устройств, характеристики надежности можно рассчитывать по тем же формулам, что и для общего постоянного резервирования. При использовании ненагруженного резерва запасные резервные элементы до момента их включения в работающую схему полностью обесточены. В этом случае резервные устройства имеют самую высокую надежность по сравнению с основными элементами, поэтому общее резервирование замещением с использованием ненагруженного резерва обеспечивает наилучшие показатели для общего резервирования. Характеристики надежности в этом случае рассчитывают по формулам: m P(t)p = P(t) ∙ ∑ (tp / Tср)i∙ 1 / i! = P(t) ∙ [(1 + tp/Tср + 1/2! (tp/Tср)2 + … + 1/m!( tp/Tср)m] (3.19) i=0 Тср. р = Тср (m + 1) (3.20) где P(t)p и P(t) – вероятность безотказной работы резервированной и нерезервированной систем; Тср. р и Тср – средняя наработка на отказ резервированной и нерезервированной систем; m – кратность резерирования. Для наиболее простого случая, когда m = 1, получим: P(t)p = P(t) ∙ ( 1 + tp / Tср ) (3.21) Тср. р = 2Тср (3.22) Таким образом, при использовании ненагруженного резерва средняя наработка на отказ увеличивается как минимум в два раза. При использовании облегченного резерва резервные элементы до момента их включения в работающую схему находятся в облегченном электрическом режиме. Например, для полупроводниковых схем облегченный режим обеспечивается за счет пониженного напряжения на коллекторах транзисторов по сравнению номинальным рабочим режимом. Надежность каждого резервного элемента в этом случае выше надежности соответствующего основного элемента. Показатели надежности в случае использования облегченного резерва занимают среднее положение, т.е. Тср р ненагр > Тср р обл > Т ср р нагр Использование облегченного или ненагруженного резерва дает возможность снизить расход электроэнергии и увеличить надежность аппаратуры, т.к. надежность резервных устройств в этом случае всегда выше, чем основных. Следовательно, резервирование замещением позволяет улучшить показатели надежности и продлить срок службы РЭА. Однако не следует забывать о недостатках, основным из которых является наличие переключающих устройств., имеющих свои показатели надежности и обладающих определенной инерционностью, что приводит к появлению конечного времени переключения с основного блока на резервные, а в некоторых видах РЭА это недопустимо. Поэтому резервирование замещением применяется для систем, допускающих перерывы в работе. Кроме того, при нагруженном и облегченном резервах увеличиваются потребляемые мощности. При раздельном резервировании резервируются отдельные составные части изделия, т.е. вводится индивидуальный резерв для каждого элемента, узла, блока неизбыточной системы. Раздельное резервирование бывает постоянным и замещаемым, Схемы раздельного резервирования показаны на рис.3.8. Раздельное резервирование может быть поэлементным, покаскадным, узловым, блочным и т.д. и используется в сложных системах, в которых требуемые показатели надежности не удается получить рассмотренными выше способами резервирования. При раздельном резервировании отказ системы может произойти только тогда, когда отказ произойдет дважды подряд в одном и том же устройстве (m = 1), что маловероятно. Поэтому показатели надежности при раздельном резервировании значительно выше. Для оценки надежности при раздельном резервировании используется специфический и сложный математический аппарат. Математический анализ таких систем показывает, что наиболее высокие показатели надежности можно получить, используя раздельное резервирование замещением с ненагруженным резервом. Рис.3.8. Структурная схема раздельного резервирования. а – раздельное постоянное с целой кратностью; б – раздельное замещением с целой кратностью. Эффективность резервирования принято оценивать с помощью коэффициента повышения надежности γ. Коэффициент повышения надежности определяется по показателям безотказности из соотношений: γ p = P(t)p / P(t) γQ = Q(t) / Q(t)p где P(t)p , Q(t)p и Q(t), P(t) – вероятность безотказной работы и вероятность отказа для резервированной и нерезервированной систем. Следует заметить, что независимо от способа резервирования РЭА введение резерва всегда влечет за собой резкое возрастание габаритов, массы и стоимости аппаратуры, а в отдельных случаях и потребление мощности, поэтому использовать резервирование необходимо в технически и экономически обоснованных случаях. Целесообразность применения резервирования определяется следующими факторами: • исходным уровнем надежности комплектующих изделий; • заданным временем эксплуатации; • наличием эффективной системы контроля и периодичностью профилактики; • возможностью использования других, менее избыточных методов повышения надежности. Анализ резервированных систем показывает, что интенсивность отказов резервированной системы быстро возрастает с течением времени, хотя интенсивность отказов нерезервированной системы от времени не зависит, что показано на рис.3.9 для общего и раздельного резервирования. Рис. 3.9. Зависимость интенсивности отказов резервированной системы от времени. 1 – общее резервирование; 2 – раздельное резервирование. Из графика следует, что для резервированных систем существует такой момент времени tkp, после которого использование резервированной системы не оправдано. Поэтому если не учитывать особенности профилактики систем, то резервирование более выгодно применять для систем кратковременного действия, когда t << tkp, тогда как для систем длительного использования, когда t >> tkp, целесообразно использовать другие методы повышения надежности. Выбор метода повышения надежности и выбор конкретного способа резервирования в значительной степени определяются категорией РЭА. Например, для современных сложных вычислительных комплексов, насчитывающих сотни и тысячи узлов и блоков, использование резервирования замещением может привести к простою машины, необходимости повторения программ, что снижает оперативность решения задачи. Поэтому вытекает необходимость использования постоянного резервирования или разумного сочетания постоянного резервирования с резервированием замещением. Методы резервирования эффективные для цифровых устройств, могут оказаться малопригодными для устройств аналогового типа. Для аналоговых устройств чаще может использоваться резервирование замещением, что объясняется отсутствием взаимного влияния основного и резервного каналов. Таким образом, разнообразие существующих категорий РЭА затрудняет построение общих конструктивных подходов и единых требований по надежности. Поэтому выбор показателей, принятие решения о введении различных методов, повышающих надежность, делают дифференцировано в зависимости от категории проектируемой аппаратуры. 4. КОМПОНОВКА ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ. 4.1.Основные принципы компоновки. Наиболее сложной и ответственной задачей при конструировании РЭА является компоновка разрабатываемого изделия. Компоновка радиотехнического изделия – это размещение на плоскости или в пространстве различных элементов изделия. Такими элементами могут быть радиодетали (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.), функциональные узлы различного конструктивного исполнения (модули , интегральные микросхемы, микросборки и т.д.) блоки и приборы. В результате компоновки должны быть определены геометрические размеры, ориентировочная масса изделия и взаимное расположение всех элементов в конструкции. Компоновка проводится по электрической принципиальной схеме изделия. Имея эту схему конструктор должен создать модель конструкции изделия, учитывая большое количество факторов и требования технического задания на разработку изделия. Компоновка наиболее сложная работа и требует от конструктора не только большого опыта и знаний, но и творческого подхода к решению задач компоновки. Конструктору необходимо рассмотреть несколько вариантов компоновки и выбрать оптимальный вариант, при выборе которого необходимо учитывать условия производства и эксплуатации и изделия. От качества компоновки в значительной степени зависят технические и эксплуатационные характеристики изделия, ремонтопригодность и надежность изделия. При разработке компоновки радиотехнического изделия приходится учитывать сложную совокупность факторов, связанных с особенностями функционирования и эксплуатации изделия, электрическими взаимосвязями и тепловыми режимами внутри РЭА, геометрическими размерами и формой отдельных элементов конструкции. Все эти факторы учитываются при «внутренней» компоновке изделия. Иногда вместо термина «внутренняя» используют термин «функциональная» компоновка. Если аппаратура обслуживается человеком-оператором, то возникает необходимость учитывать дополнительные факторы, определяющие «внешнюю» компоновку изделия, которая производится с учетом требований инженерной психологии и технической эстетики. В РЭА существует слабая связь между внутренней и внешней компоновкой, поэтому внутренняя и внешняя компоновки рассматриваются как отдельные стороны конструирования. 4.2. Внутренняя компоновка изделия. При внутренней компоновке необходимо удовлетворить основные требования: • между отдельными элементами, узлами, блоками, приборами должны отсутствовать паразитные взаимосвязи, которые могут существенно изменить характер полезных взаимосвязей и нарушить нормальное функционирование изделия; • тепловые поля, возникающие в РЭА вследствие перегрева отдельных элементов, не должны ухудшать технические характеристики аппаратуры; • необходимо обеспечить легкий доступ к деталям, узлам, блокам в конструкции для контроля, ремонта и обслуживания. Расположение элементов конструкции должно также обеспечивать технологичность монтажа и сборки с учетом использования автоматизации этих процессов; • габариты и масса изделия должны быть минимально возможными. Паразитные обратные связи определяются взаимным расположением отдельных частей конструкции и соединяющих их проводников и могут возникать не только между отдельными элементами, но и между узлами, блоками, приборами, что нарушает устойчивость работы любой радиотехнической системы. Все виды паразитных связей принято делить на электромагнитные, электростатические и кондуктивные. Электромагнитные связи возникают при протекании тока по катушкам индуктивности и проводникам. Электростатические создаются за счет разности потенциалов между различными точками корпуса или за счет паразитных емкостей. Кондуктивные возникают в том случае, когда есть общая нагрузка для полезного и паразитного сигналов, т.е. когда нагрузка является общей для нескольких электрических цепей. Чаще всего такими общими участками являются проводники питания, «земляные» проводники, внутренние сопротивления источника питания, общие участки корпуса. Для устранения паразитных обратных связей прежде всего необходимо рациональное размещение элементов в конструкции. Однако этого недостаточно и приходится применять различные конструктивные меры, наиболее распространенными из которых могут быть следующие: • связанные по схеме каскады следует располагать в непосредственной близости друг от друга Для уменьшения длины соединительных проводников; • каждый элемент схемы или узел, подверженный опасности возникновения паразитных взаимосвязей, должен иметь только одно соединение с шиной заземления; • если узлы конструкции находятся в отдельных корпусах и соединяются между собой проводниками, то провода должны быть экранированные и объединяться в один жгут (кроме цепей питания); • при компоновке усилительных устройств желательно располагать каскады по одной линии, максимально удаляя входные каскады от выходных. Особенно важно выполнять это требование на частотах выше 10МГц; • количество соединительных проводников и их длина должны быть минимальными. Особое внимание следует обращать на длину проводников при компоновке высокочастотных устройств. Для защиты объемных проводников от паразитных взаимосвязей используют экранированные провода, однако на высоких частотах они обладают достаточно большой емкостью (до 200пф/м). Необходимо учитывать, что при использовании экранированных проводов масса конструкции возрастает, а жгут из экранированных проводов занимает большой объем, поэтому применение этих проводов должно быть технически обоснованным. На создание варианта компоновки с минимально возможными паразитными связями следует обращать серьезное внимание, т.к. если такие взаимосвязи обнаруживаются в уже изготовленном изделии, то устранить их очень сложно. Иногда требуется значительная перекомпоновка конструкции, что приводит к срыву сроков разработки и дополнительным материальным затратам. Необходимость ограничивать в РЭА тепловые поля ставит перед конструктором сложные задачи. Радиоэлектронная аппаратура при работе постоянно излучает тепловую энергию. Для большинства категорий РЭА только несколько процентов подводимой мощности расходуется на полезное преобразование сигнала, а остальная энергия превращается в тепловую. При компоновке необходимо учесть возможность взаимного влияния тепловых полей отдельных элементов аппаратуры, выяснить возможность обеспечения нормального теплового режима устройства и только после этого решать вопрос о необходимости использования систем охлаждения. Перед тем как приступить к компоновке узла или блока, определяется степень тепловой нагрузки всех входящих элементов. В РЭА одни элементы являются источником тепловых излучений (например, резисторы, лампы), а другие весьма чувствительны к повышению температуры (например, германиевые полупроводниковые приборы). Характеристики теплочувствительных элементов значительно ухудшаются при повышении температуры и при этом падает их надежность. Естественно, что такие элементы надо располагать дальше друг от друга. Оптимальным вариантом компоновки был бы такой вариант, при котором теплочувствительные элементы и источники теплового излучения расположить в разных узлах или блоках, а если это возможно надежно изолировать друг от друга. По тепловому режиму узлы и блоки РЭА делят на теплонагруженные и нетеплонагруженные. Теплонагруженность радиоэлектронного устройства характеризуется плотностью теплового потока в данном устройстве. Под плотностью теплового потока понимается тепловой поток, проходящий через единицу поверхности. Аппаратура считается нетеплонагруженной, если плотность теплового потока в ней не превышает 0,5мВт/см2. При этом перегрев поверхности устройства относительно окружающей среды не превышает 0,5˚С. При значениях плотности теплового потока Больше 0,5мВт/см2 аппаратура считается теплонагруженной и требует специальных средств охлаждения. Современная РЭА, выполняемая на микроэлектронной элементной базе, имеет напряженный тепловой режим, напряженность которого имеет тенденцию увеличиваться с увеличением степени интеграции элементной базы. При уменьшенных габаритах современной РЭА объем специальных систем охлаждения может быть соизмерим с объемом РЭА. Даже применение схем термокомпенсации усложняет конструкцию, ухудшает надежность и увеличивает массу и объем аппаратуры, поэтому важность обеспечения нормального теплового режима на этапе компоновки очевидна. Проводя компоновку радиотехнического устройства, необходимо обеспечить все возможные меры для удобства изготовления и эксплуатации аппаратуры. Эти требования учитываются в основном выбором типа конструкции узла или блока, обеспечивающего высокую ремонтопригодность и взаимозаменяемость в конструкции. Требование уменьшения массы и габаритов современной РЭА, особенно специальной, является исключительно важным в связи с большой функциональной сложностью аппаратуры. Однако возможности уменьшения габаритов конструкции тесно связаны с рассмотренными требованиями компоновки. Совершенно очевидно, что с уменьшением габаритов узла, блока и прибора увеличивается плотность заполнения объема конструкции, что увеличивает вероятность возникновения в конструкции паразитных взаимосвязей, ухудшает тепловой режим и технологичность монтажа и сборки, усложняет доступ к отдельным элементам, узлам для контроля и обслуживания. Основная задача конструктора при компоновке – найти такое компромиссное решение, при котором в наибольшей мере можно удовлетворить всем рассмотренным выше основным требованиям. 4.3. Основные направления конструирования ЭА. Любая РЭА имеет законченную конструкцию, представляющую собой сложную композицию, составленную из большого числа конструктивных единиц. Конструкцию современной РЭА следует рассматривать как некоторое структурное образование, отдельные части которого находятся в иерархической соподчиненности, что подразумевает усложнение конструкции последовательным объединением более простых конструктивно законченных единиц (отдельных дискретных элементов, интегральных микросхем, модулей) в более сложные. Если по уровням функциональной сложности РЭА можно разделить на радиотехническую систему или комплекс, радиоустройство, блок, субблок или функциональный узел, то такое деление возможно и по ее конструктивным уровням. По сложности уровня компоновки конструкции подразделяют на: • системы; • многоблочные монтажные устройства (стойки, шкафы, стеллажи, рамы); • блоки; • функциональные ячейки; • элементный базис. Таким образом можно говорить о существовании пяти структурных уровней компоновки: нулевой; I, II, III, IV. Самый низкий структурный уровень – нулевой называют элементным базисом РЭА. Элементный базис РЭА составляют все конструктивно неделимые радиоэлементы общего применения: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, линии задержки, полупроводниковые и электронные приборы, интегральные микросхемы (ИМС) и компоненты и т.д. Одни элементы нулевого уровня, чтобы иметь какой-либо функциональный признак, объединяют в схемные сочетания (резисторы, конденсаторы и т.п.), а другие (например, интегральные схемы) уже имеют функциональный признак. I структурный уровень – функциональная структурная ячейка (ФЯ), на общем несущем основании которой компонуются элементы нулевого уровня и элементы коммутации и контроля. В качестве несущих оснований функциональных ячеек чаще всего применяются печатные платы, металлические рамки и листы. Названием функциональная ячейка заменены названия I уровня конструкции – модуль, субблок и т.д. ФЯ, как правило, является функционально и конструктивно завершенной сборочной единицей: у нее есть свои выходы, присоединительные и кодовые элементы, маркировочная планка, контрольные гнезда и т.