Основы проектирования ЭС

Кафедра «Персональной Электроники» для студентов направления 210200 « Проектирование и технология электронных средств» доцент, кандидат технических наук Колуков В. В. ЛЕКЦИИ по дисциплине: «Основы проектирования ЭС». Дубна 2011г ПЛАНЫ ЛЕКЦИЙ: План каждой лекции представлен заголовками подразделов, имею­щи­ми­­ся в текстах лекций. Вводная часть каждой лекции (Введение) отражает краткое изложение материала лекции и связь с предыдущим материалом. Заключительная часть лекции (Заключение) отражает краткие выводы по теме лекции, вопросы по сути лекции и рекомендации по освоению мате­риала (ссылки на литературу и другие источники, а также на сложные и клю­чевые моменты в лекции) – до 5 мин. На введение и заключение предусматривается отводить не более, чем по 5 минут учебного времени ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ. Тексты лекций полностью соответствуют программе дисциплины и по существу представляют собой учебное пособие «Основы методологии проектирования и конструирования РЭС» с дополнениями и изменениями . Автор Колуков В.В. Содержание Глава 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ – 3 Глава 2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОСТРОЕНИЕ РЭС – 7 Глава 3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ ПОСТРОЕНИЯ РЭС - 39 Глава 4. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - 50 Глава 5. ФАКТОРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ "ЧЕЛОВЕК-МАШИНА" - 59 Глава 6. УНИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ И КОМПОНОВКА РЭС - 72 Глава7. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС - 96 Глава 8. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС - 110 Глава 9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС - 122 Глава 10. ВЛАГОЗАЩИТА И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РЭС - 144 Глава 11. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ РЭС - 154 ЛИТЕРАТУРА - 157 УДК 621.396.6 В. В. Колуков Основы методологии проектирования и конструирования РЭС: учебное пособие для ВУЗов – М., 2000 г. – 191 с.:ил. По мере развития электроники достаточно отчетливо проявились две главные тенденции. Первая – расширение сферы использования радиоэлектронных средств, а вторая – уменьшение сроков их морального старения. В связи с этим все большее значение приобретает развитие и совершенствование конструкций РЭС и процесса их создания. Однако в теории и практике проектирования и конструирования РЭС в настоящий момент нет единообразия в системе взглядов на методологию проектирования. Настоящее пособие посвящено рассмотрению методологических принципов проектирования и их применению при решении основных задач проектирования конструкций РЭС. Основная особенность рассматриваемой концепции проектирования состоит в достаточно строгом и общем представлении логики процесса проектирования, что позволяет объективировать интуитивные и эвристические знания о нём и систематизировано излагать содержание и суть процесса, а также методы и средства проектирования. Пособие предназначено для студентов обучающихся по специальностям 20.08.00, 22.05.00 и родственных с ними. Оно может быть полезно как при изучении теоретического материала курсов “Основы проектирования РЭС (часть 1)”, “Конструирование РЭС (ЭВС)” и близким их, так и при курсовом и дипломном проектировании, а также при выполнении студенческих исследовательских работ. Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области автоматики, электроники, микроэлектроники и радиотехники. Рецензенты: Д. т. н., профессор МГУПИ Шкатов П. Н. \ Глава 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ . Во вводной части курса есть смысл рассмотреть следующие вопросы: • цель и особенности дисциплины в системе подготовки по специальности 20.08; • основные понятия и определения курса; • содержание, структура и план изучения. 1.1. Цель, задачи и особенности курса. Для ответа на поставленные в начале вопросы необходимо указать, что "изучается в данном курсе", т.е. каков объект изучения? Ответ прост и лежит в самом названии дисциплины: • проектирование (процесс, совокупность действий по достижению поставленных задач); • радиоэлектронное средство (РЭС) Кроме того, необходимо разобраться и с теми методами и средствами, с помощью которых выполняется процесс проектирования. Рис. 1.1. Объект изучения. Достаточно очевидно, что все составляющие изучаемого объекта взаимосвязаны. Действительно, если изменяется РЭС, то, очевидно, будет меняться и процесс ее создания в общем случае. И наоборот, если изменить процедуру создания аппарата, изменится результат, т.е. само РЭС. Следовательно, нельзя отрывать изучение РЭС от изучения процесса его создания и наоборот. Теперь можно сформулировать цель дисциплины: Цель курса - изучение в комплексе (в единстве) РЭС, процессов проектирования, методов и средств и их взаимного влияния. Итак, цель дисциплины - изучение названного объекта. А что является результатом изучения? Результат изучения в общем случае состоит в получении: • знаний об объекте изучения; • умений использовать знания на практике; • навыков по применению знаний и умений. Значит, идеальная цель курса - дать знания, умение и навыки проектирования конструкций РЭС. Каковы же задачи курса? Для того чтобы достигнуть цель необходимо пройти некоторый путь и преодолеть множество препятствий. Вот эти препятствия и являются " задачами курса. Задач курса множество: • изучение конструкций отдельных модулей и РЭС в целом; • изучение способов соединения модулей; • изучение критериев конструирования и способов их обеспечения и т.д. Разработать конкретную конструкцию РЭС - это значит разрешить ряд конкретных задач вполне определенным способом, т.е. конкретная задача требует определенного способа решения. Можно ли тогда говорить об общем в решении, общем подходе к конструированию РЭС? Да. Это общее есть методология решения, логика в организации решения, в организации средств и методов. Таким образом главной задачей курса является изучение методологии конструирования - системного подхода. В курсе в дальнейшем будет раскрыто понятие системного подхода, а сейчас достаточно следующего: системный подход - это когда задачи ставятся комплексно, вместе, в единстве, и разрешаются также с учетом их взаимодействия. Системный (многозначный, множественный) подход к задаче с философской точки зрения представляет собой реализацию диалектического метода познания в естествознании и технике. Подобное мироощущение было характерно для древних философов и ученых, рассматривавших природу как единое целое. Затем этот метод познания мира уступил место формальнологическому методу. Почему именно системный подход? Может быть какие-то другие? Рассмотрим существо и особенности курса. ОП РЭС - дисциплина готовящая специалиста к выполнению одной из основных видов инженерной деятельности - проектной. А особенность инженерной деятельности состоит в целостности, комплексности, в системности восприятия задачи. Об этом было сказано выше, а теперь проиллюстрируем то же примерами. ПРИМЕР 1. До определенного времени механиков и изобретателей называли "художниками", подчеркивая тем самым, что они также тонко чувствуют гармонию, связь между отдельными частями целого, единого мира. Гениальные художники были и великими инженерами (Леонардо да Винчи, например) "Умение видеть вещи в тесном сплетении с другими и окружающей средой …" - так и сейчас некоторые специалисты определяют основное качество разработчика новой техники. ПРИМЕР 2. Компания "Белл" однажды освободила на несколько месяцев лучших работников ("генераторов идей", руководителей) для знакомства с гениальными произведениями мирового искусства. Цель - подтолкнуть к действительно творческому мышлению, развить системное восприятие мира, научиться но новому оценивать известные вещи. Однако, та же компания "Белл" и показала недостаточный учет множества факторов, определяющих необходимость разработки новых РЭС, когда более тридцати лет назад подготовила к выпуску на рынок видеотелефон, который, по неизвестным тогда причинам, потребителями был отвергнут. ПРИМЕР 3. Как воспринимают радиоэлектронный аппарат "плохие" инженеры различных специальностей? Рис.1.2. РЭС с различных точек зрения. Из последнего примера очевидны ограниченность односторонних представлений о РЭС и необходимость комплексного, системного подхода к РЭС и процессу ее создания. Конечно, системный подход много сложнее того, что изображено на рис. 1.2. Нельзя забывать, что "системный подход - применение диалектического метода философии для инженерного дела". В учебном плане специальности множество специальных дисциплин (более 15). Их условно можно разделить на две группы: 1) изучающие РЭС и процесс ее создание в комплексе; 2) изучающие отдельные стороны РЭС. Во второй группе изучаются отдельные задачи конструирования и методы и разрешения. На них базируются дисциплины первой группы, которые дают общее комплексное понимание РЭС как сложного объекта, т.е. в учебном плане заложена возможность изучения РЭС с системных позиций. И одну из ведущих ролей играет в этом изучаемая дисциплина. 1.2. Основные понятия дисциплины. Значительная часть курса посвящена анализу конструкции и процесса проектирования РЭС. А что значат данные термины и скрытые за ними понятия? Отвечая подробно на эти вопросы в следующих разделах, сейчас укажем, что в теории и практике конструирования РЭС в настоящий момент нет полного единообразия в толковании характера и содержания понятий "проектирование", "конструирование" и "конструкция" РЭС. Поэтому в дальнейшем указанные вопросы рассмотрены на основании использования наиболее общего понятийного и методологического аппарата теории систем. Известно, что изучить какую-либо предметную область знаний можно тогда, когда полностью освоено множество П понятий П1,П2,…Пi,…Пk, составляющих предметную область, выявлены и изучены связи между ними и окружающей средой, а также определена область применения множества П (например, перечень решаемых задач). В данном курсе множество понятий П довольно большое, но особенность его в том, что некоторые из них уже встречались в других курсах. Например, основные понятия, такие как "РЭС", "проектирование РЭС", "конструирование РЭС", "электрическая схема РЭС", "конструкция РЭС" и т.д.. Некоторые понятия будут встречаться впервые: "структурный синтез", "параметрический синтез", "экспертная система", "база знаний" и т.д.. Другой особенностью множества П понятий дисциплины является отсутствие их четких и однозначных определений. Причина в том, что отсутствует в настоящее время законченная теория проектирования вообще и теория конструирования РЭС, в частности. В данном курсе используется методический прием для определения неоднозначно формулируемых понятий: "от общего - к частному". Таким образом понятие "конструирование РЭС" должно формулироваться как частный случай понятия "проектирование РЭС"; а "конструкция РЭС" - частный случай понятия "РЭС" и понятия "техническая система". Основные понятия "проектирование РЭС", "конструирование РЭС" и др. в данной дисциплине базируются и раскрываются как на уже известных в той или иной мере понятиях ("электрическая схема РЭС", "электрорадиоэлементы" и т.д.), так и на еще не известных ("топологическое проектирование", "классы и группы РЭС", "отношения внутри РЭС" и т.д.) 1.3. План изучения курса. Оценивая дисциплину ОП РЭС как введение в профессию, рассмотрим теперь, что же необходимо современному инженеру изучать, исходя из требований профессии. Очевидно специалист должен обладать целым рядом качеств. Они существенно определяются спецификой труда инженера. Полагаем, что в целом инженерный труд может быть разделен на исследовательский (инженер-исследователь), эксплуатационный (инженерэксплуатационщик) и проектный (инженер-разработчик, проектировщик, конструктор) труд, а также специалист по маркетингу и консалтингу в радиоэлектронике. На наш взгляд, профессиональные качества, необходимые специалисту, могут быть условно сведены к следующим: 1) Способность создавать (изобретать) новые объекты: идеи, принципы, методы, аппараты, техпроцессы. "Инженер" - буквально "изобретательный". 2) Способность анализировать известный объект (систему, процесс, принцип…). 3) Способность принимать решение, в общем случае, в условиях неопределенности. 4) Глубокое знание конкретной инженерной специальности, проникновение в область технических знаний радиоинженера. 5) Широкое овладение основными научными знаниями на уровне понимания (знакомства) основных проблем и идей других научных дисциплин, способность их освоить в случае необходимости (например, знание всеобщего метода познания - диалектического метода). Для радиоконструктора круг таких дисциплин широк - от физики твердого тела и до философских методов познания. 6) Владение современными средствами проектирования, в первую очередь - способность успешно применять математические методы, вычислительные методы, средства САПР, управленческие методы и т.д. для достижения цели. 7) Способность передавать полученную информацию обществу, т.е. выражать мысль четко и убедительно, устно, письменно и графически. Овладение особым языком проектировщика - черчением. Кроме сугубо профессиональных необходимы и социальные качества личности: коллективизм, последовательность, принципиальность, доброжелательность и т.д.. Любой инженер, специалист работает в коллективе и законы коллективистской жизни требует своих качеств. Краткий анализ перечисленных групп позволяет сделать вывод о том, что: • первые три вида качеств являются главенствующими, хотя без поддержки их остальными невозможно ожидать полноценного "идеального" профессионала; • не все качества воспитываются, приобретаются в процессе обучения; например, способность изобретать и социальные качества конструктора непосредственно в вузе не развиваются. А теперь можно оценить содержание и план изучения дисциплины. Дисциплина по содержанию делится на четыре части: • во введении дается мотивация изучения курса; • первая содержательная часть посвящена методологии (основам теории) проектирования и конструирования РЭС; • во второй части рассматриваются типовые конструкторские задачи и методы их решения; • третья, заключительная часть, представляет собой рассмотрение основ современных информационных технологий проектирования РЭС. Таким образом, в содержании и плане изучения сделана попытка сформировать комплекс качеств профессионала -специалиста. Введение и две первых части курса изучаются в одном семестре, а третья часть- в другом . Контрольные вопросы. 1. Что является объектом изучения курса? 2. Цель и задачи курса ОП РЭС. 3. Необходимость системного подхода при изучении. 4. Особенность курса по сравнению с другими, изучаемыми в рамках подготовки по специальности 20.08. 5. Суть системного подхода в технике. 6. Основные понятия дисциплины. 7. Содержание и план курса. 8. Группы качеств, необходимых современному инженеру-проектировщику РЭС. 9. Что из необходимых профессиональных качеств конструктора приобретается в вузе, а что нет? Глава 2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОСТРОЕНИЕ РЭС. Часть курса, рассмотрение которой начинается с данного раздела, посвящена, как указывалось ранее, общим теоретическим представлением об объектах изучения. Необходимо получить ответы на следующие вопросы: "Как правильно проектировать РЭС?", "Какова должна быть при этом логика действий?". Кроме того, нужно четко определить, что же такое "РЭС", "проектирование", "конструирование", т.е. дать определения и раскрыть указанные понятия. 2.1. Требования и принципы методологии проектирования РЭС. Ранее было указано, что одним из главных является вопрос "Как правильно, с хорошими результатами проектировать РЭС?". Известно, что для получения высокого результата в деятельности необходимо, по крайней мере, знать и владеть приемами, методами достижения цели. А в сложной ситуации - взаимообусловленной совокупностью, системой методов и средств - методологией деятельности. Необходимо отметить, что процесс разработки методологии проектирования и конструирования РЭС, в частности, сейчас еще продолжается. Методология - это учение о логической организации, методах и средствах какой-либо деятельности; • это логика познания чего-либо; • это логика использования методов, моделей, средств для достижения необходимого результата. Для случая проектирования РЭС можно даже без специального исследования представить основные требования к методологии: 1) общность - возможность использовать ее для широкого класса задач проектирования; 2) эффективность - возможность получать высокое качество проекта РЭС при ее использовании в короткие сроки с приемлемыми затратами. Оценивая с указанных позиций состояние теории и практики проектирования конструкций РЭС можно сделать вывод об отсутствии такого рода методологии проектирования в законченном виде. До сих пор понятие конструирование РЭС является не раскрытым в той степени, которой требует современное состояние радиоэлектроники, например, в сравнении со знаниями о смежных с ним понятиях системотехники и схемотехники. Практическое радиоаппаратостроение подошло к этапу, когда отставание в методологии проектирования, в развитии системы взглядов на конструирование РЭС, отсутствие достаточно строгой теории проектирования и конструирования тормозят общее развитие радиоэлектроники. В настоящее время делаются попытки придать методологическую стройность и относительную завершенность современным воззрениям на конструирование РЭС, развивая концепции инженерного проектирования (ИП). Представляется в этой связи, что решать вопрос об общей эффективной методологии конструирования РЭС надо с выявления и раскрытия основных принципов современного конструирования и проектирования. Не претендуя на завершенность перечня принципов, можно указать два из них: 1) системность, комплексность рассмотрения процесса, объекта и средств проектирования; 2) органическое, имманентное сочетание различных по характеру видов деятельности (строго логических, творческих) в процессе проектирования. Отсутствие должного учета указанных принципов при проектировании не позволяет получать качественные результаты. Конечно, нельзя утверждать, что указанные два принципа являются единственными и исчерчивающими. Однако, представляется, что они являются, если не основными, то одними из основных. Анализируя первый из формулированных принципов, можно сделать вывод о том, что для получения высокого качества проекта необходима оптимальная организация всей системы проектирования. В практике конструирования этого обычно нет. Оценивая второй принцип, следует указать, что он подразумевает оптимальное распределение работ между человеком и ЭВМ (коллективом людей и САПР) в каждом конкретном случае. Инженерная практика конструирования указанные вопросы не ставит. Даже в теоретическом плане здесь еще много неясного. 2.2. Системное представление РЭС. Понятие РЭС уже неоднократно использовалось прежде. В данном случае необходимо упорядочить все уже известные знания о РЭС и попытаться найти новые, необходимые для "правильного" проектирования РЭС. Для чего надо рассмотреть РЭС с более общих позиций. В последнее время пытаются дать определение РЭС и конструкции с точки зрения методологии и теории систем. Такой подход дает возможность в более общем виде представить любые РЭС, с более общих позиций анализировать как сам аппарат, так и его конструкцию, и на базе такого системного анализа осуществлять проектирование РЭС. С подобных позиций будет трактоваться конструкция РЭС и в данном случае. Ранее было установлено, что применение системного подхода к рассмотрению объекта изучения - насущная необходимость. В следующем параграфе будут рассмотрены некоторые вопросы проектирования РЭС с системных позиций. Начнем с введения понятия системы. 2.2.1. Понятие технической системы. В курсе часто придется оперировать терминами "система", "системный подход" и т.д. Определим, что означают эти термины, какие понятия за ними стоят. Понятие системы различными авторами определяются по-разному, т.к. оно, строго говоря, является аксиоматическим. Во всех определениях подчеркивается, что система представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных объектов (элементов), что она имеет определенную структуру и взаимодействует с некоторой средой. Для описания и анализа используют различные модели систем. В теоретико-множественных терминах система S, заданная на семействе множеств определяется некоторым подмножеством декартова произведения с помощью семейства отношений (например, унарных, бинарных, тернарных и т.д.) , т.е. . Напомним, что унарные R1, бинарные R2, тернарные R3, …, n-нарные отношения Rn, различаются тем, что связывают (охватывают) они соответственно один, два, три, … , n элементов Г. (рис2.1). γ1 Рис.2.1. Виды отношений в системе. Определить понятие "элемент" и "отношение" в общем случае затруднительно. Смысл понятия "элемент" интуитивно ясен. Смысл понятия "отношение" состоит в том, что между элементами существует объединяющее их свойство, связь, влияние одного элемента на другой. Проиллюстрируем сказанное простым примером. ПРИМЕР 1. Система S - стол. Определим, что представляют собой в этом случае элементы Г и отношения R. Г= ? Гs= ? R= ? Рис.2.2. Система S - стол. Г= , где - крышка стола; - ножка стола. хГ= = Гs С хГ ? Гs= - множество связанных между собой элементов. R- свойство связи элементов и : "ножка стола крепиться снизу крышки стола , в центре крышки. Формы и размеры крышки и ножки стола указаны на чертеже". В данной системе существуют отношения унарные R1 и бинарные R2 , т.е. R={R1,R2} R1 - показывает геометрические свойства элементов и ; в данном случае форму и размеры крышки и ножки стола. R2 - свойства, объединяющие два элемента и в пространстве, т.е. свойства пар элементов или , в примере это размеры взаимного положения крышки и ножки. Известно, что отношение R, заданное на прямом произведении множества хГ содержит по крайней мере одну постоянную составляющую, имеющую некоторое конкретное значение. Поэтому отношение R можно рассматривать как частный случай более общего отношения, в котором эта составляющая является свободной. В отношениях, используемых в задачах анализа и синтеза, свободные составляющие принимают конкретные значения или являются одной функцией из множества функций. Считают, что такое отношение R определяется заданием некоторого более общего отношения, называемого структурой, и конкретным значением свободной составляющей, которая названа коституэнтой отношения: R={,E}, где - структура системы, а Е - множество контитуэнт отношения. В соответствии с этим структура системы получается в результате обобщения отношения, описывающего систему, если положить контитуэнты отношения свободными. Под структурой системы S понимают совокупность (сеть, рисунок) взаимных отношений между элементами Г, а также между элементами Г и внешней средой. Контитуэнты Е отношений R в простейшем случае представляют собой значения параметров системы S, т.е. некоторые постоянные или известные функции в более сложных случаях. ПРИМЕР 2. Стол - некоторая система S в пространстве. Элементы Г: ножки стола, поверхность (крышка); Отношения R: связи между поверхностью стола и ножками, между ножками стола. Структура : конкретное указание (рисунок) стола без размеров; Конституэнты Е: размеры крышки, ножек стола, расстояние между ножками. Рис.2.3. Варианты структур для системы "стол". ПРИМЕР 3. Человек - система S в пространстве. Элементы Г: голова, туловище, руки, ноги и т.д. Отношения R: форма, размеры элементов, указание рисунка их объединения вместе. Структура : вид объединения (рисунок) элементов Г. Контитуэнты Е: размеры элементов, параметры их взаимного расположения. – “вот и вышел – “человек - ящик” человечек” предложен Кобо Абэ Рис. 2.4. Варианты структур для системы "человек" в пространственном восприятии. Теперь введем понятие технической системы (ТС) как обобщенного объекта проектирования. Технической системой (ТС) S называют целостный комплекс элементов Г (частей, объектов), связанных между собой множеством R отношений, объединенных по определенному принципу П и предназначенный для решения технических задач, т.е. S={П,Г,R}. Из общих положений S={П,Г,,E}, Где - структура (схема) ТС S; Е - контитуэнты (параметры) ТС S. Здесь и в дальнейшем под принципом П понимается основная особенность в организации, построении или действии ТС. В общем случае принципов (действия ТС, например) может быть несколько, П={p1, p2,…, pi, pк}, к 2. ПРИМЕР 4. Печатная плата с установленными на ней ЭРЭ - система S в пространстве. Элементы Г: плата, множество ЭРЭ, разъем. Отношения R: совокупность форм, размеров элементов и указание способа их объединения (чертежа). Структура : чертеж ПП без указания размеров. Контитуэнты Е: размеры ПП, размеры ЭРЭ, размеры разъема. 1 - ЭРЭ, 2- разъем, 3 - ПП Рис.2.5. Варианты структур для пространственной системы S - печатная плата Принцип П: основное свойство, организующее множество элементов в единую пространственную систему S - объединение элементов на плоскости платы. ПРИМЕР 5. Система S - простейшая схема усилителя. Рис. 2.6. Система S - схема усилителя. Элементы Г: Г={R1, R2, R3, R4, C1, C2,Тр, источник питания} Структура q: схема электрическая Конституэнты Е: значения R1, R2, …,параметры Тр, …, Еn. Принципы П: р1 - преобразование энергии источника в энергию сигнала (сообщения); р2 - использование особого элемента - транзистора - как усилительного элемента; р3 - снятие полезного сигнала (сообщения) с сопротивления. ТС можно считать известной (заданной, определенной), если определены принципы П ее организации, заданы элементы Г ее составляющие, известна структура Q и контитуэнты Е связей в системе, т.е. задано множество S={П, Г, q, Е}. Определив понятие системы, представим себе РЭС в виде системы. Для этого сначала с формальных позиций систем определим РЭС, а затем неформально раскроем, что из себя представляют принципы, элементы, отношения, структура, конституэнты в данном случае. 2.2.2. Системное представление РЭС. Рассматривая РЭС как некую систему S, припишем аппарату свойства, обычные для каждой системы, а именно: наличие "объектов" Г={g1g2…gm} и "отношений" R={R1, R2,… Rn}, связывающих их по определенному принципу П в некоторую систему S для выполнения заданных функций, т.е. S= {П, Г, R}. Исходя из общих соображений, можно дать определение РЭС: Радиоэлектронное средство представляет собой систему, состоящую из совокупности объектов (элементов), организованных по определенной структуре с известными конституэнтами отношений, предназначенную для выполнения заданных функций, реализуемых по принципам радиоэлектроники. 2.2.2.1. Принципы, элементы и отношения в РЭС. Очевидно, что принципов, по которым организованны различные РЭС множество и все их не перечислишь. Но два основных можно назвать. Это, во-первых, распространение электромагнитного поля (энергии) в пространстве и, во-вторых, передача сообщения в радиосигнале. В дальнейшем будем специально указывать другие принципы построения РЭС. Определяя РЭС в виде некоторой системы S, рассмотрим, что представляют собой элементы Г и отношения R в реальной РЭС. В качестве "элементов" системы РЭС выступают: Г1 - электрорадиоэлементы (ЭРЭ); например, конденсаторы, резисторы, диоды, транзисторы, интегральные схемы (ИС) и т.д.; Г2 - различные детали конструкции; например, платы, корпус блока и т.д.; Г3 - соединительные цепи; в их число входят жгуты, разъемы и т.д. Перейдем теперь к рассмотрению множества отношений между элементами РЭС. Один из наиболее важных для РЭС видов отношений R элементов Г - отношения взаимодействия. В РЭС существует множество взаимодействий между элементами. Если за основу классификации отношений взаимодействия взять природу взаимодействия, то можно говорить о физических, химических и других отношениях R в РЭС. ПРИМЕР 1. Пусть имеем ПП с установленными на ней корпусированными ИС. Рис. 2.7. ПП с размещенными на ней ИС. Рассмотрим, какие связи (отношения) между элементами здесь присутствуют. 1.) Электрические, магнитные, электромагнитные связи (согласно СхЭ) - Rэл. 2.) Возможно "тепловое" влияние элементов друг на друга - Rтепл. 3.) Возможно электромагнитное (паразитное) взаимодействие элементов - RэлП. 4.) Механическая связь (ИС оказывают давление своей массой на ПП) - Rмех. 5.) Существуют пространственные отношения. Элементы располагаются определенным образом на плате - Rпростр. Для задания множества различных свойств элементов giÎG, т.е. семейства одномерных (унарных) отношений R1, вводится совокупность параметров Хi={Xi1, Xi2, …Xit}, "iÎI=í1,2,…ný. Из приведенных примеров видно, что в общем случае связи (отношения) являются направленными. Например, тепловая связь между ИС (тепло от более нагретой передается к менее нагретой ИС). ПРИМЕР 2. Рассмотрим, что из себя представляет одномерное (унарное) -пространственное отношение R1 пр для элемента - корпусированной ИС (рис. 2.8.) с выводами. R1 пр={q1 пр, Е1 пр} Рис.2.8. Корпусированная ИС. В качестве структуры q1пр для геометрического (пространственного)- отношения R1пр выступает форма элемента g - прямоугольный паралелепипед. Коституэнта Е - это размеры ИС: Е={l, b, h, N}, где l - длина ИС, х1= l =E1; b - ширина, х2=b=Е2; h - высота ИС, х3=h=E3, N - число выводов, х4 = N = Е4 т.е. (R1пр={q1 пр, Е1, Е2, Е3}) . ПРИМЕР 3. Корпусированная ИС в общем случае должна быть описана совокупностью унарных отношений R1={R1', R1'',… R1'n}, где R1'=х1 - объем корпуса; R1''=х2 - масса корпуса; R1'''=х3 - температура ИС; и т.д., т.е. должна быть описана совокупностью параметров Е=х={х1,х2,…хm} со своими частными структурами q по каждому свойству. 2.2.2.2. Классификация частей (подсистем) РЭС. Как было установлено ранее, элементы РЭС обладают различными природными свойствами: электрическими, магнитными, электромагнитными, тепловыми, пространственными и др. Рассмотрим ПП с элементами - систему из трех элементов g1,g2,g3 с различными свойствами (рис. 2.9.), объединенных определенными связями R. R – резистор ИС – интегральная схема ПП – печатная плата а) ПП с элементами б) Модель системы Рис.2.9. Система из трех элементов. Ясно, что различные по природе отношения R могут быть условно разделены по характерным признакам и тогда, вместо одной системы S со смешанными связями, можно получить ряд отдельных подсистем со связями одной природы (рис.2.10.): тепловыми, пространственными, электромагнитными. Вместо одной системы (ПП с ИС) получим три ее модели (описания). (вспомни "Введение" и рис 1.2.). 1 - подсистема тепловых связей ST={Г, RT}={Г,qT,ЕТ} 2 - подсистема пространственных связей Sпр={Г, Rпр}={Г, qпр, Епр} 3 - подсистема электромагнитных связей Sэм={Г, Rэм}={Г, qэм, Еэм} Рис. 2.10. Совокупность подсистем со связями одного вида. Но, поскольку элементы Г в трех "различных" подсистемах в сущности одни и те же элементы, следовательно между тремя подсистемами Sпр, SТ, Sэм существуют какие-то связи (отношения) и система S в целом может быть представлена как совокупность взаимодействующих подсистем (рис. 2.1.1.), т.е. S={Sпр, ST, Sэм,Rs', Rs'', Rs'"}= {Ss, Rs} Рис. 2.11. Новая модель системы S. Полученные выводы можно распространить на РЭС в целом. Итак, вследствии того, что элементы Г РЭС обладают различными по природе свойствами, то и отношения R между элементами Г будут различными по природе: электромагнитные, тепловые, пространственные. Таким образом, говоря о проектируемой РЭА, можно представить себе совокупность {Si} различных подсистем Sпр, ST, Sэм… со своими принципами Ппр, Пт, Пэм, структурами qпр, qT, qэм…, конституэнтами Епр, ЕT, Еэм отличающихся природой связей. Совмещение частных подсистем дает систему S - РЭС (рис.2.12.) S={Ss, Rs} Среди частных подсистем Ss следует выделить те, которые необходимо учитывать при проектировании РЭС. Электромагнитная подсистема Sэм - это совокупность элементов РЭС, связанных (объединенных) между собой множеством электромагнитных связей, т.е. участвующих в преобразовании (и/или передаче, генерации) электромагнитной энергии с целью реализации основных принципов функционирования РЭС. (Частично моделируется Sэм с помощью схемы электрической принципиальной). Пространственная (геометрическая, компоновочная) подсистема Sпр - это совокупность элементов конструкции, объединенных множеством пространственных отношений и придающая элементам и конструкции в целом определенные формы, взаимное положение и размеры. (Описывается набором чертежей). Механическая подсистема Sм - совокупность материальных элементов конструкции, связанных механическими связями и обменивающихся механической энергией при силовом взаимодействии. Тепловая подсистема ST - совокупность элементов конструкции, объединенных между собой процессом передачи тепла от элементов-источников тепла, по элементам-проводникам тепла к элементам-приемникам тепла. (Две последние подсистемы специальным образом в комплекте конструкторской документации не описываются). Рис.2.12. Системное представление РЭС. Чрезвычайно существенным является наличие связей Rs между подсистемами Sэм, ST, Sпр, Sм . Причина возникновения связей кроется в том, что основная часть элементов всех подсистем - одни и те же элементы. Следовательно, вариации значений параметров Хi', элемента gi одной физической природы, т.е. изменения внутри одной частной подсистемы, зачастую приводит к изменению значений параметров этого же элемента gi, но другой физической природы Хi'', что изменяет параметры соответствующей частной подсистемы Si . Например, уменьшение размеров конструкций при прочих равных условиях, т.е. изменения значений параметров только пространственной подсистемы Sпр приводит к изменению значений параметров тепловой подсистемы ST. Причем, та, в свою очередь, - к изменению электромагнитной подсистемы Sэм. Наличие взаимосвязей между подсистемами порождает следующее свойство системы РЭС: в общем случае, при изменении какой-либо из подсистем Sj, jÎJ или некоторой их совокупности {Si}, iÎQÌI будет меняться и общая система S. Другими словами, любое локальное изменение в РЭС, будь то изменение схемы, геометрии аппарата и т.д., приведет ко всеобщим изменениям в нем. Поговорим теперь о задаче проектирования РЭС. Можно представить проектирование РЭС как проектирование системы S, т.е. поиск множества взаимодействующих частных подсистем S1,S2, …, SI и множества связывающих их отношений Rs. S={Ss, Rs}, где Ss - подмножество декартова произведения x,= S={Sпр, Sм, Sт, Sэм}; Rs - семейство отношений между взаимодействующими подсистемами Sпр, Sэм, …, ST, ; Rs= {Rs1, Rs2, …, Rsi}. Представив себе, таким образом, задачу проектирования РЭС, становится очевидной ее чрезвычайная сложность по двум причинам. Во-первых, необходимо проектирование целого ряда частных подсистем Sпр, Sэм, …, ST. Во-вторых, проектировщику необходимо учесть и множество взаимодействий, отношений Rs= {Rs1, Rs2, …, Rsi}, между различными подсистемами, так или иначе определяющих свойства системы S. В связи с указанными трудностями, вместо одновременного проектирования подсистем Sпр, Sэм, …, ST РЭС, в практике производят последовательное проектирование подсистем с возвратом. Например, на начальных этапах проектирования - функциональное проектирование Sф , затем - проектирование электромагнитной подсистемы Sэм и т.д. Рис. 2.13. Последовательность проектирования РЭС. Достоинство такого подхода очевидно. Это - упрощение задачи на определенном этапе. Исторический процесс развития радиоэлектроники выделил из множества этапов последовательного проектирования РЭС главный - проектирование электромагнитной подсистемы Sэм РЭС, т.е. упор при проектировании делался на схемотехнический этап. Причины здесь следующие: на первых порах развития радиоэлектроники необходимо было расширить области применения РЭС, необходимо было выяснить принципиальные возможности решения задач, а также удовлетворять возрастающим требованиям к точности, помехозащищенности, дальности действия РЭС и т.п.. Все это давало схемотехническое проектирование. Требования к конструкции были нежесткими, время и затраты на проектирование удовлетворяли общество. 2.2.2.3. Особенности проектирования конструкций РЭС. Следствием выбранного варианта реализации процесса проектирования последовательного проектирования подсистем - является возникновение самого этапа проектирования конструкций. Действительно, если под конструкций понимать некоторую материальную систему, то, строго говоря, конструирование РЭС (как процесс) есть проектирование только некоторых, вполне определенных, но различных для разных случаев частных подсистем {Si}, jÎIÌJ, в отличие от проектирования РЭС, которое представляет собой проектирование полной системы S={Ss, Rs}. Т.е. конструирование РЭС, строго говоря, только один из этапов проектирования РЭС. При конструировании РЭС наиболее часто требуется создать пространственную Sпр и механическую Sм подсистемы. Как уже говорилось, под пространственной подсистемой Sпр понимается совокупность геометрических отношений Rпр между элементами Г конструкции (элементами Г можно считать электрорадиоэлементы схемы, детали конструкции, соединительные цепи, разъемы и т.п.). Для описания пространственной подсистемы Sпр конструкции в практике используется совокупность конструкторских чертежей. Причем сам чертеж определяет, в основном, структуру qпр, а конкретные размеры - значения конституэнт Е пространственного отношения элементов конструкции. Ранее, было сказано, что под механической подсистемой Sм понимается множество силовых связей Rм между материальными элементами Г, а также между элементами Г и внешней средой. Конструкция РЭС - это некоторая материальная пространственная система, состоящая из множества элементов, объединенных определенными связями для реализации радиотехнических функций. Конструкция РЭС - обычно объединение, совокупность двух подсистем сложной технической системы - РЭС ("узкое" понимание). Таким образом под проектированием конструкции РЭС можно понимать проектирование только указанных двух частных подсистем Sпр и Sм. При этом конструктор должен учитывать взаимное влияние не только Sn и Sм , но и других частных подсистем {Si}\ SмU Sпр, точно так же, как это должны были делать проектировщики на других этапах. Однако указанное требование для конструктора более весомо, чем, к примеру, для схемотехника. И причина здесь - в особенности этапа проектирования конструкции РЭС. Конструирование - весьма специфический этап процесса проектирования РЭС. Особенность заключается в том, что по окончании этапа появляется опытный образец и конструкторская документация, на основании которой можно изготовить любое число идентичных конструкций. Т.е. процесс проектирования должен был бы быть на этом закончен. Однако именно на этапе конструкторского проектирования приходится "платить" за расчленение единого процесса проектирования РЭС на ряд последовательных этапов (конструктор - "крайний" в череде разработчиков). Накопившиеся ошибки при проектировании всех частных подсистем Si, отсутствие должного учета всех взаимодействий Rs воочию проявляются после конструкторского этапа. И, поскольку конструкторский этап является завершающим в ходе проектирования, перед конструктором ставится задача максимальной сложности - провести свой этап проектирования так, чтобы полностью учесть уже найденные к этому моменту времени частные подсистемы Si', например, электромагнитную Sэм, а также не найденные к этому времени Si'', например, тепловые ST и паразитных Sn связей. Таким образом, сложность задачи проектирования проявилась на завершающем этапе - при проектировании конструкций РЭС. Следствием сложности задачи является отсутствие формализованных методов ее решения. Кроме того, при проектировании одной частной подсистемы (что, в основном, и делается на других этапах проектирования) еще можно оценивать качество решения по одному свойству, определяемому именно этой подсистемой. При разработке ряда подсистем (что происходит на завершающем этапе проектирования) необходим учет многих свойств. Практически это означает возникновение противоречивых требований. Следовательно, в качестве критериев оценки различных вариантов решения, во-первых, должны быть использованы характеристики системы S, а не отдельных подсистем S1,S2,…, Sk, и, во-вторых, принципиально должно учитываться некоторое множество характеристик. Свойства процесса проектирования конструкций РЭС можно классифицировать следующим образом: 1) Общее свойство проектирования технических систем: поскольку РЭС - это система, постольку завершить проектирование РЭС можно только после нахождения принципов, элементов, структуры и конституэнт объединяющих их отношений. Т.к. структуру отношений способен спроектировать только человек, значит при проектировании конструкций РЭС в общем случае необходимо творческое начало ("Учить проектированию - значит учить творчеству"). 2) Специфические свойства проектирования РЭС: необходимо спроектировать не одну, а несколько различных по физической природе подсистем. Более того, поскольку подсистемы взаимодействуют, а одновременное проектирование множества взаимодействующих подсистем трудно выполнимо, используют последовательное проектирование подсистем с возвратом с целью уменьшения ошибок проектирования. 3) Специфическое свойство проектирования конструкций РЭС: необходим учет множества показателей (свойств) при проектировании, которые отражают наличие множества разрабатываемых подсистем, К={К1, К2,…, Кm} Завершая рассмотрение, укажем, что комплексный учет при проектировании множества различных по физической природе взаимодействующих явлений (тепловых, электромагнитных и т.д.), происходящих в РЭС, представляет собой одно из проявлений системного подхода к конструированию РЭС. Подводя итог сказанному, еще раз подчеркнем основную особенность этапа проектирования конструкций РЭС, заключающуюся в системном характере задач этого этапа. Следствиями указанной особенности являются: • сложность синтеза ряда взаимодействующих подсистем Ss при проектировании конструкций РЭС; • необходимость оценки результатов проектирования по свойствам, характеризующим всю систему S в целом, а не отдельные подсистемы S1,S2,…, Si, …, SJ; • принципиальное требование оценки результатов Sk по множеству свойств. Важным следствием является установление того факта, что проектирование конструкций РЭС, как любой системы, требует определение структуры и параметров системы. В настоящее время принято считать, что поиск структуры, в отличие от поиска параметров- сугубо творческое по характеру действие. Завершая вводную часть, определим термины "конструирование" и конструкция" РЭС. Конструирование РЭС - это особый вид проектирования, когда объектом действия является конструкция РЭС. Существует несколько определений понятие "конструкция". Общим в них является следующее. Конструкция- это множество материальных элементов, которые при объединении в единое целое за счет множества различных по своей физической природе связей между ними составляют РЭС. 2.3. Проектирование и конструирование РЭС. В настоящем подразделе вводятся и определяются с общих позиций очень важные понятия курса - "проектирование" и "конструирование РЭС". 2.3.1. Понятие проектирования, синтеза, анализа, принятия решения. Проектирование занимает особое место в ряду других видов научно-технической деятельности человека. Не прекращаются дискуссии о том, является ли проектирование искусством, наукой или это просто раздел математики. Говоря о характере действий в процессе проектирования, большинство авторов считает, что в проектировании единым образом пересекаются наука и искусство, математика и творчество. Существует множество определений проектирования. Главным в большинстве из них является разнообразие выделяемых составных частей процесса. Но если определять проектирование через конечный результат, то многие из них сходятся в указании конечной цели проектирования. А именно, цель проектирования - положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде. Очевидно, что речь идет о технической искусственной среде и, соответственно, об инженерном проектировании; в отличии от проектирования одежды, интерьеров и т.д.. Проектированием называется вид деятельности человека по решению технических задач, который научно обоснован и учитывает потребности общества при реализации результата. В определении проектирования существенны несколько факторов. Первый - техническая направленность действия. Значит результатами проектирования являются новые устройства, системы или процессы. Второй - решение должно быть научно обоснованным, т.е. требует применения специальных знаний. Третий фактор заключается в том, что создается не любое новое, а только то, что приносит обществу определенную пользу, удовлетворяет какие-то потребности или нужды. Исходя из определения, понятие проектирования в данном случае применимо только к техническим системам и в дальнейшем системы, о которых в курсе будет идти речь - это технические системы. Но главным, пожалуй, является то, что проектирование, по определению, - вид деятельности именно человека. Следовательно, по характеру проектная деятельность должна быть в определенной степени творческой. Но в определении однозначно не устанавливается соотношение между творчеством (искусством) и строго логическими подходами при проектировании ТС. Одни исследователи считают, что проектирование ближе к творческому, чем к регламентированному процессу, другие - что проектирование - только творческий, изобретательский этап. Третьи полагают, что творчество в технике имеет в основе некоторые стандартные процедуры и формальные структуры, поэтому возможно использование строгих научных теорий, например, теории систем. Иные считают, что проектирование - это область математики. Так или иначе, любые формализованные модели проектирования должны рассматриваться как подходы к алгоритмизации творчества. Вопрос о соотношении творчества и формализации при проектировании имеет весьма важный практический смысл. Например, по мнению некоторых ученых, только 10 … 20 % объема работ по проектированию конструкций некоторых видов РЭС требует высококвалифицированных специалистов. Основная же часть работ может быть формализована и передана ЭВМ. Очевидно, что при условии получения высокого качества автоматизированного решения, процесс проектирования в таком случае становится эффективным. Поэтому необходимо определить возможности использования интуитивно-эвристических и формализованных подходов при проектировании. В учебных целях необходимо только помнить, что общая особенность проектирования, как вида человеческой деятельности, состоит в сочетании научных (формализуемых) и интуитивно-эвристических, творческих действий. Для ответа на вопрос о соотношении творчества и формализации при проектировании ТС необходимо рассмотреть различные представления о проектировании и сформулировать систему взглядов - концепцию, которая, по возможности, включала бы в себя, наиболее существенные знания о проектировании. 2.3.1.1. Представления о понятии "проектирование". В настоящее время в теории и практике имеют хождения несколько пониманий (представлений, моделей) сложного понятия "проектирование": 1) объектная или системная модель - представляющая собой совокупность взаимосвязанных объектов, так или иначе участвующих в процессе проектирования и определяющих его результат; 2) организационная модель - представляющая собой совокупность мероприятий и факторов, так или иначе поддерживающих процесс проектирования; 3) содержательная - представляющая перечень и последовательность конкретных задач и необходимых действий при проектировании конкретного объекта; 4) семантическая - выявляющая характер и смысл выполняемых действий (содержательную модель можно рассматривать как развитие семантической модели; однако, есть смысл выделить и исследовать ее отдельно в силу ряда существенных отличий последней). Краткий анализ начнем с рассмотрения системной (объектной) модели. Можно указать, что всегда в процессе проектирования самым активным образом участвуют следующие основные элементы: объект проектирования, коллектив разработчиков, совокупность средств, проектирования. Причем, в настоящее время из множества средств существенно выделяются два элемента: методы и системы автоматизированного проектирования (САПР). Рис.2.14. Объектная (системная) модель проектирования. Есть еще один важный элемент, оказывающий влияние на все перечисленные - некоторая "среда" действия. В сущности, это и есть сегодняшнее представление о проектировании РЭС, наши знания о нем, инженерное мировоззрение специалистов-проектировщиков РЭС. Указанная модель дает возможность ответить на ряд вопросов. Например, что нужно учитывать для улучшения результата проектирования, а также каковы основные направления работ по созданию общей методологии конструирования РЭС. Из рассмотрения системной модели проектирования становится ясной необходимость исследования, как самих объектов, так и взаимных связей в системе, т.е. отношений типа "метод-объект", "разработчики-САПР", "объект-САПР", "метод разработчики", "объект разработчики". Под организационной моделью понимается совокупность отдельных организационных мероприятий, документов, норм, средств и т.д., с помощью которых так или иначе, поддерживается и выполняется проектирование коллективом разработчиков. Простейшее представление об организационной модели можно составить из рис. 2.15. Рис. 2.15. Организационная модель проектирования. Для анализа можно поделить все элементы этой модели на две группы: • элементы, составляющие, условно говоря, "конструкторское бюро"; представление о том, что такое КБ имеет каждый практик; • элементы, которые отнесены к "внешней среде"; они представляют собой средства, ограничения, условия и т.д. для выполнения разработки. Важнейшими элементами "среды" являются литературные источники, нормативные документы, по которым ведется разработка (ГОСТы, ОСТы, нормали, и т.д.), фонды, трудоресурсы, материалы, полуфабрикаты, энергия. Основные выводы, следующие из рассмотрения данной модели: 1) для повышения эффективности проектирования необходимо соответствующим образом организовать процесс, другими словами - оптимизировать организацию проектирования; 2) в различных условиях (например, при изменении тематики или при новом объекте проектирования и т.д.) организационная система проектирования должна, в общем случае, изменяться; 3) практически оптимизация оргмодели в реальной практике не происходит; например, часто ли структура и состав КБ меняется при изменении тематики разработки? Поскольку данная модель все-таки не является определяющей для методологии проектирования, ограничимся при ее описании уже сказанным. Следующее представление о проектировании является наиболее распространенным. Под содержательной (процедурной) моделью проектирования понимается перечень и последовательность конкретных задач и необходимых действий по их решению (процедур) при проектировании конкретных объектов. Говоря о настоящем представлении (модели) проектирования необходимо подчеркнуть, что, поскольку формулировка и решение конкретной задачи - творческий процесс, постольку единой содержательной модели, инвариантной к различным ситуациям, существовать не должно. Речь о такой модели можно вести только для конкретных или типовых случаев проектирования. Рис. 2.16. Содержательная модель проектирования. Следует иметь в виду, что некоторые задачи приходится решать повторно в ходе проектирования, т.е. процесс имеет возвратные процедуры и не является строго последовательным. Общими выводами по трем известным моделям являются следующие: 1) две первые модели слишком абстрактны, недостаточно конструктивны и не могут быть непосредственно использованы для инженерной практики; 2) очень важна содержательная модель в силу своей конкретности - вся практика проектирования строится, используя именно такое представление о проектировании. Существенным недостатком ее является то, что каждый раз приходится выстраивать свою модель. Указанный недостаток является продолжением основного достоинства модели - ее конкретности. Таким образом, возникает необходимость разработки такой модели, которая по возможности совмещала бы достоинства указанных моделей и не имела бы их недостатков. 2.3.1.2. Синтез, анализ и принятие решений. Определим проектирование с иных позиций: а именно, рассмотрим смысл и характер выполняемых действий, т.е. установим сущность процесса проектирования и сформулируем общее (теоретическое) представление о проектировании. Анализ различных описаний процессов решения технических задач позволяет говорить о присущих им определенных общих чертах. Общее в процессах проектирования любого объекта состоит в неоднократно возникающих действиях синтеза, анализа и принятия решения. Рис. 2.17. Обобщённая (семантическая) модель проектирования. Здесь и в дальнейшем под синтезом понимается один из характерных видов деятельности в процессе проектирования, заключающийся в получении, генерации одного или нескольких вариантов (моделей) решения. На рис.2.18 и в таблице к рисунку дается толкование действий синтеза, анализа и принятия решения на примере рассмотрения некоторой системы при входном воздействии на нее и наличии реакции системы. Рис. 2.18. Понятие действий анализа, синтеза и принятия решения. Полученное при синтезе в виде некоторой модели решение потом анализируется. При этом устанавливаются выходные характеристики объекта. В процессе принятия решения по результатам анализа либо фиксируется окончательная альтернатива и действия заканчиваются, либо процедуры проектирования продолжаются в виде повторных действий анализа или синтеза. ПРИМЕР 1. Синтез: разработка печатной платы (ПП) - установка навесных элементов на плату, определение формы, конфигурации и размеров печатных проводников между элементами. ПРИМЕР 2. Анализ: расчет надежности (вероятности безотказной работы за определенный период) конструкции ПП РЭС. ПРИМЕР 3. Принятие решения: после этапов 1 и 2 получили, что Ррасч > Ртреб. Что делать? Варианты решений: изменить решение (повторный синтез ПП), перепроверка анализа, оставить решение без сомнений. Приведенное представление о процессе проектирования позволяет сделать вывод о чрезвычайной важности качества решения задачи синтеза. Ошибки, заложенные на этапе синтеза, невозможно полностью исправить на последующих этапах без повторного синтеза и они неизбежно будут присутствовать в окончательном решении. Следовательно, качество проектирования во многом определяется качеством синтеза вариантов. По мнению большинства специалистов подтверждаемому всей практикой, процедуры анализа могут быть принципиально выполнены с помощью строго формализуемых операций. Действия же синтеза, в общем случае, требуют обязательного творческого участия человека и не формализуемы. Принятие решения в простейших ситуациях может осуществляться формализовано, однако в общем случае также требуется творчество человека. Следовательно, проектирование, как вид целенаправленной деятельности, состоит из многократно повторяющихся действий синтеза, анализа и принятия решения, по характеру является творческим, и должно выполняться с участием человека. В связи со сказанным, процесс проектирования конструкций даже иногда определяют как "многошаговый синтез через анализ с принятием решений в условиях неопределенности". Последнее представление о проектировании позволяет сделать ряд выводов: 1) модель проектирования, в виде повторяющихся действий синтеза, анализа и принятия решений - теоретическая, инвариантная к различным постановкам задач; 2) однозначно решен вопрос о причинах творческого характера действий проектирования из-за наличия действий синтеза и принятия решений; 3) наметилось распределение ролей между ЭВМ и человеком: человек с его творческими возможностями необходим в процессе проектирования при решении задач синтеза и принятия решений. Для того чтобы строго установить роль человека-творца и логики (роль формализации и ЭВМ) в процессе проектирования, необходимо, учесть, еще, тот, факт, что, задача, синтеза не всегда требует участия человека для ее решения. В настоящее время считается, что "не очень сложные" задачи синтеза могут быть решены формализовано. Далее есть смысл выявить различные классы задач проектирования ТС, с точки зрения необходимости участия человека в процессе проектирования. 2.3.2. Уровни сложности проектных задач. Вопрос об установлении объективной меры оценки сложности различных задач проектирования не прост. В настоящем случае будем исходить из введенных ранее системных представлений об объектах проектирования и установленных видах деятельности в процессе проектирования. Поскольку объектом проектирования является техническая система S, то значит, задача проектировщиков в общем случае состоит в определении принципа действия П технической системы совокупности элементов Г системы, структуры q и параметров Е отношений R, объединяющих элементы Г в единое целое, т.е. S={Г, R}={Г,q,Е}. Однако, в отдельных задачах проектирования могут быть априорно известны некоторые сведения о будущей системе. Именно из объема и содержания априорного знания о требуемой системе можно и нужно исходить, оценивая сложность той или иной задачи проектирования. Реально существует три типа задач проектирования технических систем различной сложности. 1) Проектирование технической системы S, требующее предварительного поиска наиболее эффективного физического принципа П действия для конкретных условий и ограничений. ПРИМЕР 1. Проектирование весов. Выбор возможного физического принципа действия из известных: на законе рычага, использующие линейную упругую деформацию, использующие пьезоэффект и т.д. или поиск еще пока не известного принципа. Очевидно, что задачи первого типа являются наиболее сложными, поскольку предварительное знание о будущей технической системе полностью отсутствует. Обычно задачи этого типа возникают в связи с открытием новых физических явлений, которые подталкивают к разработке совершенно новых технических систем. При проектировании технической системы S в подобных случаях, кроме поиска физического принципа П, надлежит определить элементы Г, структуру q и множество параметров Е для отношений R, объединяющих элементы Г между собой. 2) Тесно связана с предыдущей группа задач проектирования систем при априорном указании принципа действия и отсутствии каких-либо дополнительных данных о будущем объекте. ПРИМЕР 2. Проектирование рычажных весов. Известно: принцип действия - принцип рычага; условия эксплуатации. Необходимо найти: Г = ? q = ? Е = ? Итак, задачи второго типа менее сложные, нежели первого; и по содержанию сводятся к определению элементов Г, структуры q, множества параметров Е для отношений R, объединяющих элементы Г в единую систему S. 3) Третий класс задач проектирования характеризуется тем, что априорно известны принципы П и состав элементов Г системы S. Процесс проектирования сводится к поиску структуры q и определению совокупности параметров Е системы S. Практически часто встречается постановка задачи, когда структура q задана в виде набора возможных вариантов q1, q2, … qk, т.е. третий тип задач можно разделить на два подкласса: 3а) - структура q неизвестна; 3б) - структура q задана набором вариантов. ПРИМЕР 3. Проектирование рычажных весов; структура задана двумя вариантами. q1 q2 Рис. 2.19. Рычажные весы. ПРИМЕР 4. Проектирование печатного узла (ПУ). Известно: принцип объединения элементов в ПУ, перечень элементов Г узла и возможные пространственные схемы q1 и q2 объединения элементов. Требуется: выбрать вариант схемы объединения и определить размерные параметры Е взаимного положения всех элементов ПУ. q1 q2 Рис. 2.20. Структуры ПУ. 3) Четвертый класс задач по содержанию представляет собой поиск значений параметров Е системы S с известными принципами П, перечнем элементов Г схемой (структурой) q. Такие задачи наиболее просты. ПРИМЕР 5. Проектирование рычажных весов по рис. 2.21. Рис. 2.21. Известно: принцип действия П, элементы Г весов, структура q конструкции весов. Необходимо найти: размеры рычага, диаметр чашек, способы крепления чашек к рычагу. ПРИМЕР 6. Проектирование конструкции печатного узла, причем элементы необходимо установить по рядам и столбцам. S ={П, Г, q, Е} ? П - известно Г – известно q – известно Е - не известно ? Рис. 2.22.Печатная плата с элементами. Известно: принцип действия П, перечень элементов Г, структура пространственных связей qпр. Необходимо найти: геометрическое положение каждого элемента - параметры пространственного расположения элементов. Для оценки необходимости участия человека в процессе проектирования ТС, надо учесть современные представления о формализованном решении задач синтеза. Сейчас большинство специалистов считают, что строго формализовано получить объективное решение можно только при синтезе параметров Е системы S с известными принципами П, элементами Г и структурой q. Такими задачами занимается область математики называемая параметрической оптимизацией. Кроме того, возможно объективное (строгое, формализованное) решение задачи выбора варианта из множества заданных при наличии критерия выбора. Таким образом, теперь можно оценить сложность любых задач проектирования и роль человека в процессе их решения. Общим характерным свойством задач первого, второго и 3а типа является первоочередное участие в их решении человека-творца. Причиной этого является наличие этапа синтеза структуры q системы S, который является сугубо творческим по характеру действия. Ясно, что задачи типа 3б и четвертого типа являются наиболее простыми; по содержанию они представляют собой задачи определения неизвестных параметров Е системы. Важной особенностью этих задач является потенциальная возможность формализации их решения и, следовательно, полной автоматизации. Причиной является отсутствие этапа синтеза структуры q, который нельзя выполнить формализовано (действительно, известно, что задача размещения элементов на ПП решается автоматизированного на ЭВМ; см. пример 6). Задачи проектирования четвертого типа можно условно отнести к задачам рационализаторским, т.е. к тем задачам, где требуется в почти готовом объекте изменить наилучшим, оптимальным образом размеры каких-либо элементов или расстояние между ними. Задачи четвертого типа называют задачами поиска оптимальных значений параметров заданных технических решений, в отличие от задач первых трех типов, которые называют задачами поиска оптимальных структур. Итак, использование понятия системы дало возможность объективно оценить сложность различных проектных задач и роль человека в процессе проектирования. 2.3.3. Этапы жизни РЭС. Ранее, при обсуждении процесса проектирования РЭС было установлено, что конструирование РЭС является только частным случаем более общего понятия проектирования. А проектирование, в свою очередь, представляет этап (часть) более общего процесса "жизни РЭС". (рис. 2.23.) Рис. 2.23. Этапы жизни РЭС. Из рис. 2.23. видно, что РЭС проходит различные стадии: проектирование, производство, эксплуатация. На всех стадиях общество оказывает влияние (воздействие) на РЭС. Исходным моментом жизни РЭС t0 является момент оформление обществом потребности в данном РЭС в виде формулировки технического задания. Далее следует этап проектирования РЭС, который заканчивается подготовкой конструкторской документации на изделие. Затем наступают этапы производства РЭС и ее эксплуатации. Завершается жизнь РЭС ее "смертью". Причем "смерть" может быть физической (полный износ) или моральной (т.е. теряет свою привлекательность для общества). Далее следует утилизация РЭС. Влияние общества выражается в установлении, во-первых, определенных требований к РЭС на каждой из стадий, во-вторых, определенных ограничений (например, трудовых, материальных, энергетических и т.д.) на процессы проектирования, производства и эксплуатации. И, в третьих, общество, его научно-технический прогресс определяют во многом момент t3 моральной смерти РЭС (за счет рождения нового, более современного РЭС, например). Необходимость подобного рассмотрения жизни РЭС определяется требованием правильной оценки получаемого от РЭС эффекта. Т.к. каждый из этапов может быть, и действительно на практике так и происходит, оценен своими показателями, то в общем случае наиболее удачное решение на одном из этапов (оцененное по своим этапным показателям) может не быть лучшим с точки зрения других этапов и всего жизненного пути. Оценивают жизнь РЭС следующими характеристиками: 1) К - качество РЭС, - способность РЭС удовлетворять потребностям общества по функционированию. 2) З - затраты общества на жизнь РЭС. З = Зпр + Зпр-во + Зэ, где Зпр - затраты на этапе проектирования, Зпр-во - затраты на этапе производства, Зэ - затраты на этапе эксплуатации. 3) Т - задержка удовлетворения потребности общества в РЭС. Т = t2- t0, где t2 - момент возникновения потребности в РЭС, t0 - момент начала эксплуатации РЭС. Т = Тпр + Тпр-во, где Тпр - время проектирования РЭС, Т = t1 - t0, Тпр-во - время производства РЭС, Т = t2 - t1. Возможны и другие показатели оценки РЭС на всем жизненном пути. Наиболее общей оценкой является эффективность жизни РЭС - Э, которая учитывает сразу затраты З, и время Т, и качество К РЭС и другие свойства. Вопрос только в том, как связать эти показатели. Общего ответа на него сейчас нет. Тем не менее, ясно, что в общем случае необходимо оценивать Э множеством показателей. Э = {К, Т, З, …} ПРИМЕР. Одностороннее (неполное, несистемное) понимание эффективности. "Сказка о попе и его работнике Балде", А.С. Пушкин: "… Не гонялся бы ты, поп, за дешевизною …" - Попом в описанной ситуации не учтены другие "затратные" позиции, кроме финансовой. Оценим последствия факта наличия ряда этапов в жизни каждого РЭС. Особое состояние объекта на каждом из этапов требует специфических знаний о нем. Так общее, системное знание о РЭС распалось на ряд частных знаний (подсистем радиоэлектроники): - системотехника, - схемотехника, - конструирование, - технология РЭС. Учтем, что вместо РЭС можно с таким же успехом анализировать и совокупность РЭС - некоторую РТС. Следует подчеркнуть, что в указанном явлении есть положительные и отрицательные стороны. Один из отрицательных моментов состоит в ухудшении эффективности Э жизни РЭС. Устранить возникший недостаток можно, в частности, используя системный подход к проектированию РЭС. Комплексный учет наличия различных этапов жизни РЭС, требований всех этапов - проектирования, изготовления и эксплуатации - является одним из проявлений системного подхода к проектированию РЭС. 2.3.4. Факторы, влияющие на жизнь РЭС. Ранее мы рассматривали два наших объекта изучения - конструкцию РЭС и процесс конструирования, без учета "внешних" связей. Реально на всех этапах жизни оба названных объекта подвергаются влиянию многих факторов, результаты которых необходимо учитывать для правильной оценки эффективности Э жизни РЭС. Начнем с рассмотрения этапа проектирования РЭС. (рис. 2.24.) Факторы, влияющие на процесс проектирования и его результаты, могут быть классифицированы по следующим категориям: 1) Определяемые требованиями конкретного РЭС, который должен быть создан. Например, процесс проектирования РЭС миллиметрового диапазона резко отличается от проектирования РЭС, построенного на основе обработки сигналов других диапазонов волн. Рис. 2.24. Факторы, влияющие на проектирование РЭС. 2) Требования и ограничения, налагаемые на процесс, условно говоря, обществом. Например, ограничения по срокам разработки изделия. 4) Метод (или совокупность методов) и средства, с помощью которых осуществляется процесс проектирования. Например, различные методы расчета теплового режима РЭС требуют различных совокупностей исходных данных, различных временных затрат и т.д. 5) Особенности использования средств (систем) автоматизации проектирования (САПР). К ним относятся программные, языковые, технические, организационные средства. Например, неверно выбранные комплексы программ для решения задач трассировки печатных плат могут значительно ухудшить результат. 6) Группа факторов, связанная с участием человека в процессе проектирования РЭС. Например, отсутствие необходимых знаний у некоторых выпускников вузов - конструкторов РЭС резко снижает качество РЭС из-за ошибок в разработке. 7) На рис. 2.24. присутствует и еще целая группа факторов, скрытая под термином "знание о проектировании". Понимается под этим то обстоятельство, что наука "конструирование РЭС" и "проектирование" в целом только развивается и многое еще не вполне ясно сегодня. Так что наши знания или незнания о проектировании, естественно, налагают определенные условия и ограничения на процесс проектирования РЭС. Следует отметить одно очень важное обстоятельство: все указанные на рис. 2.24. группы факторов взаимодействуют друг с другом. Например, участие человека в процессе проектирования определяет не только свойства полученного РЭС, но и выбранный метод решения, средства автоматизации и т.д. А зачем все это нужно? Что дает подобное рассмотрение? Систематизация и классификация факторов нужны для того, чтобы наиболее эффективно организовать процесс проектирования при определенном уровне знаний о нем, за счет учета влияния на результат комплекса указанных выше факторов. В противном случае эффективность проектных работ будет низкая, что подтверждается практикой разработки различных РЭС. Рассмотрим теперь этап эксплуатации РЭС с принятых ранее системных позиций. Рис. 2.25. Факторы, влияющие на РЭС при эксплуатации. Эффект от эксплуатации РЭС определяется многими факторами, которые условно разделены на следующие группы (рис. 2.25.): 1) В первую очередь результат определяется непосредственно свойствами самого РЭС - чем лучше аппарат, чем больше от РЭС можно получить, тем эффективные этап эксплуатации. 2) Влияние окружающей РЭС среды - например, климатические факторы существенно определяют результат эксплуатации. 3) Условия объекта установки РЭС - вибрации и удары танка существенно влияют на РЭС в танке. 4) Обычно РЭС является частью более сложной РТС, которая накладывает свои условия на процесс эксплуатации РЭС. Например, наличие паразитных электромагнитных связей (помех) в процессе эксплуатации. РЭС во многом определяются РТС, а помехи, в свою очередь, определяют эффективность применения РЭС. 5) Качества оператора (человека), работающего с РЭС - неумелая настройка сложного РЭС человеком заметно ухудшает возможности РЭС при работе. Перечисленные группы факторов довольно очевидны. Но не следует забывать и о том, что объекты на рис. 2.25. еще взаимно связаны друг с другом. Действительно, человек подвергается влиянию окружающей среды ("душно и жарко"). Это приводит к изменению его профессиональных качеств оператора РЭС. Также на него может влиять и объект установки, например, повышенные механические воздействия при полете на самолете. А человек, в свою очередь, меняет режим функционирования того же объекта или РТС. Следует заметить, что не все связи из множества указанных на рис. 2.25. одинаково важны. В первую очередь необходимо учитывать прямые связи, т.е. те, что определяют поведение РЭС в процессе эксплуатации, а именно R1, R2, R3, R4 . Таким образом, для повышения эффективности эксплуатации РЭС необходимо помнить о системном характере задачи. Причем, в первую очередь, необходимо учесть прямые связи - влияние на РЭС ряда указанных объектов. Итак, еще одним из примеров реализации системного подхода к конструированию РЭС является комплексное, всестороннее рассмотрение этапов жизни РЭС. Существуют другие способы классификации факторов, влияющих на процесс проектирования и определяющих результат. Но в большинстве случаев все-таки речь идет о следующих группах факторов: • системные; т.е. такие, которые определяются тем обстоятельством, что РЭС является частью более сложной технической системы; • окружающая среда; т.е. факторы, характеризующие среду существования РЭС; • человеческие; т.е. такие факторы, которые требуется рассматривать из-за участия человека на отдельных этапах жизни РЭС; • средства и методы; т.е. то, что характеризует инструментарий и теорию проектирования РЭС. 2.3.5. Уточнение представлений о проектировании и конструировании РЭС. Исходя из новых знаний о РЭС и процессе проектирования полученных ранее, уточним семантику (существо, смысл) процесса проектирования РЭС с общих позиций. Будем исходить из того, что процесс проектирования РЭС, как и любой ТС, обладает определенными общими чертами. В то же время особенности процесса вытекают из особенностей объекта - РЭС - по сравнению с другими ТС. Итак, общими являются следующие свойства процесса проектирования: 1) Спроектировать РЭС S, S= {П, Г, q, Е} - это значит, определить принципы П, по которым строится система S, найти полный перечень элементов Г РЭС, определить структуру (схему) q объединения элементов и найти значения параметров Е элементов системы. 2) Проектирование, в общем случае, будет включать в себя синтез, анализ и принятия решений при установлении указанных выше четырех элементов определяющих систему S. Следует учитывать, что при этом в общем случае должен участвовать человек. Ранее были сформулированы особенности РЭС по сравнению с другими ТС: • множество Ss, Ss = {Sэм, Sпр, Sм, Sт} различных подсистем, составляющих РЭС; • взаимное влияние подсистем Ss, т.е. наличие отношений Rs между подсистемами Ss; • различные уровни детализации при рассмотрении РЭС на начальном этапе проектирования (системное представление РЭС, функциональное, электрическая схема). Таким образом, особенности процесса проектирования РЭС при сравнении с проектированием других ТС состоят в следующем: 1) проектировать необходимо несколько подсистем: электромагнитную Sэм, пространственную Sпр, механическую Sм, тепловую Sт; 2) необходим учет их взаимодействия, т.е. учет множества Rs связей между подсистемами; 3) для проектирования электромагнитной подсистемы Sэм приходится пройти ряд этапов; 4) необходим учет множества К1, К2, …, Кm, m ³ 2 критериев в оценке результатов проектирования. Следствием указанных особенностей является: 1) наличие нескольких этапов: • системотехническое проектирование; • схемотехническое проектирование; • конструирование; 2) известен перечень общих процедур проектирования РЭС (проектирование Sэм, Sпр, Sм, Sт), но не известен порядок, последовательность действий. Идеальная стратегия проектирования РЭС как системы, состоит в одновременном проектировании всех подсистем Sэм, Sпр, Sм, Sт с установлением их взаимосвязей. Однако, в силу сложности такой задачи, приходится использовать последовательную стратегию проектирования с повторным пере проектированием. Рис. 2.26. Последовательность проектирования РЭС. Последовательность проектирования Sэм, Sпр, Sм, Sт подсистем является наиболее правильной исходя из факта уменьшения неопределенности при постановке и решении задач проектирования на соответствующем этапе. Перепроектирование необходимо для устранения возможных ошибок на отдельных этапах из-за отсутствия полной информации при постановке задач о будущих подсистемах. Например, проектирование пространственной подсистемы Sпр на втором этапе требует знания перечня элементов не только схемы электрической, но и элементов защиты от перегрева, от механических воздействий и т.д. Следствием последовательной стратегии проектирования РЭС является и само понятия "конструирование". Именно конструированием называют обычно процесс проектирования трех подсистем РЭС - пространственной Sпр, механической Sм, тепловой Sт. Исходя из общих положений теперь можно детализировать описание сущности процесса конструирования РЭС в следующем виде: для построения конструкции РЭС необходимо решить задачи синтеза принципов П построения для Sпр, Sм, Sт, затем - синтеза состава Г элементов для Sпр, Sм, Sт , затем - синтеза структур тех же подсистем и, наконец - синтеза значений параметров трех перечисленных подсистем. Далее необходим анализ и принятие решений по всем синтезированным решениям. Таким образом, получен полный перечень всех процедур проектирования конструкций РЭС. Однако, остается не ясной последовательность выполнения этих процедур. Кроме того, следует учесть, что многие из указанных процедур в реальной практике отпадают из-за априорного знания о будущей системе. 2.4. Развитие конструкций и процессов конструирования РЭС. Требование системного подхода к изучению объекта курса ОП РЭС заставляет рассмотреть, как изменялось РЭС и процессы его создания по мере развития радиоэлектроники (РЭ) под влиянием изменения потребностей общества. Изменения методов и средств проектирования будут рассмотрены подробно далее. Рис. 2.27. Системный подход при изучении развития РЭС. В ходе изучения эволюции объектов курса необходимо ответить на следующие вопросы: • как рассматривается РЭС на различных этапах развития? как система или нет? • каков характер процесса конструирования? что превалировало в действиях конструктора: опыт, интуиция или строгие научные подходы? • как осуществлялось формулировка задачи конструирования? как оптимизационная задача или нет? • какова была эффективность (Э) использования РЭС в течение жизни? 2.4.1. Этапы развития РЭ. Условно весь ход развития РЭ может быть поделен на этапы, а РЭС - на поколения. В основу деления положен вид используемого в РЭС активного элемента. Таким образом, выделяется 5 этапов развития РЭ и 5 поколений РЭС: • 1-е поколение РЭС - в качестве активного элемента использовалась радиолампа; • 2-е поколение - полупроводниковой активный элемент; • 3-е поколение - интегральная схема (ИС); • 4-е поколение - большая ИС (БИС); • 5-е поколение - сверхбольшая ИС (СБИС), микропроцессоры. Начнем рассмотрение развития РЭ с двух начальных этапов, т.е. когда в качестве активного элемента использовались радиолампы и транзисторы. 2.4.1.1. Начальные этапы развития РЭ. На первых этапах развития РЭ конструирование РЭС велось с использованием технических решений, получивших широкое применение в приборостро­ительной и электротехнической промышленности, которые развились раньше радиопромышленности. Элементная база представляла собой широкий набор конструктивно разнородных элементов. Принципиальных изменений в конструкциях того периода было мало. Основу конструкции составлял деревянный ящик. Элементы и детали крепились на стенках. По содержанию процесс создания конструкций Sк ,в основном, сводил­ся к определению форм некоторых элементов, их размеров, материалов и размещению элементов в пространстве для обеспечения электрических и механических соединений, т.е. к определению пространственной Sпр , механической Ѕм подсистем РЭС. Требования по другим подсистемам были нежесткими и их зачастую не учитывали при синтезе, обходясь контрольным, проверочным анализом на допустимость создаваемой таким путем конструкции. Таким образом проектирование конструкции Sк заключалось в определении двух подсистем Sпр, Sм и их взаимного влияния Rs1, Rs2, т.е. Sк= {< Sпр, Sм>,< Sм, Sпр >, Rs1, Rs2} Рис. 2.28. Представление о конструкции РЭС на ранних этапах развития РЭ. Синтез пространственной подсистемы Sпр представлял собой поиск или выбор конструктивного оформления некоторых элементов Гэрэ элек­трической схемы и несущих конструкций Гнк с последующим их расположением в пространстве, т.е. с определением совокупности отношений Rпр между ними. Элементная база имела широкий набор конструктивно разнообразных решений, поэтому множество возможных вариантов форм и значений параметров Епр элементов Г пространственной подсистемы Ѕпр было велико. Другими словами, множество возможных альтернатив по синтезу или выбору унарных пространственных отношений R1пр в системе Sпр было велико. Кроме того, множественность альтернатив для форм и размеров элементов Г порождала и множественность возможных вариантов расположения их в пространстве, т.е. обилие вариантов пространственных бинарных R2пр, тернарных R3пр и … п-арных отношений Rn пр , структур qпр и параметров Епр. Следовательно, начальный этап развития РЭ характеризовался чрезвычайно большим множеством альтернатив по построению пространственной подсистемы Sпр для РЭС. В следствие большого разнообразия вариантов построения пространственной подсистемы Sпр конструкции не удавалось выделить основные особенности (основные принципы) их построения. В результате априорная информация о будущей пространственной подсистеме была не значительна, а задача построения Sпр очень сложной. После синтеза шел этап анализа конструкции, в основном, путем испытания ее. Аналитические (расчетные) методы анализа вначале отсутствовали. Все вышесказанное о пространственной подсистеме Sпр в полной мере справедливо и для механической подсистемы Sм. Разнообразие структур и обусловленные этим трудности с выбором определенной структуры q и конституэнт Е отношений R порождали трудности формализованного синтеза вариантов конструкций S, всестороннего формализованного анализа конструкций, сравнения и выбора единственного. Поэтому в процессе проектирования, в основном, использовались творческие возможности конструктора. В результате проектирование по сути представляло собой процесс "проб и ошибок", основанный на опыте и интуиции конструктора. Формализованные приемы и методы практически отсутствовали. Последнее замечание относится к формулировке задачи конструирования РЭС. Можно заметить, что, в сущности, решалась задача выбора варианта конструкции РЭС, удовлетворяющего некоторым требованиям, но далеко не оптимального. Задача оптимального конструирования РЭС даже не ставилась. Эффективность проектирования конструкций РЭС зависела целиком от творческих способностей конструктора, и в общем случае не могла быть высокой. По мере роста требований к PЭС менялась и конструкция. Необходимость увеличения коэффициента усиления приводила к росту числа каскадов. При этом возникало самовозбуждение усилителя. Для устранения воз­буждения применили экранирование отдельных каскадов и элементов. Так в конечном итоге пришли к металлическому шасси. Позднее была заимствована с успехом применявшаяся в телефонии идея разделения PЭС на части - так появилось шасси в виде этажерки. В результате развития РЭ менялась конструкция РЭС, что приводило к изменению методов деятельности. ПРИМЕР. Растут масштабы применения PЭС - растут масштабы проиѕводства - изменяется конструкция PЭС - для уменьшения трудозатрат меняет­ся технология (вместо винтового соединения - пайка). Большое количество ламп - проблема теплоотвода. В зависимости от области применения - необходимость учета влаги, пыли, механических воздействий. Конструкторское проектирование потребовало учета уже не 2-х, а мно­гих подсистем. Развитие РЭ на новых этапах привело к необходимости улучшения ка­чества РЭС. Так возникло требование построения оптимальной конструкции РЭС, что коренным образом изменило понимание целей и проблем проектирования. Существенное изменение в конструкциях и: методах проектирования началось примерно в 50-х годах, когда развитие научной и технической базы создало новые направления в конструировании элементной базы и самой аппаратуры. 2.4.1.2. Функционально-узловой метод проектирования РЭС. В настоящий момент одной из основных особенностей проектирования современной РЭС является использование функционально-узлового метода, в основу которого положен принцип деления устройства на отдельные функционально и конструктивно законченные сборочные единицы (или только конструктивно законченные сборочные единицы). Сама идея деления аппарата на части была применена для упрощения конструкции и процесса ее проектирования, изготовления и эксплуатации уже давно (так называемый блочный метод конструирования). ПРИМЕР. Рассмотрим, что дает деление аппарата на части с позиций введенного выше системного представления PЭС. Рис. 2.29. Пример деления на части пространственной системы. Пусть четыре элемента необходимо расположить в пространстве (для простоты - на плоскости). Тогда множество R2 взаимных бинарных отношений между элементами образуемой пространственной системы, определяющих ее, состоит из шести пространственных связей. Если же систему образовать из двух частей по два элемента. то число связей уменьшиться до трех. Таким образом, делением конструкции на части проектировщик добивался, в частности, уменьшения количества пространственных отношений, связей Rпр между элементами Г конструкции. То есть - упрощал конструкцию, а именно ее пространственную подсистему Sпр. Тем самым конструктор попытался со своей стороны упростить задачу конструирования РЭС. Заключая рассмотрение начальных этапов можно сделать следующие выводы: 1) При зарождении РЭС аппарат воспринимался как единое целое - не выделялись отдельные подсистемы. Однако очень быстро, по мере роста потребностей общества в РЭС разработчики пришли к необходимости учета взаимного влияния электрических, механических воздействий, тепловых явлений в РЭС, т.е. пришли к системному пониманию РЭС. 2) Процесс конструирования РЭС был с самого начала сложен до причине большого разнообразия вариантов решения за счет разнообразия форм и размеров элементов Г, отношений R между ними. Кроме того, необходимо было осуществлять синтез структуры q конструкции и определять консти­туэнты Е РЭС. Т.е. задача проектирования представляла собой задачу второго уровня сложности, для решения которой необходимо было определять структуру будущей системы. В результате характер процесса конструирования определился как творческий. Постоянная тенденция к усложнению РЭС и условий ее функционирования приводила к дальнейшему усложнению задач конструирования. В ответ разработчики РЭС попытались упростить конструкцию за счет деления ее на части и соответствующего упрощения эадачи из-за уменьшения множества отношений R, связывающих элементы Г, которые необходимо было определять. По сути, деление объекта на части, есть априорное задание одного из основных принципов построения будущей сложной конструкции, который сейчас называют функционально-узловым методом проектирования(правильнее было бы говорить о "принципе" проектирования). Однако и при этом творчество, опыт и , интуиция конструктора превалировали над логикой и формализованными действиями, поскольку задача проектирования не имела достаточной априорной информации. 3) Общество не накладывало строгих oгpaничeний на ресурсы, сама конструкция РЭС не сильно влияла на функционирование PЭC, и поэтому задача конструирования представляла собой задачу отыскания любого варианта материального воплощения электрической схемы, удовлетворяющего требованиям по функционированию. 4) Учитывая относительно невысокие требования к качеству К РЭС, отсутствие ограничений на используемые в процессе жизни РЭС ресурсы общества и интуитивно-эвристический характер проектирования, можно сделать вывод о невысокой в общем эффективности Э жизни РЭС. 2.4.2. Противоречия развития РЭ. Известно что, развитие вообще - есть продукт возникновения, нарастания и разрешения противоречий. Развитие РЭ тоже определяется возникновением, развитием и разрешением противоречий. Рассмотрим основные противоречия развития РЭ. Упомянутая ранее основная тенденция возрастания общественной потребности в средствах РЭ очень скоро натолкнулась на ограничения, также выдвигаемые обществом, а именно - ограничение в материальных, трудовых, энергетических и других ресурсах. Требование общества - использовать РЭ во все более расширяющихся сферах (быту, медицине, обороне...), пришло в противоречие с возможностями обеспечения обществом этого требования. Другая тенденция развития РЭ - расширение функциональных воэможностей, т.е. повышение качества К РЭС, пришла в противоречие с требованием получения такого аппарата обществом в минимальные сроки после возникновения потребности в нем. Возникло противоречие "качество - сроки" (или проблема морального старения). С другой стороны, сложность РЭС требовала новых затрат,ограничения по затратам З породили противоречие " качество - стоимость" РЭС (проблема качества изделий). Таким образом, эффективность использования РЭС определяется в настоящее время пришедшими в острое противоречие факторами: К - качеством РЭС, 3 - затратами общества на использование, Т - временем проектирования и производства РЭС. Каковы же возможности разрешения указанных противоречий? С общих методологических позиций понятно, что эта возможность состоит только в наилучшем, оптимальном разрешении противоречий между, взаимодействующими факторами. Следовательно, задача проектирования и конструирования РЭС должна сейчас ставиться и разрешаться только как оптимизационная задача. ПРИМЕР 1. Не правильная постановка задачи конструирования РЭС: "Разработать конструкцию РЭС, удовлетворяющую заданным функциональным показателям". ПРИМЕР 2. Правильная постановка задачи конструирования РЭС: "Разработать конструкцию РЭС с наилучшими показателями качества К при максимальном сокращении сроков Т разработки и затрат 3 на жизнь РЭС". А теперь попытаемся установить конкретные возможности разрешения противоречий "качество - затраты - сроки" при жизни РЭС. Рис. 2.30. Возможности улучшения К, 3, Т. Анализ возможных путей улучшения отдельных сторон эффективности Э, а именно, улучшения качества К , сокращения затрат 3 и времени выпуска Т в эксплуатацию РЭС показывает, что: 1) невозможно использовать варианты, которые, улучшая одну из характеристик эффективности Э , ухудшают другие, т.е. не разрешают противоречий РЭ.(Например, нельзя увеличивать число разработчиков или уменьшать заработную плату и т.д.); 2) другая группа возможностей, которая в общем случае дает наилучшие резулътаты для расширения противоречия, появляется сравнительно редко (раз в десятки лет). Например, новые принципы, новая активная элементная база, новые дешевые технологические процессы и т.д.; 3) единственной возможностью разрешения противоречия в конструкторской ежедневной практике является применение оптимизационных методов и тесно связанных с этим - методов формализации и автоматизации проектирования, производства и эксплуатации PЭС. Последний путь основан на развитии теории, в том числе и теории конструирования РЭС. Таким образом, совокупность проблем развития PЭ может быть в методологическом плане сведена к единой проблеме - проблеме оптимального проектирования РЭС. 2.4.3. Современное состояние РЭ и конструирования. Для того, чтобы решить, каковы возможности разрешения проблемы оптимального конструирования РЭС, продолжим рассмотрение изменения РЭС и процессов ее создания. Заметим при этом, что ряд специалистов в области конструирования РЭС утверждают, о невозможности глобальной оптимизации конструкций. Однако существует и другой факт: говорят об определенном упрощении конструкций современных РЭС. Известны и достижения в исполь­зовании ЭВМ при решении некоторых задач конструирования. Для определения предпосылок оптимального проектирования конструкций современных РЭС будем продолжать рассмотрение с позиций ранее использованной системной методологии двух основных явлений: изменение самого объекта проектирования (конструкции) в течение некоторого исторического периода и изменение процесса проектирования. 2.4.3.1. Иерархия конструкций. Ранее было указано, что в РЭ, в частности, наблюдаются две тенденции: возрастание требований к качеству РЭС, усложнение условий их эксплуатации, т.е. усложнение задачи проектирования РЭС, и вторая тенденция - попытки разработчиков как-то упростить задачу, ослабить первую тенденцию. Начальным шагом на этом пути было применение принципа деления аппарата на части, о чем говорилось ранее. Разделение единой системы (конструкции), на части позволяло упростить пространственную систему Sпр конструкции РЭС и задать некотурую априорную информацию о построении конструкции. Следующим этапом развития указанной тенденции упрощения конструкций было появление типовых, базовых и нормализованных узлов (модулей). Такого рода модули имели типовые схемы, одинаковые или кратные размеры, единую конструкцию выводов и креплений. Функциональные узлы такого ро­да объединялись в субблоки, которые в свою очередь, объединялись в блоки. Таким образом достигалась типизация конструктивных решений на уровне блоков. Возникла иерархическая структура конструкций РЭС на основе модулей различного уровня сложности. Рис. 2.31. Иерархия конструктивных единиц РЭА . Исходя из введенных ранее представлений, можно заметить, что уни­фикация конструкций модулей привела к уменьшению разнообразия форм и значений размеров элементов конструкций Г, т.