д. В общем случае ФЯ состоит из одной платы, но при необходимости может иметь две. II структурный уровень – это блоки, компоновка которых осуществляется путем сборки ФЯ в пакеты и корпусирование пакетов в блоки. Название блок заменяет существующие названия II структурного уровня – прибор, контейнер и др. В блоке содержится от одного до десятков ФЯ, он обязательно является конструктивно и функционально законченным изделием со всей текстовой документацией. III структурный уровень составляют монтажные устройства, в которых блоки компонуются в общем несущем основании. Таким основанием для бортовой РЭА может служить общая амортизационная рама или стеллаж, для стационарной – шкафы, стойки и пульты. В соответствии с компоновкой монтажное устройство может иметь несколько частных названий – индивидуальная или групповая рамы, стеллаж (открытый со всех сторон шкаф), стойки (когда есть двери и своя лицевая панель), пульт и др. Монтажное устройство имеет полное функциональное и конструктивное завершение и служит для электрического объединения нескольких блоков и для сопряжения их с несколькими носителями. При этом конструктивно, как правило, два размера монтажного устройства – глубина и высота – остаются постоянными. IV структурный уровень составляет система, которая служит для объединения ряда монтажных устройств на объекте. Монтажные устройства могут быть разбросаны по разным помещениям или отсекам и к тому же конструктивно бывают различными: пульт, стойка, рама, прибор. Элементный базис в РЭА значительно изменился. Сначала элементный базис составляли только дискретные схемные элементы, в том числе электронные лампы, на смену которым пришли полупроводниковые приборы. Затем появились полупроводниковые и гибридные ИМС. Интегральная микросхема является неделимой конструктивной единицей, изготовленной групповыми технологическими методами, и, как правило, представляет собой не только конструктивно, но и функционально законченный узел. Поэтому в данном случае в элементный базис оказались заложенными функциональные признаки, в то время как до появления ИМС эти признаки формировались в первом структурном уровне при объединении дискретных элементов в схемные сочетания. Например, для конструктивного выполнения схемы триггера транзисторы, резисторы и конденсаторы надо расположить на общем основании и выполнить электрический монтаж схемы. В таком исполнении триггер конструктивно представляет собой первый структурный уровень конструкции. Но если в качестве нулевого структурного уровня использовать ИМС, представляющую собой триггер, то в первый структурный уровень войдет более сложное устройство и количество структурных уровней в конструкции уменьшится. С появлением ИМС элементный базис стали характеризовать степенью интеграции. При этом различают элементную и функциональную интеграцию. Под элементной понимают такое объединение дискретных компонентов в одном твердом теле, при котором каждому элементу соответствует определенный объем твердого тела, а под функциональной – объединение схемных функций элементов, при котором невозможно выделить тот или иной объем твердого тела, выполняющий функции какого-либо элемента. Под степенью интеграции К понимают десятичный логарифм количества элементов N, объединенных на одном основании: К = lgN В ГОСТ 17021 – 75 различают ИМС по степени интеграции : 1-я – до 10 элементов, 2-я – от 10 до 100 элементов, 3-я – от 100 до 1000 элементов, 4-я – свыше 1000 элементов, 5-я – свыше 10000 элементов. Микросхемы 1 – 5 степени интеграции также соответственно называют: ИМС малого уровня интеграции (МИС) – для 1-й степени интеграции; ИМС среднего уровня интеграции (СИС) – для 2-й и 3-й степени интеграции, большие интегральные схемы (БИС) – для 3-й и 4-й степени интеграции, сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – для 5-й степени интеграции. Если элементный базис составляют конструктивно неделимые элементы, то остальные структурные уровни в конструкции всегда являются сборными, к ним относятся функциональные узлы, блоки, шкафы, рамы. Деление конструкции на структурные уровни позволяет: • снизить брак в производстве за счет увеличения степени интеграции неделимых узлов; • организовать параллельное изготовление различных узлов, что сокращает производственный цикл изделия и облегчает организацию контроля в процессе производства; • обеспечить ремонтопригодность при эксплуатации. За период развития РЭА произошла смена трех поколений. Основными отличительными признаками поколения РЭА считаются элементный базис и метод конструирования: в первом поколении – электронная лампа, крупногабаритные навесные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и блочный метод конструирования; во втором – транзистор, миниатюрные ЭРЭ и модульный метод конструирования; в третьем – ИМС с небольшой степенью интеграции и функционально-узловой метод конструирования; в четвертом – БИС, СБИС, функциональные компоненты и функционально-узловой метод конструирования с применением микросборок (МСБ). Аппаратура третьего поколения выполняется на основе корпусированных полупроводниковых и гибридных ИМС малой и средней степени интеграции, миниатюрных ЭРЭ и многослойных печатных плат, что позволяет уменьшить массогабаритные характеристики аппаратуры и существенно повысить ее надежность. Аппаратура четвертого поколения в составе элементного базиса содержит БИС, СБИС, а также большие гибридные интегральные схемы (БГИС). По функциональной сложности БИС и БГИС могут соответствовать блоку в аппаратуре первого или второго поколения. Кроме того аппаратура четвертого поколения в составе элементного базиса содержит микросборки. Аппаратура четвертого поколения выполняется с большой долей отказа от дискретных элементов на основе многослойных печатных и керамических плат, гибких печатных шлейфов. 4.4. Критерии качества компоновки и конструкции Основными компоновочными параметрами обычно считают объем, площадь и массу аппаратуры. Для опре­деления качества компоновки необходимо рассматривать компоновочные параметры, пользуясь которыми можно оценивать как качество компоновки аппаратуры в це­лом, так и отдельных конструктивных частей. Качество компоновки тесно связано с качеством конструкции, но качество конструкции – понятие более широкое. Под качеством конструкции понимается совокупность технических, функциональных и экономических показа­телей, определяющих степень пригодности конструкции по заданному назначению. Качество конструкции харак­теризуется еще рядом дополнительных показателей, та­ких, как величина потребляемой мощности, собственная резонансная частота конструкции, степень герметично­сти конструкции, вероятность безотказной работы. С ус­ложнением аппаратуры, изменением ее элементного ба­зиса менялись и критерии оценки качества компоновки и конструкции. Новые качества элементной базы использо­вались для уменьшения числа соединений устройств, уменьшения объема и массы устройства в целом. Для аппаратуры первых поколений сложность устройства ха­рактеризовалась количеством активных дискретных эле­ментов. С переходом на микроэлектронную элементную базу показателем сложности стала степень интеграции. На этапе развития микроминиатюризации удобно было использовать коэффициент миниатюризации Км, характе­ризующий долю узлов в миниатюрном исполнении: где N1 – общее число элементов; N2 – число элементов в составе микросхем. Основными компоновочными параметрами пользуют­ся для оценки качества компоновки РЭА одного назна­чения и принципа действия, а также для сравнения различных вариантов компоновки одного и того же устрой­ства. Объем устройства: где Vn – общий объем всех электрорадиоэлементов; Vм – объем всех соединений (монтажа); Vнк– объем несущей конструкции, обеспечивающий прочность и ее за­щиту. Если несущая конструкция не обеспе­чивает отвод теплоты, то к Vнк добавляется объем теплоотводящего устройства. Расчет по приведенной формуле дает возможность судить о соотношениях полезного объема (Vn) и объемов, зависящих непосредственно от правильного выбора типа конструкции и компоновки (Vм и Vнк ). Можно отдельно оценить потери объема на несущие элементы конструкции с помощью коэффициен­та дезинтеграции: q=V/VN. Коэффициент дезинтеграции показывает эффективность использования элементной базы в конструкции. Чем меньше коэффициент дезинтег­рации, тем выше качество компоновки. Показателем, характеризующим использование объе­ма устройства или его площади (например, для печатной платы или пленочной микросхемы), может служить и плотность упаковки электрорадиоэлементов или компо­нентов (N) в заданном объеме устройства (V): где λv – плотность упаковки в объеме, ед/см3, или на заданной площади (S): Под компонентами устройства понимаются неразъем­ные функционально и конструктивно законченные сбо­рочные единицы, соответствующие определенной для них технологии (например, корпусированные интегральные микросхемы, микросборки и т. п.). Значения этих пока­зателей непосредственно зависят от выбранной схемы компоновки, от используемой элементной базы, техноло­гических возможностей производства и категории аппа­ратуры и технико-экономических требований к ней. Важным параметром компоновки является масса устройства, зависящая от объема этого устройства и удельной массы m=Vmy Значение удельной массы узла или блока определяет­ся удельными массами компонентов, несущих конструк­ций, элементов соединений, теплоотводов и т. д. Удель­ная масса во многом зависит от соотношения массы ком­понентов и остальных элементов конструкции. Стремле­ние уменьшить массу несущих конструкций, корпуса, теплоотводов ограничивается требованиями обеспечения тепловых режимов, прочности и жесткости конструкции, технологией изготовления. При оценке объема и массы конструкций необходимо учитывать, что для ряда категорий аппаратуры (напри­мер, бортовой) эти показатели имеют одностороннее ограничение, т. е. объем и масса конструкции всегда долж­ны быть меньше (или равны) объема и массы по техни­ческому заданию. При разработке конструкции и компоновки часто ис­пользуется коэффициент плотности K = m/V (кг/дм3) Коэффициент плотности хорошо оценивает правиль­ность выбора типа конструкции и компоновки, т.к. учитывает два основных параметра качества компонов­ки: объем и массу конструкции. Для оценки качества компоновки определенных структурных уровней конструкции рассчитывают плотность заполнения конструкции высшего структурного уровня конструктивными единица­ми низшего структурного уровня. Например, для блока, состоящего из отдельных узлов, плотность заполнения: где V1 и V2 – объем узлов и блока. Количественные показатели качества компоновки да­ют возможность выбрать оптимальный вариант конст­рукции и судить о развитии техники компоновки. 5. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ И УЗЛЫ. 5.1. Основные понятия. Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повы­шает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу. Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник – участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводни­ка является то, что его ширина значительно больше толщины. Система печатных проводников, обеспечивающая возможность элект­рического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных про­водников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с на­несенным на него печатным монтажом образует печатную плату. Иногда непосредственно на печатной плате, используя технологи­ческие процессы нанесения токопроводящего или изоляционного покры­тия, получают отдельные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) – катушки индуктивности, контакты разъемов и переключателей и др. Такие элементы также называются печатными. Система печатных проводников и электрорадиоэлементов, нанесен­ных на изоляционное основание, образует печатную cxeму. По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные и многослойные. Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП). Многослойная печатная плата (МПП) состоит из нескольких печат­ных слоев, изолированных склеивающими прокладками. Многослойные печатные платы имеют соединения между проводни­ками, расположенными в различных слоях или открытый доступ к от­дельным участкам про водников внутренних слоев для припайки к ним ЭРЭ. Процесс изготовления изоляционной платы с печатным монтажом состоит из двух основных операций: а) создание изображения печатных проводников (копированием изоб­ражения с негатива на светочувствительный слой, печатанием изобра­жения защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсет­ной формы); б) создание токопроводящего слоя на изоляционном основании. Широкое распространение получили три способа создания токопро­водящего слоя: а) химический, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик; б) электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1-2 мкм, наращиваемый затем гальваническим способом до нужной толщины. При электрохимичес­ком способе одновременно с проводниками металлизируют стенки от­верстий, которые можно использовать как перемычки для соединения про­водников, расположенных на разных cтоpoнax платы; в) комбuнuрованный метод, сущность которого состоит в сочетании химического и электрохимического методов. При использовании комби­нированного метода проводники получают травлением фольги, а ме­таллизированные отверстия - электрохимическим методом. Чтобы к печатному проводнику можно было припаять объемный про­водник или вывод навесного ЭРЭ, на проводнике делают контактную площадку в виде участка с увеличенной шириной (рис. 5.1). Рис. 5.1. Печатные проводники и контактные площадки для пайки выводов электрорадиоэлементов (а - в): 1 – печатный проводник; 2 - контактная площадка для элементов со штыревыми выводами; 3 - контактные площадки для элементов с пла­нapными выводамн; 4 - ключ у площадки, к которой будет припаиваться вывод .№1 микросхемы; 5 - линии координатной сетки В зоне контактной площадки может находиться монтажное отверстие, в которое будет вставляться объемный проводник или вывод ЭРЭ. При наличии отверстия контактная площадка окружаeт его со всех сторон. Монтажное отверстие может иметь металлизированные стенки. В последнем случае металл, нанесенный на цилиндрическую поверхность отверстия, должен быть соединен с контактной площадкой по всему пе­риметру отверстия. При установке объемных проводников и выводов элементов в метал­лизированное монтажное отверстие обеспечивается наиболее надежный паяный электрический контакт. Как видно из рис.5.2, в этом случае припой затекает в отверстие и контактирует не только с выступающей частью вывода и контактной площадкой, но и со стенкой отверстия и той частью вывода, которая расположена в нем. Рис.5.2. Пайка проводников в Рис.5.3. Пересечение печатных проводников металлизированном отверстии. на двусторонней печатной плате. Металлизированное отверстие может быть использовано также и для электрического соединения двух проводников, находящихся на раз­ных сторонах изоляционного основания (рис.5.3) двусторонней печат­ной платы и для соединения двух или более проводников, расположенн­ых на разных слоях многослойной платы. Для изготовления печатных плат наиболее широко используют ком­бинированный и химический методы. Химический метод обеспечивает большую производительность, но позволяет получить печатный монтаж, распо­ложенный только на одной стороне печатной платы. При этом не может быть получена высокая плотность монтажа. Кроме того, как было пока­зано, он не может обеспечить такую же высокую надежность пайки, ка­кую дают платы с металлизированными отверстиями, изготовленные комбинированным методом. Поэтому химический метод используют для получения односторонних печатных плат бытовой аппаратуры. Ком­бинированный метод используют для получения одно- и двусторонних печатных плат в аппаратуре, к которой предъявляют более жесткие тре­бования по надежности. 5.2. Электрические параметры печатных плат. Большая поверхность и хороший тепловой контакт с изоляционным основанием обеспечивает интенсивную отдачу теплоты от печатного проводника изоляционной плате и в окружающее пространство, что позволяет пропускать через печатные проводники значительно большие токи, чем через объёмные того же сечения. Для печатных проводников, расположенных на наружных слоях, допускается плотность тока до 20А/мм2, а для расположенных на внутренних слоях МПП – 15А/мм2. Для печатных плат, используемых в бытовой аппаратуре, допускается плотность тока до 30А/мм2. При этом заметного нагрева проводников не наблюдается. Допустимое рабочее напряжение между двумя расположенными рядом печатными проводниками зависит от величины минимального зазора между ними. Для плат, покрытых после изготовления влагозащитным лаком, значение рабочего напряжения можно выбрать из таблицы 5.1. Таблица 5.1. Допустимое напряжение между проводниками и печатной платой. Зазор между проводника-ми l, мм 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 2,5 Допустимое рабочее нап-ряжение U, В 50 75 100 125 150 175 250 500 Для МПП значение напряжения U не должно превышать 250В. Значение сопротивления печатных проводников можно рассчитать по формуле: R = ρl /S (5.1) где l – длина проводника, мм; S = b×h – сечение проводника, мм2; ρ – удельное объёмное электрическое сопротивление проводника, Ом ·мм2/м; R – сопротивление проводника, Ом. При этом следует учитывать, что слой меди, полученный электролитическим осаждением, имеет менее плотную структуру, чем проводник, полученный травлением фольги. Поэтому для проводников, изготовленных химическим методом, нужно в формулу подставлять ρ = 0,0175 Ом ·мм2/м. Для проводников полученных электрохимическим методом, следует принимать ρ = 0,0235 Ом ·мм2/м. При комбинированном методе удельное сопротивление проводника определяется как участками из фольги, так и участками полученными электрохимическим методом, и ρ = 0,02 Ом ·мм2/м. Между двумя параллельно расположенными проводниками могут появиться гальванические связи за счёт утечек по изоляции, а также емкостные. Значение ёмкости между печатными проводниками можно вычислить по формуле: С = К l ε (5.2) где С – емкость, пФ; К – коэффициент, который зависит от ширины проводников и их взаимного расположения. Значение К для встречающихся в практике случаев приведены на рис.5.; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между проводниками; l – длина взаимного перекрытия проводников, см. Рис. 5.4. Зависимость коэффициента пропорциональности К от параметров печатной платы: d – расстояние между печатными проводниками; b1 и b 2 – ширина печатных проводников При расположении проводников, которому соответствуют характеристики 1 и 2 (рис.5.4), линии электрического поля проходят частично через воздух, а частично через изоляционную плату. Поэтому в формулу (5.2) следует подставлять среднеарифметическое значение относительной диэлектрической проницаемости воздуха и изоляционной платы, которое можно определить по формуле: ε = (1+ εД )/2 (5.3) где εД – относительная диэлектрическая проницаемость изоляционной платы, на которой расположены печатные проводники. Для взаимного расположения проводников, соответствующего графикам 3 и 4 (рис.5.4) следует подставлять εD. Ёмкость, а также гальванические связи между двумя параллельными проводниками, расположенными на одной стороне печатной платы, можно уменьшить, если разместить между ними заземлённый экран в виде такого же проводника. Значение индуктивности прямого печатного проводника зависит от его длины, ширины и толщины. Для проводников толщиной 50 мкм величину погонной индуктивности Lпог можно определить по графику (рис.5.5). Рис.5.5. зависимость погонной индуктивности печатного проводника от его ширины (толщина проводника 50 мкм). Между двумя параллельно расположенными проводниками кроме ёмкостной существует индуктивная взаимосвязь. Рис. 5.6. Расположение проводников на печатной плате а – без экранирующей плоскости; б – с экранирующей плоскостью. Для расположения проводников, показанных на рис. 5.6 а, значение взаимоиндукции можно определить по формуле: М = 2 l ( ln 2l / D – 1 ) (5.4) где М – значение взаимоиндукции, Гн; l – длина проводника, см; D – расстояние между проводниками, см. Для взаимного расположения указанного на рис. 5.6, б, М = 2 l ( ln 2d / D + D/ l ) (5.5 ) Где d – толщина диэлектрика печатной платы, см. 5.3. Материалы для изготовления печатных плат. Для изготовления печатных плат химическим и комбинированным мето­дами необходимо иметь листовой материал в виде изоляционного осно­вания с приклеенной к нему металлической фольгой. В зависимости от назначения печатной платы в качестве изоляционного основания исполь­зуют в основном гетинакс и стеклотекстолит различной толщины. Фоль­гу делают из меди, так как она обладает хорошими проводящими свойст­вами. Для многослойных печатных плат кроме фольгированного мате­риала применяют изоляционные прокладки из стеклоткани и медную фольгу. Номенклатура наиболее широко применяемых материалов при­ведена в табл.5.2. Фольгированный материал может быть односторонним (например, СФ-I-35) или двусторонним (например, СФ-2-35). В последнем случае фольгу наносят на две стороны изоляционного основания. Такие мате­риалы используют для изготовления двусторонних печатных плат. Фоль­гированный гетинакс (ГФ) уступает остальным материалам как по физико-механическим, так и по электрическим свойствам. В таблице 5.2 при­ведены некоторые параметры, характеризующие свойства этих материа­лов. Таблица 5.2. Фольгированные материалы и прокладки для печатных плат. Наименование Марка ТИП печатной платы Метод изготовления. Фольгированный гетинакс ГФ-l-35, Химический Ф-2-35, ГФ-I-50, ОПП и ДПП ГФ-2-50, Фольгированный стеклотекстолит СФ-l-35, Комбинированный позитивный СФ-2-35, СФ-I-50, СФ-2-50, СФ-1Н-50, СФ-2Н-50, СФ-l-35Г, СФ-2-35Г, СФ-I-50Г, СФ-2-50Г, СФ-1Н-50Г, СФ-2Н-50Г, Фольгированный стеклотекстолит СФПН-I-50, ОПП и ДПП Комбинированный по позитивный повышенной нагревостойкости СФПН-2-50 с повышенной нагревостойкостью Стеклотекстолит СТЭФ-I-2лк ДПП Электрохимический Фольгированный диэлектрик Слофадит для полуаддитивной технологии Фольгированный тонкий диэлектрик ФДМ-2 ГПП Комбинированный позитивный Теплостойкий фольгированый СТФ-l, ДПП, ГПП, МПП Комбинирован позитивный, стеклотекстолит СТФ-2 Металлизация сквозных отверстий Фольгированный травящийся ФТС-l, МПП и ГПП Металлизация стеклотекстолит ФТС-2 сквозных отверстий Прокладочная стеклоткань СПТ-3 МПП Фольгированный гетинакс рекомендуется использовать для аппара­туры, работающей при нормальной влажности окружающего воздуха, например для бытовой аппаратуры. Стеклотекстолит фольгированный марок СФ-IН и СФ-IIН обладает повышенной нагревостойкостью и может работать при температуре 180°С не более 100час. Фольгированный материал типа ФДМ-2 также имеет в качестве изоляционного основания стеклотекстолит и отличается от материала марок СФ-I и СФ-2 в основ­ном толщиной. Основным отличием материалов марок ФТС и СПТ-3 является то, что изоляционный слой может быть вытравлен с помощью специаль­ных химических веществ, что необходимо для изготовления отдельных типов многослойных печатных плат. Толщину изоляционного основания выбирают, исходя из требова­ний к механической жесткости готовой печатной платы и ее размеров. Материалы с большой толщиной фольги позволяют пропускать по про­водникам большие токи при той же ширине проводника. 