е. к уменьшению возмож­ных структур унарных Qпр1 отношений и к уменьшению множества конституэнт Епр1 унарных отношений в пространственной подсистеме. Появилась определенная повторяемость (регулярность) пространственных связей однотипных элементов от конструкции к конструкции. Особенно это стало заметно после появления печатной платы (ПП), как элемента конструкции, объединяющего элементы и компоненты электрически, механически и пространственно. Следствием использования ПП стало появление основного принципа построения пространственной подсистемы модулей 1-го и 2-го уровней - объединение элементов на плоскости. В результате произошло уменьшение разнообразия пространственных структур констру­кции qпр за счет иерархической организации РЭС и уменьшение множества конституэнт отношений Епр за счет некоторого сокращения разнообразия значений параметров элементов Г пространственных подсистем. Однако не всегда можно было применять только унифицированные модули: для построения функционально законченной РЭС необходимо было использовать широкий набор конструктивно разнообразных электрорадиоэлементов. Следовательно, в определенной степени сохранялись особенности более ранних этапов конструирования. Кроме того, в связи с возникшими противоречиями в развитии РЭ, появилась необходимость учета условий и ограничений, налагаемых обществом на процесс жизни РЭС. Поэтому конструкции не могли по-прежнему быть созданы путем выполнения только строгих формализованных процедур. Опять опыт и интуиция конкретного конструктора определяли конкретную реализацию конструкции блоков, субблоков, узлов РЭС, хотя некоторые приемы и методы стали достоянием всех конструкторов. Таким образом с одной стороны развивалась тенденция к упрощению пространственной подсистемы конструкции РЭС, однако, с другой утвердилась необходимость учитывать в процессе проектирования РЭС ее системный характер, что усложняло процесс проектирования конструкций. 2.4.3.2. Роль микроэлектроники и стандартизации Дальнейшее резкое развитие принципа функционально-узлового конструирования произошло с появлением и развитием микроэлектроники. Применение интегральных схем (ИС) - РЭС третьего поколения, и больших ИС (БИС) - РЭС. четвертого поколения, позволило резко улучшить множество функциональных характеристик РЭС. Микроминиатюризация - способ уменьшения габаритов и массы РЭС, трудоемкости и материалоемкости, способ повышения качества К и сокращения сроков и затрат на разработку и производство Тпр, другими словами - один из способов разрешения противоречий дальнейшего развития радиоаппаратостроения. В простейшем понимании микроминиатюризация представляет собой факт очередной смены элементной базы. Однако он повлек за собой и изменение конструктивных решений РЭС в целом, и изменение методов и средств конструирования. Для того, чтобы извлечь полностью достоинства новой, более эффективной элементной базы очень быстро обнаружили необходимость решения ряда сопутствующих задач кроме простой замены активной элементной базы. ПРИМЕР. В РЭС большой мощности, заменой только активной элементной ба­зы нельзя резко уменьшить массу и габариты в целом. Так пришли к понятию комплексной миниатюризации. Условиями комплексной микроминиатюризации являются: • проектирование схемы РЭС на принципах дискретной цифровой техники (вместо электромеханических узлов - электроника); • схемы строить на ИС общего (широкого) и частного применения; • решить проблему нормального теплового режима РЭС и электромагнитной совместимости; • использовать новые принципы формирования больших мощностей излучения; • в области СВЧ использовать генераторы Гана, полосковые линии и т,д.; • осуществлять миниатюризацию комплектующих конструктивных элементов (разъемы, кабели,…). Важным следствием внедрения микроэлектроники было дальнейшее упрощение пространственной организации конструкций узлов, субблоков, блоков и более крупных единиц конструкций микроэлектронной аппаратуры. Для эффективного использования преимуществ новой элементной базы происходила смена вариантов построения конструкции и, в первую очередь, пространственной подсистемы. Приведем несколько характерных для различных этапов развития микроэлектроники так называемых компоновочных (пространственных) структур. Рис. 2.32. Линейная графическая модель компоновочных МЭА . I- кристалл ИС; 2- кристалл БИС; 3—кор­пус микросемы; 4 - печатная плата; 5- несущая конструкция; 6 - корпус ycтpoйcтвa (бeз лeвoй :cтeнки); 7 -пoдлoжкa. Общими чертами вариантов являются: • наличие иерархической связи между модулями, т.е. некоторая совокуп­ность модулей 1-го уровня, объединяясь, дает модуль 2-го уровни, те объединяясь, дают модуль 3-го уровня и т.д. - иерархичекий модульный принцип построения; • плоскостной характер конструкций модулей нижних уровней - плоскостной принцип их объединения. Анализ структур позволяет сделать вывод, что принципы построения пространственной структуры РЭС определились и мало изменились с развитием микроэлектроники, и, более того, множество вариантов структур ограничилось несколькими схемами. Последнее позволяет сделать предположение о том, что и дальнейшее .увеличение степени интеграции ИС существенно не изменит сформировавшиеся принципы и структуры. Рассмотренный пример упрощения пространственной подсистемы Sпр касается только построения модулей нижних уровней (МЭУ и ячеек). Однако можно показать, что подобная картина наблюдается и для модулей более высоких уровней (блоков, шкафов). Следовательно, конструктору дается в руки на некоторые годы вперед важное априорное знание, позволяющее упростить задачу синтеза пространственной; структуры qпр конструкции РЭС, а значит и задачу проектирования конструкции в целом - знание принципов построения конструкции и некоторых пространственных (компоновочных) структур (схем). Следует заметить, что сформировавшиеся принципы и схемы компоновки диктовались еще неосознанным желанием конструкторов уменьшить и упростить множество отношений R между элементами Г1, Г2, … Гn пространственной систе­мы Sпр. Действительно, плоскостной характер конструкций узлов субблоков практически исключил отношения типа "выше-ниже" между элементами этих конструкций; иерархия модулей исключила множество взаимоотношений между элементами, принадлежащим различным модулям, заменив их простыми отношениями между модулями и т.д. Растущая степень интеграции открыла новые возможности применения нормализованных и унифицированных модулей различного уровня сложности. Наличие типовых электрических схем, выполняющих различные функциональные преобразования при одинаковом их конструктивном оформлении позволили создать аппаратуру из модулей единого конструктивного вида (единой серии). Последнее привело к уменьшению разнообразия, как вариантов, так и параметров Е пространственных структур конструкций. Так, наряду с определенностью принципов Ппр и пространственных структур qпр стала появляться определенность значений параметров элементов конструкций. Сейчас эти тенденции только усилились. Последние годы развития микроэлектроники характеризуются не только "завоевыванием новых позиций", что выражается, в повышении степени интеграции элементной базы, применении новых материалов, поиске оригинальных конструктивных решений, но и закреплением уже завоеванных позиций - унификацией и стандартизацией как элементной базы, так конструкций. Различного рода "базовые", типовые конструкции узлов, субблоков, блоков находят вое более широкое применение как в масштабах некоторых предприятий, отдельных отраслей, так и государства в целом. Примером стандартизации являются определенные типоразмеры разрешенных к применению печатных плат, подложек для ИС микросборок и, связанные с ними конструктивные варианты модулей 1-го и . 2-го уровней, а, в конечном итоге, и блоков (модулей 3-го уровня). Сюда же можно отнести попытки создания типовых вариантов топологии пассивных элементов для гибридных ИС (ГИС) и микросборок и регуляризацию расположения посадочных мест для навесных дискретных элементов на подложках ГИС и микросборок. В конечном итоге указанные мероприятия приводят к дальнейшему уменьшению разнообразия пространственных подсистем Sпр конструкций РЭС, точнее, к уменьшению множества возможных значений конституант Епр отношений Rпр их пространственных подсистем за счет стандартизации элементов Г при известных принципах Ппр построения структур qпр. Особенностью современного этапа комплексной микроминиатюризации является освоение новых возможностей при создании электронной аппаратуры 4-го и 5-го поколения, построенной на изделиях с высокой и все более возрастающей степенью интеграции компонентов. В полной мере это относится и к разработке аппаратуры с использованием микропроцессоров. Здесь уместно заметить, что рост степени интеграции на несколько порядков существенно не изменил пространственной структуры конструкций модулей 1-го, 2-го и 3-го уровней. По всей вероятности, при переходе на ИС еще более высокого уровня интеграции конструкция аппаратуры по-прежнему будет во многом однородна, т.е. будет характеризоваться наличием многоуровневой иерархической модульной пространственной структуры с типовым дискретным набором значений параметров модулей. Важным выводом, следующим из факта упрощения пространственных структур конструкций РЭС, является возможность выделить и формализовать основные задачи конструкторского синтеза современных РЭС. Итак, рассмотрение этапов развития РЭ позволяет сделать некоторые выводы: 1) По мере развития РЭ очень скоро разработчики пришли к пониманию важности учета взаимных связей между электрическими, тепловыми, механическими явлениями в РЭС, т.е. пришли к системному пониманию РЭС. (Однако без использования соответствующей терминологии). Главное следствие необходимости учета взаимодействий заключалось в существенном усложнении задачи конструирования по указанной причине. 2) Первоначальная сложность задачи конструирования РЭС (из-за разнообразия фopм и размеров элементов Г , отношений R , структур q и параметров Е конструкции) дополнилась сложностью учета явлений взаимодействия между подсистемами и различного рода ограничений в процессе проектирования. Формализованные методы использовались мало, в основном, для анализа конструкций РЭС. Например, для расчетов тепловых режимов. Синтез же выполняется человеком. В целом процесс проектирования выполнялся методом "проб и ошибок"; интуиция, опыт, эвристика играли решающую роль. Однако развивалась и другая тенденция - упрощение конструкции S за счет упрощения ее геометрической организации, т.е. за счет упрощения пространственной подсистемы Sпр. Для этого использовались следующие приемы: • деление аппарата на части (модули); • введение иерархии частей; • плоскостная реализация модулей нижних уровней; • стандартизация конструктивных (пространственных) решений модулей. Существенное развитие указанные приемы получили в РЭС 3-го и 4-го поколений с развитием микроэлектроники. В результате произошло значительное уменьшение разнообразия пространственных подсистем Sпр и в настоящее время существо задачи конструирования изменилось: - вместо синтеза (генерации, изобретения) перечня (списка) элементов Г конструкции решается задача выбора из ряда заданных вариантов (например, выбор типа корпуса ГИС для защиты от влаги); • вместо синтеза (изобретения) структуры qпр пространственных связей элементов Г конструкции S необходимо выбрать определенный вариант из некоторого заданного набора вариантов (например, разъемная или книжная конструкция блока); • вместо синтеза значений параметров Епр отношений элементов Г в пространстве необходимо опять же выбрать определенное значение параметра из допустимого ограниченного ряда значений. (Например, выбрать разрешенные типоразмеры печатной платы). Рис. 2.33. Упрощение пространственно подсистемы РЭС по мере развития РЭ. Таким образом, согласно введенной классификации, задача проектирования конструкций РЭС часто представляет собой задачу 3б или четвертого типа сложности. Упрощение задачи проектирования пространственной подсистемы Sпр привело к увеличению доли автоматизированных действий при конструировании за счет внедрения формализованных, а затем и автоматизированных методов синтеза (выбора) параметров Епр пространственных (или компоновочных) подсистем. Специфической особенностью современного состояния РЭ является возможность в некоторых случаях решить задачу конструирования РЭС полностью формализованными приемами. Объясняется это тем, что часто в задаче проектирования конструкции не требуется отыскивать, синтезировать принципы, состав элементов и структуру qпр пространственной подсистемы Sпр, т.к. она бывает либо задана заранее, либо задача ее синтеза заменяется более простой задачей выбора определенной структуры из заданного множества вариантов. Например, задача проектирования печатных узлов является задачей синтеза пространственной системы с известным заранее набором вариантов структур. 3) Расширение возможностей формализации конструирования и использование для целей проектирования средств ВТ позволило шире применять оптимальные методы конструирования РЭС. Современные автоматизированные процедуры конструирования РЭС являются сугубо оптимизирующими процедурами. 3) Эффективность жизни Э для РЭС остается неудовлетворительной. Причин этому много. По-прежнему невысока эффективность процесса проектирования Эпр. Последнее объясняется, в частности, недостаточным применением оптимальных автоматизированных методов проектирования РЭС с одной стороны, а также отсутствием некоторых профессиональных качеств у конструкторов РЭС и отсутствием необходимых средств проектирования с другой. И кроме того, не всегда и далеко не все задачи конструирования РЭС по сложности являются задачами уровней 3б и 4; хотя тенденция упрощения пространственной организации очевидна, также как очевидно и возрастание требований к конструкции РЭС в целом. Контрольные вопросы к главе 2. 1. Требования и основные принципы методологии проектирования РЭС 2. Дать определения понятия системы, толкование понятий "принцип, элемент, отношение, структура, конституэнты". 3. Унарное, бинарное, … n- арное отношение. Примеры. 4. Типовая задача: определить структуру, конституанты, отношения между элементами Uвх и Uвых в следующей системе S. 5. Почему РЭС можно рассматривать как некоторую техническую систему? 6. Элементы и отношения в РЭС. 7. Структуры и конституэнты унарных пространственных отношений в РЭС. Примеры. 8. Подсистемы РЭС. 9. Стратегия проектирования РЭС. 10. Уточненное понятие конструкции и конструирования РЭС. 11. Особенности проектирования конструкций РЭС. 12. Уровни сложности проектных задач. 13. Возможность творчества и формализации при решении проектных задач различной сложности. 14. Этапы жизни РЭС. Цель учета всех этапов жизни. 15. Оценка жизни РЭС. Роль общества. 16. Причина появления подсистем радиоэлектроники: системотехники, схемотехники, конструирования, технологии РЭС. 17. Факторы, влияющие на процесс проектирования. 18. Факторы, влияющие на процесс эксплуатации РЭС. 19. Этапы развития РЭ. 20. Начальные этапы развития РЭ: представление о РЭС, задаче проектирования, эффективность жизни РЭС. 21. В чем сложность задачи конструирования РЭС на начальных этапах? 22. Что дает разбиение конструкции РЭС на начальных этапах? 23. Основные противоречия современной РЭ. Почему они обострились? 24. Возможности разрешения противоречий РЭ. Их анализ. 25. Современный этап развития РЭ: представление о РЭС, задаче проектирования, эффективности жизни РЭС. 26. Роль микроминиатюризации, стандартизации. Глава 3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ ПОСТРОЕНИЯ РЭС. В данной теме речь пойдет о содержании действий в процессе разработки конструкции РЭС, причем подробному анализу подвергается только начальный этап проектирования. Очевидно, что началом действий проектирования в любом случае должен стать этап подготовки исходных данных (априорной информации) о проекте. Подготовка включает в себя сбор и систематизацию информации в виде технического задания (ТЗ) на разработку. ТЗ по сути является документом, который должен учесть все факторы, влияющие на результат - конструкцию РЭС. 3.1. Состав и этапы разработки технического задания (ТЗ). Из ГОСТа известно, что ТЗ представляет собой документ, устанавливающий основное назначение и показатели качества изделия, технико-экономические и специальные требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, объему, стадиям разработки и составу конструкторской документации (КД). 3.1.1. Заявка на разработку. ТЗ выполняется на основе исходного документа-заявки на разработку. Рис. 3.1. Этапы разработки ТЗ. В заявку на разработку входят следующие исходные данные: -назначение изделия; -предполагаемый изготовитель; -ориентировочная потребность в изделии; -стоимость разработки и сроки; - технико-экономическое обоснование; -основные требования и условия эксплуатации. ПРИМЕР. Заявка на разработку конструкции микроэлектронного аппарата (МЭА) в рамках конструкторско-деловой игры "Синтез и принятие решений при конструировании МЭА". Назначение МЭА: контрольно-измерительная. Необходимое число аппаратов: серия 1000 штук в год. Стоимость разработки и сроки: 2-я группа РЭС по стоимости; время разработки: два учебных семестра. Основные требования: -условия эксплуатации: бортовые (самолетные). -показатели качества: объем V; масса М; вероятность безотказной работы Р; Технико-экономическое обоснование - отсутствует. Изготовитель - отсутствует. 3.1.2. Структура и содержание ТЗ. При разработке ТЗ исходные данные, содержащиеся в заявке, получают существенное развитие и перекрестную оценку специалистов различных служб в процессе согласования с ними текста ТЗ. Содержание ТЗ представляет собой объединение следующих исходных данных: • совокупность требований к изделию (технических, экономических, производственных и др.); • необходимые стадии разработки и сроки прохождения стадий; • состав КД (ГОСТ 15.001-73). Рис. 3.2. Состав ТЗ. Особое место в ТЗ занимает раздел технических требований (ТТ). Он обычно содержит десять подразделов. В подразделе 1 "Состав изделия и требования к конструктивному устройству" приводится, как правило, восемь пунктов: 1) наименование, число и назначение основных частей; 2) конструкторские требования (габариты, установочные, присоединительные размеры и др.); 3) масса; 4) требования по охране окружающей среды; 5) требования взаимозаменяемости; 6) требования устойчивости к моющим средствам; 7) требования помехозащищенности и предотвращения выделяемых помех; 8) требования к ЗИП по виду (одиночный или групповой) и составу. В подразделе 2 "Показатели назначения" указываются радиотехнические параметры функционирования: мощность, чувствительность, разрешающая способность и другие. В подразделе 3 "Требования надежности" включает в себя требования долговечности, безотказности, сохраняемости и ремонтопригодности. Подраздел 4 "Требования технологичности" регламентирует показатели технологичности (производственной и эксплуатационной). В подразделе 5 "Требования к уровню унификации и стандартизации" устанавливаются минимальные показатели, которые должны быть достигнуты в конструкции по данным показателям. В подразделе 6,7 и 8 указываются требования безопасности, эстетические и эргономические, требования к патентной частоте. В подразделе 9 "Условия эксплуатации" должны быть предусмотрены следующие пункты: 1) условия, в которых конструкция должна быть работоспособной; 2) допустимые кратковременные воздействия климатических факторов; 3) механические воздействия; 4) виды обслуживания (постоянное или периодическое, необслуживаемое исполнение), необходимое количество и квалификация персонала. Подраздел 10 "Указание к упаковке, транспортированию и хранению" содержит перечень допустимых транспортных средств, условия и сроки хранения. Кроме ТТ в ТЗ входят экономические и производственные требования: • вид производства (единичное, мелкосерийное, крупносерийное, массовое); • группа изделия по стоимости разработки и производства (1 - минимальная стоимость, например, бытовая аппаратура; 2 - промежуточная; например, связное РЭС; 3 - стоимость не имеет решающего значения, важнее функциональные характеристики; например РЭС специального назначения); • ограничения на применяемые материалы, комплектующие и др.; • требования унификации и стандартизации. Анализируя ТЗ в целом, следует отметить, что отдельные разделы могут в задании не назначаться, если конструкция не очень сложная или проводится модернизация, не связанная с принципиальными изменениями. В практике конструирования РЭС чаще приходится иметь дело с частными техническими заданиями (ЧТЗ) на отдельные составные части РЭС, которые разрабатываются различными подразделениями в ходе параллельного конструирования. ЧТЗ имеют такую же структуру, но обычно составляются в сокращенном объеме по сравнению с общим ТЗ в отношении экономических и производственных требований. Объем технических требований в ЧТЗ должен быть более подробным и включать в себя дополнительные данные. Разработку ЧТЗ обычно выполняют на проектных стадиях, когда становятся известными дополнительные данные, вытекающие из взаимосвязи составных частей. 3.1.3. Этапы разработки ТЗ. Для того, чтобы осуществить формулировку текста ТЗ, необходимо обычно выполнить ряд действий. Рис. 3.3. Этапы разработки ТЗ. Суть действий при разработке ТЗ состоит в том, чтобы восполнить отсутствующие исходные данные, т.к. для проектирования необходима более полная, чем указана в заявке, формулировка цели и условий-ограничений при проектировании. В противном случае, возможна подмена цели. ПРИМЕР. Подмена цели задачи размещения модулей (ИС, например) на печатной плате при автоматизированном решении в общем случае при использовании критерия минимума суммы длин всех связей между модулями. На первом этапе разработки ТЗ необходимо провести анализ заявки, чтобы определить достаточность или отсутствие исходной информации для будущей разработки. Второй этап проводится для восполнения необходимой при проведении проектирования информации. На третьем этапе выделяются, если возможно, количественные характеристики, которые определяют уровень качества разработки - показатели качества (ПК). Основные ПК являются критериями для оценки результатов проектирования (т.е. из множества ПК выбирается подмножество критериев). На последнем этапе осуществляется формулировка задачи разработки по возможности, в математической форме, что позволит в дальнейшем применять строгие методы оптимизации решения. Анализ практики разработки ТЗ показывает, что указанные действия выполняются в основном человеком, т.е. являются творческими (действительно, этапы 2, 3, 4 представляют собой по смыслу задачи синтеза). Роль ЭВМ может быть сведена к подготовке информации для синтеза, например, за счет систематизации и хранения некоторых данных в памяти ЭВМ. Второй вывод, следующий из анализа процесса разработки ТЗ, состоит в том, что роль конструктора на данном этапе велика. ТЗ должно содержать все необходимое, но ничего лишнего. Таким ТЗ может сделать только конструктор. Какими способами можно сделать это? Практика подсказывает следующие возможности: • комплексность (системность) работы над ТЗ; • планомерность обзора; • соответствующая организация работы. Следует помнить, что поскольку задача разработки ТЗ - творческая, постольку существует множество реализаций (способов, методов) достижения цели. Одной из возможных представляется методика следующего (рис. 3.4) вида основанная на принципе морфологического анализа. Рис. 3.4. Факторы, определяющие ТЗ. Методика говорит о том, что необходимо планомерно рассмотреть систему факторов, так или иначе определяющих будущее ТЗ. По сути необходимо рассмотреть связи РЭС со всем его "окружением" на всех этапах жизни и особенно на этапе эксплуатации. Задача анализа связей состоит в том, чтобы дать качественное, а лучше - количественное описание связи. 3.2. Учет системных факторов в ТЗ. Из множества указанных выше факторов выделим те, которые определяется вхождением РЭС в более общую систему (РЭС - часть большой ТС), и учтем различного рода условия и ограничения, которые сопровождают процессы проектирования, производства и эксплуатации РЭС. Выделенная таким образом группа факторов называется обычно системными факторами. Рис. 3.5. Классификация системных факторов. Далее разберем более подробно множество системных факторов определяющих РЭС и укажем их место внутри ТЗ. 3.2.1. Факторы назначения и объекта-носителя. Данная группа факторов устанавливает первичную задачу разработки. Перечень факторов широк: 1) Радиоэлектронное функциональное назначение: прием, передача, обработка сигналов, индикация, вторичный источник питания и др. 2) Значение параметра, определяющего конструктивные решения: мощность излучения, мощность потребления, частота, полоса пропускания, быстродействие, чувствительность и др. 3) Класс объекта установки: бортовая аппаратура, морская, наземная для подвижных объектов, наземная стационарная и др. Учет указанных факторов проводится в виде формулировки соответствующих требований в подразделах 1, 2 ТЗ. 3.2.1.1. Классификация РЭС. В настоящее время РЭС проникли практически во все сферы деятельности человека, поэтому от того, что это за аппаратура, в каких условиях работает, каково ее основное назначение - зависит и процесс создания этих конструкций. Различают несколько критериев, по которым классифицируют РЭС. Основным из них является вид объекта-носителя. Он по существу, задает большинство факторов, влияющих на РЭС. В табл. 3.1. указаны основные классы РЭС и среда использования. Классификация РЭС. Таблица 3.1. 3.2.1.2. Особенности построения РЭС различных классов. Наземная РЭС делится на несколько групп . По ГОСТ 16019-78 стационарные РЭС разделяются на работающую в отапливаемых наземных и подземных помещениях (1 группа) и в не отапливаемых помещениях на открытом воздухе (2 группа). Этот класс РЭС характеризуется: - продолжительной эксплуатацией и постепенной модернизацией; - работой при нормальном атмосферном давлении; - отсутствием механических воздействий во время работы; - транспортировкой в амортизированной упаковке; - высокой ремонтопригодностью при ремонте на месте установки. На габариты стационарных РЭС накладываются ограничения, связанные с размерами помещений для ее установки (дверей, коридоров и т.п.). Особая группа стационарных РЭС - переносные РЭС, которые не должны иметь большой массы и могут не работать по время переноски. Возимые РЭС (3 и 5 группы по ГОСТ 16019-78) размещаются на автомобилях различных видов, на гусеничном транспорте (транспортеры, тракторы, танки и т.п.) и на железнодорожном транспорте. Для различных видов автомобилей характерны свои диапазоны механических нагрузок, свои ограничения по габаритам и массе, а также различные влияния окружающей среды (например, может быть предусмотрено кондиционирование в кабине машины). Гусеничный транспорт к тому же характеризуется более плавным движением, однако увеличивается опасность ударов при движении по бездорожью. Носимые РЭС предполагают работу аппаратуры во время переноски (6 и 7 группа). Большое значение имеет при конструировании учет физических возможностей человека (минимальные габариты и масса). Необходимо в полной мере учитывать сильные удары, климатические воздействия (особенно случаи выпадения росы при оттаивании РЭС в теплом помещении). В особо тяжелых условиях РЭС выполняются в герметичном корпусе. Морские РЭС характеризуются следующими особенностями: 1) комплексное воздействие климатических и механических факторов: 100% влажность при высокой температуре и солевом воздействии, сочетание их с непрерывной вибрацией, ударным нагрузками и линейными ускорениями; 2) длительное автономное плавание при невозможности осуществлять сложные ремонты в этот период; 3) акустические, магнитные и радиационные воздействия. Все РЭС как правило выполняется брызгозащищенной, устанавливаемая на открытой палубе - водозащищенной, а аварийная - герметичной. Основные отличия судовых РЭС следующие: 1) высокий уровень применения типовых конструкций для целей сокращения набора запасных блоков на борту; 2) высокая степень ремонтопригодности при минимальном персонале и наборе контрольно-измерительной аппаратуры; 3) ограничение габаритов блоков размерами люков кораблей; 4) обязательное применение комплексных мер защиты от всех видов механических воздействий; 5) особое внимание осуществляется на обеспечение электромагнитной совместимости РЭС в пределах всего судна, для чего принимают меры не только в отношении РЭС, но и самого судна. В зависимости от того, где находится аппаратура (в радиорубке, где должны поддерживаться комфортные условия, или в необитаемых помещениях корабля), необходимы различные меры защиты от факторов внешней среды. Буйковые предполагают наличие длительного периода необслуживаемой эксплуатации, воздействие сильных ударов волн, относительно хорошим тепловым режимом из-за охлаждения забортной водой. Корпус РЭС выполняется герметичным, способным противостоять воздействию соленой воды. Бортовые РЭС размещаются на самолетах, вертолетах, ракетах и космических аппаратах. Это наиболее специфическая группа РЭС, которая работает в самых жестких условиях: вибрации, линейных ускорениях, ударах, при пониженном давлении, холоде, влаге, соляном тумане, солнечной и космической радиации. Однако каждая группа имеет свои особенности: • авиационные РЭС характеризуются относительно малым периодом непрерывной работы (часы), а в остальное время РЭС может ремонтироваться на земле; кроме того, почти всегда проводится предполетная проверка функционирования. Поэтому контролепригодность и ремонтопригодность выходит на одно из первых мест в показателях качества РЭС. Кроме того, этот вид РЭС работает в тяжелых климатических условиях и пониженном атмосферном давлении; • к космическим и ракетным РЭС помимо общих для данной группы требований, предъявляются и специфические: особая ограниченность массы и габаритов, самые высокие требования к безотказности, хорошая ремонтопригодность в предстартовый период, совместное действие вибрации и линейных ускорений во время старта. Как правило космические РЭС характеризуется длительным периодом необслуживаемой эксплуатации, работой в вакууме или в специальной газовой среде, циклическими сильными перепадами температуры, воздействием радиации. Ракетные РЭС характеризуются разовостью использования, особо кратковременной предстартовой подготовкой (высокая ремонтопригодность), быстрым возрастанием температуры при старте, большими ударными нагрузками, необходимостью длительной сохраняемости при хранении. В заключении этого раздела приведем данные требований по устойчивости к мехвоздействиям и действию факторов окружающей среды для различных групп РЭС. Кроме того, в табл. 3.3. указаны ориентировочные значения коэффициента влияния Км, который должен учитываться при расчете надежности РЭС, работающих в реальной обстановке. Требования устойчивости. Таблица 3.2. Параметры Стационарная Возимая Судовая Носимая Авиационная Аварийная Ракетная Космическая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Прочность при синусои- дальных вибрациях f, Гц (f/а, м/сек2 10…30/ 6…37 10...30/ 2,4… 10, 7 10…30/ 7…37 5…500/ 0,1.. 10…70/ 19... 0…500/ до 196 1,5 /5…58 Устойчи- вость к ударам tn, мс, м/с2/N ударов 5…10/ 2 …10/ 60 5…10/ 40…80/ 147 5…10/ 40…80/ 98 15/58… 117/18 -/736/500 10…12/ 498/- Воздействие повышенной температуры Q, к/t, ч 328/2…6 333/2…6 333/2…6 333/2…6 Циклическое изменение температуры DQ, к/t, ч 223… 333/ 2…6 223… 333/ 2…6 223…333/2…6 223… 333 Воздействие соляного тумана Q, К/ дисперс-ность, г/м*м*м/t, ч 300/ 2…3/48 300/ 2…3/48 300/ 2…3/48 300/ 2…3/48 300/ 2…3/48 Воздействие пониженного атм. давления Р, кПА/t, ч 61/2…3 61/2…3 61/2…3 61/2…3 2…101/- 1…101/- 0,13 …101/- 0…101/- Коэффициент влияния. Таблица 3.3. Место установки РЭС Коэффициент Км =l¤l0 Место установки РЭС Коэффициент Км =l¤l0 Лабораторные и благоустроенные помещения 1,0 Железнодорожная. платформа 50 Стационарные наземные помещения 16 Самолет 120…160 Защищенные отсеки кораблей 28 Управляемый снаряд 280 Автоприцеп 36 Мощная ракета 700 3.2.1.3. Особенности построения цифровых и аналоговых РЭС. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция расширения сферы использования цифровых принципов при построении РЭС. Однако в ряде случаев не обойтись и без аналоговых устройств (в основном там, где требуется высокая разрешающая способность и точность представления, где нужно усиление малых сигналов и т.п.). СВЧ устройства обладают специфическими свойствами, их проектирование сильно отличается от проектирования других РЭС, поэтому вопросы изучаются в отдельном курсе. Каждый из двух видов РЭС имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при конструировании. Особенности цифровых РЭС: • относительно высокие степени интеграции и энергопотребления на единицу площади; • высокое быстродействие и жесткие требования к форме сигналов на входах и выходах; • большое число связей между отдельными ИС и субблоками; • высокая вероятность появления помех от соседних работающих схем и высокая чувствительность к помехам некоторых видов ИС; • большие токи в цепях питания и, следовательно, высокие требования к проектированию этих цепей. Особенности аналоговых РЭС: • малые уровни сигналов, которые порой передаются на большие расстояния; • большие значения коэффициентов усиления каскадов и в связанная с этим необходимость обеспечить их устойчивую работу; • наличие большого числа обратных связей (как предусмотренных, так и паразитных), которые также повышают вероятность самовозбуждения; • широкий диапазон частот сигналов; • сильная чувствительность к помехам, проникающим как по входам, так и по цепям питания; • в ряде случаев требуется обеспечить высокую стабильность параметров РЭС при изменениях условий окружающей среды и напряжения питания; • устойчивая тенденция к микроминиатюризации, что влияет на тепловой режим и электромагнитную совместимость. Таким образом, при создании цифровых РЭС необходимо особое внимание обращать на: • обеспечение защиты РЭС от перегрева; • осуществление развязки в цепях питания (в ТУ на применение каждой серии ИС указывается на сколько ИС необходимо предусмотреть включение керамического конденсатора такого-то номинала для устранения проникновения ВЧ помех и на каждой плате необходимо установить электролитический конденсатор большой емкости для устранения НЧ помех). Для БИС необходимо предусмотреть подключение керамического конденсатора в непосредственной близости от выводов питания ИС; • проведение трассировки и размещения на печатных платах таким образом, чтобы минимизировать влияние соседних проводников друг на друга (например, взаимно перпендикулярное расположение проводников на разных сторонах платы); • появление "длинных" связей (для каждого типа ИС и вида проводников в справочниках приводится максимально возможная длина "коротких" связей); • осуществление согласования входов и выходов ИС при наличии "длинных" связей. Особенно это относится к кросс платам и соединительным панелям. В случае жестких требований на форму сигнала и помехоустойчивость на высоких частотах обмена (тактовая частота >10…100 МГц) может потребоваться осуществление связей с помощью полосковых линий; • выбор соответствующих видов линий связи с внешними устройствами, их согласование, тщательное заземление всех элементов блока, шкафа и т.д.; При создании аналоговых РЭС, помимо общих принципов конструирования, необходимо особо обращать внимание на следующее: • разделение в пространстве входной и выходной частей схемы; • при наличии в схеме трансформаторов, дросселей, катушек, их размещают как можно дальше от чувствительных цепей и придают соответствующую ориентацию, проводят экранирование. Особенности конструкции бытовых РЭС: 1) повышенные эстетические характеристики внешнего вида и акустические параметры; 2) приспособленность конструкции к эксплуатации совершенно неподготовленным человеком; 3) массовость производства; 4) определяющее значение стоимости. В настоящее время используется три главных направления в конструировании бытовых РЭС: 1) создание новых РЭС вызванных новыми потребностями, не зависящих от наличия ранее выпускавшихся конструкций; 2) совершенствование ранее выпускавшихся конструкции с целью введения автоматизации и улучшения характеристик; 3) повышение технологичности с целью уменьшения стоимости. В технической эстетике наблюдается тенденция к конструированию РЭС в максимально скромном, профессиональном исполнении, а также в виде взаимно дополняющих конструктивно и эстетически согласованных устройств - модулей. 3.2.2. Факторы технической системы, конструктивной и технологической базы. Отражение указанных факторов формулируется в виде технических требований в подразделах 1, 2, 3, 4 и в виде экономических и производственных требований. В подразделе 1 ТТ необходимо сформулировать перечень требований в виде: 1) Массогабаритные характеристики: масса РЭС, габаритные, установочные, присоединительные размеры и др. При формулировке требований к массе аппарата возникают трудности в случае бортовой, носимой, переносной, отчасти корабельной и др. видов РЭС. Требования в таких случаях обычно либо задаются в заявке на разработку, либо накладываются при разработке ТЗ, исходя из анализа условий эксплуатации, в виде ограничений. Похожая ситуация складывается и при выставлении требований по положению центра массы для ряда бортовых РЭС. Габаритными называются размеры, устанавливающие предельные внешние очертания. Габаритный размер записывается как произведение длины l , ширины b и высоты h (l*b*h,мм). Присоединительными называются размеры, определяющие координаты элементов, с помощью которых данное изделие присоединяется к другому изделию (ГОСТ 2.307-68), т.е. размеры между центрами крепежных отверстий или обозначения резьбы, которая должна быть предусмотрена на объекте для крепления изделия. 2) Закрепление на объекте: жесткое, быстросъемное, на амортизаторах и др. 3) Коммуникационные сети на объекте: сети питания, сети антенных кабелей, шин заземления, вентиляционные сети и др. 4) Электромагнитная защита на объекте: наличие одновременно работающих РЭС на том же объекте и их влияние, экранирование, устранение наводок, в том числе и по цепям питания, включая защиту от помех, вызываемую данной конструкцией при работе. Кроме упомянутых факторов, в технических требованиях могут быть отражены вопросы взаимозаменяемости, состав и требования к ЗИПу и т.д. По результатам проделанной работы в основном формулируются подразделы 1 и 2 технических требований ТЗ на конструкцию РЭС. Факторы технологичности и преемственности фиксируются в подразделах 4, 5 технических требований ТЗ. Известно, что свойство технологичности объекта проявляется либо при подготовке производства и промышленном его выпуске (производственная технологичность), либо при техническом обслуживании и ремонте изделия (эксплуатационная технологичность). Производственная технологичность характеризуется рядом характеристик, например, трудоемкостью, материалоемкостью, себестоимостью. Для снижения производственной технологичности конструктор может использовать эффективный прием - повысить объем применяемости ранее освоенных в производстве деталей и сборочных единиц. С этой целью используют различные формы преемственности - использование в новых изделиях, разработанных ранее, и освоенных в производстве деталей и узлов. Для оценки технологичности используют ряд показателей - коэффициенты унификации, стандартизации и т.д. Эксплуатационная технологичность характеризуется: доступностью, контроле пригодностью, взаимозаменяемостью, обеспеченностью ЗИП, легкосъемностью с объекта. Зачастую качественные характеристики эксплуатационной технологичности могут быть выражены и в количественной форме, например, время контроля и т.д. Завершая раздел, укажем, что многие факторы из категории системных факторов, могут быть отнесены к другой категории и, соответственно, рассмотрены в следующей теме, т.к. деление на системные факторы и другие в значительной мере условно. Контрольные вопросы по главе 3. 1. Роль ТЗ с точки зрения множества факторов определяющих РЭС. 2. Содержание заявки на разработку. 3. Содержание ТЗ. 4. Этапы разработки ТЗ. 5. Содержание ТТ. 6. Отличие ЧТЗ от ТЗ. 7. Суть анализа заявки. 8. Факторы, определяющие состав ТЗ. 9. Классификация системных факторов. 10. Факторы назначения - требования в ТЗ. 11. Факторы объекта - установки - требования в ТЗ. 12. Классификация РЭС. 13. Особенности наземных РЭС. 14. Особенности морских РЭС. 15. Особенности бортовых РЭС. 16. Особенности цифровых и аналоговых РЭС. 17. Особенности бытовой аппаратуры. 18. Конструктивные факторы - требования в ТЗ. 19. Технологические факторы - требования в ТЗ. Глава 4. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. Среди множества воздействующих на РЭС факторов особое место занимает группа факторов характеризующих среду обитания - окружающую РЭС среду. В данном разделе представлены основные из этих факторов, причем указаны способы их учета в ТЗ на разработку. Особенность рассматриваемой темы состоит в том, что факторы окружающей среды и объекта установки часто очень тесно связаны, поэтому в процессе проектирования РЭС их трудно разделить и в ТЗ они также пересекаются. Начнем анализ с учета группы климатических факторов. 4.1. Виды климатических факторов. Климат - характерная для данной области (региона) на поверхности Земли совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обуславливаемых географическими координатами, уровнем солнечной радиации, строением земной поверхности, вертикальным теплообменом и другими определяющими метеорологическими факторами за длительное (20…30 лет) время. К климатическим факторам относят: • изменение температуры и тепловой удар; • влажность окружающей среды; • увеличение или уменьшение атмосферного давления; • наличие движущихся потоков пыли и песка; • присутствие активных веществ в окружающей атмосфере; • наличие солнечной радиации; • грибковые образования (плесень); • микроорганизмы, насекомые, грызуны. Рассмотрим, как сказывается наличие тех или иных климатических факторов на работе РЭС. Изменение температуры связано с изменением температуры окружающей среды и с выделением тепла при работе РЭС. При повышении температуры происходит физическое изменение материалов, нарушение изоляционных свойств. Происходит интенсивное старение материалов с потерей механических и электрических свойств. При колебании температуры изменяется емкость конденсаторов, снижается сопротивление изоляции, меняется собственная емкость, добротность контуров и сопротивление резисторов. В результате нарушается настройка РЭС, снижается чувствительность и избирательность радиоприемных устройств. Если при разработке несущих конструкций не будут учтены изменения линейных размеров при изменениях температуры, то при эксплуатации возможно заклинивание или деформация связей. Тепловой удар заключается в резком увеличении температуры и исчисляется минутами, а величина перепада - десятками градусов. От теплового удара в первую очередь разрушаются хрупкие материалы - стекло, керамика, некоторые пластмассы. Атмосферное давление. Снижение его снижает электрическую прочность воздуха, вследствие чего пробивное напряжение падает. Ухудшается и поверхностное сопротивление изоляционных деталей. Снижается теплопроводность воздуха, ухудшаются условия охлаждения аппаратуры. Влажность является одним из наиболее агрессивных факторов. Вода, содержащаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными веществами (углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, азотом, кислородом, углекислым газом и др.). Концентрация солей в воде морей и рек доходит до 5%. Капли дождя при ударах о корпус вызывают механические вибрации. Влага приводит к параметрическим и внезапным отказам. Наиболее чувствительны к ней элементы и структуры ИС. Влага приводит к электрохимической и химической коррозии, образованию закорачивающихся перемычек, увеличению диэлектрической проницаемости, потерь и утечек в диэлектриках. На поверхности полупроводниковых приборов влага приводит к накоплению зарядов в полупроводнике под влиянием поверхностных ионов. Конструкционные металлы в присутствии влаги корродируют. Наиболее устойчив к коррозии алюминий вследствие своей поверхностной окисной пленки. Недопустима для применения в конструкциях пара алюминий - медные сплавы с точки зрения электрохимической коррозии (корродирует алюминий). Латуни и бронзы устойчивы во влажном климате и промышленной атмосфере. Стали особенно сильно корродируют в присутствии хлоридов, SО2 и СО2. Однако содержание хрома более 12% делает стали нержавеющими (15Х, 20Х). Изоляционные материалы диффузно поглощают влагу. При этом поглощение происходит в сторону меньшей ее концентрации, т.е. при повышенной влажности воздуха молекулы воды проникают внутрь материала, а при сухой атмосфере - наружу, таким образом происходит поглощение влаги и высыхание. Поглощение влаги диэлектриком приводит к уменьшению сопротивления его изоляции, увеличению диэлектрических потерь, набуханию, механическим повреждениям. Пыль и песок находятся в атмосфере и движутся вместе с воздушным потоком. Вблизи городов и ТЭЦ содержание их увеличивается, причем большую часть составляют продукты сгорания серы. Кроме того, в состав пыли входят как неорганические (зола, сажа), так и органические частицы текстильного и растительного происхождения. Сухие частицы вследствие адсорбирования ионов могут быть заряжены и оседают на деталях, находящихся под напряжением. Песок состоит из округленных частиц кварца размером 0,06…0,08 мм, концентрация его увеличивается с увеличением скорости движения масс воздуха. Грибковые образования чаще всего поражают изоляционные материалы на основе целлюлозы. Грибки не имеют хлорофилла и используют для роста органические вещества. Помимо питательных веществ для развития плесени необходима влажность 70…100%, т.к. она не имеет защиты от испарения. Способствует росту плесени и неподвижность воздуха. Поэтому РЭС в тропическом исполнении должна иметь защиту от плесневых грибов. Споры грибов поступают из почвы и распространяются с пылью. Они имеют стойкость к холоду, жаре, ядам и несколько лет сохраняют способность к размножению. Стойкость против образования имеют уретановые лаки с противоплесневыми ядами - фунгицидами. Неисправности РЭС связаны также и с насекомыми, которые летят на свет и тепло. Их трупы, особенно при повышенной влажности, способствуют коррозии и образуют благоприятную среду для грибковой плесени. Другие группы факторов, такие как воздействия ветра и гололеда, солнечной радиации, полей СВЧ, также будут рассмотрено в соответствующих разделах курса. Факторы окружающей среды делят на: рабочие, при которых РЭС должна сохранять требуемые значения выходных параметров в течение всего периода эксплуатации; предельные, при воздействии которых на РЭС необходимо сохранение работоспособности без сохранения номинальных значений выходных параметров в течение заранее заданного периода времени (как правило до 6 часов). Для учета факторов окружающей среды при проектировании РЭС в ТЗ в соответствующие разделы вносятся необходимые требования к аппаратуре. 