5.4. Особенности конструкции печатных плат и элементов печатного монтажа. Печатные платы в зависимости от минимальной ширины печатных про­водников и минимального зазора между ними делят на три класса. К классу 1 относят платы с пониженной плотностью монтажа, у которых ширина проводников и зазор между ними должны быть не менее 0,5 мм. К классу 2 относятся платы с повышенной плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазоры не менее 0,25 мм. К классу 3 относятся платы с высокой плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазоры до 0,15 мм. Платы этого класса следует применять только в отдельных, тех­нически обоснованных случаях. Плотность монтажа по классу 2 следует применять только на платах с размерами до 240 ×240 мм, по классу 3 - с размерами до 170 ×170 мм. Чертежи печатных плат выполняют на бумаге, имеющей координат­ную сетку, нанесенную с определенным шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печат­ного проводника. При этом по сетке можно воспроизвести рисунок пе­чатной платы при изготовлении фотооригиналов, с которых будут изго­товлять шаблоны (например, фотонегативы) для нанесения рисунка пла­ты на заготовку. Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2,5 или 1,25 мм. Шаг 1,25 мм применяют в том случае, если на плату устанавливают много­выводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм. Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние меж­ду которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавли­ваемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле ко­ординатной сетки, а центр отверстия под другой вывод – на вертикаль­ной или горизонтальной линиях координатной сетки. Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной уста­новки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0,8 мм диаметр неметаллизированного отверстия делают на 0,2 мм больше диаметра вы­вода; при диаметре вывода более 0,8 мм - на 0,3 мм больше. Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Связано это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диа­метра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получится неравномерной, а при большом отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться непокрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее половины толщины платы. Чтобы обеспечить надежное соединение металлизированного отвер­стия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий (см. рис. 5.3) рекомен­дуется делать в виде кольца. Диаметр контактной площадки можно опре­делить по формуле: dк = d + 2b + с, (5.6) где d - диаметр отверстия; b - необходимая минимальная радиаль­ная толщина контактной площадки; с - коэффициент, учитывающий влияние разброса межцентрового расстояния, смещение фольги в разных слоях и ряд других факторов.­ Для плат класса 1 величину b берут равной 0,3 мм; для плат класса 2­ – 0,15 мм. Для многослойных и сложных плат классов 2 и 3 устанавливают до­пуск на межцентровое расстояние, равный ± 0,1 мм. В этом случае коэф­фициент с выбирают равным 0,4 – 0,5 мм. Для плат класса 1 допуск на межцентровое расстояние берут ± 0,2 мм и с = 0,6÷ 0,7 мм. У плат, предназначенных для автома­тизированной сборки, расстояние между центрами отверстий выполняют с допус­ком ± 0,05 мм, а номинальный диаметр отверстия берут на 0,4 мм больше диа­метра вывода; допуск на диаметр отвер­стия берут по Н13. Для неметаллизированных отверстий и торцов плат шероховатость поверхности делают такой, чтобы параметр шероховатости Rz­<80. У металлизированных от­верстий и торцов шероховатость должна быть лучше: Rz­<40 Отверстия на плате нужно располагать таким образом, чтобы рас­стояние между краями отверстий было не меньше толщины платы. В противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь до­статочной механической прочности. Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы от планарных корпусов, рекомендуется делать прямоугольными. Чтобы при установке ИМС не было ошибок, на контактной площадке, к кото­рой будет припаиваться вывод №1 ИМС, делают ключ в виде «усика», как показано на рис. 5.1, в. Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки. Проводники на всем их протяжении должны иметь одинаковую ши­рину. Если один или несколько проводников проходят через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длина участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной. Следует иметь в виду, что узкие проводники (шириной 0,3 – 0,4 мм) могут отслаиваться от изоляционного основания при незначительных нагрузках. Если такие проводники имеют большую длину, то следует увеличивать прочность сцепления проводника с основанием, распола­гая через каждые 25 – 30 мм по длине проводника металлизированные отверстия или местные уширения типа контактной площадки с размерами 1× 1 мм или более. Если проводник проходит в узком месте между двумя отверстиями, то нужно прокладывать его так, чтобы он был перпендикулярен линии, соединяющей центры отверстий (рис.5.7). При этом можно обеспечить максимальную ширину проводников и максимальное расстояние меж­ду ними. Рис. 5.7. К расчету возможности прокладки печатных проводников в узком месте. Возможность прокладки в узком месте требуемого количества про­водников (рис. 5.7) следует проверять по следующей формуле: l ≥ (d1 + d2) /2 + 2δ0 + t п + δ (п - 1) + 2b + kn + с, (5.7) где п - число проводников; d1, d2, δ0 , δ, t, b - показаны на рис. 5.7. Слагаемые (d1 + d2)/2 + 2δ0 + t п + δ (п - 1) + 2b учитывают только но­минальные размеры отверстий, контактных площадок, проводников и расстояний между ними, показанные на рис.5.7. Так как ширина про­водника в процессе изготовления имеет разброс и может быть больше номинального значения на k, то в формулу (5.7) введено слагаемое kn (k зависит от класса платы и способа изготовления: k = 0,1 ÷ 0,2 мм). Слагаемое с учитывает изменения диаметров отверстий, контактных площадок, межцентровых расстояний и смещение слоев многослойных плат (с лежит в пределах от 0,1 до 0,7 мм). Значение слагаемого с зависит от выбранного допуска на межцентровые расстояния (± 0,1 или ± 0,2 мм), класса печатной платы и способа изготовления (химический, комбини­рованный, металлизация сквозных отверстий и т. д.). Расстояния δ и δ0 имеют значения 0,3 – 0,6 мм в зависимости от класса печатной платы. Если отверстия имеют зенковку, то в формулу (5.7) вместо диамет­ров отверстий d1 и d2 подставляют диаметры соответствующих зенко­вок. Если отверстия не имеют контактных площадок, то в формуле (5.7) опускают слагаемое 2b. Если при этом отверстия не металлизированы и не имеют зенковки, то слагаемое 2δ0 заменяют слагаемым 2а, где а - толщина платы. Рис. 5.8. Вырезы в печатных экранах. Экраны и проводники шириной более 5 мм следует выполнять с вы­резами. Связано это с тем, что при нагреве плат в процессе пайки из изо­ляционного основания могут выделяться газы. Если проводник или экран имеют большую ширину, то газы, не находя выхода, могут вспучивать фольгу. Форма вырезов может быть произвольной. Примеры выпол­нения вырезов на экранах показаны на рис. 5.8. Если отверстие электри­чески связано с экраном, то вокруг него делают секторные вырезы на расстоянии 1,0 –1,5 мм от кромки отверстия или от зенковки. Если от­верстие электрически не связано с экраном, то вокруг отверстия нужно сделать кольцевой вырез на расстоянии 1,0 – 1,5 мм от кромки или от зенковки (рис. 5.8). 5.5. Типы печатных плат. Методы изготовления печатных плат. Печатные платы в настоящее время получили самое широкое распространение. Их применение обеспечивает идентичность электрических параметров – от образца к образцу, замену значительной части ручных монтажных операций машинными, допускающими использование полуавтоматических и автоматических установок, поточных линий и автоматизированных средств контроля, что делает их экономически и технически целесообразными. С точки зрения конструктивных преимуществ, применение печатных плат позволяет улучшить такие параметры, как масса и плотность монтажа. В настоящее время выпускается несколько типов печатных плат, имеющих различные конструктивные особенности: односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные печатные платы (МПП), гибкие печатные платы (ГПП), гибко-жёсткие печатные платы (ГЖПП), гибкие печатные кабели (ГПК) и шлейфы (ГПШ). Они имеют достаточно сходные прогрессивные технологические процессы изготовления, за исключением печатных плат для узлов СВЧ. Технологические методы изготовления печатных плат, а их разработано более 20, базируются на двух направлениях получения проводящего материала платы: • субтрактивный, вычитание или избирательное удаление проводящего материала на фольгированном диэлектрике; • аддитивный, прибавление или избирательное нанесение проводящего материала на чистый диэлектрик. В соответствии с этим для изготовления ОПП и ДПП наиболее широкое распространение получили три метода изготовления печатных плат: • химический; • электрохимический или полуаддитивный; • комбинированный позитивный. Химический негативный метод широко применяется не только в производстве ОПП, но и для изготовления внутренних слоёв МПП, а также ГПК, ГПШ и т.д. Основным преимуществом химического метода является простота и малая длительность технологического цикла, что облегчает автоматизацию, а недостатком – отсутствие металлизированных соединений между сторонами платы (рис.5.9). Рис.5.9. Последовательность основных операций изготовления печатных плат химическим негативным методом. а – заготовка платы из фольгированного диэлектрика; б – нанесение резистивного печатного рисунка; в– травление печатного рисунка; г – удаление резиста; д – механическая обработка монтажных отверстий; е – нанесение лаковой маски; ж – облуживание контактных площадок; з – пайка выводов радиоэлементов. Электрохимический, или полуаддитивный, метод дороже, требует большого количества специализированного технического оборудования, менее надёжен, но необходим для ДПП с повышенной плотностью монтажа. Комбинированный позитивный метод основан на химическом и электрохимическом методах и является основным при изготовлении двусторонних печатных плат (рис.5.10). Рис.5.10. Последовательность основных операций изготовления печатных плат комбинированным позитивным методом. а – заготовка печатной платы из фольгированного диэлектрика; б – нанесение резистивного печатного рисунка; в – нанесение лаковой рубашки; г – сверление монтажных и переходных отверстий; д – химическое меднение; е – удаление лаковой рубашки; ж – гальваническое меднение; з – нанесение защитного покрытия; и – удаление резиста; к – травление печатного рисунка; л – пайка выводов радиоэлементов и лакировка платы. 5.6. Многослойные печатные платы (МПII). Многослойные печатные платы являются дальнейшим развитием техники печатного монтажа. Их применение позволяет увеличить плотность монтажа, особенно при использовании современных интегральных микроcxeм, и сократить длину соединительных проводников. В ряде случаев вообще не удается реализовать схему при использо­вании двустороннего печатного монтажа. Так, при использовании быст­родействующих логических схем, обеспечивающих импульсы с фрон­тами порядка единиц наносекунд, нужно между микросхемами иметь короткие соединительныe проводники с малым значением емкости на корпус, так как при большом значении емкости окажется невозможным создать устройство с требуемым быстродействием. В таких случаях схе­му можно построить только с использованием многослойной печатной платы, обеспечивающей минимальную длину соединительных проводников. Однако МПП обладают по сравнению с одно- и двусторонними пе­чатными платами и рядом недостатков. К их числу относятся: • боль­шая трудоемкость проектирования; • необходимость выполнять обработку с более жесткими допусками; • более длительный технологический цикл и более сложный технологический процесс; • большая трудоемкость контрольных операций на всех этапах изготовления; • низкая ремонтоспособность МПП. Следствием всего этого является высокая стоимость МПП. Поэтому применять их следует только в аппаратуре, к которой предъ­являются жесткие требования по массам и габаритам, когда применение МПП дает существенный выигрыш, или в тех случаях, когда высокое быстродействие микросхем или жесткие требования к экранированию не позволяют осуществить схему на одно- и двусторонних платах. Любая МПП состоит из нескольких печатных слоев, спрессованных с использованием склеивающих прокладок. Каждый печатный слой – это печатный монтаж, находящийся на изоляционном основании и расположенный в одной плоскости. Существует несколько методов выполнения МПП, которые можно разбить на две основные группы. К первой группе относят методы: • металлизации сквозных отверстий; • попарного прессования; • послойного наращивания. Характерной осо­бенностью этих трех методов является то, что они позволяют получить платы с электрически соединенными проводниками, расположенными в разных слоях. Ко второй группе относят методы: • открытых контактных площадок; • выступающих выводов. Особенностью плат, полученных этими мето­дами, является то, что проводники, расположенные на разных слоях, не имеют электрического соединения до установки на плату элементов. Рассмотрим конструктивныe особенности плат, получаемых каждым из этих методов. Метод попарного прессования (рис.5.11). При этом методе используется двусторонний фольгированный диэлектрик. Для получения каж­дой платы необходимо иметь две заготовки 6 и 9, на каждой из которых комбинированным мето­дом получают печатные провод­ники 2 и 3, расположенные на одной стороне каждой заготовки, и металлизированные отверстия 5 и 10, соединяющие их в требуе­мых местах с монолитной фольгой, расположенной на другой стороне платы. Затем эти две заготовки спрессовывают печатными проводниками внутрь, изолировав их Рис.5.11. МПП, полученная методом попарного прессования склеивающими прокладками 7 и 8. Суммарная толщина склеиваю­щих прокладок должна быть не менее двух толщин фольги, распо­ложенной на внутренних слоях (это требование относится ко всем рассматриваемым дальше способам). Полученная таким образом промежуточная заготовка имеет по обе стороны монолитную фольгу, в которой сделаны металлизированные отверстия, соединяющие эту фольгу с печатными проводниками, расположенными на ближайшем к ней внутреннем слое. После этого на заготовке комбинированным способом выполняют печатные проводники 1 и 4, расположенные на наружных слоях, и металлизированные отверстия 11, которые соеди­няют эти проводники. В тех местах, где проходят указанные отверс­тия, не должно быть печатных проводников, расположенных на внут­ренних слоях. Каждое металлизированное отверстие на любом слое должно иметь контактную площадку. Характерной особенностью этого метода является то, что все межслойные соединения выполнены с помощью металлизированных отверстий, аналогичных тем, которые исполь­зовались в двусторонних печатных платах. К числу недостатков метода относится то, что он позволяет получить только четырехслойные печатные платы, а в ряде случаев требуется иметь платы с большим числом слоев. Система межслойных соединений в таких платах оказывается строго регламентированной: можно получить непосредственные соединения только между слоями 1 и 2; 3 и 4; 1 и 4. Как видно из рис. 5.11, соедине­ния между слоями 2 и 3 можно выполнить с помощью проводников, расположенных на слоях 1 и 4. Аналогично для соединения слоев 1 и 3 требуется промежуточный проводник на слое 4. Таким образом, наруж­ные слои имеют проводники и отверстия с контактными площадками, используемые только для межслойных соединений, что исключает воз­можность получения достаточно плотного монтажа. Межслойные соединения, полученные с использованием металлизи­рованных отверстий, имеющих контактные площадки, обеспечивают высокую надежность таких соединений. К числу преимуществ этого метода относится также его сравнительная простота. Метод металлизации сквозных отверстий (рис. 5.12). При использовании этого метода заготовки выполняют из фольгированного диэлектрика химическим способом без отверстий, а фольгу на наружных слоях оставляют монолитной. Рис. 5.12. МПП, полученная методом металлизации сквозных отверстий. В тех местах, где должны быть полу­чены межслойные соединения, проводники на соответствующих внутренних слоях делают с кон­тактными площадками, располо­женными одна над другой. На других слоях, не соединяемых с указанными, проводники не должны проходить под контакт­ными площадками. После прес­совки с изолирующими проклад­ками получают монолитную заготовку. На ее наружных слоях комбинированным методом делают пачатные проводники и металлизированные отверстия, которые элект­рически соединяют контактные площадки проводников расположен­ные в зоне этих отверстий. Диаметр контактной площадки на внутренних слоях должен быть не менее 1,5 мм, так как при меньшем диаметре трудно обеспечить совмеще­ние отверстия, которое сверлят в спрессованной плате, с площадкой. Проводники на наружных слоях рекомендуется выполнять по нормам класса 1. К числу недостатков метода металлизации сквозных отверстий отно­сится малый размер площади контакта между фольгой внутреннего слоя и металлизированной стенкой отверстия. Так как коэффициент линейного расширения металла и изоляционных материалов отличаются как минимум в несколько раз, то при изменении температуры это мо­жет приводить к разрыву соединения между фольгой, расположенной на печатном слое, и металлизированной стенкой отверстия. Для увеличения площади контакта слой целесообразно выполнять из фольги с повышен­ной толщиной (70-100 мкм), что повышает надежность плат, но не всег­да до требуемого значения. В ряде случаев прибегают к специальным технологическим приемам, например к подтравливанию диэлектрика. Для этого плату с просверленными отверстиями перед металлизацией обрабатывают в специальных химических веществах, которые растворяют изоляционные слои в отверстиях, не изменяя диаметра отверстий металлических контактных площадок. После такой обработки площадь контакта между фольгой и металлом отверстия увеличивается в 2­-3 раза. Иногда применяют платы, в которых кроме сквозных металлизиро­ванных отверстий имеются металлизированные отверстия на отдельных слоях. Эти отверстия могут иметь контактные площадки, обеспечивающие большую площадь соприкосновения металла отверстия с фольгой, что дает высокую надежность соединения. Такая конструкция обеспечивает уменьшение числа сквозных металлизированных отверстий и обеспе­чивает повышенную надежность платы. При выборе размеров для элементов печатного монтажа необходимо учитывать возможное не совмещение слоев, в результате чего, например, сквозное отверстие может оказаться смещенным относительно центра контактной площадки, через которую оно должно проходить. Совме­щение слоев достаточно сложная технологическая задача. Кроме того, что изображение на каждом слое должно быть выполнено с определен­ной точностью, не должно произойти сдвига слоев в процессе прессовки платы. Чтобы выполнить последнюю задачу, на всех слоях платы по пе­риферии (за пределами габаритов платы) делают технологические от­верстия с шагом порядка 10 см. Для плат с размерами 250 мм и более та­кие отверстия следует делать и в центре платы. При прессовке платы надевают на специальные фиксирующие штыри, которыe проходят через эти отверстия, что уменьшает взаимный сдвиг слоев. Пользуясъ таким способом, можно обеспечить совмещение слоев с погрешностью не более ±125 мкм в пределах всей поверхности платы. В качестве фиксирую­щих отверстий используют те отверстия, которыми плата будет крепиться в аппарате. Если таких отверстий недостаточно, то добавляют специаль­ные. При проектировании печатных плат следует обращать внимание на расстояние между стен­кой металлизированного отверстия и проводником (размер а на рис. 5.12). Если не предпринять специальных мер, то может произой­ти недопустимое уменьшение зазоров или замыкание проводника на стенку отверстия из-за погрешности межцентрового расстояния, смеще­ния слоев, увеличения отверстия при протравливании и др. Номиналь­ное значение указанного расстояния должно быть не менее 0,6 мм. Для исключения ошибок на чертежах слоев следует вокруг отверстий, не имеющих контактных площадок, изображать кольцевую зону и указывать: «эту зону проводниками не занимать». Диаметры отверс­тий следует выдерживать с высокой точностью. Если диаметр отверс­тия очень занижен, то это приведет к увеличению отношения толщины платы к диаметру, в результате чего гальваническое покрытие на стен­ках отверстий будет иметь малую толщину. Если диаметр отверстий очень завышен, то уменьшится расстояние между краем отверстия и проводниками. Обычно на диаметры отверстий устанавливают допуск ±0,10 мм. Слой меди на стенках металлизированных отверстий должен быть порядка 25 мкм. При меньшей толщине слоя в платах со сквоз­ными металлизированными отверстиями не будет достаточно надежного соединения контактных площадок со стенкой отверстия. Количество слоев (толщина) платы, полученной методом металлизации сквозных отверстий, ограничивается минимальным диаметром отверстия, имеюще­гося в плате. Если, например, на плату устанавливают элементы с диа­метром выводов 0,6 мм, то диаметр отверстия нужно взять равным 1 мм. При этом толщина платы должна быть не более 2 мм, так как в про­тивном случае трудно получить качественную металлизацию платы. Метод послойного наращивания (рис. 5.13). Платы, изготовленные этим методом, имеют печатные проводники, выполненные методом электрохимического осаждения меди. Межслойные соединения провод­ников осуществляют монолитными столбиками меди, осажденной в от­верстиях изоляционной прокладки. Рис. 5.13. МПП, полученная методом послойного наращивания. Для изготовления МПП методом послойного наращивания на мед­ную фольгу, которая на последних операциях станет первым наружным слоем печатных проводников, наклеивают изоляционную прокладку из стеклоткани, имеющую отверстия в тех местах, где проводники пер­вого (наружного) слоя должны соединяться с проводниками следующего слоя. В эти отверстия электрохимическим способом осаждают медь, а за­тем тем же способом на изоляционное основание наносят проводники второго слоя. На второй слой наклеивают перфорированную изоляцион­ную прокладку, и процесс повторяют до получения нужного числа слоев, после чего травлением фольги получают на наружном слое проводники и контактные площадки. Чтобы обеспечить надежный контакт между проводниками разных слоев, диаметр отверстия в изо­ляционной прокладке должен быть не менее 0,8 мм, а на каж­дом проводнике, контактирую­щем со столбиком меди, обязательно должна быть контактная площадка диаметром не менее 1,2 мм. Метод послойного наращивания не предусматривает получение на плате металлизированных отверстий. Поэтому к контактным площадкам, полученным на наружном слое, могут быть припаяны только элементы, смонтированные в кор­пусах с планарными выводами. К недостаткам метода относится и то, что процесс изготовления МПП не может быть разбит на технологические операции, которые можно производить параллельно: все операции можно производить последо­вательно. Поэтому технологический цикл изготовления платы полу­чается длительным. Следует напомнить, что медь, полученная гальваническим осажде­нием, имеет удельное сопротивление почти на 40% большее, чем у мед­ной фольги. Это следует учитывать при расчете плат, изготовляемых послойным наращиванием. Метод открытых контактных площадок (рис.5.14). Для изготовле­ния плат этим методом используют печатные слои из одностороннего фольгированного тонкого диэлектрика (ФДМ-1), на которых фотохими­ческим методом получают печатные проводники с контактными пло­щадками. Рис.5.14. МПП полученная методом открытых контактных площадок: 1 – окно; 2 – проводник. В каждом слое имеются окна, которые должны быть располо­жены над контактными площадками нижних слоев. Все слои прессуют вместе. Благодаря окнам в вышележащих слоях имеется доступ к кон­тактным площадкам, расположенным в любом слое. Через контактные площадки сверлят сквозные отверстия, в которые при монтаже платы вставляют выводы устанавливаемых на плате радиоэлементов. Поэ­тому проводники в слое не должны проходить в тех местах, над которы­ми в вышележащем слое расположены контактные площадки. Диаметр сквозного отверстия делают меньше диаметра контактной площадки, что необходимо для создания достаточной площади паяного контакта между выводом элемента и контактной площадкой проводни­ка. Однако эта мера не может обеспечить высокую надежность паяного соединения. Для повышения надежности пайки применяют металлизацию стенок отверстия. К числу недостатков плат, полученных этим ме­тодом, следует отнести отсутствие электрической связи между слоями. Этот недостаток можно устранить в отдельных случаях, устанавливая на плате проволочные перемычки. Процесс пайки МПП с открытыми контактными площадками практически не поддается механизации. Метод выступающих выводов (рис. 5.15). МПП, полученные этим методом, имеют сквозные окна, по размерам соизмеримые с габаритами устанавливаемых элементов, в которые выходят проводники из разных слоев. Рис.5.15. МПП, полученная методом выступающих выводов: 1 – вывод печатного проводника загнутый в окно; 2 –колодка; 3 – прижимная планка; 4 – окно. Эти проводники загибают на наружную поверхность платы и при­паивают к ним выводы элементов. Для изготовления плат используют заготовки из стеклоткани с пер­форированными окнами, на кото­рую наклеена медная фольга. После травления фольги полу­чают печатные проводники. Кон­цы проводников, к которым бу­дут припаивать выводы элемен­тов, должны выступать в окна. В разных слоях окна должны располагаться одно под другим. После прессовки заготовок с про­водниками получается печатная плата со сквозными окнами, в которые выходят выводы от раз­ных слоев. Эти выводы загибают на колодки, расположенные с наружной стороны платы. Закрепленные таким способом выводы от внутренних слоев образуют контактные площадки, к которым можно припаивать выводы радиоэлементов. Выступающие выводы, выходящие в окно из разных слоев, не должны располагаться один над другим. Каждый вывод должен ложиться на свое отдельное место на колодке или припаиваться к своей контактной площадке наружного слоя. Длина вывода, присоединяемого к контакт­ной площадке, должна быть не менее 1,5 мм, а присоединяемого к ко­лодке -не менее 2,5 мм. . Общая длина выступающей части вывода не может быть больше, чем размер окна. Это ограничивает число слоев (толщину) платы. Гибкие печатные кабели. Чтобы соединять между собой в аппаратуре отдельные печатные платы, удобно использовать кабели, которые по­добно платам имели бы малую толщину и обладали бы гибкостью. Такие кабели можно изготовить печатным способом, Рис.5.16. Гибкий печатный кабель используя в ка­честве диэлектрика тонкий стеклотекстолит или другие изоляционные материалы. Пример выполнения кабеля с отверстиями и металлизиро­ванными контактными площадками приведен на рис. 5.16. При ис­пользовании такого кабеля в печатной плате делают металлизирован­ные отверстия с таким же шагом, как на печатном кабеле. В отверстия устанавливают и запаивают металлические штыри. На эти штыри на­девают кабель и каждое металлизированное отверстие кабеля припаи­вают к соответствующему штырю. 5.7. Разработка и оформление чертежей на печатные платы. Сущность печатного монтажа за­ключается в нанесении на изоляцион­ное основание тонких электропрово­дящих покрытий, выполняющих фун­кции монтажных проводов и элемен­тов схемы - резисторов, конденсато­ров, катушек индуктивности, кон­тактных деталей и др. Ниже приве­дены основные термины, которые бу­дут использованы при изложении материала. Печатный проводник – участок токопроводящего покрытия, нанесен­ного на изоляционное основание, выполняющий функции обычного монтажного провода. Печатный, монтаж – система пе­чатных проводников, обеспечиваю­щих электрическое соединение эле­ментов схемы. Печатная плата – изоляционное основание с нанесенным на нем пе­чатным монтажом. Навесные элементы – объемные электро- и радио элементы, установ­ленные и закрепленные на печатной плате способом пайки и имеющие электрический контакт с печатными проводниками. Контактная площадка – метал­лизированный участок вокруг мон­тажного отверстия, имеющий элек­трический контакт с печатным про­водником и обеспечивающий элек­трическое соединение навесных эле­ментов схемы с печатным монтажом. Монтажное отверстие – отвер­стие в печатной плате, предназна­ченное для закрепления выводов на­весных элементов и электрического соединения их с печатными проводни­ками. Координатная сетка – сетка, на­носимая на изображение платы и служащая для определения положе­ния монтажных отверстий, печатных проводников и других элементов платы. Шаг координатной сетки – расстояние между соседними линиями координатной сетки. Шаг координатной сетки должен быть кратным 0,625 мм (0,625; 1,25; 1,875; 2,5 и т. д.) Узел координатной сетки – точка пересечения линий координатной сетки. Свободные места – участки пе­чатной платы, где при размещении проводников могут быть выдержаны рекомендуемые значения ширины проводников и расстояния между проводниками и контактными пло­щадками. Узкие места – участки печатной платы, где при размещении провод­ников, ширина проводников, расстоя­ния между ними и контактными пло­щадками выполняются меньше реко­мендуемых (вплоть до минимально допустимых). Печатный блок – печатная плата с печатной схемой, навесными эле­ментами и другими деталями, прошедшая все стадии изготовления. Процесс разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций: • компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. Компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов элементов, устанавливаемых на плате, изготовленных из бумаги или другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформляется чертеж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников минимальна. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов; • разводка печатных проводников («трассировка»). Цель этой операции – провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений; • оформление чертежа с соблюдением требований стандартов. Первые два процесса – компоновка и разводка – неразрывно свя­заны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор об­наруживает, что компоновку нужно изменить. На выполнение этих двух процессов при разработке сложных плат затрачивается много времени. Поэтому при разработке плат применяют машинное проектирование с использованием ЭВМ. При этом методе в машину вводят закодирован­ную специальным образом схему соединений между элементами, и ма­шина, снабженная специальной математической программой, находит необходимое число слоев и места прокладки проводников, соединяющих контактные площадки. При этом специальные программные графопо­строители, снабженные оптическими устройствами, выполняют на фо­топленке негатив, необходимый для изготовления каждого слоя печат­ной платы. Следует отметить, что машинные методы трассировки, обес­печивая высокую производительность труда, не могут обеспечить та­кую же экономичную компоновку, какую мог бы сделать человек. Если число слоев в плате ограничено, а схема сложная, то иногда машина останавливается, не находя пути для прокладки какого-либо проводника. Тогда в процесс трассировки приходится вмешиваться человеку. Такие ситуации – результат несовершенства используемых алгоритмов. По ме­ре совершенствования алгоритмов эффективность машиных методов проектирования будет повышаться. Чертеж печатной платы должен содержать основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. Его выполняют в масштабе 2:1 или 4:1. На чертеже платы тонкими линиями наносят коорди­натную сетку в соответствии с выбранным масштабом. Размеры на чертеже печатной платы указывают одним из следующих способов: • с помощью размерных и выносливых линий; • нанесением ко­ординатной сетки в прямоугольной или в полярной системе координат; • комбинированным способом с помощью размерных и выносных линий и координатной сетки. При задании размеров координатной сетки ее линии нумеруют. Проводники на чертеже печатной платы изображают одной ли­нией, являющейся осью симметрии проводника. При этом в техничес­ких требованиях чертежа должна быть указана ширина проводника. Во многих случаях для плат ограничивается только минимальная ши­рина проводника. Ее указывают отдельно для свободных и узких мест, как, например, показано в табл.5.7. Таблицу помещают в «Технические требования», которые размеща­ют на поле чертежа. Таблица 5.7. Оформления на чертеже таблицы параметров элементов платы Параметр элементов платы Размеры, мм, не менее в свободных местах в узких местах Ширина проводников 0,8 0,3 Расстояние между двумя проводниками 0,8 0,4 Расстояние между двумя контактными площадками или проводником и контактной площадкой 0,8 0,3 Проводники шириной более 2,5 мм можно изображать двумя ли­ниями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают. Отдельные элементы рисунка печатной платы (широкие проводники, контактные площадки, экраны, изоляционные участки и т. п.) можно выделять штриховкой, чернением. Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные пло­щадки с круглыми отверстиями изображают одной окружностью. Размер диаметров круглых контактных площадок указывают в тех­нических требованиях. Если у контактной площадки регламентируется только минимальная радиальная ширина bmin , то такую площадку показывают окружностью, диаметр которой равен диаметру отверстий, а в технических требова­ниях указывают: «Форма контактных площадок произвольная, bmin ...». Контактные площадки для припайки выводов планарных корпу­сов микросхем выполняют, как показано на рис.5.1, в. Диаметры монтажных и переход­ных металлизированных и не метал­лизированных отверстий выбирают из ряда (0,2); 0,4; (0,5); 0,6; (0,7); 0,8; (0,9); 1,0; (1,2); 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,2; (2,4); (2,6); (2,8); (3,0). Диа­метры, не взятые в скобки, являются предпочтительными. Не рекоменду­ется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий. Таблица 5.4. Диаметры отверстий в зависимости от диаметра вывода элемента. Диаметр выводов элементов, мм Диаметр отверстия в плате, мм Диаметр зенковки с двух сторон, мм Диаметр контактной площадки, мм Диаметр выводов элементов, мм Диаметр отверстия в плате, мм Диаметр зенковки с двух сторон, мм Диаметр контактной площадки, мм 0,5 – 0,6 0,7 – 0,8 0,9 – 1,0 1,2 – 1.3 0,8 1,0 1,3 1,5 1,1 × 70º 1,5× 70º 1.8× 70º 2,0× 70º 2,2 2,5 3,0 3,5 1,3 –1,5 1,8 – 2,0 2,0 – 2,2 2,4 – 2,6 1,8 2,2 2,5 2,8 2,2 × 70º 2,8 × 70º 3,0 × 70º 3,2 × 70º 4,0 5,0 5,5 6,0 Диаметры металлизиро­ванных отверстий выбирают в зави­симости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных отверстий – в зависимости от диа­метров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия (табл. 5.4). Параметры отверстий (диаметр, допуск на диаметр, зенковку и до­пуск на нее, наличие и отсутствие металлизации) непосредственно около каждого отверстия не проставляют. Отверстия, имеющие одинаковые параметры, обозначают одним и тем же условным значком, (табл.5.5). Таблица 5.5. Условное обозначение диаметров отверстий. Диаметр отверстия, мм 0,6 0,8 1,0 1,3 1,5 1,8 2,0 5,0 Условное обозначение Парамет­ры, характеризующие этот значок, объединяют в таблицу, которую включают в технические требования чертежа (табл. 5.6) Таблица 5.6. Пример оформления таблицы отверстий на чертеже Обозначение Диаметр, мм Диаметр зенковки, мм Наличие металлизации Количество 0,6+0,1 0,9+0.2 с двух сторон Есть 36 0,8+0,1 1,1+0,2 Есть 48 1,0+0,12 1,5+0,2 Нет 6 Участки платы, по которым не должны проходить печатные провод­ники, обводят штрихпунктирной линией и соответствующее указание делают в технических требованиях. Зенковку на отверстиях графически не показывают. Кроме перечисленных данных в технических требованиях чертежа должно быть указано: • номер технических условий, которым должна соответствовать плата; • шаг координатной сетки; • точность, с которой должна выдерживаться конфигурация про­водников по отношению к сетке (1,5; 1,0 или 0,5 мм); • указание о том, что допускается скругление углов контактных пло­щадок и проводников; • минимальная радиальная толщина контактных площадок; • предельные отклонения расстояний между центрами отверстий (кроме оговоренных особо на чертеже) в широких и узких местах; • суммарная площадь металлизации платы; • указания о гальваническом покрытии проводников печатной платы, например: «Печатный монтаж серебрить Ср9». При необходимости в технических требованиях указывают способ изготовления печатной платы. Для поверхностей печатной платы, которые в процессе изготовления подвергаются механической обработке (контур платы, отверстия, пазы и т. п.), устанавливают норму на шероховатость. Шероховатость ограничивают, нормируя максимально допустимое значение параметра шероховатости Rz ; обычно Rz не должна превышать 40 мкм. В соответствующей графе основной надписи чертежа должна быть указана марка материала, из которого сделана печатная плата или изоб­раженная на чертеже деталь МПП, а также номер ГОСТ или ТУ на этот материал. 5.8. Печатные узлы. Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами (ЭРЭ) называют печатный узлом. Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их уста­навливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим кон­тактным площадкам внахлест. ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с од­ной стороны (для плат с односторонней фольгой – на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроиз­водительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их мож­но располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов. При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее: • полупроводниковые приборы и микроэлементы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.); • должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты; • должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подстраивают при регулировании схемы. На рис. 5.17 показаны часто применяемые способы установки элементов, имеющих два вывода, расположенных аксиально (сопротивления, конденсаторы, диоды и др ). б) в) г) Рис.5.17. Установка элементов с аксиальными выводами. При выборе межцентрового расстояния L, высоты Н и других размеров следует учитывать, что для всех типов ЭРЭ ограничено минимальное расстояние от корпуса элемента, на котором можно производить гибку вывода, и минимальное расстояние от корпуса до места приложения паяльника при пайке. Эти ограничения существует не только для ЭРЭ с аксиальными выводами, но и для всех типов ЭРЭ, подключаемых пайкой. Соответствующие данные приводятся в ГОСТах и ТУ на ЭРЭ и в справочниках. Если элемент имеет электропроводный корпус, установленный, как показано на рис. 5.17, а, и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок. Элементы, установленные, как показано на рис 5.17, а, могут работать при более жестких механических воздействиях, чем установленные так, как показано на рис. 5.17, б, в. В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы – их нужно крепить дополнительно за корпус. Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами. Чтобы обеспечить возможность применения групповой пайки (например, пайки «волной») элементов, устанавливаемых с зазором между платой и корпусом, необходимо предусматривать специальный изгиб выводов, как показано на рис. 5.17, б. Этот изгиб удерживает элемент и не дает ему опуститься на плату в процессе установки других элементов до операции пайки. На рис. 5.17, г показана установка элементов с аксиальными выводами в двухплатной конструкции. На рис. 5.18 показаны возможные варианты установки транзисторов. а) б) в) Рис.5.18 Установка транзисторов. 