4.2. Отражение в ТЗ факторов окружающей среды. Существует несколько возможностей учета требований к РЭС в ТЗ. Одним из основных является задание варианта климатического исполнения аппаратуры. Климатическое исполнение (ГОСТ 6019-78). Остановимся подробнее на этом пункте. В зависимости от климата района эксплуатации РЭС различают девять основных климатических исполнений изделий: 1) У - умеренный климат со среднегодовыми изменениями температуры +40oС и – 45oС. 2) УХЛ - умеренный и холодный; при Т мин < - 45o С. 3) ТВ - влажный и тропический; относительная влажность 80% и выше действует на изделие более половины суток ежедневно в течение двух месяцев и более. 4) ТС - сухой тропический; температура +40oС. 5) М - умеренно холодный морской; моря и океаны севернее 30o северной широты или 30o южной . 6) ТМ - морской климатический; ; моря и океаны между 30o северной широты и 30o южной широты. 7) О - общеклиматическое для суши. 8) ОМ - морское общеклиматическое; неограниченный район плавания. 9) В - всеклиматическое для суши и моря. Стандартизация и кодификация климатических исполнений существенно упрощает задание соответствующих требований, т.к. позволяет четко представить всю программу комплексного воздействия внешней среды в количественном выражении. Подробно вопрос воздействий рассмотрен в другом разделе ТТ, при обсуждении комплекса условий эксплуатации РЭС. Категория размещения на объекте: пять укрупненных и шесть дополнительных категорий. Категории размещения на объекте также стандартизованы и кодифицированы: Категории размещения. Таблица 4.1. Укрупненные категории Дополнительные категории 1: на открытом воздухе 1.1.: для хранения и работы в помещении категории 4 и для кратковременной работы в других условиях, в том числе на открытом воздухе 2: под навесом и на объектах, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от условий открытого воздуха (палатки и т.п.) 2.1.: внутри изделий категорий размещения 1; 1.1; 2, но при условии исключения конденсации влаги (например, внутри РЭС). 3: в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без кондиционирования 3.1.: в нерегулярно отапливаемых помещениях (объектах). 4: в помещениях (объектах) с искусственным климатом 4.1.: при кондиционировании или частичном кондиционировании 4.2.: внутри промышленных отапливаемых зданий. 5: в помещениях (объектах) с повышенной влажностью, приводящей к частой конденсации влаги на стенах и потолке 5.1.: внутри изделий категории 5, на при условии исключения конденсации влаги на данном изделии. Указанные категории размещения конструкций РЭС на объекте не распространяются на летательные аппараты с высотным потолком более 1000 м. Для таких конструкций предусмотрена классификация по группам пониженного давления, табл. 4.2. Группы пониженного давления. Таблица 4.2. Группа Давление Высота над уровнем моря, тыс.м Группа Давление Высота над уровнем моря, тыс.м кПА Мм рт.ст. кПА Мм рт.ст. А а 70,0 525 2,4 К и 1,3 10-1 1 45,8 B б 60,0 450 3,5 Л к 1,3 10-2 10-1 63,6 В в 53,3 400 4,3 М л 1,3 10-4 10-3 91,7 Г г 26,7 200 9,4 Н м 1,3 10-7 10-6 200 (ближний космос) Д д 12,0 90 14,4 О н 1,3 10-10 10-9 Средний космос Е е 4,4 33 20,0 П о 1,3 10-13 10-12 Дальний космос Ж ж 2,0 15 26,0 П п 1,3 10-14 10-13 То же З з 0,6 5 34,0 Главной особенностью условий эксплуатации РЭС летательных аппаратов является снижение электрической прочности воздушных промежутков для конструкций РЭС, расположенных вне герметичного отсека или корпуса. Изменение электрической прочности воздуха. Таблица 4.3. Высота над уровнем моря, тыс. м 1 3 5 10 20 30 Относительная электрическая прочность 1,0 0,80 0,62 0,35 0,1 0,03 4.3. Эксплуатационные факторы. Для учета в целом факторов окружающей среды и объекта установки, в ТЗ обычно формируется под раздел ТТ, который называется "Условия эксплуатации". Эксплуатационные требования к изделию включают в себя: 1) устойчивость к климатическим воздействиям (ГОСТ 15150-69); 2) устойчивость к механическим воздействиям (ГОСТ 16019-78; 17676-81); 3) характеристики возможных режимов работы и регламентных работ; 4) характеристику работы персонала. Внешние воздействия на РЭС обычно записываются в ТЗ в сокращенном виде. Вместо перечисления большого количества разнообразных факторов указывается группа, категория или вид исполнения устройства. Перечень и числовые характеристики факторов приводятся в нормативных документах -ГОСТ, ОСТ, нормалях. Номенклатура, характеристики внешних воздействий и условий эксплуатации даны в ГОСТ 2057-406-81. Говоря о климатических воздействиях, заметим, что нормировано семь основных видов: 1) воздействие температуры; 2) тепловые удары; 3) влажность; 4) разрежение воздуха; 5) пыль; 6) солнечная радиация; 7) гидростатическое давление. Для специальных случаев отдельные основные виды воздействий дополняются усложненными требованиями. Например, действие влаги дополняется требованиями к туману, дождю, инею. Нормальными климатическими условиями принято считать температуру от 15 до 300С, давление (8,36…10,6) 104 Па (630…800 мм рт.ст.), относительную влажность 45…80% (при 300С), воздух без химических примесей и пыли. Учет содержания в атмосфере коррозионно-активных агентов, влияющих на надежность, производится по ГОСТ 15150-69. Классификация атмосферы. Таблица 4.4. Тип атмосферы, наименование Исполнение, обеспечивающее экономически оправданную защиту в атмосфере I, условно чистая У, УХЛ II, промышленная У, УХЛ, ТС, ТВ III, морская М, ТМ, ОМ, В IV, приморско-промышленная О, В В нормативных документах также устанавливаются факторы, характеризующие коррозионную агрессивность атмосферы (ГОСТ 9.039-74) и коррозионную стойкость металлов (ГОСТ 13819-68). Стойкость к воздействию биофакторов в тропиках определяют по ГОСТ 9.102-78. Устойчивость к механическим воздействием РЭС - способность выполнять все функции в условиях воздействий; прочность при механических воздействиях - способность противостоять разрушению в течение срока службы. Существуют четыре вида механических воздействий: вибрации, удары, линейные и центробежные ускорения, шум и акустические удары. В нормативных документах устанавливаются группы РЭС в зависимости от условий эксплуатации, требования к испытаниям, количественные оценки воздействия и т.д. Группа в зависимости от условий эксплуатации. Таблица4.5. Группа РЭА Основные характеристики Окружающая температура,К Относительная влажность,% при 298 К Удары Вибрации Линейные ускорения, м/с2 Пониженное атмосферное давление Н, кПа Тmin Tmax Длитель-ность tн, мс Ускорение aи, м/с2 Частота gи, мин-1 Диапазон частот ¦н…¦в, Гц Виброускоре-ние a, м/с2 Стационарная РЭА, работающая в отапливаемых помещениях (1-я группа) 233 328 80 ---- ---- ---- 10….30 19,6 ---- 61 Стационарная РЭА, работающая на открытом воздухе (2-я группа) 233 333 93 ---- ---- ----- 10….30 19,6 ---- 61 Возимая РЭА на транспорте 3-я и 5-я группы) Автомобильный 233 333 93 5….10 147 40….80 4….80 78,5 3,12 61 Гусеничный 233 333 93 5….10 147 40….80 3….30 19,6 ---- 61 Железнодорожный 233 333 93 3….10 392 40….80 2….100 19,6 3,12 61 Судовая РЭА (4-я группа) Большие суда 233 333 93 5….10 147 40….80 4….100 78,5 ---- 61 Малые суда 5….10 147 40….80 5….150 196 58,9 61 Носимая и портативная РЭА, работающая на открытом воздухе (6-я группа) 233 333 93 5….10 98 40….80 10….70 37 ---- 61 Носимая и портативная РЭА, работающая в отапливаемом помещении (7-я группа) 233 328 80 5….10 98 40….80 10….30 10,7 ---- 61 Самолетная РЭА, работающая в штатных условиях 233 328 93….100 при Т=321…330К 15 117,7 ---- 5….2000 196 2 Самолетная РЭА, работающая в аварийных условиях 233 333 98 при Т=313К 5….10 736 ---- 10….70 196 2 Ракетная РЭА Космическая РЭА 233 233 328 328 100 ---- 10….12 ---- 981 ---- 0….500 1,5…2500 196,2 4,9…58,9 0,12 Требования к испытаниям. Вид испытания Наименование показателей Нормы по группам 1 2 . . . . 13 Обнаружение диапазона Диагональ часть ГЗУ, Олимп мм Выборы на мин. Виброустой -чивость Диапазон частот, Гц Ускорение g Выдержка Ударная частота устойчивость Длительность 4.4. Требования к конструкции по надежности (ГОСТ 20397-82). Группа требований по надежности РЭС является одной из основных, если не самой основной. Надежность является сложным свойством, которое, в зависимости от назначения конструкции и условий применения, состоит из сочетания свойств безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности (ГОСТ 27.002-83). Из анализа видно, что первые три свойства основаны на противодействии разрушительным физико-химическим воздействиям, четвертое - на создание благоприятных условий для предупреждения и обнаружения причин отказов и их устранения. Отказы конструкции, которые характеризуют безотказность, долговечность и сохраняемость, имеют общий физико-химический механизм. Требования, касающиеся этих составляющих надежности, рассматриваются в рамках следующих групп вопросов: 1) разновидности отказа; 2) три группы безотказности по последствиям отказов; 3) классы восстанавливаемости и периодичность режима эксплуатации; 4) требования сохраняемости при хранении и транспортировке. Рассмотрим требование первой составляющей надежности конструкции РЭС - безотказности, которая характеризуется разновидностями отказов, отличающихся друг от друга моментом возникновения в течение срока службы изделия: отказами внезапными, износовыми и приработочными. Точное прогнозирование и определение соответствующих требований надежности высоконадежной и сложной РЭС затруднено. В зависимости от последствий отказа установлены три группы надежности (безотказности). Группы надежности по последствиям. Таблица 4.6. Группа надежности Последствия отказов Пример I Угроза безопасности людей, значительный материальный или моральный ущерб Сложная РЭС для судо- и самолетовождения, широковещательная или телевизионная станция II Материальный ущерб, соизмеримый со стоимостью изделия Рыболокатор, РЭС спутника III Утрата изделия или расходы на ремонт Бытовые РЭС Рассматривая и анализируя заявку на разработку, необходимо определить требования разновидности отказов и группу РЭС по надежности,. Второй составляющей надежности является долговечность. Содержание понятия долговечности зависит от того, является ли рассматриваемая РЭС невосстанавливаемой, т.е. не подвергаемой ремонту , или восстанавливаемой, долговечность которой учитывает проведение ремонтов для восстановления работоспособности. Для невосстанавливаемой РЭС долговечность определяется тремя главными факторами: 1) безотказностью; 2) качеством эксплуатационной конструкторской документации; 3) обученностью и дисциплиной обслуживающего персонала. Для восстанавливаемой РЭС, кроме указанных трех факторов, должны учитываться и ремонтопригодность изделия. Для формулировки требований ТЗ по надежности необходимо также установить класс восстанавливаемости РЭС. Существуют четыре класса: 1) невосстанавливаемые (неремонтируемые) изделия и их составные части: ИС и большинство ЭРЭ, корпусированные микросборки и т.д.; 2) восстанавливаемые изделия, которые после капитального ремонта должны рассматриваться как новые, а в течение срока службы подвергаются операциям технического обслуживания, текущего и среднего ремонта: вещательные РЭС; 3) восстанавливаемые изделия, которые после капитального ремонта имеют заниженные против новых образцов показатели надежности: рыбопоисковые локаторы и т.д.; 4) изделия для кратковременных заданий, выполнений которых обеспечивается готовностью изделия в начальный момент использования и безотказным функционированием за время выполнения задания: ракетная и космическая РЭС. На априорном знании различных соотношений периодов ожидания и действия построена классификация периодичности режима эксплуатации: непрерывный, циклический, оперативный и общий режимы: 1) непрерывный - нет периода ожидания: радиобуй, спутниковые РЭС, РЭС дальней навигации и т.д. 2) циклический - известны периоды действия и ожидания: телевизионная передающие РЭС, промышленное телевидение, некоторые РЭС систем управления и др. 3) оперативный - неопределенный период ожидания и известный период действия: ракетные РЭС, некоторые связные РЭС и т.п.; 4) общий - случайные периоды ожидания и действия: телевизионные и радиоприемники, измерительные РЭС и т.д. После установления требований к РЭС по режиму эксплуатации переходят к определению требований по сохраняемости РЭС. Сохраняемость при хранении (на складе) закладывается конструктором на стадии разработки изделия (в основном, через безотказность), обеспечивается при выполнении назначенных конструктором требований к консервации и упаковке (ГОСТ 9.014073) в десятом подразделе ТЗ и поддерживается правильным, регламентированным режимом хранения, соответствующим категории размещения. Сохраняемость при транспортировке обеспечивается в зависимости от назначенного вида транспорта путем применения соответствующей контейнерной тары с предусмотренными в ней амортизирующими средствами против вибрации, ударов соответствующих транспортированию. Возможно транспортирование автотранспортом, водным, железнодорожным и воздушным. Ремонтопригодность представляет собой понятие, которое рассматривает приспособленность конструкции РЭС к ремонту с учетом обеспечения на объекте условий для ремонтных и профилактических работ без снятия изделия с объекта и с учетом дисциплины поддержания работоспособности изделия. Оценивают количественно ремонтопригодность времени восстановления, т.е. временем, затрачиваемым на обнаружение, поиск причин и устранений последствий отказа. Для сложной РЭС время восстановления не должно превышать, как правило, 15…30 мин. Для получения доступа к узлам РЭС могут использоваться приемы раскрытия или выдвигания частей несущей конструкции. Показателем ремонтопригодности длительно эксплуатируемой РЭС являются характеристики ЗИП (запасные части, инструмент, принадлежности и материалы, прилагаемые к изделию): - достаточность; - комплектность; - сохранность. Важное значение при обеспечение ремонтопригодности РЭС имеет полнота и комплектность эксплуатационной и ремонтной документации. Дисциплина поддержания работоспособности РЭС определяет регламентированность операций технического обслуживания и ремонта. Различают назначенную и нерегламентированную периодичность. Проанализировав заявку и проектную ситуацию для конкретной разработки РЭС, устанавливают соответствующие требования надежности в соответсующих подразделах технических требований ТЗ. Контрольные вопросы по главе 4. 1. Классификация факторов окружающей среды. 2. Понятие климата. 3. Перечень климатических факторов. 4. Оценка воздействия климатических факторов на РЭС. 5. Понятия рабочих и предельных требований по климатическим факторам. 6. Климатическое исполнение РЭС. 7. Категории размещения РЭС на объекте. 8. Группы РЭС на летательных аппаратах. 9. Понятие эксплуатационных факторов. 10. Нормальные климатические условия. 11. Группы РЭС по условиям эксплуатации. 12. Оценка показателей надежности РЭС. 13. Группы надежности РЭС по последствиям. 14. Требования долговечности и их обеспечение для восстанавливаемых и невосстанавливаемых РЭС. 15. Требование сохраняемости и их обеспечение. 16. Требования ремонтопригодности и их обеспечение. Глава 5. ФАКТОРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ "ЧЕЛОВЕК-МАШИНА". В настоящем разделе рассматривается особая группа факторов влияющих на процесс и результат проектирования РЭС. Особенность состоит в том, что воздействия определяются совершенно особым субъектом деятельности при проектировании - человеком. Для начала необходимо определить роль и место человека в жизни РЭС. Для решения этого вопроса рассмотрим с общих позиций ситуацию: будем считать, что речь идет о роли человека при взаимодействии с какой-либо машиной, т.е. определим роль человека - оператора в человеко-машинной системе при выполнении управленческой деятельности. 5.1. Человек - оператор и РЭС. Человек - оператор является интегральным и определяющим звеном любой системы управления, независимо от степени ее автоматизации. Им принимаются принципиальные решения, он является юридическим лицом. Все это заставляет внимательно подходить к вопросам работы человека с РЭС, изучать и рационально использовать его навыки и способности, создавать для него комфортные условия для работы. 5.1.1. Система "Человек - машина" В соответствии с ГОСТ 21033-75 человека - оператора (Ч-О) рассматривают как осуществляющего трудовую деятельность посредством взаимодействия с машиной и окружающей средой. Эта система получила наименование "Человек-машина". В настоящее время считают, что машине следует отдавать предпочтение при выработке частных решений на основе общих правил, при математических расчетах по определенным формулам, при выполнении стандартных действий, при необходимости сохранения в оперативной памяти большого количества информации, при быстрых реакциях и значительных усилиях в процессе управления. Если необходимо делать обобщения или формировать решение на основе ограниченной информации, опознать объект в условиях помех, реагировать на случайные и непредвиденные обстоятельства, решать задачи, которые по своему характеру не могут быть алгоритмизированы, то предпочтение отдается человеку. Для правильного использования человека в роли "машины" управления мало знать перечисленные выше общие принципы. Необходимо знать и конкретные особенности работы человека в различных условиях. Эти условия определяются инженерной психологией и принципами эстетического восприятия человеком информации, получаемой при работе с РЭС. 5.1.2. Оператор как "приемник", "ретранслятор" и "анализатор" информации. Инженерная психология - наука, рассматривающая Ч-О в виде машины по приему, переработке и выработке информации в виде сигналов разнообразной физической природы. Она изучает: • сенсорный вход (органы чувств или рецепторы человека) и моторный (двигательный) выход Ч-О; • процессы переработки информации и распределением функций между человеком-оператором и машиной; • нормальные и критические условия жизнедеятельности Ч-О; Ч-О и РЭС представляет собой две части комплекса, для нормальной работы которого необходимо их согласование. Поэтому между ними имеется целая система технических устройств, передающих информацию от РЭС к человеку и наоборот. Для действенности этой системы нужно решить вопросы: какое количество информации человек может принять, переработать и передать в единицу времени; какова его "пропускная способность" и предельные скорости различных реакций; какова точность восприятия и выдачи различных сигналов; каково время "задержки" (обработки) сигнала оператором; какова надежность его работы. Все эти вопросы должны решаться под углом зрения "подгонки" РЭС к оператору, а не наоборот. Сложность решения этих вопросов объясняется тем, что прием и переработка информации Ч-О - процессы познавательные, складывающиеся из ощущения, восприятия, представления и мышления. Рассмотрим, как происходит процесс управления РЭС: Рис.5.1. Последовательность стадий управления. Из рассмотрения процесса управления в системе видно, что Ч-О может выступать в роли "приемника" информации, "ретранслятора" информации от одного звена к другому, "анализатора" информации и исполнителя принятого решения. Он может выполнять программирование работы РЭС, следить за ее состоянием, или быть только исполнителем команд. Во всех случаях основным показателем его работы будут: • время полного цикла регулирования; • точность и надежность работы. Время полного цикла регулирования (оборота сигнала по контуру Ч-О - РЭС) можно представить в виде суммы: где ti - время задержки сигнала в i звене системе РЭС; n - общее количество звеньев; Т0 - время задержки сигнала оператором (от момента поступления сигнала до ответа на него действием) Величина То лежит в пределах 0,1…0,5 с и более, в то время как åti обычно на 2…3 порядка меньше. Время от подачи сигнала до начала движения зависит от модальности ощущения, определяемой возбуждаемым анализатором. Значения этих величин для возбуждения средней интенсивности лежат в пределах: • тактильный анализатор - 0,09…0,22с, • слуховой анализатор - 0,12…0,18с, • зрительный анализатор - 0,15…0,22с, • обонятельный анализатор - 0,31…0,39с, • болевой анализатор - 0,13…0,89с. Поэтому общее время, затрачиваемое оператором на получение информации от индикаторов и выполнение ответных действий Т0 , можно представить в виде: где К - количество индикаторов (стрелок, знаков); время, необходимое для оценки показателей i-го индикатора; Dti - время перевода глаз с одного индикатора на другой; Dti - время спонтанной (самопроизвольной) отвлекаемости Ч-О; tc - время выполнения моторных (простых) действий по управлению i-м регулятором; tmi - количество регуляторов РЭС; ni - количество однотипных индикаторов или периодичность наблюдения или регулировки. Для работы с РЭС наиболее характерны дизъюнктивные реакции (реакции выбора) оператора, которые характеризуется необходимостью отвечать действием только на некоторые из сигналов. Длительность таких реакций больше, чем у простых сенсомоторных. Время обращения сигнала по контуру управления можно сократить, если создать оператору нормальные условия работы и натренировать его на управление данным РЭС. 5.1.3. Повышение надежности работы Ч-О. Суммарные погрешности в системе "Человек-машина" в инженерной психологии принято суммировать так: где di - погрешность i-го звена РЭС, n - число звеньев, D - суммарная погрешность работы оператора. Здесь величина D в несколько раз выше Sdi2. Поэтому самым радикальным путем уменьшения ошибок работы системы является уменьшение погрешности работы оператора. Максимальная точность работы оператора соответствуют оптимальному темпу работы, уменьшение или увеличение которого приводит к увеличению числа ошибок. Психологи установили, что оптимальным темпом является подача оператору информации в пределах 0,5…5 бит/с. При уменьшении количества информации оператор "засыпает", а при увеличении сначала наблюдается пропуск сигналов, затем задержка в передаче сигнала, затем полная потеря возможности нормальной работы. Эффективным средством повышения точности работы является введение дополнительных контуров управления, которые дают информацию о показателях, сопутствующих выходному параметру системы. Это позволяет предвидеть изменения конечного результата работы заранее и обеспечить более высокую точность и скорость регулировки. Повышение точности и надежности работы может быть получено при параллельной работе двух операторов. В этом случае в контур управления вводится устройство, которое пропускает управляющие сигналы в систему только при их полной идентичности. Ошибка возможна только при ее появлении одновременно у двух операторов. При этом число ошибок сокращается в сотни раз. Большое значение имеют конструкции индикаторных устройств, особенно шкал. Наилучшей шкалой для чтения является круглая, самой плохой - линейная. На скорость обработки информации влияет характер считывания информации. Если информация в виде команды, внимание оператора направлено на то, чтобы правильно принять и исполнить команду. Если информация осведомительного характера, то оператор будет отмечать только важные для него сигналы. При ситуационной информации оператор работает намного точнее и быстрее, чем при получении командной. Существенное повышение надежности работы дает учет психофизиологических факторов, создание оператору комфортных условий работы. Важна тренировка оператора, представление ему возможности смены способов работы, ликвидация различных помех (шум, вибрация, блики и т.п.). 5.2. Формирование и прием сигналов управления. 5.2.1. Факторы, учитываемые при конструировании органов управления. Управляющие сигналы могут вводиться Ч-О различными способами: изменением положения регуляторов, изменением электрических потенциалов отдельных характерных точек тела, проявлением физиологической активности (пульс, частота дыхания и т.п. - в телеметрических системах) или голосом. В настоящее время созданы устройства, использующие биотоки для управления, сделан ряд телеметрических систем для контроля физиологического состояния человека, "понимающие" речевые команды. Но наиболее распространены устройства ввода команд ручками, рычагами, клавишами, педалями. Ч-О является разумным, экономичным и гибким источником малых энергий. Нельзя пренебрегать его двигательными навыками, т.к. можно при этом объединить человеческие возможности по выработке сигналов управления. Существуют два правила инженерной психологии: 1) нельзя пренебрегать двигательными навыками человека; 2) усилия, прилагаемые к регуляторам, должны соответствовать характеру действия регулятора. Известно, что максимальный эффект управления самолетом или автомобилем достигается тогда, когда у пилота или шофера имеется так называемое чувство ручки, т.к. только в этом случае человек может соотносить усилия, прикладываемые к ручке с выполняемым маневром. Попытки сделать управление кнопочным дает худшие результаты, т.к. для любого управления необходим определенной расход мышечной энергии. По характеру взаимодействия различают четыре типа движений и соответствующих им классов задач: 1) Простые движения при нажиме кнопки, клавиши, повороте регулятора. Оператор должен четко ощутить процесс подготовки (о-а), процесс нажатия или поворота (а-б) и его завершение (б). Нарушение характера зависимостей на участках приводит к нарушению нормального хода процесса управления. Рис. 5.2 2) Простые повторяющиеся движения вращательного, нажимного или ударного характера. Требуют соблюдения тех же зависимостей, что и для 1 класса. За счет повторяемости и возможности прогнозирования характера движения обеспечивается повышение скорости ввода сигналов управления. 3) Сложные движения при выполнении точной настройки регулятором по какой-либо программе (настройка приемника на станцию). Основным параметром, определяющим полное время управляющих движений, является передаточное число U, которое представляет собой отношение перемещения указателя А (в см) к числу полных оборотов рукоятки n (оптимальным является значение U=2,5…5 см/об): 4) Сложные движения при выполнении операции слежения за объектом, параметры которого меняется в процессе работы. Возможны два варианта таких задач: компенсирующее слежение и слежение с преследованием. При компенсирующем слежении оператор имеет данные только о разности параметров и не может предсказать их изменение. При слежении с преследованием он воспринимает весь ход изменения входного и выходного сигнала и прогнозирует ход работы. Точность слежения повышается в 1,5…2 раза. Для оптимизации работы Ч-О в роли "машины" управления необходимо знать следующее: -количество рабочих движений должно быть минимальным; -количество органов управления должно быть минимальным; -расположение органов управления должно соответствовать последовательности их применения при работе; -движение регулятора и указателя должны соответствовать друг другу; Рис. 5.3. Варианты сочетаний движений регулятора и указателя. -при управляющих действиях следует в первую очередь применять вертикальные движения рук. (Пример: ребенок легко усваивает, где верх и низ и с трудом распознает право и лево); -компонуя пульт, рассчитывай на работу двумя руками, следует наиболее ответственные органы управления размещать в зоне действия левой руки; -наибольшая частота ошибок допускается при отработке сигнала поворотными движениями рук (в 5 раз чаще, чем при вертикальных движениях). Если этого избежать нельзя, то нужно помнить: -при поворотных движениях вероятность ошибочных реакций на сигнал, предназначенный для левой руки меньше, чем на сигнал правой; -вероятность ошибки при повороте по часовой стрелке меньше, чем против часовой. -при клавишном управлении наивысшей активностью движения обладает указательный палец левой руки. Низшая активность - у безымянного пальца правой руки. Относительная активность левой руки выше правой. -движение рук к себе более быстры, на менее точны, а от себя - более точны, но менее быстры. По конструкции все регуляторы делятся на нажимные, движковые, рычажные и вращательные. 1) Нажимные регуляторы - кнопочные и клавишные Рис.5.4. 2) Ригельные (движковые) регуляторы Имеют два четко фиксируемых положения. Следует использовать при небольших усилиях переключения. Не очень надежны в работе. Рис. 5.5. 3) Рычажные регуляторы Это - головки тумблеров и больших качающихся рычагов. Должны иметь четко различающийся угол отклонения. Размеры головки должны быть удобны для захвата пальцами или всей рукой. Рис.5.6. 4) Вращательные регуляторы Имеют плавное или скачкообразное движение рабочего элемента. Рис.5.7. 5.2.2. Закономерности зрительного восприятия информации. Информацию человек получает за счет зрительного анализатора (80%), слухового (15%), тактильного, обонятельного и болевого анализатора. Наибольшее количество информации поступает от зрительного анализатора. В течение дня человек свыше 100 тыс. раз меняет направление взгляда. Человек в знакомой обстановке свободно ориентируется, постоянно знакомясь с новыми явлениями. Но стоит закодировать знакомую информацию в непривычную форму, как человек теряется. Визуальная информация поступает к человеку через зрительный анализатор, состоящий из глаза, зрительного нерва и зрительного центра, расположенного в затылочной части головного мозга. Через зрение мы познаем форму, величину, цвет предмета, направление и расстояние до него. "Приемным элементом" глаза являются палочки и колбочки. Свет, проникающий в глаз, разлагает в них фотохимическое вещество. Продукты распада возбуждают импульсы, вызывающие в нашем мозгу ощущения света, цвета, формы и величины предмета. В каждом глазу имеется около 7 млн колбочек и 130 млн палочек. От каждой колбочки и от группы (примерно 100 шт.) палочек, расположенных в разных местах сетчатки, идет по одному зрительному волокну. Это является причиной существенного различия функций палочек и колбочек. Колбочками обеспечивается только дневное зрение, обеспечивается высокая разрешающая способность и различаются цвета. Зрение с помощью палочек притупленное, мелкие детали не различаются, восприятие бесцветное. Особенности строения глаза определяют свойства и характеристики зрительного анализатора. Область, видимая одному неподвижному глазу, называется полем зрения. Она определяется строением лица. Область, непосредственно окружающая точку наблюдения, называется областью центрального зрения. Рис. 5.8. Зоны обзора человека в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Общее представление о форме получается за счет возбуждения соответствующих участков сетчатки. Более точное различие формы получаем при повторном осмотре предмета. Цветовое зрение зависит от расположения и параметров колбочек. Направление наблюдения оценивается поворотом глаза на предмет без поворота головы (до 800). Среднее время наведения обоих глаз на новую точку примерно равно 165 мс. Правильность оценки расстояния до предмета зависит от состояния органа зрения (глазомер) и может быть развита. Особенностями восприятия объясняется целый ряд иллюзий зрения: светлые предметы кажутся больше темных, вертикальные линии - больше горизонтальных, тонкие линии кажутся разорванными и т.п. Знакомство с иллюзиями зрения позволяет корректировать форму изделия. При разработке устройств отображения информации возникают две задачи: • подача информации в оптимальном для данных условий виде; • профессиональный отбор и тренировка операторов. Психологи дают ряд рекомендаций, которых нужно придерживаться при конструировании лицевых панелей. 1) Предельные значения характеристик зрения охватывают широкий диапазон и очень индивидуальны. Но при этом максимальная острота зрения достигается при времени наблюдения не менее 0,5 с. Минимальное расстояние наблюдения должно быть не менее 14…15 см. 2) Особенности человеческого зрения определяют типы и конструкции визуальных индикаторов. А) Светофоры. Дают информацию в виде сигнального фонаря, табло или светящихся кнопок (наличие или отсутствие свечения, мигающий сигнал). Для улучшения восприятия сигнала рекомендуют цвета: красный - аварийный, желтый - возможность аварийной ситуации, зеленый - нормальный процесс. Яркость светофора должна быть вдвое выше яркости окружающего фона. Для мигающего сигнала рекомендуется частота мерцания 3…10 Гц при длительности вспышки 0,05с. Б) Отсчетные устройства. Шкалы лучше делать полукруглые и круглые Рис.5.9. Отсчётные шкалы. Круглые шкалы обеспечивают экономное движение глаза при чтении показаний. Скорость и точность чтения зависит от делений шкалы, формы стрелок, освещенности, количества информации на шкалах. (При установке стрелки в "нулевое" положение как на циферблате часов при 9 час количество ошибок отсчета уменьшилось с 17% до 3%). В) Светопланы (ЭЛТ). Для облегчения наблюдения сигналов используют светофильтры, повышающие контраст сигнала. Максимальное количество шкал не должно быть более четырех. Если их больше, то каждую группу шкал выделяют цветом или толщиной. Для облегчения распознавания большого количества информации делают дополнительную знаковую индикацию. Г) В настоящее время широко используются устройства отображения информации на жидкокристаллических индикаторах, индикаторы на светоизлучающих диодах, катодно-люминестцентные и газоразрядные индикаторы. Для облегчения работы с ними часто используются мнемосхемы с условными символическими изображениями операций управления и контроля. 3) На скорость переработки информации влияет характер самой информации. Счет медленнее, чем чтение про себя. Сигнал в виде изображения целесообразно использовать для передачи большой по объему информации о пространственных, временных, энергетических и др. параметрах объекта. Однако точность их невелика. Поэтому такой вид сигналов следует использовать для общего представления о процессе. Если объем передаваемой информации мал, а требуемая точность велика, то следует использовать сигналы в виде букв, цифр, положения стрелки и т.п. 4) Для увеличения скорости, точности и надежности приема информации при конструировании средств индикации необходимо в каждом конкретном случае найти оптимальную меру в соотношении изображения и символов. Необходимо обеспечить различимость сигнала. Скорость передачи информации индикаторами должна быть "согласована" с пропускной способностью оператора. 5) Информация может быть командная (стоп, вправо, влево), осведомительная, дающая информацию о величине ошибки хода процесса и общую ситуацию, и проверочная (да, нет) количественного и качественного чтения (указание изменения параметра). 6) Увеличение скорости обработки информации можно достигнуть, если дать оператору предварительные сведения об ожидаемом характере изменения сигнала. На основании вышеизложенного можно сформулировать следующие рекомендации по использованию Ч-О как машины по переработке информации: 1) Если при анализе информации необходимо обобщать результаты наблюдений, узнавать определенные образы, реагировать на непредвиденные обстоятельства и т.п., то нужно использовать натренированного для этой задачи оператора. 2) Сигнал не должен содержать лишней информации. 3) В работе оператора на должно быть пауз, нарушающих оптимальный темп приема информации. 4) Нецелесообразно использовать оператора для решения математических задач, заставлять его держать в памяти большое количество информации. 5) Свыше 80% информации человек получает за счет зрения. Нельзя перегружать зрительный анализатор. Его необходимо использовать для самоориентации, снятия показаний с много шкальных приборов, получения точной количественной информации и т.п. 6) Слух целесообразно использовать для индивидуальной одноканальной связи, кратких сообщений, требующих немедленной реакции, сигнала аварии. 7) Тактильно распознается наименьшее количество информации, поэтому этот рецептер используется, когда зрение и слух заняты. 8) Двигательные реакции используются для обратной связи, для подтверждения того, что движение, вызванное действием оператора, происходит в нужном направлении. 5.3. Эргономическая отработка конструкции. 5.3.1. Общие положения. Эргономика - наука о работе (ergon - работа, nomos - закон). Она изучает функциональные возможности человека в трудовых процессах и ставит целью создание совершенных изделий и оптимальных условий труда. Эргономические требования прямо связаны с требованиями эстетическими и косвенно - с требованиями технологии. Эргономическая отработка конструкций осуществляется от общего к частному, от разработки рабочего места оператора к разработке лицевых панелей с устройствами индикации и органами управления на основе оптимизации эргономических показателей. ГОСТ 16456-70 устанавливает четыре группы комплексных эргономических показателей: Гигиенические - (при взаимодействии человека с изделием) показатели определяются уровнями освещенности, вентилируемости, температуры, влажности, запыленности и давления воздуха, напряженности магнитного и электрического полей, радиации, токсичности, шума и вибраций, гравитационных перегрузок и ускорений. Проверку этих показателей осуществляют сравнениям с допустимыми значениями. Антропометрические показатели (для определения соответствия изделия размерам, массе и форме человека) проверяются сравнением конструкции изделия с размерами и формой тела человека, распределению массы его тела. Основные данные размеров человеческого тела сидя и стоя приведены в справочниках. Физиологические и психофизиологические показатели (для определения соответствия изделия физиологическим свойствам человека) определяются соответствием конструкции изделия силовым, скоростным, энергетическим, зрительным, слуховым, обонятельным, осязательным и вкусовым возможностям человека. Для проверки этих показателей анализирует размеры органов управления, их форму и прилагаемые к ним усилия, зоны обзора, рабочие зоны Ч-О при управлении ручными и ножными регуляторами, анализируют характер движений при управлении. Психологические показатели определяются соответствием закрепленных и вновь формулируемых рабочих навыков человека его возможностями по восприятию и переработке информации. В основу эргономической отработки конструкции положена полная совокупность всех эргономических параметров. Оценка дается в виде "соответствует" или "не соответствует". 5.3.2. Этапы эргономической отработки конструкции. Проектирование РЭС в соответствии с ЕСКД определяет существо различных этапов эргономической отработки. На стадии технического предложения выполняется предварительный эргономический анализ. Стадию эскизного проекта характеризует поисковый этап эргономической отработки конструкции, на котором рассматривает несколько вариантов решения. На стадии технического проекта выполняется окончательная художественно-конструктивная компоновка изделия с тщательной проработкой лицевых панелей. На стадии рабочего проектирования и изготовления конструктор осуществляет авторский надзор за реализацией решений. Особенности РЭС обусловили следующие этапы художественно-конструкторской разработки: 1) Анализ ТЗ. 2) Эскизная компоновка органов управления и контроля. 3) Формообразование изделия. 4) Цветовое решение. 5) Художественно-конструкторский макет. Если РЭС имеет малое количество органов управления, то последовательность этапов может меняться: сначала формообразование и колористическое решение, а потом - эскизная компоновка органов управления; При анализе ТЗ определяют потоки информации, поступающие к Ч-О. Решают, какое количество информации и какого характера необходимо обработать в единицу времени. Определяют количество операторов и возможность их совместной работы. При этом учитывается характер сигналов и выбирается количество и типы индикаторов и регуляторов. Принимается во внимание влияние объекта и среды на оператора. В работе должны принимать участие инженерный психолог, конструктор, разработчик, технолог и экономист. Приступая к эскизной компоновке органов управления и контроля, нужно решить, как будет выполняться компоновка РЭС - централизовано или децентрализовано. После выбора схемы компоновки по антропометрическим данным Ч-О выполняют эскизную компоновку органов управления и контроля, не связывая ее пока с габаритами всего изделия. В этой работе участвуют разработчик схемы и заказчик. Параллельно с этими работами разработчик схемы определяет компоновочные характеристики комплекса: общий объем, членение его на части, массу и др. параметры. На основании этих данных дизайнер приступает к разработке эскизов формообразования изделия, привязывая его к пространственному расположению органов управления, и к компоновочным характеристиками изделия. При выполнении этих работ учитывается влияние окружающей среды и интерьера помещения. После первых вариантов формообразования изделия приступают к выбору колористического решения. Оно должно соответствовать требованиям по функциональности окраски изделия и его частей, интерьера, сглаживать нежелательные воздействия условий эксплуатации (тепло, холод и т.п.), дефекты формы. При положительных результатах этого этапа конструктор приступает к окончательной разработке чертежей, а технолог - к разработке техпроцесса. Окончательное решение по работе художника-конструктора принимается после обсуждения художественно-конструкторского макета. Он может быть выполнен в виде посадочного макета рабочего места оператора. Это облегчает процесс формирования изделия дает возможность анализировать в объеме различные варианты композиционного решения, проверить эксплуатационные, технологические, конструктивные характеристики РЭС, сократить сроки проектирования. Таким образом, на стадиях эскизного и технического проектирования дизайнер принимает непосредственное участие. В процессе рабочего проектирования он выполняет художественно-конструкторскую разработку. В его функции входит контроль соответствия рабочих чертежей художественно-конструкторскому проекту. При изготовлении опытного образца он осуществляет авторский надзор. Процесс конструирования РЭС - труд коллектива специалистов. Работа дизайнера в этом коллективе очень важна, хотя и не является главной. Ведь если изделие не соответствует функциональным требованиям, то как бы оно не было красиво, оно не пригодно к использованию. Вопросы технологичности должны решаться с технологом, вопросы конструкции - с механиком, вопросы переработки информации - с психологом, эргономичности - с дизайнером. Пренебрежительное отношение хотя бы к части этих вопросов приведет либо к стилизации, либо к дилетантству исполнения. 5.3.3. Оценка результатов принятых решений. В ходе эргономического анализа и отработки конструкции используется следующие методы оценки: • составление опросных листов с целью выяснения претензий эксплуатационников к работе аналогов или прототипов; • визуальная оценка РЭС на соответствие требованиям эргономики; • хронометраж и фото хронометраж для установления рациональной последовательности операций и их длительности; • составление профессиограмм, заключающихся в подробном описании профессиональной деятельности, отражающем ее цели и задачи, условия работы, приемы повышения качества и производительности работы и др. Перечисленные методы не имеют четких количественных оценок и зависят от субъективных мнений исследователей. Поэтому для объективной оценки принятых решений, при котором необходимо учесть эксплуатационные, компоновочные, эргономические и конструкторско-технологические требования, используют специальные методики. При соответствующей квалификации экспертов используют экспертные методы оценки. Экспертная группа из 4-5 человек оценивают эстетические показатели качества в диапазоне 0…4 балла (с дискретностью 0,1 балла) с учетом коэффициента весомости параметра в заданных пределах. Полученные результаты оценок по экспертам суммируются по законам случайных величин. Общая оценка изделия: 0…1 - плохо, 1…2 - удовлетворительно, 2…3 - хорошо, 3…4 - отлично. Если необходимо оценить совокупность разнообразных факторов и связи между ними, то применяют метод неполных интегральных аналогов, сущность которого заключается в том, что сначала выбирается главный, определяющий описание системы, параметр (так называемый инвариант, в качестве которого используют понятие вида энергии, качества, стоимости, эффективности или рациональности использования и т.п.). После этого выбирают частные параметры, число которых должно быть равно частным физическим параметрам системы, и составляют из них квадратную матрицу характеристики полученных свойств, из которых можно получить критерии оценки и критериальные уравнения. 5.4. Отражение в ТЗ факторов системы "Человек-машина". Рассматриваемые в разделе требования характеризуют совместимость конструкции РЭС с человеком при эксплуатации и ремонте с целью сохранения жизни и здоровья операторов и ремонтного персонала, снижения утомляемости и повышения эффективности жизни РЭС. Безопасность РЭС - свойство РЭС сохранять безопасное состояние при выполнении заданных функций в определенных условиях в течение установленного времени. Опасные и вредные факторы (ГОСТ 12.0.003-74) по природе воздействия на человека подразделяются на две группы: физические факторы и нервно- психические перегрузки. К вредным физическим факторам, приводящим к заболеваниям, относятся: температура воздуха рабочей зоны вне нормы, повышенные уровни шума и вибрации, подвижность воздуха вне нормы, повышенный уровень ионизирующих излучений в рабочей зоне, находящиеся вне нормы освещенность и световую индикацию и т.