1- подставка; 2-крепежная скоба. При установке транзисторов, как показано на рис. 5.18, а, б в аппаратуре, работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке. На рис. 5.19 показаны варианты установки микросхем в корпусах с планарными выводами, в круглых корпусах и в плоских прямоугольных корпусах со штырьковыми выводами. Все указанные способы крепления микросхем обеспечивают их надежное крепление в условиях вибрации и ударов, действующих на аппаратуру, которая устанавливается на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т. п.). При этом обязательно покрытие узлов влагозащитными лаками, которое обеспе­чивает дополнительное крепление выводов микросхемы к плате. Рис.5.19. Установка микросхем 1-теплопроводящая шина; 2-изоляционная 3-печатная плата изготовленная методом выступающих выводов; 4-подставка; 5-прокладка. Если микросхема выделяет большое количество теплоты и находится при повышенной температуре, то существует опасность нагрева корпуса микросхемы выше допустимой температуры. В этом случае под корпусами микросхем устанавливают теплоотводящую медную шину 1 (рис.5.19, в), концы которой должны плотно прилегать к корпусу изделия или другому элементу конструкции, способному" отводить выделяемую микросхемой теплоту в окружающее пространство. Медная шина должна быть изолирована изоляционной прокладкой от печатных проводников, проходящих под микросхемой. По тем же причинам изоляционные прокладки нужно применять при установке, изображенной на рис. 5.19, а. Вместо прокладок можно покрывать нижнюю поверхность корпуса микросхемы эпоксидной смолой. ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами. Зазор между корпусами должен быть не менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Планарные корпуса нужно располагать длинной стороной вдоль направления конвекционного потока воздуха. При этом улучшается охлаждение микросхемы. Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата. Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака. Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства: • хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам; • малую влагопоглощаемость; • большое сопротивление изоляции; • способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре; • отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур. Наиболее часто для покрытия печатных плат используют лак УР-231. Однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надеж­но защитить плату от влаги при длительном воздействии, так как абсо­лютно влагонепоглощающих лаков не существует. Кроме того, на по­верхности платы, покрытой лаком, могут быть отдельные участки с де­фектами (пузырьками, царапинами и т. д.), через которые интенсивно проникает влага. 6. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ КОМПОНОВКИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ. 6.1. Одноблочные и многоблочные конструкции. Компоновка радиотехнического изделия – часть процесса конструиро­вания. На этом этапе определяются форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят техничес­кие, технологические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность. В процессе компоновки необходимо соблюдать следующие условия: • между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсут­ствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влия­ния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их техни­ческие характеристики; • взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания; • расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора; • изделие должно удовлетворять требования технической эстетики; • габариты и масса изделия должны быть минимальными. Однако следует отметить, что габариты и масса изделия в значитель­ной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радио­элементов. Резкое сокращение габаритов и массы было получено при переходе от ламповых схем к схемам на полупроводниковых приборах. Такой переход сопровождался уменьшением выделяемой в аппаратуре мощности и снижением значения питающих напряжений, что позволило наряду с полупроводниковыми элементами применять малогабарит­ные маломощные резисторы, конденсаторы и другие малогабаритные радиоэлементы. Еще больший эффект получается при широком исполь­зовании в аппаратуре гибридных и полупроводниковых микросхем. Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов ап­паратуры является плотность монтажа – среднее количество радиоэле­ментов, умещающееся в единице объема, например в 1 см3. Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптималь­ных решений. Радиотехнические изделия имеют разное назначение и состоят из различного количества элементов. Так, схема карманного радиовеща­тельного приемника состоит из нескольких десятков элементов, причем масса каждого из них не превышает десятков граммов. При конструиро­вании все элементы, включая антенну и источники питания, стремятся скомпоновать в одном приборе, удобном для переноски. Современная радиолокационная станция может состоять из десятков тысяч элементов массой от нескольких грам­мов до десятков килограммов. Попытка создать станцию в виде одного прибора приведет к абсурдным результатам: станция будет неудоб­на при транспортировке и размещении, будут затруднены ремонт и эксплуатация, станция будет обладать плохой технологичностью и надежностью. Поэтому современные сложные радиотехнические устройства обычно разделя­ют на приборы. Метод разделения, а также требования к конструкции приборов в значи­тельной степени зависят от характеристик объ­екта, на котором будет установлено радиотех­ническое изделие, и от конструкции элементов, из которых состоит схема изделия. Рассмотрим, например, как может бить кон­структивно решено изделие, которое устанавливают в стационарных помещениях, в крупногабаритных фургонах специальных автомашин, на крупнотоннажных кораблях и других объектах. К аппаратуре, расположенной на перечисленных объектах, не предъяв­ляют чрезмерно жестких требований по массе и габаритам. Если аппа­ратура состоит из большого числа элементов, то ее выполняют в виде стойки (шкафа), как показано, например, на рис. 6.1. Рис.6.1.Стойка. 1-корпус; 2-6 -блоки. Если аппаратура содержит приемно-передающие устройства, то ан­тенны и согласующие блоки выполняют в виде отдельных приборов, которые в силу специфики использования будут размещаться на крыше, палубе, мачтах. Непосредственно на стойке могут быть расположены органы управ­ления, контроля и отображения информации, выдаваемой аппаратурой. Если один оператор должен управлять комплексом аппаратуры, распо­ложенной в нескольких стойках, то перечисленные органы должны быть сосредоточены на одной из стоек или вынесены на специальный пульт управления. При конструировании радиоэлектронных устройств, предназначен­ных для установки на самолетах, необходимо учитывать следующее: • современном самолете, даже малогабаритном, приходится устанавливать большое количество аппаратуры, предназначенной для связи, определения местоположения самолета, выполнения посадки в условиях плохой видимости и решения ряда других задач, без которых полет современного самолета невозможен; • управление этой аппаратурой часто осуществляет летчик или штурман, реже – специальный оператор; • площадь панелей, расположенных непосредственно перед рабочим местом оператора, крайне ограничена. В силу перечисленных причин специфической особенностью конструк­ции аппаратуры, размещаемой на самолетах, является наличие отдель­ного малогабаритного пульта, на котором сосредоточивают все органы управления, контроля и устройства отображения информации. Все остальные приборы могут быть размещены в фюзеляже самолета на значительном расстоянии от оператора и соединяются друг с другом кабелями и разъемами. Чтобы обеспечить унификацию конструктивных решений и удобство размещения радиоэлектронной аппа­ратуры на различных типах само­летов, для самолетной аппаратуры разработаны унифицированные ря­ды габаритных размеров приборов. Один или несколько приборов, относящихся к одному и тому же радиоэлектронному устройству, мож­но размещать при необходимости в различных частях фюзеляжа са­молета на индивидуальных крепеж­ных рамах с учетом специфики его конструкции, обеспечивая оптимальную компоновку всего самолета в целом. Так как различные приборы могут иметь равные размеры в двух измерениях, при необходимости их можно компоновать в более крупные приборы, устанавливая на групповой раме, как показано, на­пример, на рис. 6.2. Рис.6.2. Установка блоков самолетной аппаратуры. а – на индивидуальной раме; б – на групповой раме. К ракетной и космической аппаратуре предъявляют самые жесткие требования с точки зрения габаритов и массы. Чтобы аппаратура наибо­лее эффективно заполняла рабочий объем объекта, ее часто приходится конструировать с учетом особенностей конфигурации корпуса, например придавая ее приборам цилиндрическую форму. 6.2. Модульный метод компоновки приборов. Для построения схемы современного радиоэлектронного устройства широко применяют микросхемы различного типа, полупроводниковые приборы и другие малогабаритные элементы. Значительно реже встре­чаются приборы, содержащие электронные лампы, электромеханиче­ские блоки и другие крупногабаритные устройства. При проектировании приборов, состоящих из большого числа мало­габаритных элементов, широкое распространение получил модульный метод компоновки. Сущность этого метода состоит в том, что весь при­бор делят на отдельные конструктивно законченные сборочные единицы (блоки). При модульном методе компоновки возможно для указанных сбо­рочных единиц применять однотипные конструктивные решения со стандартизованными и унифицированными элементами конструкции, что сокращает сроки и стоимость проектирования и подготовки произ­водства аппаратуры, а также ее стоимость. Этот метод позволяет также производить сборку, регулировку и испы­тания сборочных единиц параллельно, в результате чего резко сокраща­ется длительность производственного цикла изготовления аппаратуры. Как будет показано, использование этого метода в ряде случаев дает возможность повысить надежность аппаратуры. Применяя блоки одинаковой конструкции, можно наиболее опти­мально использовать объем прибора, что в конечном счете приводит к сокращению массы и габаритов аппаратуры. При компоновке приборов, состоящих из малогабаритных элемен­тов, наиболее широко используют два типа конструкций: из легкосъем­ных субблоков и книжный. Рассмотрим особенности этих конструкций. Легкосъемные субблоки. При такой конструкции прибор состоит из определенного числа однотипных субблоков, снабженных разъемами врубного типа. Возможные варианты конструкции субблоков показаны на рис. 6.3, а, 6. Рис.6.3. Легкосъемный субблок. а -каркасный; б - многоплатный с металлической рамкой; 1 - печатная плата с ЭРЭ; 2 - разъем; 3 – угольник для крепления субблока; 4 - рамка; 5 - ключ. Субблок, показанный на рис. 6.3, а, состоит из одной печатной платы, на которой могут быть расположены микросхемы, по­лупроводниковые приборы и другие малогабаритные ЭРЭ. На одном краю печатной платы закреплен врубной разъем 2. Высо­та этого разъема должна быть соразмерна с высотой элементов, уста­новленных на печатной плате. В противном случае плотность монтажа в приборе получится очень низкой. На двух других краях печатной платы оставлено поле, свободное от печатного монтажа и ЭРЭ. При установке субблока в прибор эти края платы входят в специальные направляющие пазы прибора, благодаря чему субблок может перемещаться в приборе только в одном направлении. На краю платы, противоположном разъе­му, размещают устройство, которое закрепляет субблок в направляю­щих пазах прибора. Например, на рис. 6.3, а это устройство состоит из угольников 3 с отверстиями, в которые установлены невыпадающие винты. Эти винты входят в резьбовые отверстия на кожухе прибора, благодаря чему обеспечивается прочное закрепление субблока. Как правило, все субблоки, входящие в прибор, делают с одинаковыми габаритными размерами. При этом субблок по ошибке может быть установлен в приборе не в свое гнез­до. Чтобы избежать этого, каждый субблок снабжают специальными клю­чами, исключающими возможность не­правильной установки. В качестве клю­чей можно использовать два штыря 5, установленные для различных суббло­ков на разном расстоянии от края. В шасси блока для каждого ключа должно быть отверстие. Субблок, показанный на рис. 6.3,б, состоит из двух печатных плат, закреп­ленных на общей металлической рам­ке 4. Эти две платы соединены между собой гибким печатным или плоским плетеным кабелем. Способ установки и крепления субблока в приборе был рассмотрен ранее. Количество печатных плат, из которых состоит субблок, может быть и больше двух. Если аппаратура работает при воздействии значительных ударных и вибрационных перегрузок, особенно когда частота вибрации высока, то необходимо обеспечить повышенную жесткость субблока. Тогда рамку применяют и для субблока, имеющего одну плату. Иногда на субблоке наряду с микросхемами, имеющими малую вы­соту, необходимо разместить крупногабаритные элементы. В этом случае, чтобы получить хорошую плотность монтажа, целе­сообразно применять объемно-плоскостной метод компоновки. Сущ­ность этого метода состоит в том, что малогабаритные элементы раз­мещают на нескольких печатных узлах, один из размеров которых соиз­мерим с высотой крупногабаритных элементов. После этого крупнога­баритные элементы и печатные узлы закрепляют на общей коммута­ционной плате, которая оформляется конструктивно в виде субблока (рис. 6.4). Рис.6.4. Объемно-плоскостная компоновка. 1 – коммутационная плата; 2 – печатный узел с микросхемами; 3 – крупногабаритные ЭРЭ; 4 – контакты для запайки печатного узла в коммутационную плату. Электрическое соединение печатных узлов с коммутацион­ной платой производят пайкой, для чего на печатном узле делают спе­циальные контакты, например, как показано на рис. 6.4. Эти контакты запаивают в металлизованные отверстия коммутационной платы. Если субблок будет работать при жестких механических воздействиях, то печатный узел крепят дополнительно угольниками, стойками и другими аналогичными устройствами. Чтобы электрически соединить между собой отдельные субблоки, в приборе устанавливают врубные разъемы с гнездами. Контакты этих разъемов соединяют между собой с помощью коммутационной печат­ной платы или жгутом из проводов. На рис. 6.5 показан прибор, состоя­щий из легкосъемных субблоков. Рис. 6.5. Прибор из легкосъемных субблоков (боковые крышки сняты) 1 – субблок (условно выдвинут); 2 – невыпадающий винт; 3 – нижняя стенка (вентиляционные жалюзи не видны); 4 – панель передняя; 5 – верхняя стенка (с вентиляционными жалюзи); 6 – панель задняя. Применение рассмотренной конструкции в ряде случаев позволяет резко повысить надежность аппаратуры. В связи с постоянным услож­нением аппаратуры выполнение требований по надежности становится все более сложной задачей. Одним из параметров, характеризующих фактическую надежность изделия, является среднее время, затрачивае­мое на отыскание и устранение неисправностей Если бы прибор, состоящий из нескольких сотен или тысяч микро­схем, полупроводниковых приборов и других элементов, был выполнен в виде неразъемной конструкции, в которой все элементы соединены только пайкой, то в случае выхода из строя одного элемента нужно было бы из всего количества выявить именно этот элемент и заменить его. Совершенно очевидно, что решить такую задачу может только чрезвы­чайно квалифицированный оператор, но и он на отыскание неисправнос­ти затратит много времени. Если прибор разделен на отдельные легкосъемные блоки и имеются запасные части с аналогичными блоками, то необходимо найти только субблок, в котором находится отказавший элемент. При этом время отыскания неисправностей будет сокращено в десятки раз по следующим причинам: • количество субблоков во много раз меньше количества элементов схемы; • каждый субблок можно снабдить специальными устройствами которые будут выдавать информацию о его исправном состоянии. Однако, как видно из рассмотренных примеров, деление прибора на легкосъемные части требует специальных элементов конструкции (разъемы, направляющие, элементы крепления, коммутационные платы и т д), что приводит к некоторому увеличению габаритов прибора. Это увеличение может оказаться существенным, когда объем каждого субблока мал, а число их чрезмерно велико. Кроме того, сами по себе разъемы имеют конечную надежность, и использование их в очень большом количестве может уменьшить среднюю наработку на один отказ всего изделия. Деление прибора на большое количество легкосъемных частей и использование запасного имущества может существенно повысить надежность аппаратуры в тех случаях, когда крат­ковременный перерыв на замену отказавшего субблока не приводит к полному срыву задачи, выполняемой изделием. В таких случаях деле­ние прибора на легкосъемные субблоки широко применяют при конструи­ровании радиоэлектронных устройств, схемы которых построены с ис­пользованием микросхем и полупроводниковых приборов. При этом в каждом конкретном случае выбирают такое количество элементов в субблоке, чтобы его легкосъемность существенно не ухуд­шала среднюю наработку на отказ и не увеличивала значительно габа­ритов аппаратуры Книжная конструкция. Пример выполнения книжной конструкции показан на рис.6.6. Прибор состоит из нескольких субблоков), каж­дый из которых, вращаясь вокруг своей оси, может откидываться как страница книги. Рис. 6.6. Прибор книжной конструкции. 1 – субблок; 2 – кабель плоский; 3 – панель передняя; 4 – стенка средняя; 5 – панель задняя. Соответствующий субблок показан на рис.6.7. Он со­стоит из двух печатных плат 1, установленных на металлической рамке 3. В зависимости от конкретной конструкции количество печатных плат в субблоке может быть больше или меньше, чем на рис.6.7. Рамка имеет два прилива с отверстиями 7 и 8 В отверстие 8 вставлена ось, вокруг которой вращается данный суб­блок в приборе, в отверстие 7 вставлена другая ось, вокруг которой вра­щается в приборе соседний субблок. В рабочем положении все субблоки в приборе стянуты винтами в плотный пакет, благодаря чему конструк­ция имеет большую жесткость и хорошо выдерживает большие механи­ческие перегрузки в широком диапазоне частот. Субблоки не имеют разъемов. Они соединяются между собой гибким кабелем. Такая конст­рукция обеспечивает удобный доступ к каждой микросхеме в процессе регулировки всего прибора и при отыскании неисправностей, когда со­ответствующий субблок откинут. Рис. 6.7. Субблок книжной конструкции. 1 – плата печатная; 2 – микросхема; 3 – рамка; 4 – кабель гибкий; 5 – кабель гибкий; 6 – втулка для стягивания пакетов в приборе; 7 – отверстие для оси в которой будет вращаться следующий субблок; 8 – то же для рассматриваемого субблока. При книжной конструкции прибора отыскание неисправностей долж­но производиться с точностью до отказавшего элемента: в этом ее не­достаток. Однако книжная конструкция позволяет получить компакт­ные приборы с жесткой конструкцией. Иногда прибор разбивают на блоки, каждый из которых снабжен разъемом и является легкосъемным, но состоит из нескольких суббло­ков книжной конструкции. Модульный метод в равной степени дает преимущества при конст­руировании любых видов радиоэлектронной аппаратуры, содержащей самые разнообразные элементы. В зависимости от габаритов, массы и других характеристик эти эле­менты можно крепить непосредственно на печатных платах или на спе­циальных металлических шасси. Соединяться они могут с помощью печатного монтажа, объемного монтажа (жгутами или отдельными проводами) или комбинированно – с использованием печатного и объемного монтажа. 6.3. Корпуса радиоэлектронных аппаратов. Как отмечалось, любое радиоэлектронное изделие состоит из одного или нескольких приборов, каждый из которых заключен в свой корпус. Корпус является важной составной частью изделия и во многом опре­деляет его эксплуатационные и технико-экономические характеристики. Любой корпус должен удовлетворять следующим требованиям. 1. Он должен однозначно определять взаимное расположение всех составных частей изделия. 2. Его конструкция должна обеспечить заданный тепловой режим всех элементов аппаратуры, а также минимальные паразитные связи между отдельными блоками изделия. Уменьшение до допустимого уровня паразитных связей достигается рациональным взаимным расположением блоков, установкой специальных экранов между блоками, а также рациональным выполнением межблочного монтажа. 3. Корпус должен иметь жесткую и прочную конструкцию и обеспечивать защиту всех расположенных в нем элементов от механических повреждений как в процессе эксплуатации, так и в процессе транспортировки изделия. 4. Его конструкция должна обеспечивать минимально возможные массу и габариты аппарата. 5. Стационарно устанавливаемые корпуса должны иметь устройства для закрепления их на объекте. Для аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах, роль таких устройств выполняют амортизаторы. 