д. К опасным физическим факторам, приводящим к травмам, относят опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. Защита от поражения электрическим током обеспечивается наличием в конструкции заземления, блокирующих устройств, аварийной сигнализации, защитных автоматов отключения, наличием соответствующей изоляции. К опасным и вредным физическим факторам, которые необходимо учитывать при конструировании РЭС, относятся электромагнитные излучения. Установлены (ГОСТ 12.1.006-76) предельные допустимые напряженности или плотности потока энергии электромагнитных полей (ЭМП) в диапазоне частот от 60 кГц до 300 ГГц на рабочих местах. К нервно-психическим перегрузкам персонала, обслуживающего РЭС, относят умственное перенапряжение, перенапряжение зрения и слуха, монотонность труда, эмоциональные перегрузки. Эргономические требования (ГОСТ 16035-81) характеризуют систему человек-машина и содержат две основные группы требований: антропометрические и психофизиологические. Антропометрическими называют требования, обеспечивающие соответствие размерам конструкции размеры частей тела и рабочей позе оператора при работе за пультом и при ремонте. Психофизиологические требования характеризуют соответствие конструкции физиологическим свойствам человека, особенностям его органов чувств и психики с целью снизить утомляемость оператора, а также затруднить совершение им ошибочных действий. Эстетическая группа требований (ГОСТ 23852-79) включает в себя четыре основных требования к внешнему виду конструкции: выразительность, рациональность формы, целостность композиции, совершенства производственного исполнения. Выразительность характеризует способность изделия своим внешним видом отражать сложившиеся в обществе эстетические представления и культурные нормы: -лаконизм и компактность формы; -оригинальность композиционного и цветного решения; -фирменный стиль и моду. Рациональность формы характеризует: -функциональную логику взаимодействия частей; -эргономическую обусловленность. Целостность композиции характеризует гармоничное единство частей и целого: -композиционную логику; -пластичность (упорядоченность очертаний и взаимопереходов плоскостей); -соподчинение графических элементов общей композиции; -колорит и декоративность (взаимосвязь цветовых сочетаний, использование декоративных свойств материалов). Современность производственного исполнения определяет: -чистоту выполнения сопряжений и округлений; -четкость исполнения знаков и эксплуатационной документации; -тщательность покрытий и отделки; -устойчивость к повреждениям поверхности и т.д. Требования к конструкции РЭС учитывающие факторы взаимодействия "Человек-машина" формулируются подразделах 6,7 ТТ задания. Контрольные вопросы по главе 5. 1. Система "Человек-машина" и роль человека в ней. 2. Виды деятельности человека в системе Ч-М. 3. Возможности повышения надежности действия системы Ч-М. 4. Факторы, влияющие на формирование и прием сигналов в Ч-М системе. 5. Факторы, влияющие на восприятие информации человеком. 6. Группы эргономических показателей РЭС. 7. Оценка эргономических и художественно-конструкторских решений. 8. Отражение в ТЗ факторов "Человек-машина". Глава 6. УНИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ И КОМПОНОВКА РЭС. В настоящем разделе курса начинается рассмотрение собственно процесса проектирования конструкции РЭС. Причем, рассмотрение проводится на основе введенных ранее общих методологических представление о конструкции РЭС и процессе конструирования. 6.1. Роль преемственности при конструировании РЭС. Предваряя рассмотрение влияния преемственности при конструировании на изменение конструкции РЭС, процесса и средств проектирования, определим с введенных в предыдущих главах позиций основные понятия преемственности. 6.1.1. Виды преемственности. Под преемственностью в конструировании понимается использование в новой конструкции уже ранее освоенных деталей и узлов. Таким образом согласно определению преемственности, при проектировании некоторой системы S среди множества элементов Г часть элементов Г ' – известна, Г 'ÌГ; также известна некоторая часть отношений R ', R'ÌR, связывающих элементы Г ' и известна часть структуры Θ', Θ'ÌΘ системы S и, конечно, известны некоторые принципы П' организации системы S. Преемственность может быть реализована в различных формах: Типизация - способ ликвидации многообразия путем обоснованного сведения к небольшому числу избранных типов. Используя системное представление об объекте проектирования, можно трактовать типизацию как априорное задание для будущей системы S вариантов ее реализации S1, S2, … Sk с известными принципами П, с конкретным набором элементов Г1, Г2, … Гк , с различными структурами Θ 1, Θ2, … Θ k и неизвестными наборами значений параметров Е1, Е2 … Ек. Унификация - форма типизации конструкции, при которой параметры избранных типов получены путем деления или умножения на целые числа параметров одного исходного, базового типа. Очевидно, что унификация представляет собой более высокую форму преемственности и, по сути, устанавливает априорно значения параметров Е1, Е2 … Ек для вариантов построения системы S с известными принципами П, элементами Г и структурами Θ. Стандартизация - есть установление обязательных норм на параметры продукции или производственные процессы с целью приближения качества изделия к уровню лучших образцов, обеспечения однородности, взаимозаменяемости и снижения трудоемкости производства. Таким образом все формы преемственности по сути представляют собой задание различной по характеру и объему априорной информации о будущей системе S. Следовательно, преемственность при проектировании дает возможность упростить задачу разработки. Например, унификация сводит задачу до самого нижнего, четвертого уровня сложности, что позволяет для ее решения использовать формализованные методы. Очевидно, преемственность становится одной из возможностей повышения эффективности проектирования ТС; условием успешной реализации этой возможности является правильный, оптимальный выбор априорной информации о системе (например, оптимальный набор типов конструкции, оптимальный ряд размеров и т.д.). 6.1.2. Размерно-параметрические ряды типовых конструкций. Разработка функциональных частей РЭС в виде единых по принципами, элементами и структуре модулей послужили основой разработки размерно-параметрических рядов типовых конструкций. Типовая конструкция (ТК) - плоский или объемный несущий компонент размерно-параметрического ряда конструкций, используемый для размещения схемных элементов или компонентов РЭС. В простейшем случае - это печатная плата. В общем случае ТК выполняются в виде трехмерной сложной конструкции. Размеры сторон ТК могут изменяться по метрическому и ритмическому соотношениям. При метрических соотношениях: an= a0 + nm , при ритмических: a = a0 + Kmn, где аn - значение n-го размера; a0 - начальное значение размера данного ряда; например, ширины, высоты или глубины; n - целое или дробное число, лежащее в основе размерно-параметрического ряда данной ТК; m - величина приращения (модуль) метрического соотношения; Km- коэффициент прогрессии ритмического соотношения. При использовании метрического соотношения проще обеспечить стыковку несущих компонент, но по объему или площади получается большая избыточность в сравнении с ритмическим. Значения а0 лежат в пределах 20 … 100 мм. Значение n изменяется в пределах 4 …24 мм. Минимальное значение выбирается для измерительных приборов, максимальное - стоечной и шкафной РЭС. Схематически модульную конструкцию ТК можно представить следующим образом: заданное пространство расчленяется модулями с размерами m1, m2, m3, рис. 6.1. Минимальный размер модуля m1 определяется необходимостью размещения в нем по ширине (высоте или глубине) заданного количества компонентов размеров mi. Рис.6.1.Cхема модульной конструкции. Модульность структуры ТК позволяет получить различные компоновочные решения устройств входа и выхода, органов управления и контроля и РЭС в целом. При этом для обеспечения удобств при эксплуатации и ремонте используют выдвижение, повороты и раскрытие конструкции с возможностью доступа к любому элементу, рис.6.2. Рис.6.2.Обеспечение доступа к элементам. Использование разных вариантов корпусов ТК и их крепления дает возможность на единой конструкторской элементной базе создавать квазишкафные конструкции (установка блоков друг на друга), стоечные и шкафные конструкции. Достоинство ТК: • свобода доступа к модулю и его элементам; • параллельность производства модулей; • сокращение сроков проектирования и изготовления РЭС; • простота модернизации как отдельных модулей, так и РЭС в целом; • гибкость конструктивной структуры РЭС. Конструкции несущих элементов ТК строят по принципу входимости модулей младшего уровня в модули старшего. Размерная преемственность для ТК отражена в отечественных стандартах, нормалях ведущих фирм, где даны ряды размеров и их сочетания. В основу размерной преемственности ТК блоков РЭС положен модуль размером 20 мм. В конкретных разработках также могут быть отклонения от принятого модуля. При установке рядом двух или более блоков для облегчения сборки увеличивают между ними зазор, уменьшая при этом номинальный размер лицевой панели, который должен быть выбран из ряда предпочтительных чисел. Таким образом не удается построить размерную основу, общую для всех ТК, а это затрудняет межведомственную кооперацию в разработках и увеличивает сроки проектирования РЭС. При разработке размерной системы необходимо не только соблюдать преемственность конструкции, но найти оптимальную композицию изделия. Модульность конструкции должна обеспечивать не только простую соизмеримость входящих в систему числовых значений, но и строится с учетом антропометрии, устанавливающей основные характеристики рабочей позы оператора. 6.1.3. Типовые конструкции РЭС. Совместимость ТК РЭС в международном масштабе затрудняется применением модульных систем на основе размера 19'' (482,6 мм) и тем, что в одних странах этим размером обозначают лицевую панель комплектного блока, а в других - его каркас. Так, например в России и ФРГ лицевые панели имеют размер 520 мм, каркас 480 мм, а Венгрии, Польше и США размеры лицевых панелей 482,6 мм, каркасов 444,4 мм (рекомендовано МЭК). В ряде стран существует множество фирменных стандартов на ТК РЭС. Давно известны системы ТК САМАС (США - Франция - Канада) и Intermas (ФРГ). Модульный комплекс аппаратуры САМАС предназначен для создания информационных систем с цифровой обработкой информации. Система САМАС регламентирует способы механического и электрического соединения отдельных модулей, установленных в каркасе и блоках управления. Минимальная ширина блока 17,2 мм, высота 221,5 мм, глубина 306 мм. Высота и глубина постоянны, а ширина передней панели меняется по модулю 17,2 мм. Система включает в себя девять типоразмеров. Блоки, выполняющие различные функции, устанавливаются в отсеке общего стандартного механического каркаса (крейта) С помощью системы Intermas могут быть изготовлены как отдельные функциональные блоки, так и сложные устройства составлением наборных конструкций из элементов. Размеры элементов Intermas соответствуют международным рекомендациям, поэтому в ней можно использовать приборы других фирм. В основу всех размеров конструкций Intermas положены размеры 44,45 мм - разграничение панелей по высоте - и 19'' (482,6 мм) - ширина лицевой панели. Вставленные блоки устанавливаются в один и два этажа, а шасси с блоками - в стойки и пульты. Предусмотрена коммуникация электрических сигналов через разъемные контактные соединения. 6.1.4. Унифицированные конструкции (УК). Стандартизация конструкции РЭС, развитие модульной техники, ограничение рядов типоразмеров компонентов конструкции, ориентация на современные методы конструирования позволили создать единую конструктивную базу РЭС - комплекс УК, совместимый с автоматизированными методами проектирования и изготовления РЭС. В зависимости от условий эксплуатации проектируемой РЭС УК делятся на три класса: для стационарной РЭС (категория 3 и 4 по ГОСТ 15150-69) для подвижной РЭС (категория 1 и 2) и для РЭС, работающей в жестких условиях. Система УК построена по иерархическому принципу на основе единого размерного модуля и единой технологии. Рекомендации по УК можно найти в ГОСТ 25122-82, ГОСТ 20504-81 и ГОСТ 26.204-83. Разработаны унифицированные конструкции, также в основе которых лежит размер лицевых панелей комплектных блоков по ширине равной 482,6 мм (19'') и модуль вертикального наращивания 44,45 мм. Ввиду большого разнообразия построения УК разных типов ограничимся характерными особенностями их построения. Основой построения УК является печатная плата определенных типоразмеров в зависимости от компоновки блока, имеющая несколько вариантов топологии и выходные элементы коммутации. Унифицированные печатные платы устанавливаются в блоке, насчитывающих 59 типоразмеров книжной или разъемной конструкции. Основные элементы конструкции блоков: ПП, передняя панель, направляющие плоские или объемные соединители. Несущие конструкции для различного назначения блоков выполняются, в основном, в виде литых алюминиевых рам, к которым крепятся передняя и задняя панели. Боковые крышки съемные и выполнены штамповкой из листового алюминия. Направляющие - из стандартного алюминиевого профиля. На задней панели имеются разъемы. В комплектных блоках размещают блоки питания, электромеханические и индикаторные устройства. Блочные каркасы служат для объединения частичных вставных блоков. Они представляют самостоятельные технологические единицы, собираемые и монтируемые независимо от остальных конструктивов РЭС. Несущим элементом каркаса является базовый каркас, изготовленный из стандартного профиля. Конструктивные разновидности блочных каркасов получаются путем установки на базовый каркас ручек, кронштейнов, элементов фиксации и крепления. Электрическая коммутация производится либо объемным монтажом, либо многослойной коммутационной платой. Конструкцию стоек образуют базовый каркас и набор элементов различного назначения: щиты, основания, дверцы, панели для разъемов, направляющие, шины питания, детали установки и фиксации различных устройств и т.п. Для установки устройств специального назначения (графопостроителя, лентопротяжного механизма, пультов и т.п.) имеется номенклатура специальных конструктивных элементов - рамы, кронштейны, поворотные и закрепляющие фиксаторы и др. Конструкция стоек позволяет применять как индивидуальную, так и централизованную приточно-вытяжную вентиляцию. Приборные корпуса унифицированных конструкций могут быть выполнены в настольном или переносном виде. Основными конструктивными элементами настольных корпусов являются передняя или задняя литые рамки, стяжки из стандартного алюминиевого профиля, быстросъемные боковые щиты и крышки из листового алюминия. Кроме основных конструктивных элементов, корпуса комплектуются широкой номенклатурой установочных, крепящих и фиксирующих деталей. Электрические разъемы устанавливаются на специальных кронштейнах и панелях на задней стороне корпуса. Откидывающаяся ручка у персональных корпусов позволяет устанавливать его наклонно. Относительно самостоятельную группу составляет конструкция пультов. Их конструктивное исполнение и размерные параметры связаны с человеком - оператором. Конструкции пультов построены по модульному принципу, что обеспечивает гибкость и преемственность при построении различных устройств и систем управления и отображения информации. Основные элементы пультов - панели, корпуса, основания, крышки, рамы и т.д. Сочетание этих конструктивных элементов позволяет получить множество модификаций. Так, пульты могут быть одно-, двух- и трех секционными, с тумбами и без них, с приборными отсеками и панелями управления и без них. Частные и общие конструктивные решения основных элементов заимствованы из конструкций стоек УК. Кроме основных конструктивных модулей, в конструкциях пультов применена широкая номенклатура несущих, установочных, фиксирующих и направляющих элементов. Пульты управления, стойки, приборные корпуса компонуются единой номенклатурой печатных плат и частичных блоков, что обеспечивает преемственность и взаимозаменяемость в разрабатываемой на основе УК РЭС. Для защиты от влаги применяют резиновые уплотнители и специальные прижимные замки. Для защиты от механических воздействий предусмотрены переходные конструктивные элементы для установки амортизаторов. Электрические соединения обеспечиваются разъемами. Учитывая особенности построения конструкций современных РЭС при широком использовании преемственности, перейдем к рассмотрению собственно процесса конструирования РЭС. 6.2. Общие положения компоновки РЭС. Ранее было установлено, что первым этапом конструирования является проектирование пространственной подсистемы Sпр или компоновка РЭС. Компоновка РЭС - процесс определения формы, размеров и взаимного положения всех элементов конструкции. (Компоновка - получение целого из частей). Особенность трактовки термина "компоновка" в данном случае состоит в том, что перечень частей, элементов системы, в общем случае, не полностью известен. Объясняется это тем обстоятельством, что на момент решения задачи компоновки полностью не известны механическая Sм и тепловая Sт подсистемы конструкции. Действительно, не известны элементы защиты РЭС от механических воздействий, элементы теплоотвода, элементы объединения и т.д., а процесс компоновки представляет собой проектирования пространственной подсистемы Sпр при известных элементах Гэрэ схемы электрической принципиальной, т.е. Sn= {Ппр, Гпр, Θпр, Епр} = ? при Гпр= Гэрэ+ Гдоп, где перечень дополнительных элементов неизвестен, т.е. Гдоп = ? Известно, что процесс проектирования Sпр состоит из этапов синтеза и анализа, принятия решения и возвратных действий, Рис. 6.3. Этапы компоновки РЭС. Результаты решения оформляются в виде совокупности чертежей, эскизов, рисунков. Поскольку синтез ТС имеет множество решений, для выбора лучшего варианта необходим критерий. В роли показателей качества используется целая группа свойств, из которых главным являются: • геометрические (объем конструкции РЭС - V; габаритные размеры - LxBxH; коэффициент заполнения объема Kv и т.д.); • функциональные; • тепловые; • надежностные и т.д. Далее рассмотрим подробно суть и содержание задач компоновки современной модульной конструкции РЭС. Известно, что проектирование модулей можно вести параллельно, поэтому отдельно разберем компоновку модулей нижних и высоких уровней. 6.3. Компоновка модулей нижних уровней. В качестве модулей нижних уровней выступают в данном случае микроэлектронные узлы и ячейки (субблоки). Микроэлектронным узлом называется модуль, объединяющий электрически, механически и пространственно элементы и компоненты, а также защищающий их от различных внешних воздействий. Ячейкой (субблоком) называется конструктивный модуль, объединяющий микроэлектронные узлы и обеспечивающий их защиту от различного рода воздействий. 6.3.1. Общие положения и особенности задачи. Перечень и возможная последовательность задач при компоновке микроэлектронных узлов (микросборок) и ячеек (субблоков) приведены на рис. 6.4. Рис. 6.4. Задача компоновки РЭС. На первом этапе необходимо установить совокупность принципов Ппр, по которым будет организовано в пространстве в единую систему Sпр множество элементов Г. Исходя из общих положений далее необходимо определить состав элементов системы. Процедура определения полного перечня элементов Г распадается на два этапа: • выбор совокупности элементов Гэрэ схемы, объединяемых в данном модуле; • выбор перечня дополнительных элементов Гдоп для объединения Гэрэ элементов, защиты модуля и т.д. Особенность задачи состоит в том, что одновременно с процедурой определения состава элементов Г, определяются форма и размеры этих элементов, т.е. решаются задачи поиска множества унарных отношений элементов схемы Гэрэ и дополнительных элементов Гдоп: Θ1эрэ, Е1эрэ - формы и размеры элементов Гэрэ; Θ1доп, Е1доп - форма и размеры Е1доп. На третьем этапе доопределяется структура Θпр пространственной (компоновочной) системы Sпр. При этом устанавливается схема взаимного положения элементов в модуле, т.е. определяется структура n-арных отношений Θn элементов. На последнем этапе доопределяется совокупность значений параметров Еnпр n-арных отношений, т.е. находятся координаты установки элементов на плоскости. Рассмотрим другую группу особенностей задачи, связанную с наличием априорной информации о компоновке модулей нижних уровней. Известно, что эти модули строятся так, что пространственное, механическое и электрическое объединение их осуществляется на плоскости. Рис. 6.5. Принцип объединения элементов. Следовательно, основной принцип р1 объединения элементов в модуле известен заранее - "принцип плоскостного объединения". Очень часто задается способ будущего расположения элементов в модуле, например, "устанавливать по рядам и столбцам", т.е. становится известным и принцип р2. В целом можно считать, что множество принципов Ппр, Ппр = {р1, р2,… рк}, пространственного объединения элементов в модуле в основном известно. Кроме того известен и основной дополнительный элемент γ1ДОП конструкции - объединительная плата. Знание принципа р1 и элемента γ1ДОП дает возможность заранее определить основные структуры (схемы) компоновки Θпр модулей, рис. 6.6. Рис. 6.6. Структуры (схемы) объединения. Так появились односторонняя (Θ'пр структура) схема и двусторонняя (Θ''пр структура) схема установки элементов на плате - типовые схемы компоновки. Типизация и стандартизация конструкций модулей в еще большей степени увеличили объем априорно известной информации о построении модулей за счет введения ряда их типоразмеров. 6.3.2. Задача компоновки модулей нижних уровней. С учетом перечисленных особенностей появляется возможность выделить и проанализировать основные задачи конструкторского синтеза РЭС. Проделаем это на примере проектирования пространственного (компоновочного) решения ячейки. ПРИМЕР: Ячейка, рис. 6.7., состоит из некоторого числа N микроэлектронных узлов (МЭУ), расположенных на печатной плате (ПП). Рис. 6.7. Ячейка (субблок) РЭС. Следовательно, необходимо синтезировать пространственную систему Sпр, состоящую из N+1 элементов Г = {g1, g2, … gN, gN+1} c априорно известной структурой Θпр = { Θ 1, Θ2, … Θm } всех видов отношений R1, R2, … Rm . Рассмотрим совокупность Rпр = { R1, R2, … Rm} пространственных отношений между элементами Г, которые существуют в данной системе и которые необходимо определить. Начнем с синтеза унарных отношений R1. Указанные отношения описывают пространственные свойства элементов, в нашем случае - МЭУ и ПП. Пространственная структура Θ 1 унарных отношений R1 означает не что иное, как форму всех N+1 элементов. В данном случае - это плоские прямоугольные элементы (высотой МЭУ можно пренебречь). Поскольку форма известна, значит известны структуры Θ1 унарных пространственных отношений R1. Конституэнты Е1 отношений R1 представляют собой пространственные параметры элементов, а именно, их геометрические размеры, т.е. Е1 = {Х1, Х2, … ХN, ХN+1}, где Хi - множество параметров (геометрические характеристики) МЭУ и ПП, Xi = {x1i, x2i}; x1i, x2i - длина и ширина i- го МЭУ. Совокупность бинарных отношений R2 описывает пространственное отношение пар элементов хГ2, хГ2 = ГхГ. Структура Θ2 бинарного пространственного отношения R2 задается рисунком или вербально (словесно): "все МЭУ располагаются строго ориентировано на одной стороне ПП не наползая друг на друга". Знание структуры Θ2 позволяет сделать вывод, что из множества отношений R2 пар элементов хГ2 наиболее существенны отношения R'2, R'2 Ì R2, описывающие свойства множества пар МЭУ-ПП. Указанное свойство определяет пространственное положение каждого МЭУ на ПП. При этом из множества пар хГ2 выделяется с помощью R'2 некоторое подмножество Гs' Ì хГ2 , а именно Гs' = {,< g2, gN+1 >, … < gn, gN+1>}. Рассматривая отдельно каждую пару элементов из множества хГ2 можно установить, что в качестве конституэнт бинарных отношений выступают два параметра - координаты положения на плоскости одного элемента относительно другого. Отсюда следует, что в качестве конституэнт Е2 отношений R2 в общем случае выступает оператор ψ размещения МЭУ на поверхности ПП или координаты положение МЭУ на ПП Е2 = ψ . Из множества многоместных отношений выделим (N+1) - арное отношение RN+1, а именно то, которое описывает отношение пространственного соответствия всех N узлов и ПП, т.е. для ГS" Î хГN+1, Гs'' = {}. По смыслу это пространственное отношение выражает свойство соответствия площади Рмэу , занимаемой множеством МЭУ и площадью Рпп ПП, R'N+1: . Конституэнта ЕN+1 отношения RN+1 в простейшем случае (при одинаковых размерах всех МЭУ) представляет собой константу Nmax, ЕN+1=Nmax. где Nmax - максимальное количество МЭУ, располагаемое на ПП, N ≤ Nmax. В общем случае конституэнта ЕN+1 представляет собой алгоритм g распределения (выделение списка, компоновки) МЭУ для установки на конкретной ПП, ЕN+1 = g. Следует учесть, что совокупность свойств ХN+1 ПП должна включать в себя свойства, определяющие рисунок (топологию) электрических связей. В общем случае, кроме обычных размерных параметров Х'N+1, включается в ХN+1 и оператор прорисовки (трассировки) связей π (по аналогии с операторами компоновки и размещения), ХN+1 = {Х'N+1, π }. Таким образом, для синтеза указанной пространственной системы Sпр необходимо определить следующую совокупность конституэнт отношений Епр = {Х1, Х2, … Хi, … XN, g, {X'N+1, π }, ψ } В нашем примере совокупность Х1, Х2, …, XN известна. Очевидно, что подобные по содержанию задачи приходится решать и при синтезе конструкции модулей и других иерархических уровней. Из приведенного примера видно, что конструктор должен решать следующие задачи в процессе синтеза современной РЭС: • выбор совокупности конструктивных модулей всех иерархических уровней с определением их типоразмеров (определение Х или ХN+1); - определение списка модулей всех уровней (определение g или N); - размещение модулей (определение ψ); - трассировка электрических связей между модулями (определение π). Интересно, что рассматривая проектирование Sпр с общих позиций, удалось установить только перечень задач синтеза, которые необходимо решить, но ничего не известно о последовательности решения. Простейший анализ показывает, что синтез конституэнт Епр должен бы быть выполнен одновременно, но сейчас это невозможно. В инженерной практике проектирования конструкций РЭС используют, как уже было сказано, последовательную схему работ. Рис. 6.8. Последовательность задач компоновки. Перейдем теперь к рассмотрению типовых задач анализа полученного пространственного (компоновочного) решения РЭС. Далее в курсе этот вопрос будет рассматриваться подробнее, сейчас же только укажем без объяснения перечень таких задач. К ним относятся: • анализ теплового режима; • анализ устойчивости к механическим воздействиям; • анализ электромагнитной совместимости элементов; • анализ надежности РЭС; • анализ затрат на жизнь РЭС и т.д. Таким образом, можно представить себе содержательную модель конструирования РЭС (перечень задач) в следующем виде, рис. 6.9. Рис. 6.9. Содержательная модель конструирования. Следует отметить, что не всегда анализ после каждого этапа осуществляется в полном объеме; и, второе, схема работ (задач) не имеет в своем составе задач принятия решения, хотя реально они присутствуют на каждом этапе и являются чрезвычайно важными с точки зрения качества полученного окончательного решения. 6.4. Унифицированные конструкции модулей первого уровня. Унифицированные конструктивные решения модулей 1-го уровня выполняются практически по двум вариантам: корпусированный и бескорпусный модуль. Рис. 6.10.Унифицированные конструкции. В целом оба варианта характеризуются тем, что заранее известен принцип П компоновки, набор основных элементов Г, компоновочная схема Θ и задан ряд типоразмеров будущей конструкции модуля. 6.4.1. Корпусированные микросхемы и микросборки. Корпус является конструкторской базой, на которой устанавливаются микроплаты и навесные компоненты МКС. Корпуса выполняют ряд функций: • защиту от механических и климатических воздействий; • экранировку от помех; • упрощение сборки МКС; • унификацию исходного конструктивного элемента по габаритам и установочным размерам. Корпуса бывают: • металлостеклянные (сварка крышки с основанием). Обеспечивают надежность, высокую плотность монтажа, минимизацию габаритов, но дороги; • металлокерамические (пайка, сварка), применяются пока в 4 типе корпусов; • металлополимерные (заливка). Технологичны, дешевы, отсутствие нежелательных воздействий при герметизации, но малая допустимая мощность рассеивания (до 100мВт); • керамические (окись алюминия, пайка), не получили пока широкого распространения; • пластмассовые (стеклоэпоксидные, опрессовка). Дешевы, но возможен перегрев. По конструктивным разновидностям и габаритным размерам корпуса отечественных МКС унифицированны. В ГОСТе 17467-79 (микросхемы интегральные. Корпуса. Типы и размеры) установлены 5 типов корпусов по таким признакам, как проекция тела корпуса на плоскость основания и расположению выводов. По габаритным и присоединительным размерам типы корпусов подразделяются на подтипы и типоразмеры, каждому из которых присваивается шифр, состоящий из слова «Корпус», обозначения типоразмера корпуса и порядкового номера типоразмера (двузначное число от 1 до 99). В конструкторской документации корпусам присваивается еще и цифра, обозначающая число выводов МКС, и порядковый номер разработки. 14 выводов Применяются следующие типы корпусов: 1: 5 модификаций Металлостеклянные, металлополимерные и пластмассовые корпуса. Выводы плоские и круглые, шаг – 2,5 мм. Рациональны с точки зрения компоновки с дискретными радиоэлементами приемоусилительной аппаратуры, достигаются высокая плотность заполнения объема. Широкое проименение в линейных БГИС. 2: 2 подтипа Металлостеклянное и металлополимерное исполнение. Выводы плоские. 3: 4 модификации по числу выводов 8, 10, 12 и 32 шт. Корпуса металлостеклянные, герметизуются вакуумплотной крышкой из ковара. Имеют малую плотность заполнения объема как самого корпуса, так и в более высоких структурных уровнях. 4: 3 модификации Плоские корпуса с планарными выводами. Шаг выводов – 1,25 мм. Корпуса металлостеклянные, металлокерамические. Герметизация выводов выполняется металлостеклянным спаем электронно-лучевой сваркой (ковар-стекло). 5: 1 модификация Прямоугольные корпуса с выводами в виде контактных площадок по периметру корпуса с шагом до 0,5 мм. Рис. 6.11. Корпуса ИС. Некоторые применяемые корпуса были разработаны до введения этого ГОСТв и имеют собственные имена, например, «Посол», «Тропа» и т.п. Ведутся интенсивные работы по разработке новых видов корпусов, позволяющих уменьшать массогабаритные характеристики МСБ и увеличить плотность их компоновки на платах. Особое внимание заслуживают разработки керамических и пластмассовых корпусов. Преимущество керамических корпусов – высокая герметичность, обеспечение хорощих электрических характеристик приборов, возможность двустороннего монтажа, малые габариты. Применение нитрита алюминия и карбида кремния вместо традиционного керамического материала на основе Al2O3 повышает теплопроводность корпусов. Наряду с керамическими корпусами продолжается работа над пластмассовыми, изготовленными из недорогой полимеризующейся при термообработке пластмассы. Они более дешевые и более устойчивы к термоударам, чем керамические. Целые серии таких корпусов уже выпущены фирмами США, Япония, ФРГ. 6.4.2. Бескорпусные МКС и МСБ. Широкие возможности для микроминиатюризации РЭС открывает применение бескорпусных МКС с последующей герметизацией либо всего устройства, либо отдельных блоков. Выполняются бескорпусные МКС по гибридно-пленочной технологии с использованием активных и пассивных элементов и/или бескорпусных полупроводниковых ИС, размещаемых на керамических или ситалловых подложках. Высота бескорпусных МКС не превышает 5 мм. Правила конструирования МКС установлены ОСТ4 ГО.010.043 «Микросборки. Установка бескорпусных элементов и микросхем. Конструирование». Предпочтительные размеры подложек 20х15, 24х20, 30х16, 30х24, 36х24, 48х25, 48х20, 48х30, 60х10, 60х24, 60х48. Размеры подложек МКС определяются монтажными площадками. Внешними выводами бескорпусных МКС могут быть проволочки, балочки, штыри, лепестки, соединяемые с контактными площадками, металлизированными отверстиями или пазами подложек. Схемы конструкций бескорпусных МКС. 1 – подложка; 2 – зона расположения компонентов МКС; 3 – выводы. Рис.6.12. Схемы конструкций бескорпусных РЭС. Выводы, контактные площадки, отверстия или пазы располагаются по краям подложек в соответствии с шагом координатной сетки печатной платы. 6.5. Унифицированные конструкции модулей второго уровня. Типовой конструктивной единицей РЭС, объединяющей модули первого уровня, является ячейка с каркасом или без него. Бескаркасные ячейки представляют собой обычные ПП или МПП и применяются в аппаратуре, к которой не предъявляются жесткие требования в отношении механической прочности. На ПП монтируются элементы 0-го и 1-го уровней, планка для крепления, часто являющаяся и направляющей для установки в микроблок, а также объемный соединитель или печатный разъем, изготовленный вместе с рисунком печатных проводников. Типовые бескаркасные конструкции. Рис.6.13. Типовые бескаркасные конструкции. В бескаркасных конструкциях применяют корпусированные МКС, что связано с потерями объема микроблока, возрастанием числа соединительных элементов, слоев коммутирующих плат. Применение же бескорпусных МКС является перспективной мерой снижения объема РЭС. В каркасных конструкциях несущим элементом служит металлическая рамка (алюминиевая или магниевая), повышающая прочность конструкции и служащая теплоотводом. Каркасные конструкции могут иметь одностороннюю, двухстороннюю или сдвоенную компоновочные схемы. Пример односторонней компоновки каркасной конструкции показан на рис. 6.14. Несущая рамка с теплоотводами 3 имеет сквозные отверстия для межсхемной коммутации и зоны выходных отверстий или контактов. В центральной зоне рамки к ее продольным планкам-теплоотводам с помощью демпфирирующего теплоотводящего компаунда крепит бескорпусные МКС, которые выполнены на ситалловых подложках. С противоположной стороны по отношению к МКС к планкам-теплоотводам рамки через изолирующую прокладку приклеивается ПП. Электрическое соединение контактных площадок МКС с контактами ПП осуществляется золотыми перемычками диаметром 30…50 мкм. 1 – МКС на ситалловой подложке; 2 – печатная плата; 3 – несущая рамка; 4 – соединительные перемычки. Рис. 6.14. Односторонняя компоновка каркасной конструкции. 1 – несущая рамка; 2 – бескорпусные МКС; 3 – соединительные перемычки; 4 – печатные вставки с соединительными штырями. Рис. 6.15. Двусторонняя компоновка каркасной конструкции. В двустороннем варианте компоновочной конструкции бескорпусные МКС устанавливаются с двух сторон планки несущей рамки (рис.6.15.). Соединения между МКС осуществляются через соседние контактные площадки термокомпрессий. Коммутация между МКС, расположенных с разных сторон рамки, производится с помощью печатных вставок и микропроволочного жгутового монтажа. Сдвоенная компоновочная схема представляет собой две односторонние каркасные конструкции с многослойной печатной платой между ними. Общее крепление осуществляется развальцованными или резьбовыми втулками по краям модуля. Рассмотренные конструктивные решения являются наиболее эффективными, т.к. они базируются на типовых, унифицированных элементах конструкции. Типовая компоновка и монтаж, унификация типоразмеров, вариантов размещения МКС повышает их эксплуатационную надежность и взаимозаменяемость, снижают трудоемкость сборки, контроля и регулировки. Коммутацию электрических соединений модулей первого уровня осуществляют с помощью навесного проводного монтажа и печатных схем. Технической реализацией последних явились печатные платы (ПП), представляющие собой диэлектрическое основание с нанесенным на него токопроводящим рисунком схемы. Печатный монтаж, сохраняя все возможности проводного, имеет следующие преимущества: • получение большой плотности монтажных соединений; • резкое уменьшение числа паянных соединений и увеличение надежности; • повышение электрических нагрузок в коммутационных цепях; • повышение вибропрочности, теплоотдачи, стойкости к климатическим воздействиям; • обеспечение стабильной повторяемости параметров изделий; • микроминиатюризация аппаратуры; • унификация и стандартизация конструкций РЭС. ПП представляют собой сложные изделия из разнородных материалов. Они служат основой ячейки и предназначены для размещения на них элементов с планарными и штыревыми выводами. При разработке ПП конструктору приходится решать следующие задачи: конструктивные (размещение элементов, трассировка проводников, минимизация числа слоев платы и т.п.); • радиотехнические (расчет паразитных наводок, параметров линий связи и т.д.); • теплотехнические (температурный режим работы, теплоотвод); • технологические (выбор метода изготовления, оборудования и т.д.). Все перечисленные задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависит точность размеров проводников и их электрические характеристики, от расположения печатных проводников – степень влияния их друг на друга и др. Указанный комплекс задач называют топологическим проектированием ПП. Подробно он рассмотрен во многих литературных источниках. 6.6. Компоновка модулей верхних уровней. Конструктивными модулями верхних уровней называют обычно блоки и шкафы (стойки) РЭС. Блоком называется конструктивный модуль, который служит для электрического, механического и пространственного объединения ячеек, а также для защиты их от различного рода внешних воздействий. Шкафом (стойкой) называется конструкция, объединяющая совокупность блоков и обеспечивающая их защиту от воздействий. 6.6.1. Общие положения и особенности задачи. Суть задачи компоновки в данном случае состоит в проектировании пространственной подсистемы Sпр с учетом влияния на результат механической и тепловой подсистем будущей конструкции, т.е. с учетом ещё не полностью известных к этому моменту данных. Рис. 6.16. Учёт влияний на компоновку. Из общих соображений ясно, что необходимо в результате определить форму, размеры и взаимное положение всех элементов внутри блока и/или шкафа. Для этого необходимо установить совокупность принципов Ппр пространственного объединения, список элементов Гпр блока (шкафа), схему компоновки Θпр и компоновочные параметры Епр. Очевидно, что все сказанное в разделе 6.3.1. для компоновки модулей нижних уровней справедливо и в данном случае. С одним лишь исключением. Исключение касается использования других априорно известных принципов компоновки. Наиболее часто встречаются следующие принципы: р1 – объединение частей блока (шкафа) производится в пространстве; р2 – группу элементов одинакового функционального назначения объединяют в единой зоне; так появились: - зона расположения основных элементов электрической схемы; - зона установки входных/выходных разъемов; - зона элементов связи с оператором (лицевая панель) и т.д. р3 – ячейки внутри соответствующей зоны устанавливаются в строгом порядке, например, «одна к одной в пакете». Кроме принципов компоновки появились и типовые схемы компоновки блоков и ячеек в блоке. 1-зона лицевой панели 2-зона установки ячеек 3-зона вх/вых разъемов Рис. 6.17.Схемы компоновки блоков. Рис. 6.18.Схемы компоновки ячеек в блоке. Кроме указанных типовых принципов и схем компоновки используются в обоснованных случаях и другие; например, компоновка на «материнской» плате, компоновка под особый элемент (например, под электронно-лучевую трубку) и т.д. 6.6.2. Задачи компоновки блоков и шкафов. С учетом установленных особенностей и используя материал параграфа 6.3.2., комплексную задачу компоновки можно представить следующим образом. Рис. 6.19. Задачи компоновки блоков. Особенность задачи состоит в том, что две из списка задач практически отсутствуют (перечень ячеек в блоке обычно известен и порядок расположения ячеек внутри блока соответствует функциональной схеме). Кроме того, электрическое объединение ячеек жгутами и кабелями рассматривается обычно отдельно от собственно задач компоновки. Таким образом, современная постановка задачи компоновки блоков и шкафов сводится к задаче выбора одного типоразмера из множества известных, т.е. речь идет о задаче четвертого уровня сложности. 6.7. Унифицированные конструкции блоков и шкафов. 6.7.1. Общие требования к конструкции блоков. Выбор варианта конструкции блока и компоновки субблоков в блоке, а также взаимное расположение других конструктивных элементов должны осуществляться, исходя из технических требований на конструирование, анализа определяющих факторов (надежность, ремонтопригодность, габариты, масса, тепловые режимы, условия эксплуатации и т.п.) разрабатываемого РЭС. Блоки должны быть прямоугольной формы, за исключением блоков, устанавливаемых в специальных отсеках и только в технически обоснованных случаях, т.к. последнее исключает применение типовых технологических процессов, увеличивая стоимость и сроки освоения аппаратуры. Наиболее трудоемки в процессе проектирования блоков – выбор рациональной компоновки субблоков в блоке, нормальных тепловых режимов, разработка или выбор базовой несущей конструкции, обеспечивающей первые два требования. Действующая в настоящее время нормативно-техническая документация позволяет с минимальными затратами времени определить необходимую базовую несущую конструкцию в соответствии с заданным видом аппаратуры. Элементы несущих конструкций должны обеспечивать надежное крепление субблоков с МКС и элементами электрической коммутации, минимальную массу, максимальное использование однотипных деталей и их унификацию. Материалы и покрытия несущих конструкций должны выбираться в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры. Элементы несущих конструкций изготавливаются литьем, штамповкой, прессованием или сваркой профильного материала. Важную роль на этапе проектирования имеет правильный выбор межблочного электрического соединителя, который зависит от метода межблочной коммутации (петлевой, накидной или врубной) и несущей конструкции блока, определяемой видом аппаратуры. Методы внутриблочной электрической коммутации, защиты блока от электромагнитных, механических воздействий, а также обеспечение теплового режима будут рассмотрены отдельно. 6.7.2. Выбор компоновочной схемы и конструкции блока. Для определения факторов, влияющих на габаритные размеры и конструкцию блоков, необходимо рассмотреть их существующие конструкции. Оценим книжный и разъемный варианты конструкции, используемые в РЭС, отличающиеся, в основном, возможностями доступа к ячейкам для их контроля и замены. Рис. 6.20. Разъемные и книжные конструкции блоков. На компоновку РЭС оказывают большое влияние условия эксплуатации аппаратуры. Требования по механическим воздействиям влияют на выбор зазоров между субблоками с учетом деформации несущих конструкций. Вводятся ребра жесткости, приливы, кронштейны, бобышки, дополнительные элементы крепления и т.п. По климатическим требованиям блок может быть выполнен герметичным или негерметичным. Повышение климатических и механических требований к блокам приводит к увеличению объема и массы блока. Следующим фактором, влияющим на габариты блока, является применяемая элементная база и число элементов, размещаемых в блоке. Широкий выбор серийно выпускаемых микросхем в сочетании с микросборками позволяют повысить плотность упаковки элементов в блоке, что сказывается на их габаритных размерах. Элементы электрических соединений в блоках влияют на размеры зон электрической коммутации, которые делятся на внутриблочные и межблочные. Все они увеличивают полный объем блоков. Внутриблочный монтаж увеличивает габариты блока в одной из сторон, в зависимости от вариантов компоновки, примерно на 20…35 мм. Естественная конвекция требует зазора между субблоками порядка 4…8 мм для обеспечения нормального теплового режима в блоке. Принудительное охлаждение позволяет уменьшить зазоры до 2 мм, но вызывает увеличение объема блока на 10…15% за счет установки вентилятора или воздуховодов. Применение конструктивного охлаждения (радиаторов, теплостоков, теплоотводящих трубок и т.п.) увеличивает габаритные размеры блоков за счет увеличения размеров несущих конструкций на 20…25%. Рассмотрим, как влияют схемы компоновки на габаритные размеры блоков. L, H, B - длина, высота и ширина блока; Lk, Hk, Bk - габариты внутриблочной электрической коммутации. Рис. 6.21. Схемы компоновки блоков. Полезный объем блока Vбл можно условно представить в виде двух объемов: объема, занимаемого функциональными узлами, и объема под электрические соединения и их монтаж (V2). Vб = V1 + V2 Для рассматриваемых вариантов компоновки эти объемы можно выразить следующим образом: V1 = L H (B-Bk); V2 = L H Bk Для вариантов I и II V1 = L (H-Hk); V2 = L Hk B Для вариантов III и IV V1 = (L-Lk) H B V2 = Lk H B Для вариантов V и IV Из рассмотрения этих зависимостей можно сделать вывод: т.к. в блоках РЭС L > H, L > B, H > B, поэтому получаем следующие неравенства: ; следовательно, наиболее рационально применение вариантов компоновки V и IV и наименее рационально I и II. Однако, как показала практика, варианты компоновки II и VI не применяются из-за плохих условий охлаждения. Варианты I и III позволяют установить значительно большее количество субблоков по сравнению с вариантами IV и V т.к. L/hСБ> B/ hСБ где hСБ -шаг установки субблока. Для книжных конструкций предпочтительнее варианты IV и V, т.к. эти конструкции должны иметь небольшое количество субблоков для удобства их раскрыва. При естественной конвекции для блоков разъемной конструкции применяют вариант компоновки III. В случае применения принудительной вентиляции для них следует применить вариант компоновки I. При естественной конвекции в книжных конструкциях используются варианты IV и V. Они же могут применяться и при принудительном охлаждении при установке вентилятора на заднюю и лицевую панель блока при варианте IV и при обеспечении подачи воздуха снизу для варианта IV. На выбор варианта компоновки оказывает большое влияние, необходимое число контактов разъема субблока. Как показывает практика, число входных контактов с одного субблока составляет 60…80 и более. С этой точки зрения для разъемной конструкции предпочтителен вариант компоновки I, а для книжной IV. И, хотя при этом, как было показано ранее, уменьшается полезный объем блока, приходится идти на компромисс. Следующим фактором, влияющим на выбор варианта компоновки блока, является соотношение его линейных размеров: длины, ширины и высоты. Например, книжная конструкция, выполненная по варианту V будет иметь максимальную плотность компоновки элементов в блоке, но не рациональное соотношение размеров сторон печатной платы приводит к тому, что печатные проводники становятся длинными, увеличиваются паразитные помехи, увеличивается шаг установки микросхем на плате по сравнению с вариантом IV. Минимальная ширина блоков книжных конструкций должна быть не более 120 мм. Для блоков разъемных конструкций минимальные размеры высоты и ширины должны быть: для варианта компоновки I Hмин ≥ 180 мм, B мин ≥ 120 мм; для варианта компоновки III Hмин ≥ 180 мм, B мин ≥ 180 мм. Таким образом, рассмотренные факторы влияют на выбор варианта конструкции блока и его габариты. Правильность выбранной конструкции должна подтверждаться комплексом абсолютных (объем, масса, надежность и т.п.), относительных (коэффициент использования объема, массы, полезной площади и т.п.), конструктивных показателей, а также коэффициентом плотности упаковки. Для соpздания условий межвидовой унификации блоков для различных видов аппаратуры принята условная классификация, рис. 6.22. Рис. 6.22. Такая классификация предназначена для кодирования блоков (базовых несущих конструкций), которые могут быть заложены в банк исходных данных, их выбора при автоматизированном конструировании. 6.7.3. Специфика конструкций унифицированных блоков. Отличительной чертой конструкции современных РЭС является применение в них БИС, СБИС, микросборок, причем часто используются бескорпусные МСБ. Для большинства РЭС характерна наибольшая плотность упаковки элементов. Повышение плотности упаковки приводит к увеличению удельной мощности рассеяния, что ухудшает тепловые режимы и может приводить к параметрическим и внезапным отказам. Т.к. конвективный теплообмен при такой плотности упаковки не функционирует, то для увеличения теплоотдачи внутри блока вводятся теплоотводящие шины (металлические подложки, фольга на ПП, металлические рамки и т.п.). Другой отличительной чертой современных РЭС является необходимость защиты бескорпусных МСБ от внешней среды. Такая защита осуществляется вакуумно-плотной герметизацией и заполнением внутренней полости блока инертным газом. Большое значение имеет обеспечение электромагнитной совместимости аналоговой аппаратуры, поскольку локальное экранирование здесь применено быть не может. Электромагнитные связи существуют только на поверхности, но могут образоваться и в объеме, если крышка ячейки близко расположена от поверхности МСБ. Применение в конструкциях РЭС бескорпусных МСБ значительно увеличивает плотность компоновки элементов, что дает возможность в 5…6 раз уменьшить объемы блоков при одинаковой функциональной сложности по сравнению с блоками на корпусированных МКС. Уменьшение объемов блоков достигается также применением прогрессивных методов монтажа (гибкие шлейфы и кабели), малогабаритных соединителей, книжной компоновкой конструкции. Необходимость герметизации блоков и наличие внутри них избыточного давления накладывает на них определенный отпечаток. Стенки корпуса должны быть достаточно толстыми (до 3 мм). Чем больше объем корпуса, тем больше должно быть избыточное давление при одном и том же сроке службы и тем более толстый корпус должен быть у блока. Это – недостаток такого рода конструкции, обусловленный требованиями их герметичности. Корпуса блоков очень часто могут иметь стандартные конструкции; для аппаратуры специального назначения чаще всего они выбираются из условий минимальных масс, объемов, требуемых форм и обеспечения заданных тепловых режимов и вибропрочности при минимальных объемах. Типовые конструкции стоек были описаны в параграфе 6.1.4. Там же дан перечень их основных элементов. Принципы и схемы компоновки шкафов и стоек практически не отличается от принципов и схем компоновки блоков. Несколько существеннее отличия в компоновке пультов управления. 6.8. Конструирование пультов управления. 6.8.1. Компоновка рабочего места и пульта оператора. Основой человеческого организма является скелет и мышцы, составляющие костно-мышечную систему, образующую органы движения. Суставы (шарниры) скелета позволяют человеку совершать разнообразные движения. Очевидно, что антропометрические данные человека – оператора (Ч-О), в первую очередь, определяют возможности компоновки пультов управления. Рабочие зоны в зависимости от положения Ч-О делят для работы: стоя и для работы сидя. В специальных случаях (самолеты, космические аппараты и т.п.) Ч-О может работать лежа, полусидя, полулежа. Во всех случаях конструирование операторских пультов сводится к правильному расположению органов управления и индикации. При конструировании рабочего места для работы стоя все пределы досягаемости и максимальное поле зрения должны приниматься из расчета нормальной работы оператора низкого роста, так как высокий человек легко достанет любой орган управления. Если операторское место представляет собой закрытое помещение, то его нужно проектировать под оператора высокого роста. Тогда люди невысокие будут чувствовать себя в помещении комфортабельно. По высоте рабочую зону для работы стоя делят на подзоны: Рис. 6.23. Рабочие зоны. Поэтому высоту стоек (шкафов) не рекомендуется выполнять более 170 мм. Для ЭВМ рекомендуется высота стоек 160 мм. Важным для работы стоя является предел досягаемости рук до органов управления и обзора. На рис. 6.24 показаны рекомендуемые расположения органов управления и индикации при работе стоя. Указаны пределы, в которых руки развивают достаточные усилия. Горизонтальная плоскость Вертикальная плоскость Рис. 6.24. Работа стоя. Работа стоя утомительна, поэтому более оптимальна работа сидя. При этом необходимо учитывать различные возможности человека при работе с элементами управления расположенными в различных зонах (рис.6.25) и особенности формы пульта (рис.6.26). А- не требует поворота головы; Б- легкий поворот головы; В- движение всей руки; Г- поворот туловища; А и Б- зона основных движений. Рис. 6.25.Работа сидя. Ручки управления нужно располагать в зонах А и Б, а элементы индикации – в зоне А. Положение Ч-О определяет форму пульта управления Положение сидя Рис. 6.26. Пульт управления. При компоновке пультов следует придерживаться следующих основных правил: -количество переключателей должно быть минимальным; -количество и траектория движения рук должны быть минимальными (предплечье, кисти и, реже, вся рука); -при работе двумя руками движения должны быть синхронными и симметричными. Органы ручного управления следует располагать так, чтобы: -Ч-О не приходилось перекрещивать или менять руки; -удобно было пользоваться органами управления при считывании показаний приборов; -функции правой и левой руки должны быть разделенными; -наиболее часто используемые органы управления, индикации и аварийные, размещались в зонах наибольшей доступности и обзора; Большое значение для удобства работы имеет форма кресла с регулируемой спинкой, сидением и подлокотником. Рекомендуемые размеры и форма кресел приводятся в справочниках. Серьезное внимание уделяется конструированию терминалов. Здесь учитываются не только антропометрические данные, но и особенность работы с ЭЛТ. Рекомендуемые углы наклона для установки ЭЛТ в терминалах Рис. 6.27. Работа с терминалом. Основные требования к конструкции терминала: - изображение не должно мигать; - воспроизводиться должно позитивное изображение (темные значки на светлом фоне); - поверхность экрана должна быть матовой (безотражательной); - четкое воспроизведение знаков на люминофоре; 6.8.2. Панели управления и индикаторы. При эргономической отработке лицевых панелей главной задачей является оптимизация потока информации. Поступающая информация должна соответствовать мыслительной деятельности оператора, которую можно разделить на четыре этапа: - восприятия поступающей информации; - оценка информации; - принятие решения о конкретных операциях управления; - приведение принятого решения в исполнение. Анализ психофизиологических возможностей Ч­­-О показывает, что необходимыми требованиями при конструировании лицевых панелей являются: 1) Расположение лицевых панелей в зоне видимости и досягаемости. 2) Оптимальное расположение элементов на них. 3) Применение элементов индикации, информации и управления, соответствующих психофизическим и биомеханическим возможностям Ч-О. Оптимальным решением лицевой панели считается такое, когда на ней присутствуют только элементы индикации и управления и отсутствуют вспомогательные. Для достижения оптимальной компоновки следует: 1) Группировать элементы по функциональному признаку. Приборы для однотипных параметров объединяют на панели в компактную группу, зрительно четко разграниченную с другими группами. Кнопки и регуляторы должны, по возможности, располагаться в ряд в порядке, совпадающем с естественной последовательностью выполнения рабочих операций. 2) Место размещения на лицевой панели определяется по степени важности элементов, по схемотехническим связям. Приборы, отражающие наиболее важные параметры, располагаются в пределах оптимальной зоны поля зрения и поля досигаемости. Если разделить поле зрения по горизонтали, то в верхней части отмечается - 74,5%, а в нижней - 25,5% фиксации взгляда. Если разделить поле зрения по вертикали, то преимущество в расположении ответственных индикаторов нужно отдавать левой стороне и в целом располагать следует так 1 2 3 4 Оптимальное пространство расположения регуляторов ограничено дугами, которое описывается рукой Ч-О при ее вращении в локтевом суставе (радиус дуги около 340 мм ) и при вращении в плечевом суставе ( 600 мм ). Учитывать последовательность и частоту пользования элементами. При размещении приборов внутри функциональных групп следует придерживаться той последовательности, в которой Ч-О обычно считывает показания. При этом размещение производится слева направо и сверху вниз. Наиболее часто используемые приборы должны размещаться в пределах оптимальной рабочей зоны. Остальные (устройства калибровки, подстройки )-вне рабочего пространства. 4) На лицевой панели не должно быть лишних приборов, лишней информации, лишних надписей и элементов. Визуальные индикаторы делятся на предметные в виде шкал, надписей цифр и т.п. и световые в виде сигнальных ламп, светоплафонов и т.п. . Все надписи предметных указателей должны быть лаконичны. Погрешность считываемой величины зависит от стрелки и указателя. Высота рисок шкалы должна соответствовать расстоянию наблюдения. Форма знаков и цифр должна быть простой. Зазор стрелка-шкала должен быть не более1,5 мм во избежание погрешности от параллакса. Конец стрелки должен перекрывать штрихи шкалы и быть не толще него. Малое число ошибок дают цифровые счетчики на жидких кристаллах или светодиодах. При работе с ними необходимо соблюдать ряд условий: темп подачи сигналов на них должен соответствовать темпу восприятия их человеком ;элементы их конструкции не должны нести дополнительной информации; цифры и знаки должны иметь простую форму; не следует показывать нули слева, если они не определяют число. Для набора и ввода команд управления используется клавиатура. Конструкции терминалов включают почти плоскую отделяемую клавиатуру. Основные параметры плоских и клавишных выключателей и переключателей регламентированы. Эти элементы позволяют осуществлять операции быстрого включения и выключения, выбор нужного параметра, набора и ввода команд управления. Кнопки и клавиши, рассчитанные на частое использование или усилие 8...35 Н, должны иметь вогнутую рабочую поверхность и выступать над поверхностью панели на 5...10 мм. Кнопки, рассчитанные на усилия нажатия до 1 Н и на частоту пользования ими не более 2-х раз в минуту, имеют диаметр 3...5 мм и выпуклую рабочую поверхность. Контрольные вопросы по главе 6. 1. Понятие и цель преемственности в конструировании. 2. Понятия типизации, унификации и стандартизации. 3. Размерно-параметрические ряды и способы их построения. 4. Типовые и унифицированные конструкции РЭС. 5. Понятие компоновки РЭС, суть и критерии. 6. Компоновки модулей нижних уровней конструкции РЭС. 7. Особенности компоновки РЭС при унификации модулей нижних уровней. 8. Комплексная задача компоновки РЭС. 9. Унифицированные конструкции МКС и МКСБ. 10. Корпусирование МКС и МКСБ. 11. Бескорпусные МКС и МКСБ. 12. Унифицированные конструкции ячеек. 13. Общие положения и особенности компоновки блоков и шкафов РЭС. 14. Комплексная задача компоновки блоков и шкафов. 15. Унифицированные конструкции блоков. 16. Унифицированные конструкции шкафов ( стоек ). 17. Выбор схем компоновки блоков. 18. Особенности компоновки рабочего места и пульта оператора. 19. Конструирование панелей управления и индикаторов. Глава7. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС В данном разделе курса продолжается рассмотрение содержания действий в процессе проектирования конструкций РЭС. Главным является изучение основ теории и практики обеспечения защищенности РЭС от внешних механических воздействий за счет обеспечения соответствующих механических характеристик конструкции. Для достижения цели необходимо рассмотреть виды воздействий, механические характеристики конструкций РЭС, способы и конструктивную реализацию защиты, а также основные положения методик анализа поведения конструкций при механических воздействиях. 7.1. Виды и характеристики механических воздействий на РЭС В процессе эксплуатации, транспортировки и хранения изделия могут испытывать механические воздействия, характеризуемые диапазоном частот колебаний, амплитудой, ускорением, временем действия. Причинами механических воздействий могут быть вибрации движущихся частей двигателя, перегрузки при маневрировании, стартовые перегрузки, воздействие окружающей среды /ветер, волны, снежные лавины, землетрясения, обвалы и т.п., взрывные действия, небрежность обслуживающего персонала и т.п. Стационарная и переносная аппаратура может подвергаться механическим воздействиям при транспортировке, землетрясениях и взрывах. При перевозке сухопутным транспортом возникают удары, толчки и тряска, особенно во время торможения и маневрирования на большой скорости по грунтовым дорогам, на уклонах и подъемах. Вибрация возникает при периодическом биении колес о стыки рельс, неровностям и швам на дорогах. Частота вибраций может достигать сотен и тысяч герц. На судовом транспорте ударные механические нагрузки создаются во время шторма при ударах штормовой волны и качке судна. Вибрационные нагрузки на судах обусловлены работой винтов и двигателей. Частота и амплитуда вибраций зависят от типа судна, его машинного оборудования и места расположения РЭС, но обычно не превышает 150 Гц. Ударные нагрузки в самолетах возникают при посадке. Перегрузка в 10...15 g соответствует резкой посадке, а 30 g - аварийной. Вибрации имеют место в течение всего полета (до 2000 Гц). Повреждения на ракетах и спутниках могут произойти от сильного акустического шума при запуске двигателя, уровень которого может превышать 140 дБ. Аппаратура может подвергаться ударам и толчкам из-за обслуживающего персонала и различных случайностей. Так при падении аппаратуры на бетонный пол с высоты 0,5 м величина ускорения может достигать 550 g. Значительные нагрузки возникают при взрывах (200...400 g). В результате воздействия ударов, вибраций и линейных ускорений могут иметь место следующие повреждения РЭС: • нарушение герметизации из-за нарушения паяных, сварных и клеевых швов и появление трещин в металлостеклянных спаях; • полное разрушение корпуса или отдельных его частей от механического резонанса и усталости; • обрыв монтажных связей; • отслаивание печатных проводников; • расслаивание многослойных печатных плат; • поломка керамических подложек ИС; • выход из строя разъемных и неразъемных электрических контактов; • модуляция размеров волновых трактов; • смещение положения органов управления и настройки; • выход из строя механических узлов (подшипников, зубчатых зацеплений, крепежа и т.п.). Механическое разрушение приводит к полному выходу аппаратуры из строя. От 29 до 40% отказов самолетного электронного оборудования вызываются действиями механических нагрузок, а число отказов бортовых вычислительных машин - до 50%. Воздействие ударно-вибрационных нагрузок значительно снижает надежность РЭС. Качественно все виды механических воздействий можно разделить на вибрации, удары , линейные ускорения и акустический шум. Количественно все перегрузки можно охарактеризовать спектром гармонических частот и стационарностью процесса. 7.1.1. Вибрации в конструкциях РЭС Под вибрацией аппаратуры понимают механические колебания ее элементов или конструкции в целом. Вибрация может быть периодической и случайной. Периодическая вибрация может быть гармонической и полигармонической. Гармоническая вибрация сравнительно редко встречается в реальных условиях, но широко используется при лабораторных испытаниях и при анализе динамических характеристик конструкции и для определения реакции системы при более сложных формах вибрации. Параметрами воздействия вибрации являются частота и ускорение. Гармоническая вибрация описывается законом виброперемещения Z(t), виброскоростиили виброускорения. Z(t) =; =; = , где SZ - амплитуда виброперемещения; w - круговая частота вибрации, 1/с. t - время,с. Рис. 7.1. Виброперемещение при гармонической вибрации. Как известно, круговая частота связана с частотой вибрации f(Гц) выражением w = 2pf По заданному значению виброперемещения при гармонической вибрации легко найти амплитуду виброскорости и виброускорения = wSZ = 2pfSZ ; = w2SZ = 4p2f2SZ. Если же задано максимальное значение (амплитуда) виброускорения, то амплитуда гармонической вибрации равна SZ = . Амплитуда виброускорения часто задается в единицах ускорения свободного падения g, (g = 9,81 м/с2). В этом случае амплитуда виброперемещения (в миллиметрах) равна SZ » 250[мм], где - амплитуда виброускорения в единицах g. В реальном случае РЭС подвергается влиянию целого спектра частот вибрации, т.е. вибрация сложная периодическая - полигармоническая. Рис.7.1. Виброперемещение при гармонической вибрации. Из-за ограниченных энергетических возможностей источников вибрации высшие гармоники имеют малую амплитуду. Поэтому, а также из-за трудностей учета всех гармоник, в рассмотрение принимают главным образом низкочастотную часть спектра и, в первую очередь, гармоники с относительно большими амплитудами. 7.1.2. Линейное и центробежное ускорение в конструкциях РЭС Линейное ускорение характеризуется величиной ускорения и возникает при изменении скорости движения; центробежное возникает при изменении направления движения. Влияние линейного и центробежного ускорений на РЭС одинаково и зависит лишь от их величины. При расчетах аппаратуры, работающей в условиях линейных ускорений, последние обычно считаются равными максимальному их значению за все время действия, либо изменяющимися по ступенчатому или линейному закону. Линейное ускорение часто задается в виде перегрузки - отношения действующего ускорения к ускорению свободного падения. Рис. 7.3. Пример изменения линейного ускорения 7.1.3. Удары в конструкциях РЭС. Аппаратура может подвергаться ударным воздействиям, возникающим при транспортировке, монтаже или эксплуатации, при действии ударной волны и т.д. Удар - кратковременное (длительностью менее 0,1 с) и непериодическое силовое воздействие на элементы конструкции со стороны объекта - носителя. Удар характеризуется длительностью импульса и ускорением. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды U и длительности ударного импульса. Формой ударного импульса называется зависимость ударного ускорения от времени u(t). Для упрощения при расчетах форму ударного импульса идеализируют, заменяя ее подходящей более простой формой, например - прямоугольной, треугольной, полусинусоидальной и т.д. Рис. 7.4. Форма ударного импульса В процессе эксплуатации аппаратура может подвергаться действию не только одиночных, но и многократных ударов. В этом случае нормируется количество ударов и минимальный период их следования. Ударные воздействия возникают также при падении блока с некоторой высоты H. Такой вид удара имеет место, в частности, при небрежной перестановке блока РЭС на новое место, при погрузочно-разгрузочных работах. 7.1.4. Шум и акустические удары в конструкциях РЭС. Сильные шумы и акустические удары с уровнем шума свыше 140 дБ вызывают высокочастотную вибрацию, опасную для различных элементов РЭС. Особенное внимание акустическим воздействиям придается при размещении РЭС вблизи реактивных двигателей и подобных им других источников шума. Характеризуется акустический шум звуковым давлением и спектром звуковых частот. 7.1.5. Характеристики внешних воздействий для различных групп РЭС. Характеристики внешних воздействий на РЭС определяется в целом условиями применения, а в частности - объектом-носителем. Существует несколько вариантов классификации РЭС и, соответственно, несколько вариантов требований по механических воздействиям, исходя из указанных причин. С целью стандартизации требований к аппаратуре механические воздействия классифицируются по степеням жесткости вибрационных, ударных, линейных и центробежных нагрузок. Таблица 7.2.Характеристика и степени жесткости вибрационных нагрузок Диапазон частот, Гц Максимальное ускорение, g Степень жесткости Диапазон частот, Гц Максимальное ускорение, g Степень жесткости I-35 I-60 I-60 I-80 I-100 I-200 I-200 I-600 I-600 I-1000 0,5 1 2 5 1 5 10 5 10 10 I II III IV V VI VII VIII IX X I-2000 I-2000 I-2000 I-2000 I-3000 I-5000 I-5000 I-5000 I-5000 100-5000 5 10 15 20 20 10 20 30 30 40 XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX Таблица 7.3.Характеристика и степени жесткости ударных нагрузок. Длительность удара, мс Максимальное ускорение, g Степень жесткости Длительность удара, мс Максимальное ускорение, g Степень жесткости 2-15 2-10 40-60 20-50 2-6 1-3 15 40 4 20 75 150 Многократные удары I 2-6 II 1-3 Одиночные удары I 1-2 II 0,2-1 III 0,2-0,5 IV 0,2-0,5 75 150 500 1000 1500 3000 III IV V VI VII VIII Таблица 7.4.Характеристика и степени жесткости линейных и центробежных нагрузок. Максимальное ускорение, g 10 25 50 100 150 200 500 Степень жесткости I II III IV V VI VII Указанные в таблицах степени жесткости механических воздействий должны применяться, в частности, при составлении технических заданий на разработку и модернизацию изделий. Степени жесткости XVI-XX по вибрационным нагрузкам устанавливают для изделий миниатюрных конструкций (микросхемы, резисторы и т.п.). Степени жесткости XX по вибрационным нагрузкам устанавливают в технически обоснованных случаях в качестве дополнительного требования к другим степеням жесткости. ГОСТ 16962-71 рекомендует также устанавливать требования к резонансным частотам. Изделия без амортизаторов и их отдельные узлы и детали не должны иметь резонансных частот в диапазоне до 20 Гц (I степень жесткости), до 40 Гц (II степень) и до 100 Гц (III степень жесткости). Указанные в таблицах степени жесткости используют при классификации аппаратуры по условиям применения. Пример классификации аппаратуры иного назначения содержится в ГОСТ 21322-75. Стандарты распространяются на изделия электронной техники, предназначенные для использования в устройствах широкого применения (бытового и общепромышленного), а также поставляемых на экспорт (табл. 7.5). В стандарте определяются группы исполнения изделий и устанавливаются требования по вибрационным нагрузкам и многократным ударам для каждой классификационной группы. Требования по другим воздействующим факторам устанавливаются в соответствии с ГОСТ 16962-71 в тех случаях, когда наличие этих факторов обусловлены условиями применения. Таблица 7.5. Классификация изделий по условиям применения и требования к устойчивости по механическим воздействиям. Характер условий применения Группа исполнения Вибрационные нагрузки. Степень жесткости. Многократные удары. Степень жесткости. В стационарной аппаратуре и приборах, устанавливаемых на неподвижных объектах, а также в аппаратуре и приборах, не имеющих приспособлений для переноски и требующих специальных мер защиты при перевозке М1 I I В полустационарной аппаратуре и приборах, не работающих на ходу и предназначенных для кратковременной переноски людьми и перевозки. М2 II I В аппаратуре и приборах, работающих на ходу, устанавливаемых на промышленных передвижных машинах и на неподвижном технологическом оборудовании. М3 III I В носимой аппаратуре, работающей на ходу, и в аппаратуре и приборах, устанавливаемых на автомобильном, железнодорожном и водном транспорте со скоростью вращения гребного винта не более 1200 об/мин. М4 IV I В аппаратуре, работающей на ходу, устанавливаемой на тракторах и гусеничных машинах и на скоростных судах со скоростью движения гребного винта более 1200 об/мин. М5 VI II В аппаратуре, устанавливаемой на объектах, имеющих мощные источники вибрации и для общего применения в промышленности при условии, что существует ощутимая вибрация на частотах свыше 200 Гц. М6 IX II 7.2. Обеспечение защищенности конструкции РЭС от механических воздействий 7.2.1. Характеристики защищенности РЭС от механических воздействий Механические воздействия на РЭС вызывают разного рода деформации (растяжение, сжатие, прогиб, вибрацию) всех элементов конструкции РЭС. В результате происходят обратимые и необратимые изменения в элементах и РЭС в целом. Способность РЭС противостоять изменениям устанавливается в виде соответствующих требований к свойствам конструкции. Различают требования устойчивости и прочности при механических воздействиях на конструкцию. Под устойчивостью понимают способность выполнять все функции в условиях воздействия, а под прочностью - способность противостоять разрушающему воздействию в течение срока службы. Отсюда следуют понятия вибро- и ударопрочности. В и б р о п р о ч н о с т ь ю называется свойство конструкции противостоять разрушающему действию вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений и продолжать выполнять свои функции после окончания воздействия вибрации. Т.е. вибропрочность связана с транспортировочной вибрацией (аппаратура выключена). В и б р о у с т о й ч и в о с т ь ю называется свойство конструкции выполнять функции при воздействии вибрации и ударов в заданных диапазонах частот и ускорений. Т.е. виброустойчивость связана с эксплуатационной вибрацией (аппаратура включена). 7.2.2. Задача обеспечения защищенности РЭС от механических воздействий. Известно, что РЭС - сложная система, состоящая из множества элементов с конечными массами, объединенных в пространстве механическими связями различной жесткости и демпфирования и подвергающаяся механическим воздействиям. Реальные механические воздействия представляют собой случайные процессы, требующие сложного математического описания. Часто применяют детерминированный подход, который заключается в описании математических воздействий простыми функциями с неслучайными (детерминированными) параметрами. Задача конструктора РЭС состоит в обеспечении таких свойств устойчивости и прочности конструкции, которые требуются по техническому заданию (ТЗ) на изделие. В общем случае указанная задача представляет собой задачу синтеза механической системы с наилучшими в определенном смысле характеристиками. Для решения необходимо формализованное описание механической системы и процесса распространения энергии в ней. Точное описание объекта как механической системы в данном случае затруднено. В практике оценочных инженерных расчетов рассматривают РЭС как эквивалентную механическую колебательную систему с одной степенью свободы и сосредоточенной в центре тяжести (ЦТ) массой m, связанной с опорой или вибрирующей платформой (носителем), элементом с общей жесткостью КZ и коэффициентом КДМ. Рис. 7.5.Механическая модель конструкции РЭС. При более детальном рассмотрении даже одномассовая система (твердое тело) должна быть описана с учетом в общем случае шести степеней свободы. Рис. 7.6. Формализованное описание механической системы и процесса распространения энергии. Очевидно, что решение задачи анализа поведения какого-либо элемента конструкции РЭС даже при указанном формализованном упрощенном описании чрезвычайно затруднительно. А решение же задачи синтеза механической системы в общем случае формализованным способом становится невозможным. Однако практика проектирования конструкций РЭС должна решать эту задачу в каждом конкретном случае. Далее рассмотрим способы решения, исходя из введенного ранее системного представления РЭС. 7.3. Способы обеспечения защищенности РЭС от механических воздействий Рассматривая механическую подсистему SМ РЭС с общих позиций, можно полагать, что для синтеза системы SМ = {ПМ, ГМ, qМ, ЕМ}необходимо определить: • совокупность принципов ПМ; • множество элементов ГМ системы; • вариант схемы qМ механического объединения элементов ГМ; • множество параметров ЕМ элементов и системы в целом. Очевидно, что элементы ГМ системы включают в себя, в общем случае, как множество элементов ГМ¢ cобственно конструкции РЭС, так и множество ГМ¢¢ обеспечивающих необходимую защищенность ее от механических воздействий, т.е. ГМ = ГМ¢UГМ¢¢. Рассмотрим далее принципы ПМ, элементы ГМ и схемы построения qМ наиболее эффективно решающие задачи обеспечения устойчивости конструкций РЭС при механических воздействиях. 7.3.1. Принципы и основные элементы обеспечения защищенности РЭС Причиной отрицательных явлений в конструкциях при наличии механических воздействий является механическая энергия поступающая на рассматриваемый объект. Типичная схема распространения энергии в РЭС имеет следующий вид: Рис. 7.7.Схема распространения механической энергии в РЭС. Оценивая с общих позиций ситуацию, можно сделать вывод, что защитить объект от разрушающей энергии можно используя следующие принципы ПМ: • изолировать его от источника энергии; • повысить защитные свойства самого объекта; • комбинация предыдущих принципов. Для того, чтобы осуществить первый принцип p1 защиты, необходимо наличие специальных элементов ГМ¢¢, второй же принцип p2 не требует обязательно этих элементов. Известно, что для изоляции объекта от механической энергии возможно использовать эффекты отражения и/или поглощения энергии. Так появились два типовых элемента - пружина и демпфер. В целом в практике для реализации первого подхода используют специальные элементы - а м о р т и з а т о р ы, а также всевозможные и з о л и р у ю щ и е п р о к л а д к и, с л о и, э л е м е н т ы и т.д. Особенно необходимо отметить то, что при конструировании на пути распространения волновой энергии механических колебаний располагают дополнительное приспособление, отражающее и одновременно поглащающее часть этой энергии. Такие приспособления называют а м о р т и з а т о р а м и. Поглощение энергии называется д е м п ф и р о в а н и е м. Оно обусловлено рассеянием энергии в результате трения в материале амортизатора (резина), в сочленениях (сухой демпфир), в среде (воздушный и жидкостный демпфер). Повышение защитных свойств самого объекта реализуется множеством способов, но в основе их - оптимизация пространственного решения и выбор соответствующих материалов изделия. Типовые элементы ГМ¢¢, обеспечивающие реализацию второго принципа защиты, а также наиболее эффективные схемы qМ их объединения, будут рассмотрены далее. Предваряя их изучение, укажем основные теоретические положения поведения механических систем при наличии воздействий на них. 7.3.2. Виброчастотная характеристика конструкции. Под виброчастотной характеристикой понимается зависимость амплитуды x колебаний механической системы от частоты f возбуждающей вибрационной нагрузки, x = j(f). Для механической системы, которую можно представить в виде простейшей механической системы, виброчастотная характеристика имеет следующий вид (рис. 7.8): Рис. 7.8. Виброчастотная характеристика. Анализируя виброчастотную характеристику для простейших механических систем, установлено, что защита от динамических воздействий возможна при повышении собственной частоты f0 системы в 2...3 раз по отношению к частоте вибрационного воздействия (или верхней частоте спектра). Наличие резонанса в механической системе при совпадении частоты вибрационных воздействий f и собственной частоты f0 системы приводит к многократным увеличениям амплитуды перемещения массы m и, следовательно, к увеличению перегрузок. 7.3.3. Способы обеспечения защищенности РЭС от механических воздействий. Частота собственных колебаний f0 системы зависит от ее конструктивных параметров, и может изменяться в зависимости от принимаемых конструктором решений. Во избежание резонансных явлений резонансные частоты электрорадиоэлементов должны быть в 2..3 раза больше резонансных частот печатных узлов, а резонансные частоты печатных узлов и остальных частей конструкции должны в 2...3 раза превышать верхнюю частоту спектра входных воздействий. При невозможности обеспечить последнее требование за счет изменения свойств только перечисленных частей конструкции, блок РЭС должен быть установлен на амортизаторы, что приведет к уменьшению верхней частоты спектра входных воздействий непосредственно на блок. Сами же несущие конструкции блока (шасси, стойки), выполняются достаточно жесткими, с большой резонансной частотой, вследствие чего колебания к печатным узлам передаются без изменения амплитудно-частотного спектра. Таким образом для защиты РЭС от механических воздействий существует несколько способов реализации указанных подходов. К первой группе относятся методы направленные на повышение резонансных частот конструкции с целью выхода их за пределы частотного спектра входной вибрации. Вторая группа методов заключается в применении вибропоглощающих материалов и направлена на уменьшение коэффициента передачи колебаний при резонансе и, следовательно, на уменьшение вибронагрузок на конструкцию. Под коэффициентом передачи вибраций понимается отношение амплитуд колебаний на выходе и входе механической системы при заданной частоте. Третья группа методов основана на использовании амортизаторов, уменьшающих верхнюю частоту спектра вибрации. 7.4. Конструктивная реализация защищенности РЭС от механических воздействий. Рассмотрим последовательно все три подхода и их конструктивную реализацию. 7.4.1. Повышение резонансных частот конструкции Известно, что для полного устранения резонансных явлений в конструкции необходимо, чтобы резонансные частоты деталей, печатных плат и электрорадиоэлементов в 2-3 раза превосходили верхнюю границу частотного спектра вибрации, воздействующей на блок. Способы повышения резонансных частот вытекают из анализа формул для их расчета. Расчет собственных колебаний элементов и узлов реальных конструкций (корпусов, печатных плат, ЭРЭ и др.) обычно является трудоемкой задачей. Поэтому на практике конструкции заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны расчетные зависимости. Наиболее распространенным способом приближенного расчета собственных колебаний является замена реальной конструкции балочными схемами и пластинами. К таким конструкциям относятся ЭРЭ на платах, укрепленные на выводах, корпуса, кронштейны, печатные платы и другие детали. Частоты собственных колебаний балочных конструкций могут быть определены по формуле: , где j - безразмерный коэффициент, значение которого зависит от вида конструкции и способа закрепления; l - длина конструкции; Е - модуль упругости материала конструкции; J - момент энерции сечений конструкции; m - погонная масса конструкции. Собственные частоты прямоугольных пластин постоянной толщины, состоящие из упругого однородного материала (монтажные платы, крышки и др.), определяются по формуле: f0 = (ch/a2)104 , где f0 - собственная частота, Гц; с - коэффициент, зависящий от способа закрепления платы, соотношения сторон и материала платы; а - длина пластины, см; h - толщина пластины, см. Многослойную пластину, неоднородную по толщине (печатную плату), приводят к однородной однослойной пластине. Очевидно, что для повышения резонансной частоты f0, конструктор может менять конструктивные характеристики конструкций и материалы элементов. В частности повысить резонансную частоту поперечных колебаний печатных плат можно следующими способами: • применить более жесткое закрепление краев платы (например, рамочную конструкцию с приклеиванием краев печатной платы); • уменьшить размеры печатной платы или применить квадратную конфигурацию; • увеличить толщину печатной платы; • применить материал основания печатной платы с большим модулем упругости (например, вместо гетинакса - стеклотекстолит, вместо стеклотекстолита - дюралюминий); • сделать дополнительное крепление центра печатной платы к шасси блока; • применить ребра жесткости и т.д. Наибольшую опасность представляет собой поперечные колебания печатных плат, так как их резонансная частота значительно ниже, чем продольных. Оценим влияние различных вариантов закрепления ПП в конструкциях РЭС. Различают точечное закрепление печатной платы в конструкции блока и сплошное. При точечном закреплении печатная плата крепится винтами в нескольких точках. Рис. 7.9. Точечное закрепление печатных плат. При сплошном закреплении крепится одна или несколько сторон платы целиком. Различают следующие случаи сплошного закрепления сторон печатной платы: зажатый край (или жесткое защемление), опертый край (или шарнирное опирание) и свободный край. Эти три случая являются идеализацией реальных способов закрепления. Так, закрепление сторон платы в направляющих блока принимают за шарнирное опирание. Зажатым краем считается край платы с многоконтактным разъемом с жесткими выводами. Рис. 7.10. Обозначение способов сплошного закрепления сторон печатной платы. Для повышения значения резонансной частоты f0 для ПП необходимо выбирать при точечном варианте пяти - или шеститочечный случай, а при сплошном - зажатый по периметру вариант закрепления. Для повышения резонансной частоты электрорадиоэлементов существует два способа: • уменьшение длины выводов; • приклеивание электрорадиоэлемента к печатной плате. При установке электрорадиоэлементов на клей резонансная частота определяется только собственными колебаниями выводов, и поэтому в вибропрочных конструкциях их длина должна быть минимальной. В завершении следует указать, что повышение резонансной частоты конструктивных элементов позволяет лишь исключить резонанс, но не предотвращает воздействия на элемент внешней механической энергии. 7.4.2. Применение вибропоглощающих материалов в конструкции РЭС. В случае невозможности вывода резонансной частоты f0 конструкции за пределы диапазона воздействующих частот необходимо уменьшить коэффициент передачи энергии. Известно, что коэффициент передачи колебаний печатной платы на резонансной частоте обычно пропорционален коэффициенту механических потерь g. Для увеличения коэффициента механических потерь (КМП) и, следовательно, для уменьшения резонансных явлений в конструкции используют полимерные вязкие компаунды с большим КМП. Наиболее часто используют следующие варианты: • приклеивание электрорадиоэлементов к плате вибропоглащающим компаундом; • заливка платы; • применение многослойных печатных плат, слои которых склеены вибропоглащающим компаундом. Рис. 7.11. Заливка платы вибропоглащающим материалом. Варианты структур, указанные на рис.7.11, имеют свои достоинства и недостатки. Выбор осуществляется в каждом конкретном случае, исходя из соответствующих требований. 7.4.3. Конструкции РЭС с амортизаторами. Принцип виброизоляции заключается в размещении между объектом установки и РЭС специальных устройств- амортизаторов, которые поглощают и отражают механическую энергию. Поглощение энергии колебаний происходит демпфированием за счет трения в материале амортизаторов или в демпферах с сухим или вязким трением между элементами конструкции. Наиболее эффективно использование этого подхода при защите от вибрационных нагрузок. Уменьшить степень влияния вибрации на блок можно с помощью установки блока на амортизаторы (виброизоляторы). (В соответствии с ГОСТ 34246-80 «Вибрация. Термины и определения» термин «амортизатор» заменен на термин «виброизолятор».), которые с одной стороны прикрепляются к блоку, а с другой - к основанию на объекте - носителе. Виброизолятор представляет собой колебательную систему с низкой резонансной частотой и с малым коэффициентом передачи колебаний в зарезонансной области. За счет этого уменьшается частотный спектр вибрации, передаваемой от основания к блоку. Блок, установленный на виброизоляторах, имеет 6 степеней свободы: может независимо колебаться вдоль трех координат и вокруг них. В простейшем случае рассматривают колебания блока с одной степенью свободы. Эффективность виброизоляции оценивается к о э ф ф и ц и е н т о м и з о л я ц и и g, равным отношению амплитуды возмущающих колебаний к амплитуде вынужденных колебаний амортизированного РЭС. В наиболее простом случае объект установки с массой М совершает колебания x(t) = Аsinwt. Амплитуда колебаний А от объекта установки до РЭС с массой m здесь ослабляют амортизаторы с жесткостью k и демпфированием b. Рис. 7.12. РЭС с амортизаторами. Уравнение движения данной системы можно написать в виде неоднородного дифференциального уравнения. Колебания РЭС x(t) находят как сумму общего и частного решения этого уравнения. В установившемся режиме в системе возникают колебания с частотой w и амплитудой: D = A Пренебрегая демпфированием, получаем соотношение для коэффициента виброизоляции: l = Величина, обратная коэффициенту виброизоляции, называется коэффициентом динамичности h. На рисунке 7.12 показана зависимость коэффициента динамичности h от отношения w/w0 при различных значениях демпфирования. Из графиков видно, что амортизаторы функционируют лишь в области частот w/w0>и эффект виброизоляции повышается при ослаблении демпфирования. В области резонанса (w = w0) амортизаторы ухудшают виброизоляцию, особенно при низком демпфировании, а в области w/w0<1 виброизоляция отсутствует. Из сказанного следует, что собственная частота должна быть значительно ниже возмущающих частот. А. Схемы монтажа амортизаторов. Рассмотрим наиболее распространенные схемы расположения амортизаторов относительно центра тяжести аппарата. Схема нижнего монтажа используется чаще всего. Но при боковой вибрации возникают связанные колебания, поэтому следует предусматривать достаточный зазор между блоками и соседними конструкциями, чтобы избежать соударения. Рис. 7.13. Схемы монтажа амортизаторов. Схему, в которой амортизаторы расположены в плоскости, проходящей через центр тяжести, целесообразно использовать в условиях пространственного нагружения на реактивных самолетах и ракетах. Монтаж в двух горизонтальных плоскостях обычно используется, если отношение высоты блока к ширине больше двух. Схема двухстороннего монтажа обеспечивает защиту от воздействия внешних сил, действующих во всех направлениях. Амортизаторы предварительно нагружены, что делает систему более жесткой. Схема монтажа амортизаторов под углом к осям симметрии блока является наиболее пригодной для изоляции пространственной вибрации при горизонтальном положении основания. В схеме, изображенной на рис.ж характеристики системы амортизации практически одинаковы при всех положениях основания. Б. Выбор амортизаторов. Выбор амортизаторов производят, имея следующие данные: 1) параметры механических воздействий на носителе; 1) параметры внешней среды; 2) конструктивные параметры РЭС; 3) допустимые механические воздействия на РЭС; 4) статические и динамические характеристики амортизаторов. При выборе амортизаторов часто возникает противоречие между вышеизложенными соображениями для защиты РЭС от вибраций и требованиями к защите от ударов и линейных ускорений. Дело в том, что малая жесткость (низкая собственная частота) и ход амортизаторов в случае удара приводят к их чрезмерной деформации, в предельном случае до упора, вызывая значительные перегрузки. Проблему решают применением амортизаторов с нелинейной характеристикой, у которых демпфирование изменяется в зависимости от статической нагрузки. Основными параметрами амортизаторов, таким образом, являются их собственная частота (при номинальной статической нагрузке), статическая нагрузка, коэффициент демпфирования и показатели климатических воздействий. В зависимости от частоты собственных колебаний все амортизаторы делятся на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные. В. Защита РЭС от ударов амортизаторами. Движение амортизированной системы, вызываемое ударной силой, в течение времени действия этой силы определяется законом вынужденных колебаний. После прекращения действия ударной силы движение системы подчиняется закону свободных колебаний. Начальными условиями при этом являются смещение и скорость движения в момент прекращения действия удара. 7.5. Методика обеспечения защищенности РЭС от механических нагрузок. Методика решения задачи защиты конструкции РЭС от механических воздействий включает в общем случае несколько этапов: 1) обеспечение собственной жесткости и прочности конструкции как без использования дополнительных элементов, так и с применением специальных элементов типа ребер жесткости, рамок- каркасов и т.д.; 1) применение амортизаторов с выбором схемы крепления и типа амортизаторов (если это необходимо); 2) оценка эффективности виброизоляции конструкции на выбранных амортизаторах с определением собственных резонансных частот и других характеристик; 3) проверка защищенности РЭС от воздействия ударных импульсов заданных параметров; 4) проверка устойчивости конструкции РЭС к линейным перегрузкам; 5) защита РЭС при транспортировке с помощью соответствующей упаковки. Указанная методика имеет свои достоинства и недостатки, но может считаться наиболее подходящей на этапе предварительной разработки конструкции РЭС. Методика исходит из того, что на первом этапе предлагается искать решение для защиты конструкции РЭС без больших дополнительных затрат, т.е. без специальных элементов, без увеличения объема, массы аппаратов и т.п. Если все предлагаемые варианты оказались неудачными, необходимо перейти к более дорогому (по различным затратам) варианту, основанному на использовании амортизаторов. Затем полученные конструктивные решения просто проверяются на другие, кроме вибрационных, виды воздействий. В заключение происходит разработка необходимой тары для транспортировки изделия. При этом полагается, что все требования защиты РЭС в режиме эксплуатации безусловно выполнены. Контрольные вопросы по главе 7. 1. Качественная классификация воздействий на РЭС. 1. Вибрации в РЭС и их оценки. 2. Удары в РЭС и их количественные оценки. 3. Ускорения в РЭС и их оценки. 