6. Корпус должен позволять легко и быстро (по возможности без применения пайки) подключать прибор к источникам питания и другим устройствам, с которыми он электрически связан на объекте. Поэтому непосредственно на корпусах приборов целесообразно устанавливать разъемы, предназначенные для выполнения межприборного монтажа (например, низкочастотные ШР и 2РМ, высокочастотные СР и др.). 7. В ряде случаев конструкция корпуса должна обеспечить защиту изделия от влаги, пыли и брызг. Защита от пыли и брызг достигается уплотнением сварных швов специальными герметиками и установкой резиновых уплотнительных прокладок в местах стыка съемных крышек с основанием корпуса. Рис. 6.8. Уплотнение крышки корпуса. На рис. 6.8 показано такое уплотнение. В месте стыка передней па­нели 1 с корпусом 3 к последнему приварен металлический ободок, в ко­торый укладывают резиновую прокладку 2. Передняя панель притяги­вается к корпусу несколькими замками (на рисунке не показаны), в ре­зультате чего отогнутые края панели плотно соприкасаются с проклад­кой. Рассмотрим, как будет работать такая конструкция в самолетной аппаратуре. При подъеме самолета с земли на высоту, например, 20 км давление наружного воздуха уменьшится до 30 мм рт. ст., а давление внутри аппа­рата должно оставаться неизменным (760 мм рт. ст.). В результате обра­зуется внутреннее избыточное давление 730 мм рт.ст. или примерно 9,5 Н/см2. Если передняя панель имеет размеры 350×250 мм (площадь s = 875 см2), то на нее изнутри действует сила F = 9,5 · 875 = 8300 Н. Силы такого же порядка действуют на каждую стенку корпуса. Под действием подобных сил произойдет деформация деталей, герметич­ность в месте установки прокладки нарушится и избыточный воздух выйдет из корпуса. При снижении самолета давление наружного воздуха увеличивается, что приводит к проникновению в аппарат воздуха, который может быть насыщен влагой. Таким образом, для самолетной радиоаппаратуры рассмотренная конструкция не может обеспечить защиты от влаги. Корпуса наземной и корабельной аппаратуры эксплуатируются в зна­чительно более легких условиях и при достаточной их механической проч­ности (что достигается применением ребер жесткости, выдавок и т.п.) может быть обеспечена защита аппарата от проникновения в него влаги через место стыка передней панели с корпусом. Однако даже в этом случае при открывании аппарата для проведения профи-лактических и ремонтных работ в него попадает влажный воздух, который может ухудшать характеристики узлов и приборов, если они не имеют собственной влагозащиты. Снизить влажность воздуха внутри корпуса можно специальными влагопоглощающими веществами, например силикагелем SiО2, ко­торый может поглощать влагу до 30% от собственной массы. Силикагель, обработанный кобальтовой солью, при поглощении влаги меняет свой цвет с синего на розовый, что является индикацией окончания его влагопоглощающих свойств. Патроны с силикагелем целесообразно поме­щать внутрь корпусов, имеющих уплотнение. Места выхода из корпуса валов для органов управления могут уплот­няться сальниками из промасленного фетра, как это показано на рис. 6.9, а. а) б) Рис. 6.9. Уплотнение вала и разъема. а – выход вращающегося вала; б – установка разъема; 1 – корпус; 2 – ось; 3 – уплотняющая прокладка; 4 – вкладыши, сжимающие прокладку 3; 5 – контргайка; 6 – винт; 7 – разъем; 8 – резиновая прокладка. Чтобы исключить проникновение влаги внутрь корпуса через кабель­ные разъемы, следует применять герметичные разъемы (например, ШРГ или 2РМГ); между фланцем разъема и передней панелью обычно устанавливают резиновую прокладку, как показано на рис. 6.9, б. Следует отметить, что уплотнение футляра ухудшает тепловой режим аппарата, так как при этом исключается обмен воздуха между внутрен­ней полостью футляра и внешней средой. 8. Корпус должен обеспечивать возможность электрического подключения располо-женных в нем блоков без применения пайки. Чтобы обеспечить выполнение этого требования, блоки с корпусом соединяют с помощью разъемов врубного типа. Одну половину разъема размещают на корпусе, другую - на блоке. Из-за разброса допусков деталей трудно обеспечить сочленение двух половин разъема с требуе­мой точностью. Если не предпринять специальных мер, то при сочлене­нии штырь разъема может не попасть в гнездо, что приведет к поломке разъема. Поэтому закрепление разъема обычно делают плавающим, обеспечивая возможность перемещения одной половины разъема от­носительно другой в направлениях, перпендикулярных направлению сочленения. Одновременно одну половину разъема жестко соединяют со штырем-ловителем, а другую – со втулкой, имеющей отверстие. Благодаря наличию ловителей обеспечивается сочленение разъемов с тре­буемой точностью. 9. В конструкции корпуса должны быть предусмотрены специальные места для укладки жгутов, соединяющих отдельные блоки. Жгуты должны быть надежно закреплены скобами, хомутами и другими аналогичными средствами. Если отдельные блоки в корпусе откидываются на шарнирах, то жгуты должны иметь необходимую слабину, обеспечивающую требуемую подвижность блоков. Слабина должна быть также у частей жгута, подходящих к плавающим разъемам. 10. Корпус должен обеспечивать легкий доступ к расположенным в нем блокам для замены, осмотра и ремонта. 11. Корпус должен обеспечивать безопасность человека, обслуживающего изделие. Корпуса приборов, расположенных на подвижных объектах, не должны иметь острых граней, выступающих частей и других элементов конструкции, при ударе о которые оператор может нанести себе травму при качке корабля, резкой остановке автомашины и т. п. Корпус должен надежно защищать обслуживающий персонал от возможности прикосновения к токонесущим и подвижным частям. Корпуса приборов, имеющих высоковольтные цепи, в которых запрещается выполнять какие-либо работы при открытых крышках, должны иметь блокировку, надежно обесточивающую аппарат при открытых крышках. В необходимых случаях корпус должен иметь шильдики с предупредительными надписями. Корпус должен иметь земляную клемму, обеспечивающую надеж­ное его заземление. Выполнение этого требования необходимо для за­щиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током при прикосновении к корпусу в случае появления случайных замыканий токонесущих частей аппарата на корпус. 12. Органы управления и контроля должны быть разработаны и скомпонованы с учетом психофизических особенностей человека-оператора. 13. Корпуса переносной аппаратуры должны иметь ручки или другие устройства. 14. Корпуса всех приборов должны иметь место, удобное для захвата прибора руками при переноске в процессе упаковки, монтажа на объекте, демонтажа и других подобных операциях. Корпуса тяжелых приборов (весом более 800 Н) должны иметь спе­циальные скобы для подъема их механизмами в процессе выполнения тех же операций. 15. Габариты корпуса должны позволять легко проносить его через дверные проемы и люки, имеющиеся на объекте, где прибор будет установлен. 16. Конфигурация корпуса должна позволять экономично размещать аппарат в помещении, где он будет эксплуатироваться. 17. Корпус должен удовлетворять комплексу технико-экономических требований, которые предъявляются к любому радиотехническому изделию. 18. Корпус должен удовлетворять требованиям технической эстетики. По конструктивно-технологическим признакам корпуса можно под­разделить на три группы: • литые; • сварные каркасные; • сварные бескаркасные. Литые корпуса обеспечивают большую монолитность и жесткость конструкции. Их изготовляют главным образом из алюминиевых и маг­ниевых сплавов, имеющих малую плотность и хорошие литейные свойст­ва. Литые корпуса широко использовались раньше при конструировании морской аппаратуры, однако в настоящее время применяются редко. Связано это, главным образом, с тем, что стоимость их значительно выше, чем стоимость сварных корпусов: сварные корпуса, обеспечивая достаточную жесткость и прочность конструкции, обладают лучшими технико-экономическими показателями. Каркасные корпуса применяют большей частью для крупногабарит­ных приборов, состоящих из нескольких тяжелых блоков. Каркас варят из стандартного алюминиевого или стального уголка. Боковую, верх­нюю и нижнюю крышки обычно приваривают к каркасу; задняя крышка может быть съемной (крепится на винтах) или приваренной, в зависи­мости от необходимости доступа к прибору в процессе его изготовления и эксплуатации. Со стороны передней стенки каркас разделяет корпус на отдельные секции, каждая из которых предназначается для установки отдельного блока. Блоки, устанавливаемые в такой корпус, должны иметь самостоятель­ные шасси. Для этих шасси в каркасе делают направляющие, обеспечи­вающие однозначную установку блока в соответствующую секцию кар­каса. При такой конструкции каждый блок имеет переднюю панель, которая при установке блока перекрывает окно в передней стенке корпуса. Переднюю панель крепят к каркасу корпуса винтами. Чтобы обеспечить жесткое крепление задней части шасси, на каркасе устанавливают шты­ри-ловители, а на шасси делают втулки, в которые входят штыри при вдвигании блока в корпус. Иногда блоки снабжают телескопическими направляющими, которые, раздвигаясь, поддерживают блок даже тог­да, когда он полностью выдвинут из проема корпуса. Это дает возмож­ность при необходимости производить осмотр и ремонт блока, не сни­мая его с корпуса полностью. Иногда блок закрепляют к корпусу перед­ней панели с помощью петель. Это также обеспечивает доступ к блоку без его снятия, когда он откинут на петлях. Для современных изделий, в которых широко применяют микросхе­мы, полупроводниковые приборы и другие малогабаритные детали, часто прибор компонуют из отдельных субблоков, конструкция которых была рассмотрена ранее. Для таких изделий обычно делают цельно­сварные бескаркасные корпуса. Например, если основой конструкции является легкосъемный субблок, показанный на рис.6.3, то блок раз­деляют на секции, в которых имеются направляющие устройства для каждого субблока. Элементы конструкции, разделяющие корпус на сек­ции, вместе с наружными стенками обеспечивают такой конструкции хорошую прочность и жесткость; при этом и масса корпуса получается малой. Обычно усиления приходится делать только в местах, где дейст­вуют местные повышенные нагрузки. Например, места крепления амор­тизаторов усиливают гнутыми угольниками из листового материала. Для изготовления сварных корпусов можно использовать углеродис­тую сталь 10КП, алюминиевые сплавы АМцА, АМг, Д16, нержавеющую сталь 1Х18Н9Т, титановый сплав ВТ1 и др. Выбор конкретной марки материала определяется требованиями к стоимости, массе, коррозион­ной устойчивости, механической прочности, магнитным свойствам и другим параметрам корпуса. 7. ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 7.1. Защита от механических воздействий Радиоэлектронная аппаратура, устанавли­ваемая на подвижных объектах, в процессе эксплуатации подвергается вибрации и ударам. В зависимости от характера объекта частота вибра­ций может лежать в диапазоне от единиц до тысяч герц, а перегрузки могут достигать десятков G. Многие элементы конструкции аппарата можно представить как колебательные системы. Каждая колебательная система характери­зуется собственной резонансной частотой f0. Поведение колебательной системы при воздействии на нее извне вибраций зависит от отношения частоты этих вибраций f к резонансной частоте f0. Например, плоскую пластинчатую пружину, входящую в состав многих электромагнитных реле, схематично можно представить в виде упругой балки, закреплен­ной консольно (рис.7.1, а). Рис. 7.1. Схема закрепления деталей: а – балка, закрепленная консольно; б – балка, закрепленная с двух концов; в – планка прямоугольного сечения; г – планка с отбортовкой. Если основание, в котором закреплена балка, совершает колебания в вертикальном направлении, то вместе с ним перемещается балка. Отношение амплитуды колебаний конца балки к амплитуде колебаний основания обозначим . Для простоты будем полагать, что потери на внутреннее трение в материале балки при ее деформации отсутствуют. Не приводя выводов, запишем формулу для : (7.1) где f – частота колебаний основания; f0 – собственная резонансная частота балки. График зависимости абсолютного значения от отношения при­веден на рис. 7.2 (кривая 1). На этом же рисунке показана зависимость от для случая, когда учитывается трение в колеблющейся системе (кривая 2). Рис.7.2. Зависимость коэффициента виброизоляции от частоты вибрации: 1 – при отсутствии затухания; 2 – при наличии затухания. Из графика видно, что если частота вынужденных колебаний f зна­чительно больше собственной резонансной частоты балки >>1), то <<1, т. е. конец балки колебаться практически не будет. Это зна­чит, что при каждом колебании основания балка изгибается так, что ее конец перемещается незначительно. Если вибрация основания действует длительно, то эта многократно повторяющаяся деформация приве­дет к появлению усталости в металле, в результате чего балка может сломаться. Если рассматриваемая в при­мере балка является пружиной электро­магнитного реле, то при воздействии ука­занной вибрации конец балки (контакт реле) перемещается относительно осно­вания, на котором закреплен второй кон­такт, и эта пара контактов самопроизволь­но размыкается (или замыкается), что при­водит к нарушению работы аппарата. Рассмотрим случай, когда частота вы­нужденных колебаний равна резонансной частоте ( =1). В этом случае > 1, т. е. амплитуда колебаний конца балки больше амплитуды колебания основания. Это превышение амплитуды тем больше, чем меньше трение в системе (чем меньше затухание или чем больше добротность колебательной системы). Так как в реальных конст­рукциях затухание обычно мало, то при резонансе амплитуда колеба­ний элементов конструкции получается большой, что приводит к быст­рому выходу их из строя. Рассмотрим теперь случай, когда (<<1). При этом 1, т. е. ко­нец балки совершает такие же колебания, как и основание. Так как в этом случае балка не деформируется, то и нет опасности ее повреждения при действии вибрации. Таким образом, при воздействии вибрации удовлетворительно могут работать только такие конструкции, у которых собственная резонансная частота выше, чем частота действующих на конструкцию вибраций. В связи с этим рассмотрим, от каких факторов зависит собственная резонансная частота f0 Например, для балки, показанной на рис. 7,1, а, она может быть вычислена по формуле (7.2) где k – числовой коэффициент, характеризующий способ закрепления балки (для случая, показанного на рис. 7,1, а, k=O,75); где l – длина балки; Е – модуль упругости материала, из которого она изготовлена; J – мо­мент инерции балки, зависящий от формы ее поперечного сечения (для прямоугольного сечения J = bh3). Для рассматриваемого примера резонансная частота может быть увеличена за счет увеличения размеров поперечного сечения, сокращения длины или за счет применения материала с большим модулем упругости. На рис. 7.1, б показана балка, закрепленная с двух концов. Для та­кой конструкции резонансная частота может быть вычислена также по формуле (7,2), только в этом случае в формулу нужно подставлять k = 1,88. Резонансная частота возрастет более чем в 6 раз. Из рассмотренного примера следует, что при конструировании дета­лей, имеющих форму балок, следует по возможности избегать консоль­ного крепления, если аппаратура будет работать при воздействии вибра­ций, особенно высокочастотных. Детали, имеющие большую длину, следует крепить не только по концам, но и в промежуточных точках. Существенного увеличения жесткости, а, следовательно, и резонансной частоты можно добиться без значительного увеличения массы за счет рационального выбора формы поперечного сечения, На рис. 7.1, в, г показаны два поперечных сечения планки. Планка, показанная на рис. 7.1, г, имеет отбортовку, что значительно повышает жесткость и резонансную частоту, Многие элементы конструкции (де­тали кожухов, печатные платы и др.) имеют форму пластин. Высокая резонансная частота у таких деталей получается тогда, когда они жестко закреплены по трем или четырем сторонам. Жесткость и резонансную частоту можно сильно увеличить, если ввести одну или несколько точек крепления в середине или снабдить деталь ребрами жесткости или вы­давками. Многие электрорадиоэлементы (сопротивления, конденсаторы, по­лупроводниковые приборы, микросхемы и др.) выполнены так, что при соблюдении определенных требований к закреплению могут нормально работать при вибрации с частотой до нескольких тысяч герц. При креплении этих элементов только за выводы, особенно если длина выводов велика, могут возникать резонансные явления, что приводит к поломкам элементов. Поэтому некоторые ЭРЭ дополнительно крепят за корпус к печатным платам или другим элементам конструкции, на которых они установлены. Хуже всего работают при воздействии высокочастотных вибраций такие устройства, как конденсаторы переменной емкости, электромагнитные реле, радиолампы (особенно крупногабаритные), электромеханические устройства и другие элементы конструкции, имеющие низкую резонансную частоту. В настоящее время количество таких элементов в аппаратуре при необходимости удается уменьшить, а в некоторых случаях – полностью отказаться от их использования, заменяя их чисто электронными схемами, построенными с применением полупро­водниковых приборов и микросхем. Необходимо отметить, что реальные конструкции, встречающиеся в практике конструирования, имеют, как правило, сложную конфигура­цию, и определение их резонансных частот расчетными методами связано с большими трудностями. Обеспечить работу радиоэлектронных устройств при наличии высокочастотной вибрации только за счет придания конструкции необходимой жесткости удается не всегда, а в ряде случаев это экономически или технически нецелесообразно. Тогда в конструкцию изделия вводят амортизаторы. В общем случае амортизатор – это пружинящий элемент, соединяющий аппарат с вибрирующим основанием: корпусом корабля, фюзеляжем самолета и т. д. (рис. 7.3). Рис.7.3. Схема прибора закрепленного на амортизаторах. 1 – прибор; 2 – амортизатор; 3 – вибрирующее основание. Конструктивно амортизатор выполняют так, что он может выдерживать действующие в течение длительного времени вибра­ционные деформации. Жесткость амортизаторов выбирают такой, чтобы в сочетании с массой амор­тизируемого изделия они образовывали колебатель­ную систему с низкой резонансной частотой, т.