4. Степени жесткости вибронагрузок, ударов и ускорений в РЭС. 5. Группы исполнения РЭС по мехвоздействиям. 6. Характеристики защищенности РЭС. 7. Задача обеспечения защищенности РЭС. 8. Принципы и основные элементы защиты РЭС. 9. Виброчастотная характеристика и ее анализ. 10. Обеспечение защищенности РЭС повышением резонансных частот. 11. Обеспечение защищенности РЭС демпфированием. 12. Обеспечение защищенности амортизаторами. 13. Влияние способов закрепления ПП. 14. Схемы закрепления амортизаторов. 15. Выбор амортизаторов. 16. Методика обеспечения защищенности РЭС от механических нагрузок. Глава 8. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС. В настоящем разделе рассматриваются вопросы теории и практики обеспечения работоспособности РЭС в условиях воздействия на него тепловой энергии. Для решения указанной задачи разбираются общие положения обеспечения нормального теплового режима РЭС, методы защиты от перегрева отдельных элементов и конструкции в целом, а также конструктивная реализация защиты РЭС от тепловой энергии. 8.1. Основные положения обеспечения защищенности РЭС от тепла. Предваряя рассмотрение методов и способов защиты РЭС от влияния тепловой энергии, необходимо установить результаты ее воздействия на конструкцию РЭС. 8.1.1. Влияние теплового режима на надежность РЭС. В процессе эксплуатации РЭС подвергаются влиянию положительных и отрицательных температур, источниками которых являются окружающая среда, объект установки и сама РЭС. Диапазон изменения температур в околоземной атмосфере может составлять ± 100°С, а в космосе он еще шире. Объект установки РЭС может иметь источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным топливом, жидкий азот для охлаждения чувствительных элементов). Сама РЭС является источником тепла, поскольку представляет собой систему преобразующую энергию. Баланс энергии в РЭС определяется выражением Р = РП + РР + РН , где Р - полезная энергия, подводимая к изделию от источника питания; РП - полезная энергия, затрачиваемая на функционирование изделия; РР - тепловая энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве; РН - тепловая энергия, затрачиваемая на нагрев элементов. Рассеиваемая энергия составляет 70...90% от энергии потребления: РР + РН = (0,7...0,9)Р. КПД любого электронного устройства определяется как h =. Таким образом, КПД устройства тем выше, чем меньше расход энергии на тепло. Обычно КПД РЭС невелик. Следовательно, значительная часть энергии выделяется в виде тепла. Если эту энергию не рассеять в окружающее пространство, то она пойдет на нагрев РЭС. Воздействие положительных и отрицательных температур может снизить надежность аппаратуры. Причинами параметрических отказов могут быть: • ухудшение изоляционных свойств материалов; • изменение коэффициента усиления; • изменение параметров конденсаторов, резисторов, магнитных сердечников и т.п. Все эти факторы могут привести к искажению сигнала до уровня, при котором нормальное функционирование невозможно. Причинами внезапных отказов, вызванных воздействием низких температур являются: • затвердевание резины (разгерметизация прокладок, выход из строя амортизаторов); • увеличение вязкости смазок; • замерзание влаги, вызывающее увеличение микротрещин в материалах, и т.п. Повышение температуры приводит к: • выделению летучих веществ из изоляционных и смазочных материалов, что изменяет их свойства; • изменению структуры керамических материалов; • старению материалов; • образованию пор в паяном шве и т.п. Если в конструкции имеются материалы с разными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), то это приводит к поломке конструкции: обрыв проводников в МПП, заклинивание подшипников и зубчатых пар, выход из строя паяных, сварных и клеевых швов. Функциональные элементы и механические части РЭС различаются термостойкостью, т.е. способностью элементов и материалов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также термоударов. Термостойкость определяют по температуре, соответствующей началу существенных изменений параметров или свойств элементов. Поэтому элементы и материалы могут нормально функционировать в пределах некоторого диапазона температур. (Это явление наблюдается и в природе - нормальная температура человеческого тела 36,6 ± 0,1°С). Таким образом, обеспечение надежности РЭС связано с обеспечением температуры всех их частей в заданных пределах. Тепловым режимом называется пространственно-временное изменение температуры устройства. Оно зависит от мощности источников и поглотителей энергии, геометрических и физических параметров среды, поглощающей тепло. Тепловой режим блока РЭС характеризуется совокупностью температур отдельных его точек в пространстве и во времени - температурным полем, Т (х,у,z,t). Рис.8.1. Температурное поле РЭС. Если температура в любой из точек не выходит за пределы допустимого, то такой тепловой режим называется нормальным. В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным. Стационарный режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени, обусловленной термодинамическим равновесием между источником и поглотителями тепловой энергии. Нестационарный режим характеризуется сильной зависимостью температурного поля от времени. Он обычно имеет место при одиночных и кратковременно повторяемых тепловых нагрузках. Увеличение функциональной сложности при уменьшении габаритов РЭС приводит к теплонагруженности аппаратуры, что требует принятия специальных мер для обеспечения нормального теплового режима. 8.1.2. Задача обеспечения защищенности РЭС от воздействия тепла. Снижение надежности РЭС при воздействии тепловой энергии требует обеспечения защищенности их от такого воздействия. Рассматривая конструкцию РЭС как некоторую тепловую систему SТ, обладающую совокупностью источников, проводников и стоков (приемников) тепла, можно сформировать задачу конструкторов РЭС в следующем виде: необходимо спроектировать систему Sт, состоящую из набора элементов Г, представляющих собой источники, проводники и приемники тепла, обменивающихся тепловой энергией в соответствии с определенными принципами ПТ по определенной схеме qТ (структуре) и с определенными параметрами ЕТ с целью получения нормального теплового режима внутри SТ, т.е. найти SТ = {ПТ,Г,qТ,ЕТ} при Т°ДОП (х,у,z,t) допустимом. Очевидно, что задача проектирования SТ распадается на две подзадачи: синтез тепловой подсистемы SТ и анализ SТ. Рассмотрим вначале задачу синтеза SТ. Для поиска SТ необходимо определить, во-первых, совокупность принципов ПТ организации системы. Исходя из общих соображений, возможны следующие принципы: р1 - изоляция защищаемого объекта (РЭС и его элементы, в данном случае) от источника тепла; р2 - отвод тепла от защищаемого объекта и комбинация двух принципов. Для реализации принципа изоляции применяется особый элемент g1 конструкции - тепловой экран. Конструктивная реализация второго принципа (отвод тепла) возможна как за счет оптимизации элементов Г¢ самой конструкции (корпусов ЭРЭ, несущих конструкций, выводов и т.д.), так и за счет введения специальных элементов Г¢¢ - дополнительных проводников тепла - радиаторов, тепловых шин, дополнительных слоев в ПП и т.д. Схемы qТ распространения тепла в конструкции РЭС обычно обеспечивают отвод тепла от модулей низших уровней на несущую конструкцию, а оттуда - в теплоноситель, в качестве которого выступает чаще всего окружающая среда. Анализ тепловой подсистемы SТ сводится обычно к определению расчетным или экспериментальным путем конкретных значений параметров ЕТ тепловой подсистемы. Чаще всего достаточно найти значения температуры в конкретных точках внутри конструкции, т.е. определить Т° (х = хтреб, у = утреб, z = zтреб, t = tтреб) и сравнить их с допустимыми. 8.1.3. Способы отвода тепла в РЭС. Для уточнения возможности реализации принципа обеспечения защищенности РЭС за счет отвода тепла от объекта, а также для определения оптимальных значений параметров ЕТ тепловой подсистемы SТ, рассмотрим основные положения теории теплообмена. Известно, что теплообмен возможно организовать за счет кондукции, конвекции и излучения. 8.1.3.1. Кондуктивный теплообмен. Процесс передачи тепла теплопроводностью объясняется обменом кинетической энергии между молекулами вещества и диффузией электронов. Эти явления имеют место, когда температура вещества в различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева. Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количество тепла, проходящее через гомогенное (однородное) тело в единицу времени, прямо пропорционально площади поперечного сечения, нормальной к потоку тепла, и температурному градиенту вдоль потока, РТ =, где РТ - мощность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, Вт; l - коэффициент теплопроводности, ; d - толщина стенки, м; t1,t2 - температура нагретой и холодной поверхности, К; S - площадь поверхности, м2. Из этого выражения можно сделать вывод, что при разработке конструкции РЭС теплопроводящие стенки следует делать тонкими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности. Рассмотрим случай передачи тепла через плоскую стенку толщиной d. Рис. 8.2. Передача тепла через стенку. Количество тепла, передаваемого за единицу времени через участок стенки площадью S определится по уже известной формуле РТ =. Эту формулу сравнивают с уравнением закона Ома для электрических цепей. Нетрудно убедиться в их полной аналогии. Так количество тепла в единицу времени РТ соответствует величине тока I, температурный градиент (t1 - t2) соответствует разности потенциалов U. Отношение называют т е р м и ч е с к и м сопротивлением и обозначают через RТ, RТ =, Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока и электрического тока не только позволяет отметить общность физических процессов, но и облегчает проведение расчета теплопроводности в сложных конструкциях. Если в рассмотренном случае элемент, который нужно охладить, располагается на плоскости имеющей температуру tСТ1, то tСТ1 = РТd/(lS) + tСТ2. Следовательно, для уменьшения tСТ1 нужно увеличить площадь теплоотводящей поверхности, уменьшить толщину передающей тепло стенки и выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности. Для улучшения теплового контакта необходимо уменьшать шероховатость контактирующих поверхностей, покрывать их теплопроводящими материалами и создавать контактное давление между ними. Качество теплового контакта между элементами конструкции зависит также от электрического сопротивления. Чем меньше электрическое сопротивление контактной поверхности, тем меньше его термическое сопротивление, тем лучше теплоотвод. Чем меньше теплоотводность окружающей среды, тем больше времени потребуется для установления стационарного режима теплообмена. Обычно охлаждающей частью конструкции является шасси, корпус или кожух. Поэтому при выборе компоновочного варианта конструкции нужно смотреть, имеет ли выбранная для крепления охлаждающая часть конструкции условия для хорошего теплообмена с окружающей средой или теплостойком. 8.1.3.2. Конвективный теплообмен. Процесс отбора тепла от нагретого тела происходит за счет передачи энергии соприкасающемуся с ним теплоносителю, например - воздуху окружающей среды. Нагретая масса теплоносителя заменяется холодной либо естественной циркуляцией, либо принудительно. Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона Р = aК (tК - tС) SК, где Р - мощность, передаваемая в виде тепла, Вт; aК - коэффициент теплопередачи конвекцией, ; SК - площадь теплоотводящей поверхности, м2; tК, tС - температуры нагретого тела и окружающей среды, К. Качество естественного конвективного теплообмена зависит от мощности тепловыделения во время работы РЭС, формы и габаритов аппаратуры, площади теплоотдающей поверхности, которую искусственно увеличивают введением специальных ребер - радиаторов. Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий. Естественный конвективный теплообмен наиболее прост и доступен. Единственное условие - наличие достаточных зазоров /не менее 4...5 мм/ для циркуляции воздуха. Чем больше зазоры, следовательно, и объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена зависит от места расположения элемента в РЭС. Так при вертикальном расположении субблоков воздушному потоку ничто не препятствует, и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении - замена воздуха затруднена. В худшем положении оказываются элементы, обращенные к дну и верхней части РЭС. Конвективный теплообмен ухудшается с уменьшением давления воздуха. Увеличение значений коэффициента теплопередачи aК и уменьшение температуры tС можно достичь используя принудительное охлаждение. Качество теплообмена в этом случае будет зависеть и от скорости замены теплоносителя, и от характеристик теплоносителя и его массы. Общим правилом при компоновке РЭС для естественного и принудительного охлаждения является увеличение площади теплоотводящих поверхностей при ограничении аэро- и гидродинамическому сопротивлению потоку теплоносителя. 8.1.3.3. Излучение. Любое нагретое тело в той или иной степени излучает или поглощает тепло. Излучение тепловой энергии происходит в виде электромагнитных волн в диапазоне 0,3...10 мкм. Тепловое излучение может отражаться, поглощаться или пропускаться телами. Практически все тепловое излучение, проникающее внутрь тонкого слоя твердых (1 мкм - проводники, до 1,3 мм - непроводники) и жидких тел, поглощается. Тело от нагретой поверхности которого происходит незначительной отражение тепловых лучей, называют а б с о л ю т н о ч е р н ы м. Но это не значит, что оно должно быть черным по цвету. Шероховатая поверхность стальной детали, покрашенная белой эмалью поглощает 90% тепловых лучей и может считаться близкой к абсолютно черному телу, хотя и выглядит белой. Величину излучаемой энергии определяют по закону Стефана-Больцмана. РЛ = , А если тело находится в какой-либо среде, то тепловой поток излучаемой энергии РЛ = , где РЛ - лучистый тепловой поток, Вт; С - коэффициент излучения тела, ; Т - температура поверхности тела, К; Т1 - температура окружающей среды, К. Величину e называют степень черноты. Она приводится в таблицах, причем шероховатые поверхности имеют большую величину e, чем хорошо обработанные, (так для полированного алюминия e = 0,04, а для картона -0, 93). Для абсолютно черного тела С0 = 5,67 ; для реальных тел . Так как тепловой поток при излучении определяется разностью четвертых степеней температур, то эффективность теплопередачи излучением возрастает при больших разностях температур. Отвод тепла излучением в РЭС связан с установкой теплопоглощающих и теплоотражающих экранов для защиты теплочувствительных элементов от перегрева. Теплопоглощающие экраны имеют матовую оксидированную поверхность или окрашиваются масляными и эмалевыми красками. Теплоотражающие экраны имеют глянцевую поверхность светлых тонов, зеркальную или полированную. Такие экраны позволяют не только снижать местные перегревы, но и выравнивать температурное поле внутри блока. Теплоотвод излучением актуален в вакууме. Для современных РЭС конвективный теплообмен настолько эффективнее, что излучение не учитывается. 8.2. Обеспечение нормального теплового режима РЭС. Для обеспечения нормального теплового режима конструкции РЭС и его отдельных элементов возможно использование различных методов и вариантов их конструктивной реализации. 8.2.1. Конструктивная реализация способов охлаждения. В зависимости от плотности компоновки РЭС, степени теплонагруженности ее элементов используют различные способы обеспечения заданных тепловых режимов. Наиболее простыми являются конвективные системы. При естественном воздушном охлаждении герметичных блоков РЭС из-за разной плотности горячего и холодного воздуха происходит его перемешивание. Рис. 8.3. Перемешивание воздуха. Эффективность естественной конвекции может быть увеличена за счет применения отверстий в кожухе, через которые более холодный воздух снаружи будет заходить в блок, а более нагретый - в окружающее пространство. Рис. 8.4. Перемешивание воздуха. Вентиляционные отверстия выполняются в различных вариантах: А) Металлическая сетка Б) Перфорация В) Жалюзи Г) Вентиляционные грибки Рис. 8.5. Варианты перфорации. Принудительное воздушное охлаждение используют для интенсификации теплообмена. Рис. 8.6. Перемешивание воздуха вентилятором. Рис. 8.7. Принудительная вентиляция приточного или вытяжного типа. Жидкостные и испарительные системы более эффективны, т.к. у жидкости плотность и теплопроводность значительно больше воздуха. Элементы установленные в жидкость отдают ей свою тепловую энергию при естественной конвекции или кипении. Жидкости должны быть инертны и нетоксичны: фреон, спирт, этиленгликоль с Т кипения примерно 25°С. Рис. 8.8. Внутреннее перемешивание с кипением. Внутреннее перемешивание жидкости повышает эффект внутреннего теплообмена, а наличие теплообменников - внешнего. Рис. 8.9. Внешнее перемешивание. С помощью кондукции можно довольно простыми конструктивно-компоновочными решениями отвести тепло от греющихся элементов. В миниатюрных блоках это практически единственный способ охлаждения. Рис. 8.10. Применение теплообменников или радиаторов. Рис. 8.11. Применение теплостока в виде бронзовых плоских пружин или металлического шнура На эффективность теплоотдачи оказывает влияние шероховатость поверхности, контактное давление (самонарезающие винты), теплопроводность материалов (медь, алюминий), покрытия. Применение пластичных прокладок с большой теплопроводностью (свинцовые, медные, алюминиевые, бронзовые) снижает контактное тепловое сопротивление вдвое, заполнение воздушных прослоек теплопроводящей пастой - в 1,5 раза. Среди жидкостных систем особое место занимают тепловые трубы, используемые для локального охлаждения. Рис. 8.12. Тепловая трубка. Трубка представляет собой металлический корпус 1, внутри которого пористый фитиль 2, заполненный жидкостью с низкой температурой кипения. При нагреве локального участка трубки жидкость, находящаяся в порах фитиля вблизи этого участка, нагревается тоже; при превышении температуры нагрева выше температуры кипения, жидкость испаряется и пар перемещается внутри к более холодному концу трубы. При охлаждении пар превращается в жидкость и по капиллярам фитиля двигается к нагретому концу трубки. Таким образом, тепло переносится от нагретого конца трубы к холодному. Подобные трубки применяют для охлаждения больших гибридных ИС (БГИС) внутри РЭС (рис.8.13). Рис. 8.13. БГИС с тепловой трубкой. БГИС на поликоровой подложке 2, составленная из бескорпусных приборов на балочных выводах 1, размещается на алюминиевом основании 3, закрепленном на алюминиевой охлаждающей трубке 5 с циркулирующим хладоагентом. Охлаждающая трубка размещена на коммутационной плате 6, на которую же подходят выводы навесными проводниками 4 от БГИС. Для улучшения теплоотвода от несущих конструкций применяют металлические печатные платы. 1 - алюминиевая плата; 2 - изоляционный слой; 3 - металлизированные отверстия; 4 - печатная схема Рис. 8.14. Металлическая плата. Повышение плотности компоновки приводит к тому, что естественное воздушное охлаждение становится неэффективным. Интенсификация охлаждения достигается увеличением теплоотводящей поверхности - созданием на ней ребер. Ребра выполняются как на кожухе и шасси, так и в виде самостоятельных конструктивных деталей, называемых радиаторами. Теплоотводящие радиаторы различаются между собой формой ребер и мощностью теплового рассеяния. Наибольшее распространение в РЭС получили радиаторы с ребрами пластинчатой, ребристой, штырьковой, игольчатой форм и спиральной. Рис. 8.15. Пластинчатые радиаторы. Пластинчатые радиаторы изготавливают из стали или алюминия толщиной от 2 до 6 мм. Из-за малой эффективности применяют для небольших мощностей. Рис. 8.16. Ребристые радиаторы. Ребристые радиаторы эффективнее пластинчатых. Изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов. Рис. 8.17. Штырьковые радиаторы. Штырьковые радиаторы имеют более высокий коэффициент теплообмена, чем ребристые. Изготавливаются литьем под давлением. Рис. 8.18. Игольчатые радиаторы. Игольчатые радиаторы эффективнее штырьковых, но сложнее в изготовлении и дороже. Рис. 8.19.Спиральные радиаторы. Спиральные радиаторы при одинаковой с игольчатой площадью S имют в 2,5 раза меньший объем и в этом смысле - более эффективны. Расчет радиаторов сводится к определению их геометрических размеров по заданной мощности теплового рассеивания, максимально допустимом нагреве охлаждаемого элемента и температуре окружающей среды. Эффективность радиаторов находится в прямой зависимости от количества и размера ребер и их расположения. Минимальная толщина ребра определяется технологическими возможностями литья, а минимальный размер между стенками ребер рекомендуется не менее 4...6 мм для теплообмена. Для улучшения теплового контакта радиаторы устанавливают на алюминиевые, свинцовые, оловянные прокладки, а для электроизоляции - оксидируют контактную поверхность или ставят на прокладки из оксидированного алюминия. Для улучшения турбулентности воздуха ребра покрывают лакокрасочным покрытием. 8.2.2. Выбор вида охлаждения. Каждая система охлаждения имеет свои преимущества и недостатки. Естественная конвекция и теплопроводность наиболее доступны и наименее эффективны. Остальные способы требуют применения специальных средств, усложняющих и удорожающих конструкцию. Способ охлаждения во многом определяет конструкцию и компоновку РЭС, поэтому на начальной стадии конструирования уже нужно выбрать способ охлаждения. Для прикидочного расчета пользуется построенными на основе практики и представленными в справочной литературе номограммами. Исходными данными являются габаритные размеры блока, суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, коэффициент заполнения и диапазон температур. Сначала определяют условную поверхность S охлаждаемого РЭС: S = 2[L1L2 + (L1 + L2)L3KЗ], где L1, L2, L3 габаритные размеры блока, м; КЗ - коэффициент заполнения объема. Затем вычисляется логарифм удельной тепловой мощности g = lg (P/S), где Р - суммарная мощность тепловых потерь, Вт (определяется по значению потребляемой мощности и коэффициенту полезного действия устройства). Теперь определяется минимально допустимый перегрев элементов блока Dt = tiмин - tc, где tiмин - допустимая температура наименее стойкого элемента блока по ТУ; tc - температура окружающей среды, К. Откладывая полученные данные по осям абсцисс и ординат, находят зону, соответствующую рекомендуемому виду охлаждения. Рис. 8.20. Диаграмма выбора системы охлаждения. На последующих стадиях проектирования конструкции РЭС вид системы охлаждения уточняется. Контрольные вопросы по главе 8. 1. Механизм и результат влияния теплового режима на РЭС. 2. Оценки теплового режима в РЭС. 3. Тепловая подсистема в РЭС. 4. Задача обеспеченности РЭС от тепла. 5. Принципы, основные элементы и схеы защиты РЭС от тепловой энергии. 6. Способы отвода тепла в конструкциях РЭС. 7. Кондуктивный теплообмен и возможности его использования в конструкциях РЭС. 8. Конвективный теплообмен и его использование в конструкциях РЭС. 9. Излучение и его использование в РЭС. 10. Конструктивная реализация защиты блоков и шкафов РЭС от тепловой энергии. 11. Конструктивная реализация защиты ячеек и узлов РЭС от тепла. 12. Радиаторы и их типы. 13. Естественно и принудительно-воздушные системы обеспечения теплового режима РЭС. 14. Жидкостные системы охлаждения. 15. Тепловые трубки. 16. Предварительный выбор принципа обеспечения теплового режима РЭС. 17. Способы анализа теплового режима РЭС. Глава 9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС. В данной главе рассматриваются логика и содержание действий конструктора РЭС, направленных на обеспечение работоспособности проектируемого аппарата в условиях воздействия на него в целом или на его отдельные элементы, различного рода электромагнитных полей. Исходя из введенных ранее методологических положений, необходимо установить основные принципы, реализующие их элементы, схемы и некоторые параметры эффектных систем защиты от воздействий или эффектные варианты построения самой конструкции РЭС. 9.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА КОНСТРУКЦИЮ РЭС. Предваряя рассмотрение вопросов оптимального построения конструкции РЭС, определим несколько основных понятий. Помехой будем называть внутреннее или внешнее воздействие на РЭС, приводящее к искажению полезного сигнала и содержащейся в нем информации во время приема, переработки, хранения. Помехоустойчивость РЭС - свойство аппарата противостоять воздействию определенной помехи в заданных условиях. Электромагнитная совместимость- свойство РЭС, совместно работать с определенным носителем или объектом установки РЭС, выполняя свои функции в условиях наличия электромагнитных полей. ( Существуют и другие толкования указанного свойства в различной литературе). Очевидно, что источником помех в РЭС являются электромагнитные поля как во вне, так и внутри конструкции РЭС. Так возникают понятия внешней и внутренней помехи. Результатом воздействия помех на РЭС является снижение надежности функционирования вплоть до отказа аппарата. С развитием радиоэлектроники борьба с помехами приобретает все большую актуальность в следствии: 1) увеличения уровня внешних помех за счет введения РЭС в сложные технические системы, внутри которых находится обычно большое число устройств с электромеханическими узлами, служащими источниками внешних полей; 2) увеличение уровня внутренних помех за счет повышения плотности размещения элементов РЭС, приводящей к возрастания роли внутреннего электромагнитного поля; 3) уменьшения энергетических возможностей информационного сигнала на фоне возрастающих помех. Помехи можно классифицировать различными способами. Наиболее приемлемый для данного рассмотрения указан на рис. 9.1. Следуя такой классификации в дальнейшем, подробно разбираются все виды помех. Рис. 9.1. Классификация помех. 9.2. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РЭС. Рассмотрим с общих позиций задачу построения помехоустойчивой конструкции РЭС. Пусть на некоторой защищаемый объект воздействует энергия электромагнитного поля (рис.9.2.). В качестве объекта может выступать как РЭС в целом, так и отдельные его элементы и узлы. Рис. 9.2. Схема воздействия. Задача конструктора в данном случае может быть сформулирована следующим образом: необходимо разработать такую систему S, которая включала бы обязательно элемент g1 - объект, и, возможно, некоторые дополнительные элементы Гдоп - элементы защиты, и которая обеспечивала бы функционирование объекта в условиях известных помех, т.е. найти в общем случае: S = { П, Г, q, Е}, Где П - принципы действия системы; Г – элементы системы S, Г = g1 Гдоп; q - структура (схема) системы; Е - параметры системы. Очевидно, что комплексная задача проектирования состоит из задач синтеза и анализа системы S. Синтез в общем случае включает в себя синтез принципов П, синтез состава элементов Г, синтез схемы q и синтез параметров Е системы S. Рассматривая возможные принципы П построения помехоустойчивых конструкций, можно утверждать, что реально в настоящее время применяются всего несколько известных: 1) р1 – принцип изолирования объекта от воздействующего поля; при этом возможны варианты: р1 – принцип отражения; р1 – принцип поглощения; р1 – принцип комплексации воздействующего поля; 2) р2 – принцип повышения помехоустойчивости собственно защищаемого объекта. Возможно еще и совместное использование двух принципов: изоляция с одновременным повышением помехоустойчивости объекта, П={ р1, р2 }. Анализ возможных элементов для реализации принципа изоляции р1 дает основной элемент g2 системы защиты – экран. Выбор формы экранов ( структуры унарного отношения q ) и параметров Е экранов будет рассмотрено далее. Реализация принципа р2 – повышения помехоустойчивости самого защищаемого объекта – возможна за счет различных подходов. Обычно их делят на: 1) системные; например, переход вместо аналоговой на цифровую обработку информационных сигналов; 2) схемотехнические; например, использование фильтров и компенсационных схем; 3) конструкторские; именно эти способы будут рассматриваться в дальнейшем. Схемы q систем и параметры Е элементов таких конструктивных систем защиты рассматриваются далее. Анализ поведения известной конструкции РЭС в условиях помехи выполняется различными способами, в том числе – и формализовано, расчетным путем используя известные методы анализа электрических цепей при различных сигналах. 9.3. Конструктивная реализация обеспечения электромагнитной совместимости РЭС. 9.3.1. Экранирование при конструировании РЭС. Как указывалось уже ранее, экран является основным элементом g2 реализующим принцип р1 изоляции защищаемого объекта от воздействующего поля. В качестве защищаемого с помощью экрана объекта выступает целый РЭС или его составные части. 9.3.1.1. Основные характеристики экранов. Прием сигналов в линиях связи и радиолиниях осуществляется, как известно, при наличии помех. Помехи могут быть естественного и искусственного происхождения. К первым относятся атмосферные, космические и флуктуационные помехи, ко вторым – промышленные помехи. Промежуточное положение занимают радиопомехи, вызванные электростатическими зарядами. Электромагнитные экраны предназначаются для локализации в некотором объеме пространства полей, создаваемых излучателем электромагнитной энергии, с целью ослабления или исключения воздействия излучателей на чувствительные элементы РЭС и аппаратуру в целом. Экранирование призвано обеспечивать надежность РЭС, подавляя до требуемого уровня влияние электромагнитной энергии. В каждом отдельном случае выбор экранирования производится с учетом характера источника помех и чувствительных к ним элементов, их размеров, размещения, допустимой величины воздействия экрана на объект экранирования. Для оценки функциональных качеств экранов используются различные характеристики. Наиболее обобщенной является эффектность экранирования. Под эффективностью экранирования понимают отношение действующих значений напряженности электрического поля ЕI (магнитного поля HI) в данной точке при отсутствии экрана к напряженности электрического поля Е2 ( магнитного поля H2 ) в той же точке при наличии экрана Э 0Е = Е Здесь эффективность выражается в относительных единицах ( разах ). На практике обычно эффективность экранирования представляют в логарифмических единицах – децибелах( дБ) Э Е = 20 lg Таким образом, по физическому смыслу характеристики экранов являются функциями пространства и частоты, а параметрами их можно считать ширину полосы частот, в которой определяются действующие значения напряженности поля. Иногда действие экрана учитывают через коэффициент экранирования S = Е2 / Е1 Который изменяется от 1 до 0, характеризуя в последнем случае максимальный эффект экранирования. В технике связи эффективность экранизирования принято выражать в неперах (Нп) B = ln 1/ S = ln (Е1 / Е2 ). При этом для перевода из одной системы единиц в другую может быть использован коэффициент 8,7, тогда Э дБ = 8,7 Hn . При необходимости оценить общую эффективность экранирования, исходя из допустимой величины ЭДС помехи, наводимой в целях РЭС, пользуются эквивалентной действующей высотой устройства h0. h0 =UH/ E1 , где UH - действующее значение ЭДС помехи, наводимой на элементы, находящиеся внутри экрана (в), E1 – действующее значение напряженности внешнего поля, В/м; Величина h0 характеризует как бы действующую высоту экрана (по аналогии с действующей высотой антенны). Второй характеристикой качества экрана является мера его воздействия на параметры экранируемых объектов, количественно определяемая коэффициентом реакции экрана. При всех видах экранирования (кроме статического) из-за отражения магнитной энергии от стенок экрана, происходит взаимодействие между экраном и экранируемым устройством. Экран, защищая цепи, колебательные контура от воздействия внешних полей, оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего изменяются, например, магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается первичная емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты настройки, добротности колебательных контуров, потерям энергии и т.д. Все сказанное формально определяется тем обстоятельством, что объект g1 и экран g2 образуют новую систему S и ее параметры отличаются от параметров самого объекта g1 . Относительные изменения параметров экранируемых объектов можно учесть с помощью коэффициентов: Pij = 1- Aэij / Aoij , где Pij – коэффициент реакции экрана на i-тый параметр j-го элемента; Aэij – значение i-го параметра j-го экранируемого элемента при наличии экрана; Aoij – значение первичного i-го параметра j-го элемента при отсутствии экрана. Задаваясь допустимыми пределами изменения параметров и зная размеры экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана, материал, из которого он должен быть, изготовлен, и условия размещения элементов внутри него. 9.3.1.2. Виды экранов. В общем случае экранирование осуществляется с помощью электромагнитных экранов. Однако часто наблюдается преобладание отдельных видов полей, поэтому для учета их специфики различают следующие виды экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное. На низких частотах применяют электро- и магнитостатическое экранирование, а на высоких – одновременно с экранированием магнитного поля происходит экранирование электрического поля, что определяет единый процесс электромагнитного экранирования. А. Электростатическое экранирование Если в электростатическое поле внести проводник, то в результате поляризации электроны в нем начнут перемещаться в сторону положительно заряженной пластины и на поверхности проводника, обращенной к этой пластине, возникает отрицательный потенциал, а на противоположной – положительный. Положительная и отрицательная части проводника создают собственное вторичное поле, которое равно внешнему и имеет противоположное ему направление. Следовательно, внешнее поле и поле, созданное проводником, компенсирует друг друга внутри тела и на поверхности проводника. Этим объясняется распределение зарядов только на поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует. Этим явлением электростатической индукции и пользуются для электростатического экранирования. В самом деле, если внутри металлического тела поле равно нулю, то достаточно поместить в него защищаемое устройство, чтобы защитить его от влияния электростатического поля. Рис. 9.3. Электростатический экран. Электростатический экран является элементом, реализующим принцип P1''' компенсации в определенном пространстве порождающего поля порожденным. Если теперь подключить металлическую оболочку к земле (к корпусу), то заряды с внешней поверхности оболочки стекут на корпус, т. к. он обладает большой емкостью, и вне оболочки поле окажется равным нулю. Таким образом электростатическое экранирование заключается в замыкании электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электростатических зарядов в землю (на корпус). Заземление является необходимым элементом электростатического экранирования. Экраны изготавливают из материалов с высокой проводимостью, имеющие или замкнутый объем, или в виде металлической перегородки, соединенные с корпусом. Применение сеточных материалов не обеспечивает полного экранирования. А. Компоновка объекта и экрана Для установления конкретных реализаций структуры (схемы) объединение экрана и защищаемого объекта исходят обычно из особенностей объекта, т.е. форма и размеры (унарное отношение R1=íq1, E1ý) экрана и взаимное положение экрана и объекта (n-арное отношение Rn=íqn, Ený), определяется условиями защиты и характеристиками объекта. Б. Магнитостатическое экранирование. Магнитостатическое экранирование основано на отражении и компенсации ( диамагнитный материал экрана) рис.9.4 Рис.9.4. Диамагнитный экран или поглощении (ферромагнитный материал) магнитного поля в толще экрана рис.9.5. Рис.9.5. Магнитооптический поглощающий экран Такие экраны используют для защиты от постоянного или медленно изменяющегося переменного магнитного поля. Качество экранирования тем выше, чем больше величина магнитной проницаемости материала и чем меньше в экране стыков и швов, идущих поперек направления магнитных силовых линий. Чем больше величина магнитной проницаемости материала экрана, тем тоньше его можно делать. Для повышения эффективности экранирования в ряде случаев применяют экраны, составленные из нескольких слоев, но более тонкого материала. Требуемая эффективность экранирования может быть получена уже у двух или трехслойного экрана. В. Электромагнитное экранирование Заключается и том, что переменное высокочастотное электромагнитное поле, проходя через металлический лист перпендикулярно, или под некоторым углом к его плоскости, наводит в этом листе вихревые токи, поле которых ослабляет действие внешнего поля. В данном случае металлический лист является электромагнитным экраном. С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн в его толще. Глубина проникновения представляет собой постоянную величину, характеризующую материал экрана и зависящую от частоты: ______ / r S = 0,52 Ö -------- , mг·f где r - удельное сопротивление материала экрана, Ом·м; mг – относительная магнитная проницаемость материала; f – частота, МГц. Многообразие и случайный характер факторов, определяющих эффективность экранирования, существенно затрудняет инженерные расчеты. Поэтому прибегают к обобщению экспериментальных данных и построению на этой основе формул для расчета эффективности экранирования в широком диапазоне частот. 9.3.1.3. Особенности конструирования электромагнитных экранов Для установления конкретных реализаций структуры (схемы) объединение экрана и защищаемого объекта исходят обычно из особенностей объекта, т.е. форма и размеры (унарное отношение R1=íq1, E1ý) экрана и взаимное положение экрана и объекта (n-арное отношение Rn=íqn, Ený), определяется условиями защиты и характеристиками объекта. Известно несколько способов устранения взаимных связей, не предусмотренной функциональной схемой, с помощью экранов: блочное и общее экранирование РЭС. Поэлементное экранирование. Размеры экрана определяются габаритами защищаемого элемента. Экран должен вписываться в общее устройство, обеспечивать минимальную реакцию на экранируемый объект, ремонтопригодность и нормальный режим работы РЭС. Блочное экранирование. Экран представляет собой кожух РЭС и должен обеспечивать нормальный тепловой режим, защиту от пыли и влажности, устойчивость к вибрации, ослабление воздействия внешних полей. Общее экранирование. Экран представляет собой самостоятельное сооружение, предназначенное для зашиты от внешних полей или локализации излучения радиоэлектронного комплекса. При экранировки помещения решается целый комплекс вопросов, связанных с защитой помещения, размещением аппаратуры, вентиляцией и др. Б. Материалы экранов В качестве материалов экранов используют латунь, алюминиевые сплавы, электротехническую сталь и пермаллой. Сортамент этих материалов широк – от листов до порошка. Листовые металлические материалы толщиной 1,5…2 мм. Наиболее технологичны стальные листы - могут легко свариваться. Фольга. Толщина 0,01…0,05 мм. Алюминий, латунь. Клеится к основе. Электростатическое экранирование. Сеточные металлические материалы. Легки, удобны в сборке и эксплуатации, хороший воздухообмен, но малая механическая прочность, стареют. Токопроводящие краски. В пленкообразующий материал вводится токопроводящий наполнитель в виде порошка алюминия, графита, окиси металлов и др. Не нужны специальные экраны. Краска наносится на любую поверхность. Проводимость зависит от толщины покрытия, концентрации пигмента и др. Устойчивы к климатическим условиям и механическим воздействиям. Металлизация поверхностей. Распылением наносится на любую поверхность, включая полимеры. Наиболее распространенные покрытия – алюминий и цинк. Толщина слоя зависит от свойств подложки. Но при всех равных условиях эффект экранирования металлизированного слоя хуже, чем сплошным листом той же толщины, что объясняется отличием химического состава покрытия от структуры исходного материала. Применяется для экранирования помещений и кабин. Специальные ткани. Основа такой ткани – капроновая нить, скрученная с посеребренной медной проволокой диаметром 35…50 мкм. Так как провод изолирован, то поверхностное сопротивление такой ткани велико. Предназначена для защиты от СВЧ, шьют специальные костюмы для индивидуальной защиты. В. Особенности конструкций электромагнитных экранов. Реальные экраны, состоящие из большого числа элементов, нельзя рассматривать как однородные. В местах стыков листов и соединений элементов ток проходит через участки с сильно уменьшенным сечением. Это приводит к местным увеличениям плотности и неравномерному распределению токов, к возрастанию сопротивления экранов и снижению эффективности в целом. Проникновение энергии через отверстия, щели и другие дефекты конструкции экрана снижает эффективность экранирования. Конструктивно экран состоит из нескольких составных частей, которые в процессе сборки соединяются между собой разъемными или неразъемными соединениями. Кроме мест соединений в экране имеются отверстия для монтажа проводов. Чтобы уменьшить влияние подобных дефектов необходимо придерживаться определенных правил при конструировании экранов: 1) Поверхность стыка основных частей экрана не должна пересекать магнитных силовых линий поля и линий наведенных в экран токов. Стык должен быть направлен вдоль этих линий. Правильно Неправильно Рис. 9.6. Расположение стыков частей экранов. 2) Отверстия в экране не должны пересекать линий наведенных в нем токов, поэтому большой размер отверстия должен располагаться параллельно этим линиям. Рис.9.7. Расположение отверстий в экранах. 3) При конструировании многослойных экранов каждый слой экрана должен быть изолирован от других слоев. В таких конструкциях токи, наведенные в каждом из слоев многослойного экрана, имеют свое направление. Если же слои экрана электрически соединить между собой, то наведенные токи будут взаимно компенсироваться и эффективность экрана резко упадет. Следует отметить, что соединение листов обшивки экранов ( внахлест, встыкфальц ), а также контактные соединения в экранах сильно влияют на эффективность экранирования, поэтому конструктивное выполнение этих мест соединений тщательно проработаны и представлены в справочной литературе. 9.3.2. Обеспечение помехоустойчивости электромонтажных линий. Электромонтажом называется совокупность элементов конструкции РЭС, предназначенная для обеспечения электрически неразрывных связей при объединении модулей нижестоящего конструктивного уровня в модули вышестоящего уровня. Электромонтаж предназначен для реализации электрически неразрывных связей, по которым распространяются непрерывные или дискретные сигналы. При распространении сигнала по электромонтажным линиям связи могут измениться его форма, фаза, а также произойти затухание амплитуды сигнала. Кроме того, из-за наличия непредусмотренных электрической схемой связей между различными электромонтажными линиями могут возникнуть так называемые перекрестные помехи, выражающиеся в непредусмотренном появлении сигнала в соседней линии. Причинами помех являются протекающие по электромонтажным линиям токи и наведенные ими на соседние проводники паразитные сигналы, а также электромагнитные поля от внутренних и внешних источников излучения и возникающие в следствии этого блуждающие токи в несущих конструкциях. Поскольку в общем случае электромонтажная линия состоит из элементов контактирования (например, контактные площадки, переходные отверстия на ПП и т.д.) и элементов межконтактной коммутации (например, провода, кабели, трассы ПП и т.д.), то оптимальное построение электромонтажа включает в себя и оптимизацию элементов контактирования и элементов коммутации. В дальнейшем подробнее рассмотрим непредусмотренные электрической схемой связи между элементами конструкции, сопровождающиеся передачей электромагнитной энергии, - так называемые паразитные связи в конструкции РЭС. Из всех элементов конструкции наиболее подвержены таким связям именно элементы электромонтажа. 9.3.2.1. Паразитные связи электромонтажных линий. При проектировании электромонтажных линий необходимо предварительно определить тип линии, затем возможные виды и оценки паразитных связей в ней и дать конструктивную реализацию наиболее помехоустойчивой линии связи. А. Электрическая длина электромонтажных линий. Проектирование электрических цепей должно вестись с учетом возможных допустимых искажений передаваемых сигналов. Электрические связи между отдельными конструктивными элементами обычно делят на: • электрически короткие связи; • электрически длинные связи. Электрически короткой линией связи называют такую, в которой время распространения сигнала много меньше длительности фронта передаваемого импульса, а при непрерывном сигнале не превышает 0,1 полуволны. Сигнал, отраженный от несогласованной нагрузки, в такой линии достигает источника раньше, чем успеет существенно исказиться полезный сигнал. Электрические свойства такой линии оцениваются сосредоточенными характеристиками: сопротивлением R, емкостью С и индуктивностью L. Электрически длинная линия связи характеризуется временем распространения сигнала больше, чем длительность фронта передаваемого импульса, а для непрерывного сигнала – временем задержки большим, чем 0,1 полупериода. В такой линии отраженный сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. При расчетах такие линии рассматривают как линии с распределенными параметрами. Отсюда можно сделать вывод, что одна и та же линия для одного сигнала должна рассматриваться как длинная, а для другого может быть и короткой. Все линии связи, используемые для соединения ячеек, кассет, панелей в пределах одного блока, обычно считаются короткими. Линии связи межблочные и межстоечные в зависимости от передаваемых сигналов могут быть отнесены либо к длинным, либо к коротким. Искажение сигналов в электрически длинной линии существенно влияет на работу аппаратуры. Если переходной процесс апериодический, то быстродействие цифровой аппаратуры уменьшается, т.