е. чтобы выполнялось условие f >>f0. Тогда в соответствии с формулой (7.1) и рис. 7.2 <1, т. е. амплитуда колебаний аппарата меньше амплитуды колебаний основания. Коэффициент называют коэффициентом виброизоляции. Из формулы (7.1) следует, что < 1, если f/f0>1,41. Чем больше отношение f/f0 , тем меньше значение и тем лучше виброизоляция. Учитывая, что фактическое значение f/f0 может отличаться от расчет­ного, а также то, что при f/f0 = 1,41 = 1, на практике обычно выбирают f/f0> 2,5. В самом общем случае изделие, закрепленное на амортизаторах, со­вершает сложные колебания, которые можно представить как сумму колебательных перемещений вдоль трех координатных осей и колеба­тельных вращений вокруг трех координатных осей. При этом расчет параметров колебаний оказывается сложной задачей. Для идеализи­рованного случая, если считать, что масса аппарата сосредоточена в его центре тяжести и одинаковые амортизаторы размещены симметрично относительно центра тяжести, частота собственных колебаний в верти­кальном направлении может быть вычислена по формуле (7.4) где Z0 - деформация амортизатора под действием массы аппарата, мм. Для рассматриваемого случая формула дает точный результат, если деформация амортизатора пропорциональна приложенной нагрузке. Рассмотрим влияние массы амортизированного аппарата и жесткос­ти амортизатора на качество виброизоляции. Жесткость амортизатора k будем характеризовать нагрузкой, которая вызывает деформацию амортизатора на 1 мм: откуда (7.5) где z0 – деформация амортизатора под действием массы аппарата Р0. Как следует из формулы (7.5), увеличение жесткости k или уменьше­ние массы Р0 приводит к уменьшению Z0; при этом [см. формулу (7.4)] частота собственных колебаний f0 увеличивается. При неизменной час­тоте вынужденных колебаний f отношение f/fo уменьшается и качество виброизоляции ухудшается. Наоборот, при уменьшении жесткости амор­тизатора k или увеличении массы аппарата Р0 качество виброизоляции улучшается. Используемые для виброизоляции амортизаторы всегда имеют тре­ние, вносящее затухание в колебательную систем. Затухание может создаваться внутренним трением в материале амортизатора или спе­циальными устройствами (демпферами), вводимыми в его конструкцию. В момент резонанса амплитуда колебаний аппарата будет иметь конеч­ное значение, тем меньшее, чем больше затухание в системе. График за­висимости коэффициента виброизоляции от f/f0 при наличии затухания приведен на рис. 7.2 кривая 2. В этом случае виброизоляция аппара­туры (< 1) также имеет место только при f/f0 > 1,41. Чтобы обеспечить боковую устойчивость объекта, его крепят на нес­кольких амортизаторах. Однако прежде чем приступить к размещению амортизаторов, необходимо найти положение центра тяжести аппарата. Здесь можно воспользоваться формулами из курса теоретической меха­ники (рис. 7.4): (7.6) Рис. 7.4. К расчету центра тяжести изделия где Р1, P2 ,..., Рi – массы всех блоков, из которых состоит аппарат, вклю­чая кожух и шасси; х1, х2, …, xl – координаты центра тяжести каждого блока относительно одной из произвольно выбранных взаимно перпен­дикулярных координатных осей (на рис. 7.4 относительно оси Х, сов­падающей с левой нижней гранью аппарата); x- координата центра тяжести всего аппарата относительно той же оси; y1 , y2, ... yn – коор­динаты центра тяжести каждого блока относительно второй оси Y, перпендикулярной оси Х; у – координата центра тяжести всего аппара­та относительно оси Y. Если амортизаторы расположить симметрично относительно центра тяжести аппарата, то нагрузка на все амортизаторы будет одинакова: Р1 = Ро/п, (7.7) где Р1 – нагрузка на каждый амортизатор; Р0 – масса аппарата; т – ­число амортизаторов. В технических условиях на амортизаторы приводится значение номи­нальной нагрузки, на которую рассчитан амортизатор каждого размера. Число амортизаторов и их размер должны быть выбраны так, чтобы фактическая нагрузка на амортизатор была близка к номинальной. Следует иметь в виду, что при увеличении числа амортизаторов и неизменной массе аппарата Р0 уменьшается нагрузка на каждый амор­тизатор. Если жесткость амортизаторов при этом остается неизменной, то деформация каждого из них уменьшается, что приводит к увеличению частоты собственных колебаний и ухудшению качества виброизоляции. До сих пор рассматривалась ра­бота амортизаторов только при вибрации. Был сделан вывод, что для улучшения защиты аппарата от вибрационных воздействий необходимо применять мягкие амортизаторы, которые при заданной массе объекта Р0 обеспечивают получение малого значения частоты собственных колебаний f0 , т. е. имеют большой про­гиб z0 под действием массы аппа­рата. При эксплуатации многих категорий аппаратуры (самолетной, ко­рабельной, автомобильной и др.) кроме вибрации могут иметь место удары. Действие удара сводится к тому, что основание, на котором закреплен аппарат, за короткий про­межуток времени приобретает боль­шую скорость, т. е. на него дей­ствует большое ускорение. Аппарат, жестко закрепленный на основании, испытывает такое же ускорение. Если аппарат закреплен на основании с помощью амортизаторов, то за счет их деформации скорость аппарата приобретает максимальное значение за большой промежуток времени, поэтому на него действует меньшее ускорение. В реальных конструкциях ход (деформация) ограничен. Сила, действующая на амортизатор, при достаточно большой перегруз­ке может вызвать его полную деформацию, после чего происходит жест­кое соударение устройств, ограничивающих ход. При этом на аппарат действует большое ускорение. Чтобы защитить аппарат от действия больших ударных перегрузок, необходимо применять более жесткие амортизаторы. Они, как известно, плохо защищают аппарат от воздействия вибраций. Таким образом, при необходимости защитить аппарат от воздействия вибрации и ударов к амортизатору предъявляют явно противоречивые требования. Эти противоречия разрешаются на практике использованием в одной кон­струкции двух амортизаторов: мягкого – для защиты от вибрации, жесткого – для защиты от ударов. Более жесткий (противоударный) амортизатор не должен включаться в работу, когда на аппарат действу­ют вибрационные перегрузки; при воздействии больших ударных пе­регрузок, после того как мягкий амортизатор деформировался на ве­личину своего рабочего хода, возникающие усилия должен восприни­мать противоударный амортизатор. Рассмотрим конструкцию и основные характеристики амортизато­ров, используемых в радиоаппаратостроении. Разновидность конструк­тивного оформления пластинчатого резинометаллического аморти­затора типа АП изображена на рис. 7.5 (там же показан способ закреп­ления аппарата на амортизаторах). Рис. 7.5. Амортизатор типа АП и его крепление. 1 – резиновая шайба; 2 – поверхность резиновой шайбы, воспринимающая ударные перегрузки; 3 – пластина; 4 – основание, на котором закреплен аппарат; 5 – втулка; 6 – ограничительные шайбы (ограничивают деформацию и предотвращают разрушение амортизатора при больших нагрузках); 7 – футляр аппарата; 8 – втулка, увеличивающая рабочий ход амортизатора. Упругим элементом указанного амортизатора является резиновая шайба 1 специальной формы, привулканизированная к металлической втулке и пластине. Резинометаллические амортизаторы просты по конструкции, ком­пактны, легки и имеют низкую стоимость. Однако резина как упругий элемент обладает рядом недостатков: • она плохо выдерживает большие длительные деформации; • жесткость резинового амортизатора резко увеличивается при понижении температуры (при t = – ЗОºС жесткость возрастает примерно в полтора раза, а при t = – 60ºС резиновые амор­тизаторы вообще непригодны для эксплуатации); • при высоких положи­тельных температурах (более + 80ºС), под действием солнечной радиа­ции резина «стареет» и в ней образуются поверхностные трещины. Амортизаторы АП выпускаются нескольких типоразмеров на но­минальные нагрузки от 0,54 до 15,75 кГ. Среднее значение деформации амортизатора любого размера Zo = 1,6 мм при номинальной нагрузке и t = 20ºС . При температуре окружающего воздуха – 45ºС и номиналь­ной нагрузке прогиб Zo min = 0,9 мм. На основании указанных данных можно определить низшую рабо­чую частоту, при которой указанные амортизаторы обеспечивают виб­роизоляцию от действия вертикальной вибрации. Для среднего значе­ния прогиба и номинальной нагрузки в соответствии с формулой (7.4) имеем: Поэтому виброизоляция обеспечивается только при частоте вибрации f>fо1,41 = 17,6 Гц. При изменении температуры окружающего воз­духа до – 45ºС жесткость амортизатора увеличится (Zo = 0,9 мм), и виброизоляция будет иметь место при f >23,5 Гц. Все перечислен­ные недостатки ограничивают область применения амортизатора типа АП. Недостатки резины заставляют отказаться от ее использования и применять металлические пружины. Однако недостатком пружин явля­ется очень малое собственное затухание, что требует применения в пружинном амортизаторе специального демпфера. В изображенном на рис. 7.6 амортизаторе типа АД упругим эле­ментом является спиральная пружина, сконструированная так, что при увеличении массы объекта входящие друг в друга витки пружины осажи­ваются на опорную пластину и вы­ключаются из работы. Это приводит к увеличению жесткости амортиза­тора, которую рассчитывают так, чтобы частота собственных колеба­ний менялась незначительно. Такие амортизаторы называют равно частотными. Применение их позволяет осуществлять амортизацию объек­тов различной массы при небольшом количестве типоразмеров амортизаторов. Пружина амортизатора заключена в резиновый баллон, име­ющий калиброванное отверстие, При деформации пружины воздух должен выходить через отверстие, за счет чего создается дополнительное за­тухание. Рис. 7.6. Амортизатор типа АД 1 – футляр аппарата; 2 – ограничительная шайба; 3 – калиброванное отверстие; 4 – резиновый фланец; 5 – пружина амортизатора; 6 – резиновый баллон; 7 – корпус амортизатора; 8 – опорная пластина. Амортизаторы типа АД, рассчи­танные на нагрузки от 0,25 до 15 кГ, выпускаются восьми типоразмеров, каж­дый из которых обладает равночастотностью при заданном диапазоне нагрузок. При этом частота собственных колебаний объекта лежит в пределах 7-9 Гц и виб­роизоляция начинается с частот 10-12 Гц. При использовании амортизаторов на вы­сотных самолетах, где давление окружающего воздуха в несколько десятков раз меньше нормального, степень демпфирования резко ухудшается. Один из недостатков амортизатора типа АД (зависимость степени демпфирования от свойств воздуха) устранен в аморти­заторах типа АФД (рис. 7.7) использованием демпфера с сухим тре­нием. Рис. 7.7. Амортизатор типа АДФ. В этом амортизаторе упругими элементами являются конические пружины 1 и 5, нижняя из которых имеет большую жесткость. Про­филь пружин рассчитан так, что амортизатор обладает равно частот­ностью. Диск 6 прижимается к корпусу распорной пружиной 7, благо­даря чему обеспечивается демпфирование колеблющейся системы за счет трения диска о корпус 4. Демпфирование при вибрации, дей­ствующей в горизонтальной плоскости, осуществляется за счет трения шайб 2 и 3 о диск 6. Для лучшего восприятия ударных нагрузок в нижней части амортизатора расположена упругая шайба 8, сплетенная из тонкой проволоки. Благодаря значительному демпфированию частотная характеристи­ка амортизатора АФД не имеет резко выраженного резонанса: частота собственных колебаний в осевом направлении лежит в пределах 13–17 Гц. Характеристики амортизаторов типа АФД практически не меня­ются с изменением температуры окружающего воздуха от –60 до+ 150ºС и при изменении давления и влажности воздуха в любых пре­делах. Амортизаторы с фрикционным демпфированием наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к виброзащите самолет­ной и других категорий аппаратуры. 7.2. Тепловая защита электронной аппаратуры. Большинство радиотехнических устройств, потребляя от источников питания мощность, измеряемую десятками, а иногда и сотнями ватт, отдают полезной нагрузке от десятых долей до единиц ватта. Остальная электрическая энергия, превращаясь в тепловую, выделяется внутри аппарата. Температура нагрева аппарата оказывается выше температу­ры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в окружающее пространство. Этот процесс идет тем интенсив­нее, чем больше разность температур аппарата и окружающей среды. При некотором значении температуры поверхности оказываются равными количество теплоты, отдаваемой в окружающее пространство, и количество теплоты, выделяемое внутри аппарата; наступает состояние теплового равновесия - температура нагрева в каждой точке аппа­рата стабилизируется. Установившееся значение температуры опреде­ляется количеством теплоты, выделяемой внутри аппарата, и интенсивностью процесса отдачи теплоты в окружающее пространство, а также температурой окружающей среды. Как было показано, надежность элементов радиоэлектронной аппа­ратуры сильно зависит от температуры окружающей среды. Для каждо­го типа элемента в технических условиях указывается предельная темпе­ратура, при превышении которой элемент нельзя эксплуатировать. Поэ­тому одна из важнейших задач конструктора радиоэлектронной аппара­туры состоит в том, чтобы обеспечить правильные тепловые режимы для каждого элемента. Передача теплоты от нагретого тела в окружающее пространство может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и радиации (лучеиспускания). Для аппаратов, находящихся в воздушной среде, кон­векция – это перенос теплоты перемещающимися частицами воздуха. Схема тепловых потоков воздуха при естественной воздушной конвек­ции для аппарата с кожухом, имеющим уплотнение, показана на рис. 7.8, а. В этом случае передача теплоты от любого элемента проис­ходит следующими путями: ­ Рис.7.8. Способы охлаждения аппаратуры: а – естественная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; б – естественная циркуляция воздуха через кожух с перфорацией; в – принудительная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; г – принудительная циркуляция воздуха через кожух с перфорациями; д – жидкостное охлаждение; 1– кожух; 2 – платы (шасси) с ЭРЭ; 3 – отверстия; 4 – двигатель; 5 – вентилятор; 6 – ввод от вентилятора; 7 – отражатели, распределяющие воздушный поток равномерно по поперечному сечению кожуха; 8 – жидкость 1) нагретый воздух поднимается вверх, омывает стенки кожуха, охлаждается о них и опускается вниз. Охлажденный воздух снизу посту­пает в пространство, содержащее элементы, выделяющие теплоту (ес­тественная конвекция); 2) по элементам конструкции часть теплого потока от каждого эле­мента достигает кожуха (теплопроводность); 3) часть теплового потока от нагретого тела передается кожуху за счет радиации. Вся тепловая энергия, полученная кожухом, передается им в окружаю­щее пространство также за счет конвекции, радиации и теплопровод­ности. В радиоэлектронной аппаратуре с искусственной конвекцией воз­духа часто не удается получить требуемых температурных условий для радиоэлементов. Тогда приходится прибегать к специальным мерам по снижению температуры. На рис. 7.8, б показана схема аппарата охлаждаемого за счет естест­венной вентиляции. Характерной особенностью такого аппарата являет­ся наличие в кожухе отверстий или жалюзи, через которые воздух из окружающего пространства может попадать в аппарат. В этом случае нагретый воздух, поднимаясь вверх, выходит из аппарата через отверстия в верхней крышке, а на его место снизу поступает воздух из окружающего пространства, имеющий более низкую температуру: окружающий воздух пронизывает аппарат снизу вверх. Такая схема теплоотдачи значительно эффективнее, чем показанная на рис. 7.8 ,а. Однако не во всех случаях можно делать отверстия в кожухе аппарата. Часто из-за ряда причин конструктор вынужден применять кожухи с уплотнением. Если зазоры между отдельными элементами конст­рукции (например, между печатными платами) малы, то скорость воз­душного потока при естественной конвекции оказывается также очень малой, что резко уменьшает количество теплоты, отдаваемой тепло­выделяющими элементами кожуху. В результате тепловые режимы элементов могут оказаться вне допустимых пределах. В данном случае применяют вентиляторы (рис.7.8,в), осуществляющие перемешивание воздуха внутри кожуха, что интенсифицирует процесс теплопередачи. Однако следует иметь в виду, что установка вентиляторов в малогаба­ритной аппаратуре может значительно увеличить ее размеры. Разме­щать вентилятор нужно так, чтобы выделяемая им тепловая энергия, (а она может быть соизмерима с энергией, выделяемой основными эле­ментами аппаратуры), не ухудшала теплового режима аппарата. На рис. 7.8, г показана схема принудительной вентиляции аппарата, ко­торая обеспечивает наиболее эффективное охлаждение его воздухом: специальный вентилятор прогоняет через аппарат воздух из окружаю­щей среды. Такая схема наиболее целесообразна, если радиоэлектрон­ное устройство будет установлено на объектах, где имеется централи­зованная система подачи воздуха. В ряде случаев такие централизован­ные системы подают в аппарат, осушенный и обеспыленный воздух. Во всех рассмотренных примерах теплопередача осуществлялась за счет использования воздуха в качестве теплоносителя за счет тепло­проводности через элементы конструкции и радиации. Однако воздух как теплоноситель имеет очень плохие характеристики. 3начителрно лучшими тепловыми параметрами обладают жидкости. Поэтому в мощ­ных радиоэлектронных устройствах иногда применяют жидкостные системы охлаждения. На рис. 7.8, д показан аппарат, внутренний объем которого заполнен жидкостью. Так как жидкость обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью чем газ, то передача теплоты от тепловыделяющих элементов кожуху происходит более интенсивно. Часть объема аппарата оставляют незаполненным жидкостью в связи с тем, что при нагревании она расширяется. Интенсифицировать жидкостное охлаждение можно принудительным перемешиванием жидкости специальным вентилятором или прокачиванием жидкости через специальный теплообменник, где она охлаждается. К числу жидкостных систем охлаждения относятся и системы с испарением. В этом случае объем аппарата заполняется жидкостью, имею­щей низкую температуру кипения. Тепловая энергия, выделяемая элементами аппаратуры, расходуется на парообразование, и температура жидкости поддерживается постоянной, равной температуре кипения. Следует отметить, что жидкостные системы охлаждения значительно усложняют конструкцию аппарата и применяются ограниченно. В силу того, что источники тепловой энергии (микросхемы, транзис­торы, реле, двигатели и др.) распределены по объему аппарата неравномерно и передача теплоты в разных направлениях также происходит с различной интенсивностью, точное определение температуры в каж­дой конкретной точке аппарата представляет собой сложную задачу, которую на практике решают приближенными методами. Одним из таких приближенных методов, позволяющим сравнительно просто дать оценку значению температуры внутри аппарата при удовлетворитель­ных погрешностях, является метод нагретой зоны. Сущность его заклю­чается в том, что часть объема аппарата, в котором расположены тепло выделяющие элементы, заменяется одним или несколькими условными телами, имеющими простую геометрическую форму (параллелепипед, цилиндр, шар). Каждое из этих условных тел называют нагретой зоной. Нагретую зону представляют как однородное тело с равномерно расп­ределенными источниками энергии, имеющее одинаковую температуру поверхности (изотермическая поверхность). Точно так же изотермичес­кой условно считают и поверхность кожуха, в который заключена нагре­тая зона. Рассмотрим, от каких физических факторов зависит количество теп­лоты, передаваемой в результате процесса теплопроводности, радиацией и конвекцией. Теплопроводность – способность тела передавать теплоту от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой температурой. Мощность, отдаваемая за счет теплопроводности однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение: , (7.8) где αт – коэффициент теплопроводности, зависящий от физических свойств материала, Вт/(м град); s – площадь поперечного сечения тела, м2; l – его длина, м; Δt – разность температур между концами теплопроводящего тела, град. Значения αт для некоторых материалов приведены в табл.7.1. Таблица 7.1. Значения коэффициента теплопроводности Наименование матер материала αт, Вт/(м·град) Наименование материала αт Вт/(м·град) Медь Алюминий Сталь Слюда 390 208 45 0,58 Пластмасса Картон Пенопласт Воздух 0,44 0,23 0,05 0,025 Входящий в формулу сомножитель αт s/l называют тепловой проводимостью, а обратную величину – тепловым сопротивлением Rт: (7.9) Теперь формула (7.8) может быть записана так: (7.10) Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для цепи с электрическим током I =ΔU/R. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяе­мыми в электротехнике формулами для параллельного и последователь­ного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру. Несколько примеров показаны на рис. 7.9. Рис.7.9. Эквивалентные схемы теплопроводящего тела с неоднородной структурой. а – последовательное включение теплопроводников; б – параллельное включение; в – комбинированное включение. Как видно из рисунка, между поверхностями А и Б, имеющими темпе­ратуры t1 и t2 (t1 - t2 = Δt), расположены несколько теплопроводящих тел, обладающих тепловыми сопротивлениями RlT, R2t, R3t . Общее тепловое сопротивление может быть вычислено: для случая а – по формуле: для случая б – по формуле: для случая в – по формуле: Чаще всего в процессе передачи теплоты от кожуха аппарата к окружающей среде роль теплопередачи незначительна. Это связано с тем, что площадь теплового контакта s между кожухом и основанием, на ко­тором он закреплен, всегда во много раз меньше площади кожуха. Однако в процессе отвода теплоты от отдельных элементов, рассеи­вающих большую мощность, к расположенным рядом элементам конст­рукции роль теплопроводности может быть решающей. Конвекция. Мощность (Вт), отдаваемая нагретой поверхностью за счет естественной конвекции, может быть определена по формуле (7.11) где αк – коэффициент теплообмена между поверхностью и окружающей средой, Вт/(м2трад); t – температура поверхности, град; tокр – темпе­ратура окружающей среды, град; s – площадь нагретой поверхности, м2. В этой формуле, так же как в (7.8), сомножитель 1/(αк s) можно обоз­начить тепловым сопротивлением RT. Значение αк зависит от большого количества факторов. В зависимости от характера движения теплоносителя различают четыре режима теплообмена: 1. Пленочный режим. У поверхности образуется почти неподвижная пленка нагретого теплоносителя. Теплообмен происходит за счет теплопроводности и радиации. Такой режим теплообмена имеет место при небольших температурных перепадах для тел с плавными очертаниями. 2.Закон степени 1/8 7. 12) где αк – коэффициент теплопроводности, Вт/(м2·град); А1–коэффи­циент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения; t – температура стержня, град; tокр – темпе­ратура окружающей среды, град; d – диаметр стержня, м. Такой режим имеет место при охлаждении тонких длинных стержней. Режим движения теплоносителя – ламинарный. Интенсивность теплообмена незначительная. 3. Закон степени 1/4 (7.13) где А2 – коэффициент, зависящий от физических свойств теплоносите­ля, его температуры и характера движения; L – определяющий размер тела (высота цилиндра или минимальный размер вертикальной стенки). Остальные обозначения те же, что и в формуле (7.12). При этом законе около охлаждаемых поверхностей происходит ин­тенсивное ламинарное и локонообразное движение теплоносителя. Ин­тенсивность теплообмена выше, чем при законе степени 1/8. 4. Закон степени 1/3 (7.14) где Аз – коэффициент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения. Остальные обозначения те же, что и в формуле (7.12). При законе степени 1/3 характер движения теплоносителя – вихре­вой, теплообмен наиболее интенсивный. Для плоских и цилиндрических поверхностей характер теплообмена определяется неравенством: (7.15) Если неравенство выполняется, то движение теплоносителя подчи­няется закону степени 1/4 [формула (7.13)], если не выполняется, то за­кону степени 1/3 [формула (7.14)]. Значения коэффициентов Аз и А2 приведены в табл. 7.2. Таблица 7.2. Значение коэффициентов А2 и А3 для воздуха tт 20 40 60 80 А2 1,38 1,34 1,31 1,29 А3 1,61 1,53 1,45 1,39 В табл. 7.2 tm = 0,5( t + tокр). Если плоская поверхность расположена горизонтально и отдает теплоту вверх, то полученное значение αк следует умножить на 1,3, если поверхность отдает теплоту вниз, то умножить на 0,7. Влияние давления может быть учтено умножением полученного зна­чения αк на коэффициент kр: (7.16) где Н – давление газа, охлаждающего поверхность, Па; Но – нормаль­ное давление (105Па); n – показатель степени в формулах (7.13) и (7.14) (1/4 или 1/3). Радиация. Всякое нагретое тело отдает часть выделяемой в нем теп­лоты в виде лучистой энергии. Если оно окружено другими телами, кото­рые не являются абсолютно черными, то часть получаемой ими тепло­вой энергии отражается. В зависимости от конфигурации и размеров тел какая-то часть отраженной энергии попадает обратно на теплоизлучающее тело. Такой процесс может повторяться многократно. Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определена по следующей формуле: (7.17) где Рл – излучаемая мощность, Вт; С0 – коэффициент излучения абсо­лютно черного тела: С0 = 5,67 Вт/(м2 град4); Т – температура нагрето­го тела, К; Tокр – температура окружающих тел, К; εn – приведенная степень черноты; s – поверхность тела, м2. Коэффициент εn зависит от относительной степени черноты ε теплоизлучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров. Значения относительной степени черноты ε различных тел в зависи­мости от характера обработки поверхности приведены в табл. 7.3. Как видно из таблицы, для большинства применяемых покрытий значение ε составляет 0,7 – 0,96. На практике часто встречаются случаи, когда лучистый теплообмен идет между двумя плоскопараллельными пластинами или когда нагретое выпуклое тело с площадью поверхности S1 заключено в оболочку с поверхностью S2, причем S1 ≥ 0,5S2. Таблица 7.3. Значения относительной степени черноты ε для некоторых поверхностей Поверхность ε Поверхность ε Полированный алюминий Алюминиевая краска Анодированный алюминий 0,05 0,25 – 0,67 0,7 – 0,9 Масляная краска ( любого цвета) Эмаль холодной сушки (любого цвета) 0,89 – 0,93 0,92 – 0,96 Для такой конфигурации тел и указанных значений εn приведенную степень черноты ε можно определить по формуле εn ≈ ε1 ε2 (7.18) где ε1 и ε2 относительная степень черноты нагретого и окружающих тел. Составив уравнение теплового баланса P =Pт+Pк+Pл (7.19) где Р – мощность, выделяемая в нагретом теле, Вт; Pт , Pк и Pл – опреде­лены формулами (7.8), (7.11), (7.17), можно определить установивше­еся значение температуры нагрева тела. Решить полученное уравнение относительно t (или Δt) в явном виде не удается, поэтому его приходится решать методом последовательных приближений. В радиотехнических устройствах тепловая энергия выделяется в от­ельных узлах и приборах, таких, как радиолампы, моторы, трансфор­маторы, резисторы, полупроводниковые приборы, микросхемы и т д. Ввиду того что указанные элементы размещены по объему аппарата неравномерно, в отдельных его точках получается концентрация тепловой энергии, сопровождаемая местными повышениями температуры при этом в тяжелых температурных условиях могут оказаться как сами источники нагрева, так и другие узлы и приборы, расположенные в непосредственной близости. Конструктор обязан принять меры к тому, чтобы температура нагрева для любого элемента не превышала допустимых значений. При решении этой задачи приходится идти по двум путям: снижение общей (средней) температуры нагрева аппарата и отвод теплоты от отдельных наиболее нагретых участков объема. Для охлаждения аппарата следует в первую очередь интенсифицировать процесс радиации за счет окраски как внутренней, так и наружной поверхности футляра темными красками, имеющими матовую или шеро­ховатую поверхность. Интенсификация как радиации, так и конвек­ции может быть достиг­нута при некотором уве­личении объема аппара­та, если увеличить по­верхность теплоотдачи за счет размещения на фут­ляре ребер. Указанные ребра нужно изготавли­вать из материала с хоро­шей теплопроводностью; они должны иметь хороший тепловой контакт с поверхности футляра. Пример выполнения футляра с ребрами приведен на рис 7.13, а. Рис. 7.13. Футляр: а – с ребрами; б – с жалюзи. Наоборот, узлы и приборы, которые нужно защитить от теплового воздействия со стороны соседних нагревающихся устройств, должны иметь светлую блестящую поверхность. С целью дополнительной защиты таких устройств можно между ними и источниками нагрева установить тепловые экраны с хорошей теплопроводностью тщательно соединенные с шасси и имеющие гладкую блестящую поверхность (например, из алюминия). Пример выполнения экрана при­веден на рис. 7.14. Расположение сильно на­гревающихся элементов по краям шасси в непосредственной близости от стенок футляра улучшает отдачу теплоты от этих элементов к стенкам и способствует понижению температуры внутри аппарата. Около наиболее нагретых узлов и приборов в шасси можно делать отверстия: холодный воздух из-под шасси будет поступать к источ­никам теплоты и охлаждать их. Рис. 7.14. Схема охлаждения: 1 – шасси; 2 – футляр; 3 – узел защищенный от нагрева; 4 – тепловой экран; 5 – нагревающий узел (стрелками показано направление конвекционного потока воздуха). Если снабдить стенки футляра жалюзи или отверстиями (см. рис. 7.13, б и 7.14), то будет иметь место циркуляция воздуха непосред­ственно внутри аппарата, что снизит температуру узлов и приборов. Отверстия следует располагать в нижней и в верхней частях футляра аппарата так, чтобы восходящие потоки воз­духа омывали большую поверхность нагревающихся элементов. Охлаждение происходит тем интенсивнее, чем больше зазор между расположенными по соседству узлами и приборами. При работе аппа­ратуры на большой высоте теплоотдача за счет конвекции уменьшается из-за уменьшения плотности и теплоемкости воздуха. Следует иметь в виду, что введение отверстий или жалюзи недопустимо в аппаратуре, работающей в условиях запыленного воздуха, а также если внутри фут­ляра расположены незащищенные от воздействия пыли точные механиз­мы, контакты реле, элементы схемы с высокими напряжениями и другие устройства, работа которых может быть нарушена осаждающейся пылью. Если перечисленные меры не позволяют получить требуемые значения температуры внутри аппарата, то следует увеличить его объем или перейти к более сложным, но и более эффективным системам охлажде­ния, которые были рассмотрены (принудительная циркуляция воздуха, жидкостные системы охлаждения). Большая часть тепловой энергии от нагревающихся элементов пере­дается шасси аппарата. С целью отвода теплоты от горячих зон конструк­цию шасси следует делать максимально теплопроводной (например, из алюминия). Теплоту, накапливающуюся в шасси, следует отводить в окружающее пространство, для чего шасси должно иметь хороший тепловой контакт с одной из стенок футляра. Если на передней панели не располагаются термочувствительные элементы, то целесообразно наиболее сильно нагревающиеся узлы и приборы располагать в непосредственной близости от нее. Это создает наиболее короткий путь для теплового потока и уменьшает распростра­нение теплоты в другие участки шасси, где могут располагаться термо­чувствительные элементы. Наиболее интенсивно нагревающиеся узлы и приборы, температуру нагрева которых желательно снизить, должны иметь хороший тепловой контакт с шасси; они должны соединяться с шасси устройствами из ма­териалов с хорошей теплопроводностью. Поверхности таких узлов и приборов должны быть выкрашены темной матовой краской. Если силь­но нагревающийся элемент заключен в экран, то его внутренняя и наруж­ная поверхности также должны быть окрашены в темный цвет. Радиаторы. Радиаторами называют устройства, предназначенные для отвода теплоты oт отдельных сильно нагревающихся устройств (обычно полупроводниковых приборов средней и большой мощности) в окружающее пространство. Чтобы радиатор эффективно выполнял свои функции, он должен обладать следующими свойствами: • тепловое сопротивление в месте контактирования источника тепловой энергии (например, корпуса транзистора) с радиатором должно быть минимальным; • поверхность радиатора, отдающая теплоту окружающему воздуху, должна быть максимально возможной; • тепловое сопротивление радиатора должно быть минимальным. На рис. 7.15 показаны три варианта конструкции радиатора: • штырьковый, • с ребрами в виде пластин и без ребер. Рис. 7.15. Радиаторы: а – без ребер; б – пластинчатый; в – штырьковый. Штырьковый радиатор обладает наиболее развитой поверхностью и поэтому может обеспечить требуемую температуру корпуса полупроводникового прибора (ППП) при минимальных габаритах радиатора. Наихудшей теплоотдачей в окружающее пространство обладает радиатор без ребер; радиатор с ребрами в виде пластин занимает промежуточное положение между двумя названными. Чтобы иметь малое тепловое сопротивление между корпусом ППП и радиатором, необходимо обеспечить большую площадь соприкосновения двух деталей. Поэтому поверхность радиатора в месте соприкосновения с ППП тщательно обрабатывают, так как микронеровности поверхности резко сокращают фактическую площадь теплового контакта. Иногда между двумя телами, которые должны иметь хороший тепловой контакт, устанавливают прокладку из мягкого и хорошо теплопроводящего материала (например, из отожженной меди) или вводят специаль­ные теплопроводящие пасты. Для контакта без прокладок и пасты при­ближенно: (7.20) где R1T – тепловое сопротивление, град/Вт; SK – площадь контактной поверхности двух тел, см2. Воспользовавшись формулой (7.10), можно найти превышение тем­пературы корпуса ППП над температурой радиатора в месте установки ППП: (7.21) где Δt1 – превышение температуры, град; Рт – выделяемая в ППП мощ­ность, Вт. Бывают случаи, когда ППП, установленный на радиаторе, должен быть изолирован от него. В этом случае приходится устанавливать меж­ду корпусом ППП и радиатором изоляционные прокладки. Пример крепления ППП через изоляционную прокладку показан на рис. 7.16. Рис. 7.16. Крепление мощного полупроводникового диода: 1 – диод; 2 – изоляционная шайба; 3 – центрирующая изоляционная втулка; 4 – контактный лепесток. Следует иметь в виду, что любая изоляционная прокладка увеличи­вает тепловое сопротивление между корпусом ППП и радиатором. Например, прокладка из слюды толщиной 0,025 – 0,05 мм увеличивает R г в 1,5 раза. Лучшие результаты дает использование прокладок из бериллиевой керамики. Если схема и конструкция позволяют, то следует при необходимости изолировать сам радиатор от шасси изделия, а ППП – крепить к радиа­тору без изоляционных прокладок. Тепловое сопротивление радиатора R2Т зависит не только от конфи­гурации (штырьковый, пластина и т. п.) и размеров, но и от конструктивно­го исполнения. Имеют минимальное тепловое сопротив­ление, т. е. наиболее эффективно отводят теплоту от корпуса ППП, радиаторы, вы­полненные из материала с хорошей теплопроводностью и имеющие монолитную кон­струкцию. Поэтому обычно радиаторы делают методом литья из алюминиевых, маг­ниевых и других сплавов. Чтобы тепловая энергия, отдаваемая радиатором в окружаю­щее пространство, не ухудшала условия ра­боты других ЭРЭ, радиаторы стараются раз­мещать вне объема корпуса, на его наруж­ной стенке. Термостатирование. В ряде случаев при конструировании аппаратуры требуется получить такую стабильность параметров при изменении температуры, которую невозможно осуществить при современном уровне развития техники радиодеталей. В этом случае части конструкции, определяю­щие стабильность параметров всего аппарата, помещают в термостат, где поддерживают определенную, задан­ную температуру. Принцип устройства такого термостата показан на рис.7.17. Внутри рабочей камеры находятся термостатируемые детали и датчик тем­пературы. Датчиком температуры яв­ляется биметаллическая пластина с контактом, которая изгибается при из­менении температуры окружающей среды. Биметаллическая пластина от­регулирована так, что контакты 12 и 13 разомкнуты, когда температура внутри рабочей камеры равна выбранному зна­чению t0 или больше его. Если тем­пература внутри камеры меньше to, то контакты 12 и 13 замкнуты. В этом случае через специальное реле вклю­чается подогревающее устройство, ко­торое нагревает рабочую камеру до температуры t0, после чего контакты размыкаются. Таким образом осуществ­ляется управление температурой внут­ри термостата. Рабочая камера должна иметь хо­рошую тепловую изоляцию от окру­жающей среды. В примере, показан­ном на рис. 7.17, для термоизоляции служит сосуд Дюара. В качестве подо­гревающего устройства можно исполь­зовать проволоку из высокоомного сплава, например из нихрома. Термо­стат такой конструкции может поддер­живать требуемую температуру с точностью ± (1 – 2)°С. Рис. 7.17. Конструкция термостата: а – термостат; б – биметаллический датчик температуры (находится внутри рабочей камеры); 1 – крышка; 2 – корпус; 3 – рабочая камера; 4 – центрирующие кольца; 5 – сосуд Дюара; 6 – внутренний стакан; 7 – наружный стакан; 8 – обмотка подогревателя; 9 – биметаллическая пластина; 10 – неподвижная пластина; 11 – регулировочный винт; 12, 13 – контакты. В рассмотренном примере температуру t0 внутри термоса при­ходится выбирать выше максимальной температуры, которая может быть внутри аппарата при любых условиях эксплуатации. Например, если аппарат будет эксплуатироваться при температуре до 60°С, а за счет собственного нагрева температура внутри кожуха может достигать 70°С, то температуру внутри термостата нужно выбрать не менее 70°С. Наличие такой высокой температуры является основным недостатком термостатов с подогревными устройствами, так как термостатируемые детали все время работают при повышенной температуре, что снижает иx надежность. Кроме того, постоянно нагретый термостат повышает температуру нагрева аппарата, в котором он установлен. От этого недостатка свободны термостаты, в которых заданная температура поддерживается с помощью полупроводниковых термобата­рей. Такие батареи обладают способностью выделять теплоту, когда через них пропускают ток в одном направлении, и поглощать теплоту, когда ток пропускают в противоположном направлении. С помощью полупроводниковых батарей в термостате можно поддерживать темпе­ратуру, которая может быть ниже температуры окружающей среды. В качестве термочувствительных элементов часто используют не биметаллические пластины, а терморезисторы, которые меняют свое сопротивление при изменении температуры окружающего воздуха. В ряде случаев, например при конструировании высокостабильных кварцевых генераторов, требуется поддерживать определенную темпе­ратуру внутри рабочего объема с точностью до 0,01 – 0,001 °С при из­менении температуры окружающей среды от т – 60 до +70°С. В этом слу­чае делают двойной термостат. Внутри первого («грубого») термостата поддерживают температуру с точностью (0,5 – 2)°С, при этом внутри второго термостата удается поддерживать температуру с высокой точ­ностью. 7.3. Влагозащита аппаратуры. Многие категории радиоэлектронной аппаратуры в процессе эксплуата­ции могут оказываться в условиях, при которых относительная влаж­ность воздуха достигает 98%. Если при конструировании аппаратуры не предприняты специальные меры, то воздействие повышенной влажности будет сильно влиять на параметры изделия или даже приводить к полному выходу его из строя. Влагоустойчивость изделия обеспечивают главным образом за счет применения влагоустойчивых ЭРЭ и элементов конструкции. Для многих элементов радиоэлектронной аппаратуры (полупровод­никовых приборов, микросхем, многих конденсаторов и др.) защита от влаги может достигаться только полной герметизацией, путем поме­щения в запаянный или заваренный корпус или покрытием их толстым слоем специальных влагозащитных материалов. В процессе производ­ства некоторых типов ЭРЭ до установки в герметичный корпус их при­ходится хранить в специальных условиях, исключающих воздействие влаги. В силу перечисленных причин почти все ЭРЭ имеют индивидуаль­ные средства защиты от влаги. Эффективная защита от влаги непосредственно самого изделия, как правило, приводит к тому, что защищаемое изделие становится неремон­топригодным. Так как большинство ЭРЭ в процессе эксплуатации все равно не ремонтируют (в случае выхода из строя их заменяют новыми), то защита от влаги отдельных ЭРЭ не ухудшает ремонтопригодность радиоэлектронной аппаратуры. Таким образом, основные усилия раз­работчика должны быть направлены на правильный выбор ЭРЭ и защи­ту от влаги элементов конструкции, механизмов, деталей из изоляцион­ных материалов и др. Для обеспечения влагоустойчивости металлических деталей их под­вергают покрытию или изготавливают из коррозионно-устойчивых материалов (например, из нержавеющей стали). При изготовлении деталей из изоляционных материалов следует учитывать, что у большинства из них сопротивление изоляции при воз­действии влаги сильно уменьшается. Поэтому если сопротивление изо­ляции является лимитирующим фактором, при конструировании таких деталей надо предпринимать специальные меры. Например, конструи­руя печатную плату, надо следить, чтобы рядом не проходили два про­водника, между которыми должно быть большое сопротивление изоля­ции. Для дополнительной защиты от влаги детали из изоляционных ма­териалов покрывают специальными влагозащитными лаками, например УР-231. Защита получается эффективной, если деталь покрыта лаком несколько раз. В ряде случаев, если допускают тепловые режимы ЭРЭ, для аппарату­ры применяют корпуса с уплотнением и влагопоглотителями. Такой способ достаточно эффективно защищает от влаги наземную и корабель­ную аппаратуру. При работе аппаратуры в условиях влажного тропического климата, на некоторых деталях и узлах могут развиваться грибки. В наиболь­шей степени воздействию грибков подвержены детали, изготовленные из органических материалов. При интенсивном разрастании гриб­ков резко ухудшаются свойства изоляционных материалов, а при длительном их воздействии может происходить разрушение материала. Поэтому для аппаратуры, которая будет работать в тропических усло­виях, не следует применять материалы, являющиеся питательной средой для различных культур грибков. К этой категории относятся бумага, картон, фибра, ткани, слоистые пластики на основе бумаги и ткани, пластмассы с древесным и целлюлозным наполнителем, аминопласты и др. Такие материалы могут применяться, если они обработаны специаль­ными антисептическими составами. Хорошо выдерживают тропические условия материалы неорганического происхождения на основе слюды, стекловолокна, фторопласта, кремнийорганических или фенолформальдегидных смол и др. ЛИТЕРАТУРА 1. Аксенова И.К., Мельников А.А. Основы конструирования радиоэлектронных приборов. – М.: Высшая школа, 1986. 2. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Высшая школа, 1985. 3. Кулагин В.В. Основы конструирования приборов. – Л.: Машиностроение, 1982. 4. Соломахо В.Л. , Цитович Б.В. Основы стандартизации, допуски, посадки и технические измерения. – Мн.: Дизайн, 2004.