к. увеличивается время нарастания амплитуды сигнала до номинального значения и тактовая частота следования импульсов должна быть уменьшена. Если переходной процесс колебательный, то это может вызвать ложное срабатывание логических элементов при значительной амплитуде колебаний около порогового значения. Кроме того, выбросы напряжения могут привести к пробою р- n переходов полупроводниковых приборов. Отраженные в электрически коротких линиях импульсы не представляют большой опасности из-за малой длительности отраженных сигналов. Но в таких линиях существенными становятся паразитные связи. В. Виды паразитных связей. Известно, что важной характеристикой электрического проводника в электрическом поле является его емкость, т.е. способность проводника с током и окружающей его среды накапливать энергию электрического поля. В магнитном поле такой характеристикой является индуктивность. Это явление порождает возникновение паразитных связей. Появление перекрестных помех в РЭС обусловлено взаимодействием электромонтажных линий, причиной которого являются паразитные связи. Основные виды паразитных связей делят на: • емкостные, • индуктивные, • кондуктивные. Емкостная связь осуществляется через паразитную емкость, а индуктивная – через паразитную индуктивность между электромонтажными линиями. В тех случаях, когда элементы электромонтажной линии являются общими для нескольких электрических цепей, могут иметь место кондуктивные паразитные связи. В качестве таких общих участков выступают шины питания, земляные шины, внутреннее сопротивление источника питания, общие участки корпуса и лепестки, к которым подсоединяются одновременно различные цепи. В. Связь конструкивных и электрических параметров электромонтажных линий. Величина и характер искажений сигналов в линиях связи, а также уровень перекрестных помех между соседними электромонтажными линиями зависят от электрических параметров электромонтажа: индуктивности, емкости линии, значения и неоднородности волнового сопротивления линии, паразитной электрической емкости, взаимоиндуктивности между соседними линиями связи, общего для различных линий сопротивления. Значения электрических параметров электромонтажных линий связи, в свою очередь, зависят от конструктивных факторов: поперечного сечения, длины, конструктивного исполнения (печатный монтаж, объемный монтаж и т.п.), взаимного расположения линий связи, физических параметров конструкционных материалов. Поэтому конструктор РЭС должен уметь вести борьбу с искажениями электрических сигналов конструктивными мерами. Для этого необходимо определить каким образом и как влияют на изменение параметров Е электромагнитной подсистемы Sэм характеристики пространственной подсистемы Sпр – форма и размеры элементов связи, и параметры механической подсистемы Sм – свойства материалов электромонтажных линий. Индуктивность и емкость линий, а также волновое сопротивление в зависимости от схемы расположения проводников и их конструктивных параметров определяется по формулам, приводимым в справочной литературе. Используя графические и аналитические зависимости, по значениям конструктивных параметров можно вычислить электрические параметры электромонтажных линий связи, выполненных из объемного провода и печатного монтажа. Некоторые виды линий, электрические характеристики которых могут быть определены через указанные геометрические параметры, приведены на рис.9.8. а) б) в) г) д) е) ж) з) Рис. 9.8. Варианты линий, с установленными характеристиками. 9.3.2.2. Уменьшение наводок в соединительных цепях. Ранее установлено, что нарушение устойчивости работы электрической схемы может происходить не только за счет помех, передаваемых по электромагнитному полю, но и за счет мешающих сигналов, протекающих по монтажным проводам. Эти сигналы за счет паразитных связей могут наводить в других цепях сигналы помех, которые приводят к потере устойчивости, нарушению работы и сбою команд в радиоустройствах. Так, при неправильной конструкции усилителя постоянного тока склонны к самовозбуждению, при этом паразитная генерация возникает в широком диапазоне частот от единиц герц до сотен мегагерц. Чаще всего конструктору приходится решать задачу определения допустимой длины соединительной линии, исходя из допускаемой задержки импульса и возможного мещающего сигнала. Все эти расчеты имеют свои сложности, особенно при определении суммарной помехи. Поэтому конструкторы РЭС придерживаются общего правила: “Длина проводников, лежащих в одной плоскости, должна быть минимальной.” Для предотвращения паразитных монтажных связей в разрабатываемом устройстве (с частотой до 400 МГц) рекомендуются следующие конструктивные меры: 1) Установить развязывающие фильтры в высокочастотных и импульсных схемах непосредственно у активного элемента. Для проводов питания, проводов, подходящих к замыкающим контактам реле и переключателей, располагать цепи фильтрации непосредственно у стенки корпуса. Каскады с выходным сигналом весьма высокого и весьма низкого уровня должны помещаться в отдельные отсеки. 2) Каждый элемент, подверженный опасности наводок, должен иметь только одно соединение с шиной земли. 3) РЭС, состоящие из нескольких блоков, должны соединяться кабелем из экранированных проводов, благодаря этому токи, протекающие в противоположных направлениях будут равны и результирующее магнитное поле будет нулевым. 4) Кабели, по которым проходят импульсные сигналы с крутым фронтом или сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, должны быть экранированы. 5) Несущие конструкции должны быть соединены с шиной заземления, но не должны сами служить такой шиной. 6) Все стыки металлических несущих конструкций должны быть сварными, чтобы не возникало переходных электрических контактов. Электрическое сопротивление на стыке соединенных частей не должно превышать 2,5* 10 –3 Ом. 7) Для защиты от низкочастотных магнитных полей предпочтительна стальная оплетка экранированного кабеля. 8) Для блоков, рассчитанных на высокие частоты, материал корпуса и шасси должен иметь повышенную электропроводность( серебренная латунь). 9.3.2.3. Уменьшение помех в шинах питания и земли. Электрическое объединение элементов РЭС осуществляется по двум каналам связи: сигнальным и цепям питания. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения. При использовании одного источника напряжения питание к элементам подводится с помощью двух проводников – прямого и обратного. Часто на элементы необходимо подавать напряжение от нескольких источников с разными номиналами. В этих случаях для уменьшения количества шин питания обратные проводники объединяют в одну шину, которую соединяют с корпусом устройства и называют шиной земли. Так возникает кондуктивная паразитная связь в схеме за счет общих участков протекания тока. При работе блоков и устройств, когда происходит включение одних элементов и выключение других, потребление тока по шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным падениям напряжения и паразитным наводкам. Так как шины питания имеют и паразитную индуктивную связь с сигнальными проводниками, то, в зависимости от величины этой связи и перепада напряжения и тока при переключении элементов, на сигнальных связях наводятся помехи сравнительно большой величины. При определенных условиях эти помехи могут вызывать ложное срабатывание схем. Кроме того, изменение величины тока в шине питания приводит к возникновению в ней переходного процесса. Это обусловлено тем, что шина питания, как и любая сигнальная связь, обладает емкостью, индуктивностью, волновым сопротивлением и различной степенью согласования на концах. Переходный процесс в шине питания приводит к колебанию напряжения, приложенного к элементу, что изменяет, с одной стороны, режимы его работы, а с другой – параметры выходного сигнала. Для уменьшения наводок, связанных с падением напряжения на шинах питания и земли и переходными процессами в них, используют следующие рекомендации: 1) Непосредственно возле точек присоединения электронной схемы к шинам питания и земли между последними устанавливают индивидуальные сглаживающие конденсаторы (развязывающие фильтры ), которые, будучи заряжены до величины источника напряжения, являются как бы индивидуальными источниками питания, максимально приближенными к схеме физически. 2) Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания. Устанавливают дополнительные перемычки в шинах питания и земли, которые уменьшают длину общих участков протекания токов элементов. 3) Использование металлического листа в качестве земли. В блоки, субблоки, панели устанавливают металлический лист, к которому припаивают обратные провода от всех закрепленных ячеек и модулей. 4) Использование сплошных металлических прокладок в качестве шин питания. В многослойных ПП использование сплошного металлического слоя в качестве шин питания уменьшает собственное индуктивное сопротивление шин питания, увеличивается взаимная емкость между шинами питания. В высокочастотных РЭС ( от единицы мегагерц и выше ) сказывается влияние емкости монтажных соединений относительно элементов конструкции и влияние индуктивности соединительных проводников и электрического соединения цепей заземления. Высокочастотные части РЭС рекомендуется выполнять в виде отдельных конструкций, в которых предусматривается устранение взаимных наводок и связей. 9.3.2.4. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ. А. Соединение схемы с корпусом земляной шиной. 1) Каждая точка электрической схемы, имеющая нулевой потенциал, соединяется с помощью провода или шины с ближайшей точкой корпуса. Число таких соединений может быть достаточно большим. На платах выполняется развитая металлизированная поверхность, к которой присоединяются выводы микросхем и других элементов. В свою очередь, эта металлизированная поверхность соединяется с корпусом устройства. Если сборочная единица сочленяется с остальной схемой разъемным соединением, то в разъеме контакты земляного провода для обеспечения надежности и меньшего переходного сопротивления дублируются. Это – наиболее простой и распространенный способ. 2) Этот способ используется в высокоточной измерительной аппаратуре. При работе РЭС из-за электромагнитного излучения в металлических частях несущих конструкций возникают блуждающие токи. При неудачном выборе точки заземления электрическая схема теряет устойчивость. Предвидеть заранее, как будут протекать наведенные в несущих конструкциях токи, не представляется возможным. При изготовлении единичных образцов аппаратуры земляной провод поочередно подсоединяют к различным точкам конструкции и в том месте, где схема будет работать устойчиво, делают точку заземления. Но такой прием не может быть рекомендован при серийном производстве. Для уменьшения влияния паразитных наводок прокладывают земляную шину на изоляторах, а один ее конец соединяют с корпусом. Обычно для этого используют толстую (более 3 мм) проволоку или полосу прямоугольного сечения. К такой земляной шине подсоединяют все точки схемы с нулевым потенциалом. Б. Конструкция контактов для механического крепления на корпус. Полное электрическое сопротивление шины земли складывается из сопротивления шины и сопротивления в зоне контактного соединительного узла. Основное требование к электрическим контактам заземления – обеспечение их малого и стабильного сопротивления. Элементами электрического заземления являются лепестки, наконечники земляных шин, контакты заземления и т.п. Корпуса, к которым подключается заземление, выполняют чаше всего из листового или литьевого алюминия и магниевого сплавов. Контактные лепестки делают из алюминиевого сплава, плакированного медью, или медные. С помощью элементов электрического заземления обеспечиваются два вида контактных соединений: неразборные и разборные. Если корпус из листового алюминия, то контактное соединение может быть получено: а) точечной контактной сваркой б) холодной сваркой давлением Рис. 9.9 Сварное соединение. Если корпус литой алюминиевый, то контактирование осуществляют аргонодуговой сваркой. Рис. 9.10 Сварка алюминиевым корпусом. С литым магниевым корпусом контактный элемент соединяют стальным самонарезающим винтом с последующей пайкой его конусной головки к лепестку. Рис. 9.11 Сварка с магниевым корпусом. Если шасси выполнено из тонколистового (не более 1 мм) материала, то лепестки вырубают непосредственно в корпусе шасси. Рис. 9.12 Лепесток в корпусе. Разборные контактные соединения применяются тогда, когда предполагается разъединение контактного узла во время ремонта или профилактических работ, требующих демонтажа с отсоединением заземления. Рис. 9.13 Легкоразборный зажим. 9.3.2.5. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. Элементы электрических соединений и электромонтаж занимают большое место в РЭС. Монтаж микросхем на печатные платы первого уровня, объединение элементов первого уровня на втором и т.д. – всюду требуется использовать различные методы выполнения соединений и монтажа, которые призваны обеспечивать электрическую и механическую прочность конструкции РЭС и неразрывность схемы. Так как число электрических соединений в РЭС достигает десятков и сотен тысяч, то правильному выбору методов соединений и их надежности следует уделять большое внимание. Электромонтаж в конструкции РЭС должен: 1) обеспечивать нормальную работу в заданных климатических и механических воздействиях на аппаратуру; 2) соответствовать техническим условиям, принципиальным и электромонтажным схемам, таблицам соединений; 3) обеспечивать высокую надежность электрического соединения; 4) боть ремлнтопригодным; 5) обеспечивать удобную и безопасную работу обслуживающего персонала; 6) допускать возможность подключения контрольно-измерительной аппаратуры к любой точке схемы; 7) боть технологичным и максимально автоматизированным; 8) иметь максимально короткие длины связей и малый уровень наводимых помех. Электрическое соединение должно: 1) иметь прочность не ниже соединяемых элементов; 2) иметь минимальное омическое сопротивление; 3) не изменяться со временем; 4) при выполнении не вносить изменения в соединяемые элементы; 5) не иметь материалов вызывающих коррозию; 6) контролироваться простыми и надежными средствами. В настоящее время существует большое количество способов электромонтажа. На разных конструктивных уровнях используются различные способы его реализации. Так, на 1-м конструктивном уровне используется межконтактная пленочная коммутация и неразъемное контактирование. На 2 и 3 уровнях – печатный монтаж, контактирование пайкой или сварка, а с другими модулями – разъемами или пайкой. На более высоких конструктивных уровнях коммутация выполняется объемными проводниками, а конструирование – пайкой, сваркой, разъемами. Трудоемкость электромонтажных работ составляет 40…60 % всей трудоемкости изготовления изделий, а от их качества зависит надежность РЭС при эксплуатации. А. Внутриблочный монтаж. Внутриблочный монтаж выполняется объемным гибким проводом или плоским кабелем. Необходимо помнить о следующем: • минимальный внутренний радиус изгиба проводника должен быть не менее диаметра проводника; • провода питания ( переменного тока ) следует свивать для уменьшения возможных наводок; • провода, подходящие к сменным элементам, должны иметь запас по длине позволяющим делать повторную заделку провода; • провод не должен касаться острых металлических кромок; • монтажные провода должны обеспечивать свободный доступ к элементам для контроля и ремонта; • монтажные провода целесообразно свивать в жгут, при этом обеспечивается возможность расчленения монтажных операций на ряде более простых и монтажные работы удешевляются. Жгут составляют из параллельно расположенных проводников. Экранированные провода и провода меньшего сечения располагают внутри жгута. Вяжут жгут нитками № 00 с шагом вязки 20…40 мм. Если РЭС работает в условиях механических воздействий, то перед обвязкой жгута обматывают киперной лентой. Рис.9.14. Вязка жгута. Жгуты крепятся к стенкам блоков или шасси скобами, при этом между жгутом и металлической скобой обязательно должна боть прокладка изхлорвинила или лектрокартона. Скобы устанавливаются на расстоянии 10 диаметров жгута. В местах перехода жгута через металлические шасси или экраны устанавливаются изоляционные втулки. Рис.9.15 Жгут со скобой. Рис.9.16. Жгут со втулкой. При переходе жгутов с неподвижной части на подвижную их распологают так, чтобы они работали на изгиб, а не кручением. Это уменьшает вероятность обрыва проводников. Подвижные части жгутов заключают в эластичные трубки, что защищает их от повреждений. Выбор монтажного проводника производится в зависимости от протекающего тока и допустимого перегрева проводника. Диаметр монтажного проводника: d=1,13 где I- ток нагрузки, А; • плотность тока, А/мм2 . Марки и сечения проводников для объемного монтажа в ячейках и блоках имеют широкую номенклатуру и их применение зависит от изделия. Электрическое соединение монтажных проводов на печатной плате осуществляется использованием металлизированных отверстий, переходных пистонов и монтажных лепестков. Выступающая часть жылы монтажного провода над поверхностью платы не должна превышать пределов 0,5…1,6 мм. Необходимо механическое закрепление монтажных проводов у места электрического присоединения. Для этого можно применять специальные колодки. Б. Разъемные соединения. Разъемное электрическое соединение ячеек и субблоков с блоком осуществляется с помощью разъемных соединителей. Разъемный соединитель (разъем) состоит из вилки и розетки. В состав вилки входят штыри контактных пар, а в состав розетки – гнезда контактных пар. Кроме них конструкция разъема включает в себя ловители, ключ и элементы крепления разъема. Ловители обеспечивают совмещение штырей и гнезд контактных пар, ключ предназначен для исключения неправидьного сочленения вилки и розетки. В некоторых случаях применяется замок для фиксации сочленения. Большое распространение получили разъемы типа ГРПМ ( гиперболоидный разъем, прямоугольный, малогабаритный ). Гиперболоидное соединение – самое надежное соединение. Особенность его – наличие контактной гиперболоидной многоточечной поверхности в паре штырь-гнездо, образующейся между гладким цилиндрическим штырем и несколькими упругими бронзовыми проволоками, расположенными под углом 80 к образующей по внутренней поверхности цилиндрического гнезда. Рис.9.17 Гиперболоидное соединение. Электрические соединители применяются для внутриблочного печатного и объемного монтажа и для межблочного объемного монтажа. При печатном разъеме плата вилки соединителя, например, ГРПМ – 9, устанавливаются на печатные платы и их выводы припаиваются к контактным площадкам плат. Такие соединители имеют индекс “Н “. Вилки разъемов ГРПМ, предназначены для установки на печатные платы, выпускают как с прямыми выводами штырей ( индекс “П“), так и с угловыми (индекс “У”), запаиваемых в металлизированные отверстия плат. А ) Установка вилки разъема ГРПМ9-Н Б ) Установка вилки разъема ГРПМ9-У В ) Установка вилки разъема ГРПМ1-У а) б) в) Рис.9.18. Установка разъема ГРПМ на печатную плату. Выступающая часть выводов в местах пайки над поверхностью платы не должна превышать 0,5…1,6 мм. Розетки таких разъемов устанавливаются на шасси блоков и панелей, электрическое объединение их выводов производится методом объемного монтажа. Рекомендуемые типы соединителей приводятся в справочной литературе. При выборе того или иного типа разъема следует учитывать его технические и эксплуатационные характеристики и количество контактных пар.С целью повышения ремонтопригодности следует предусматривать резервные контактные пары в количестве 10% от числа необходимых по электрической схеме, но не менее двух. В. Плоские кабели и шлейфы. В последние годы для электрического соединения ячеек, субблоков, блоков, стоек, шкафов используются плоские кабели, существенно облегчающие сборку, наладку, ремонт и эксплуатацию РЭС. По технологии изготовления плоские кабели делятся на: 1) Ламированные кабели, представляющие собой проводники круглого или прямоугольного сечения, помещенные между двумя слоями термопластичной изоляции. При протягивании между двумя профилированными нагретыми валками под действием тепла и давления слои полихлорвинила склеиваются. Рис.9.19. с плоскими проводниками с круглыми с изолированными груглыми 2) Клееные кабели изоготавливаются склеиванием параллельно расположенных проводников в результате термообработки или адгезива. Рис.9.20. Рис.9.20. Клееные кабели. 3) Штампованные или экструдированные кабели изготавливаются выдавливанием на экструдере. Экономичны в массовом производстве. Изолирующий материал – полихлорвинил или фторопласт. Расстояние между проводниками выдерживается с точностью +0,05. с плоскими проводниками с круглыми проводниками Рис.9.21. Штампованные кабели. 4) Тканые кабели состоят из круглых изолированных проводников, скрепленных переплетающихся капроновых нитей. Можно соединять проводники различного диаметра и различной изоляции. Используют скрученные проводники, рис.9.22. Малая стоимость. с единичным проводником с тремя скрученными проводниками Рис.9.22. Тканые кабели. Увеличение быстродействия РЭС потребовало такого кабельного соединения, которое, наряду с технологичностью, обладало бы большой полосой пропускания высококачественных импульсов с однородными передаточными характеристиками. Так появились гибкие печатные кабели, чаще называемые гибкими шлейфами, выполненные из тонкого фольгированного диэлектрика толщиной 0,1…0,4 мм. Плотность проводящего рисунка определяется шагом расположения печатных проводников и составляет 1,25 или 2,5 мм. Они сгибаются, сворачиваются в рулон. Длина его обычно не превышает 50 см. Для электрической изоляции со стороны печатных проводников шлейфы покрываются несколькими слоями изоляционного лака или клеящейся пленки. Большая поверхность теплоотдачи позволяет допускать большие плотности токов (до 20 А/мм2). Гибкие кабели устанавливают с одной стороны платы. Зачищенные проводники могут быть припаяны к печатным контактным площадкам, запаяны в металлизированные отверстия платы или навиты на металлические штыри. Для обеспечения надежности соединения кабели прижимаются к плате прижимными устройствами типа планок или колодок. Гибкие шлейфы с металлизированными отверстиями устанавливают на платы на штыри с последующей опайкой или с помощью специальной присоединительной головки. а) б) Рис. 9.23 Установка гибкого шлейфа на ПП. Если на гибком шлейфе контактные площадки, то эти площадки подпаиваются к соответствующим контактным площадкам на плате внахлест с последующим прижатием планкой или специальной прижимной головкой. Рис. 9.24 Гибкий шлейф с контактными площадками. Г. Развитие коммуникационных технологий. Одним из перспективных вариантов внутриблочного соединения в РЭС является применение многослойной гибкой полиимидной платы. 1- функциональный узел; 2- многослойная гибкая полиимидная плата; 3- шлейф на полиимидной пленке; 4- многослойная гибкая полиимидная плата внутриблочной коммуникации. Рис. 9.25 Многослойная гибкая плата. В данной компоновочной схеме один и тот же конструктивно-технологический вариант (многослойная гибкая полиимидная плата) использован и для внутриячеечного соединения между бескорпусными микросборками, БИС и ЭРЭ, и для внутриблочного соединения функциональных узлов меду собой. Промежуточным звеном коммуникации являются двухуровневые гибкие шлейфы, изготовляемые по той же технологии, что и многослойные гибкие полиимидные платы. Это позволяет из-за унификации конструктивно-технологических решений двух уровней коммутации снизить стоимость и время разработки, использовать вычислительную технику для трассировки. Значительную проблему представляет размещение в корпусе большого числа контактов. Поэтому разрабатываются соединители с большой плотность соединения контактов. Наиболее распространенными остаются соединители с шагом 2,5 мм. Однако быстро расширяется номенклатура с шагом 1,27 и даже 0,63 мм. Контакты располагаются многорядово, до 5-ти рядов (чаще - трехрядовые). Увеличение контактов более 100 при нормальном усилии сочленения на 1 контакт 70-140 г приводит к недопустимо большой общей его величине, вызывающей разрушение элнментов конструкции. Решением этой проблемы стало создание соединителей с малым и нулевым усилением сочленения (МУС и НУС). Надежное контактирование в большинстве соединителей с МУС достигается благодаря очистке контактов в результате трения их поверхностей при контактном давлении до 100 г. Другим способом сохранения достаточно большого контактного давления является применение золоченых контактов с графитовой пропиткой или тонкого слоя специальной смазки. Однако смазки собирают пыль и не выдерживают температуры пайки волной. Уменьшение усилия сочленения достигается так же и оптимизацией геометрии контактов. В соединителях с НУС надежность электрического соединения обеспечивается высоким контактным давлением (порядка 150 г). Нулевое усилие при стыковке и расстыковке обеспечивается специальными ключами и зажимами. а) обычный торцевой разъем б) НУС – разъем Рис. 9.26 Конструкция разъемов. Сейчас появилась тенденция уменьшения золотого покрытия контактов из-за дороговизны и даже исключения пайки как трудоемкого процесса для большого количества контактов. Для упрощения подключения соединителя к гибкому шлейфу распространение получает способ прорезания изоляции контактами разъема, имеющими режущие кромки. Повышает ремонтопригодность блоков применение внутриблочной коммутации на эластичных соединителях, размещаемых по периферии платы и при сжатии конструкции шпильками обеспечивают электрическую связь между контактными площадками соседних ячеек. Соединители с контактами-фильтрами эффективно защищают от электромагнитных помех, наводимых по линии питания. Но они дороги и применяются в военной технике. Следующий шаг к микроминиатюризации коммутационных схем – оптические волноводные линии связи. Построение МЭА в этом случае осуществляется так: обработка происходит как обычно – МСб, БИС, МС, а соединение между ними – оптическими методами. Внутриблочные соединения могут быть целиком выполнены на основе элементов интегральной оптики, а межблочные – многоканальной волоконнно-оптической линией связи. Элементная база интегральной оптики (волновод, модулятор и ответвитель) уже разработана и технические характеристики изучены. Ее особенностью является совместимость с технологией кремниевых МС. Применение оптических линий связи позволяет кардинально улучшить характеристики линий. Кабельным сетям присуща низкая технологичность, слабая защищенность от наводок, большая масса, необходимость согласования связей с нагрузками и др. Замена кабелей гибкими шлейфами не устраняет ряда недостатков, характерных для линий большой протяженности. Замена кабелей на волоконно-оптические линии связи приводит к принципиально новому техническому решению – замене носителя сигнала в линии связи. Если в металлических проводах происходит движение электронов, то в стеклянных или полимерных волокнах распространяется световая волна. Это обеспечивает существенное изменение эксплуатационных и конструктивных параметров: выигрыш по массе - в 50…100 раз, по габаритам – в 5…20 раз, увеличение эффективной полосы пропускания до нескольких гигаГерц, высокую помехоустойчивость, высокую пропускную способность (до 500 Мбит/с) и др. Технические предпосылки для использования волоконно-оптических линий связи имеются: уже возможно изготовление источников и приемников оптического излучения – светодиодных и фотодиодных матриц с малым шагом расположения элементов, есть волоконно-оптические кабели, собранные из единичных оптических волокон с полным диаметром 70…300 мкм. 1- единичное световолокно; 2- фиксирующая оболочка жгута. Рис. 9.27 Волоконно-оптический кабель. В качестве источников излучения используются инжекционные диоды с длиной волны излучения в области максимума пропускания оптических волокон и максимума чувствительности кремниевых фотоприемников, т.е. в области 0,8…0,9 мкм. Несмотря на то, что излучение в этой области не воспринимается глазом, на инжекционные излучатели распространяется термин «светодиоды». Светодиоды обладают высокой эффективностью излучения, достигающей 30%, и значительной долговечностью, превышающей 10000 ч. Практически решена проблема изготовления матриц интегрального исполнения с высоким разрешением, и тем самым обеспечена возможность микроминиатюризации передающего блока. В качестве приемников излучения возможно использование линейных матриц фотодиодов. В качестве усилителя созданы МСб размерами 15x24x0,5 имеющих полосу пропускания 30 МГц. Волокна на обоих торцах многоканальных оптических кабелей должны быть расположены упорядоченно с шагом, соответствующим шагу светодиодных и фотодиодных матриц, т.к. торцы кабеля должны фиксироваться и совмещаться с выходным изображением блочной платы, а так же с входами блочной платы на другом блоке. Обеспечению этой сложной задачи служат специальные волоконно-оптические соединители. Созданием таких соединителей очень активно занимаются за рубежом и сейчас ожидается значительное увеличение на рынке волоконно-оптической техники. Волоконно-оптические линии связи имеют и другие преимущества: • широкополостность; -высокое качество передачи, связанное с отсутствием взаимных помех между каналами, высокой помехозащищенностью и помехоустойчивостью; -сокращение состава и габаритов используемой аппаратуры; • отсутствие искрений и угрозы возгорания; -экономия цветных металлов. В сочетании с микроминиатюризацией РЭС волоконно-оптические линии связи обеспечивают компоновку на качественно новом уровне. Контрольные вопросы к главе 9. 1. Понятия помехи, помехоустойчивости, электромагнитной совместимости. 2. Классификация помех. 3. Способы обеспечения помехоустойчивости РЭС; принципы и основные элементы защиты. 4. Характеристики экранов. 5. Виды экранов; принципы их действия и материалы. 6. Особенности конструкций электромагнитных экранов. 7. Понятие электромонтажа и паразитных связей. 8. Электрически длинные и короткие линии; их место в конструкции современных РЭС. 9. Связь конструктивных и электрических параметров электромонтажных линий и ее оценки. 10. Приемы уменьшения наводок в соединительных цепях. 11. Уменьшение помех в шинах питание и земли. 12. Конструкции элементов заземления в РЭС. 13. Требования к конструкции электрических соединений. 14. Выполнение внутриблочного монтажа. 15. Разъемные соединения; конструкция ГРПМ. 16. Выполнение плоских кабелей. 17. Гибкие кабели (шлейфы); их установка. 18. Развитие конструкций разъемов. 19. Оптические волноводные линии связи. Глава 10. ВЛАГОЗАЩИТА И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РЭС. В предлагаемой главе рассматриваются основные вопросы теории и практики обеспечения защищенности конструкций РЭС при воздействии влаги, которая является одним из наиболее агрессивных факторов окружающей среды. С этой целью в данном разделе кратко анализируются механизм и последствия влияния влаги на конструкции РЭС, разбираются методы защищенности и их конструктивная реализация, даются сравнительные характеристики различных способов защиты. 10.1. Влияние влаги на конструкцию РЭС. Общие сведения о воздействии влаги на конструкцию РЭС и последствиях этого воздействия уже были указаны в главе 4. Сейчас подробнее рассмотрим отличия указанного воздействия на различные материалы используемые в конструкциях РЭС. Известно, что влияние влаги на РЭС выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, потери механических и диэлектрических свойств, изменении электропроводности и т.п. у конструкционных материалов и материалов активных элементов. Изменение свойств материалов элементов Г конструкции S приводит к изменению свойств самих элементов Г, а затем – к изменению свойств системы S. В результате возникает ухудшение качества, снижение эффективности, параметрические и внезапные отказы РЭС. Коротко остановимся на механизме и последствиях воздействия влаги на различные материалы. Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина во всех случаях одинакова: переход коррозирующего металла в более стабильное первоначальное состояние, из которого он был получен с затратой большой энергии. Процесс коррозии всегда связан с отдачей энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, т.е. без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги, что практически не имеет места. Поэтому при эксплуатации РЭС наиболее часто происходит именно электрохимическое растворение металла с возникновением новых соединений с участием в качестве электролита воды. Различают три вида коррозии: равномерная - процесс распространяется постепенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла; неравномерная – процесс ограничивается отдельными локальными областями на поверхности металла, например, вследствие нарушения защитного покрытия; межкристаллическая – характеризуется проникновением влаги в глубь металла за счет разрыва структуры и распространения вдоль границ кристаллов. Способность металлов противостоять воздействию на них влаги называется коррозийной стойкостью. Рассмотрим коррозийную стойкость некоторых основных металлов используемых в конструкциях РЭС. Алюминий (Al) и его сплавы. Стойкий металл за счет образования на его поверхности защитной пассивирующей пленки толщиной 0,01-0,02 мкм. Сплавы Al с магнием и марганцем еще более устойчивы и применяются даже при воздействии на них морской воды. Медь (Сu). Имеет тоже защитный слой, но значительно меньшей прочности. Сплавы Al с другими металлами более стойки, чем сплавы Сu . Пара металлов Al - Cu в конструкциях недопустима из-за возникающей коррозии Al. Cталь. Свойства определяются химическим составом и другими факторами. Добавки меди и хрома улучшают антикоррозийные свойства стали. При хроме больше 12% в составе получают нержавеющую сталь. Сплавы олова и свинца. Такого рода сплавы широко используются в конструкциях РЭС в качестве припоев. Эти сплавы обладают средней коррозийной стойкостью и со временем покрываются неэлектропроводным слоем. Типовые результаты воздействия влаги на металлические конструкции РЭС проявляются в разрушении паяных и сварных швов, обрыве электрических связей, повышении сопротивлений контактных пар, уменьшении прочности элементов конструкций, затруднениях при разборке винтовых и других соединений и т.д. Воздействие влаги на изоляционные материалы конструкций РЭС проявляется в поглощении влаги, приводящей к ухудшению диэлектрических свойств материалов и постепенному их разрушению. Так как влага имеет высокую проникающую способность (размер молекулы воды 25 нм), высокую химическую активность и электропроводность, очевидна опасность этого явления для диэлектрических материалов. Различают капиллярное и диффузионое проникновение влаги. Капиллярное проникновение объясняется наличием грубых микроскопических пор, трещин и других дефектов в материале. Устранение капиллярного проникновения происходит в конструкциях РЭС за счет соответствующих технологических мер. Диффузное проникновение влаги заключается в заполнении промежутков между молекулами материала молекулами воды. Именно диффузное проникновение важно для материалов РЭС, поскольку с ним труднее бороться. В результате проникновения влаги в органические диэлектрические материалы возрастают диэлектрическая проницаемость( ) и потери (tg ), уменьшаются объемное сопротивление, электрическая и механическая прочность, изменяются геометрические размеры вследствии набухания и т.д. Наиболее чувствительны к воздействию влаги полупроводниковые материалы, в частности, элементы и структуры интегральных схем: Влага на поверхности тонкопленочных пассивных элементов может привести к образованию коррозии, закорачивающих перемычек, увеличению диэлектрической проницаемости, потерям и утечкам в диэлектриках. Влага на поверхностях полупроводниковых бескорпусных компонентов ИС может привести к сорбции влаги поверхностью, скоплению положительных зарядов Na+ на границе Si-SiO2 , образованию слоя накопления зарядов в полупроводнике под влиянием поверхностных ионов. В результате воздействия влаги на материалы элементов конструкций РЭС происходят существенные изменения в свойствах самих элементов. Резисторы:- постепенное изменение номинального значения величины сопротивления вплоть до обрыва или короткого замыкания; • увеличение уровня шума. Конденсаторы: - увеличение сопротивления в цепи обкладок или даже обрыв; • увеличение емкости, потерь и утечек; • появление коротких замыканий обкладок; • уменьшение пробивного напряжения. Полупроводниковые компоненты: - биполярные характеризуются дрейфом обратных токов, пробивных напряжений и коэффициентов усиления; - МДП-транзисторы приобретают дрейф порогового напряжения, тока стока и крутизны. Другие элементы: - катушки индуктивности характеризуются уменьшением добротности, увеличением собственной емкости и потерь; - электромонтаж сопровождается уменьшением сопротивления изоляции, повышением уровня перекрестных помех, ростом переходных сопротивлений разъемов и т.д. 10.2. Обеспечение влагозащиты РЭС. 10.2.1. Принципы и способы обеспечения влагозащиты РЭС. Сказанное выше о характере и последствиях воздействия влаги на конструкцию РЭС заставляет обращать серьезное внимание на построение систем защиты РЭС от указанного воздействия. Основная цель защиты состоит в обеспечении работоспособности отдельных элементов, узлов и изделий в целом в процессе производства, эксплуатации и хранения в течении заданного периода времени и заданных условий. Физический смысл защиты - стабилизация процессов на поверхности и в объеме материала защищаемого изделия, т.е. стабилизация его параметров в заданных пределах при изменении свойств окружающей среды или при переходе ее из одного равновесного состояния в другое. Необходимо учитывать еще и то, что защита от влаги в большинстве случаев обеспечивает и другие виды защит от климатических факторов. Исходя из общих соображений обеспечение защищенности состоит в построении такой системы S защиты, S={ П, Г, q, Е },которая при использовании определенных принципов П с помощью множества элементов Г, объединенных по нужной схеме и определенных параметрах Е обеспечит необходимый для защиты вариант конструкции РЭС. Из множества принципов П реально для защиты от влаги использовать следующие: р1 – принцип изоляции защищаемого объекта от влаги; р2 – принцип повышения устойчивости объекта к влаге и комбинации их. Очевидно, что реализация принципа изоляции р1требует наличия специального дополнительного элемента конструкции-оболочки. Второй принцип р2 не требует обязательных дополнительных элементов, хотя и не исключает их. Реализация принципа р2 возможна как за счет применения стойких к влаге материалов и их соответствующей технологической обработке, так и за счет поглощения влаги попавшей в объект специальными дополнительными элементами- поглотителями. 10.2.2. Классификация способов защиты от влаги. Способы защиты конструкций РЭС от влаги можно классифицировать различным образом. В данном случае используется вариант, оснований на учете множества принципов П, элементов Г, схем и характеристик Е систем защиты. Под схемами защиты здесь понимается форма и взаимное положение элементов защищаемого объекта ( РЭС или его отдельного элемента) и элементов системы защиты ( оболочек и других дополнительных элементов). Под характеристиками Е понимаются свойства материалов элементов систем защиты. Подробная классификация возможных способов защиты при указанных условиях представлена на рис.10.1. Рисунок 10.1 “Классификация способов защиты”. Очевидно, что различные способы защиты обладают различной эффективностью как по защитным характеристикам, так и по затратам на их реализацию. Выбор способа зависит от функционального назначения защищаемого объекта, условий эксплуатации и материала объекта. 10.2.3. Краткая характеристика различных способов защиты. Монолитные оболочки создаваемые пропиткой, заливкой, обволакиванием и опресовкой возникли в электротехнической промышленности для защиты обмоток различных устройств. Первые два способа используются для обмоток, выполненных объемным проводом, и для микроэлектронных узлов на дискретных элементах. Обволакивание и опресовка применяются для защиты полеупроводниковых приборов и ИС. Достоинства указанных способов в их: • низкой стоимоти при крупносерийном производстве; • достаточной надежности защиты при нежестких условиях эксплуатации; • высокой конструктивной прочности. Пассивация наиболее применима на этапе производства как технологическая защита. В сочетании с последующей герметизацией более толстым моно- или полыми облочками может быть использована и для повышения эксплуатационной надежности. Защита полыми оболочками известна давно для защиты бумажных конденсаторов. Развитием метода является разработка герметичных оболочек с уплотняющими прокладками для блоков РЭС. Для соответствующей защиты таким способом ИС необходимо исключить газы на поверхности ИС, т.е. необходимо разработать герметичные полые вакуум-плотные корпуса. Защита ремонтируемых блоков потребовала создания оболочек, допускающих разгерметизацию и последующую вторичную герметизацию. Достоинствами полых оболочек являются: • наиболее высокое качество герметизации; • обеспечение химической и механической нейтральности оболочки по отношению к защищаемым компонентам; • минимизащия паразитных связей. Из недостатков в первую очередь необходимо отметить: • трудоемкость защиты в 2-3 раза больше чем у монолитных оболочек; • стоимость оболочек составляет 20-45% стоимости всего изделия; • уменьшение плотности компоновки, иногда не несколько порядков. Более подробно анализ различных способов защиты рассмотрен далее. 10.3.Конструктивная реализация защиты РЭС от влаги. 10.3.1. Защита монолитными оболочками. Подробное рассмотрение монолитных оболочек начнем с защитных покрытий. А. Защитные покрытия. Для защиты несущих конструкций от влияния климатических факторов и для придания их поверхности специальных свойств(повышение электро- и теплопроводности, экранирование, отражение и т.д.) применяются покрытия. По способу получения покрытия делятся на металлические и неметаллические (неорганические и органические). Перед нанесением покрытия поверхность(при необходимости) подвергается механической и химической обработке(обезжириванию, травлению, пассивации). Следует подчеркнуть, что практически все нанесенные покрытия увеличивают размер покрываемой поверхности, поэтому при соблюдении точных посадок конструктору нужно учитывать этот факт. Металлические покрытия наносят обычно горячим способом, гальванически и диффузно. Очевидно, что виды покрытий определяются материалом, наносимым на защищаемый объект. Цинковые – применяются для защиты от коррозии деталей из стали и алюминиевых сплавов, а также для получения светопоглощающей поверхности. Не применяется при морских условиях эксплуатации. Толщина покрытия порядка 6…20 мкм. Обозначение на чертеже: Ц6.хр, где “6” обозначает минимальную толщину покрытия. Кадмиевое - защита от коррозии в морских условиях изделий из стали, меди и медных сплавов. Толщина 10...30 мкм. Обозначение: Кд9.хр. Никелевое - защита от коррозии , придание отражательной способности. Покрытие пористо, возможно отслаивание. Используется для изделий из стали, меди и алюминиевых сплавов. Толщина 3…18 мкм. Обозначение: Н24, Хим Н36(при химическом способе изготовления). Хромовое – защита от коррозии, декоративная отделка, увеличение износостойкости. Покрытие полируется. Используется для стали, меди и сплавов. Толщина 9…48 мкм. Обозначение Х18. Чаще применяют вместе с никелем (никельхромовое покрытие) Н12х. Оловянное и оловянно-свинцовое – улучшение пайки. Наносится на сталь и медные сплавы. Толщина 0…9 мкм. Обозначение: 0-С (60). Серебряное - улучшение электропроводности, защита от коррозии контактов, пружин, лепестков. Наносится на все металлы и сплавы. Толщина 6…15 мкм. Обозначение: Ср9. Золотое – уменьшение переходных сопротивлений контактов. Используется для меди и ее сплавов. Толщина 5…21 мкм. Устойчиво к агрессивным средам, но легко истирается. Обозначение: Зл 4, Ср6. Зл3 – в сочетании с серебряным покрытием. Наиболее дешевые покрытия – неметаллические неорганические покрытия в виде соединения металла с кислородом – оксидирование. Анодно – окисные покрытия получают анодной обработкой в водных растворах окислителя. Применяют для алюминия, меди, титана и их сплавов. Хорошая основа для лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков, электроизоляционных лаков. Тверды, износостойки со смазкой, тепло- и изоляционны. Химическое окисное покрытие получают обработкой в водных растворах окислителей. Применяют для углеродистых сталей, алюминия, меди, магния и их сплавов. Невысокие защитные свойства, применяется только для повышения адгезии лакокрасочных покрытий. Пассивация – обработка водными растворами нитрата или нитрита натрия. Пассивированные детали хранятся, не ржавея, несколько суток. Пассивация используется для защиты германиевых и кремниевых приборов на этапе производства или как подслой для других покрытий на изделиях из меди и ее сплавов, реже – стали. Сущность пассивации состоит в подавлении химически активных центров на поверхности защищаемого материала. Для германиевых приборов используется пассивация этилированием или сульфидированием с получением защитной пленки 2-4 мкм. Для кремниевых приборов пассивация осуществляется гидрофобизацией с нанесением прочного слоя порядка 0,1 мкм или силанированием с получением термостойкой с высокой адгезией пленки 0,01-0,1 мкм. Используется и окисление кремния с получением пленки SiO2 толщиной 0,1-1,5 мкм. Очень часто в РЭС используются неметаллические органические покрытия(лакокрасочные). Эти покрытия экономичны и долговечны. Применяются в различных условиях эксплуатации из-за большого разнообразия покрытий. Часто требуют предварительной обработки поверхности. Лаки и эмали на битумной основе обладают атмосферной стойкостью, прочностью к растворителям и температуре. Эмалиевые краски на масляно-лаковой основе тверды, шлифуются и полируются. Полиуретановые и эпоксидные лаки механически прочны и электроизоляционны. Кремний органические лаки обладают теплостойкостью до 4000 С и гидрофобностью ( несмачиваемостью). Полимерные покрытия имеют химическую стойкость в агрессивной среде (полиэтилен), антифрикционность (полиамид), высокие диэлектрические свойства (фторопласт) и т.д. Некоторые примеры выбора лакокрасочных покрытий: Тропический климат: перхлорвиниловые эмали ХВ-124, ХВ-125, молотковые эмали МЛ-12, эпоксидные эмали Э-5, Э-11 и др. Обладают высокой прочностью, тверды, хорошая адгезия; рабочая температура – 60…+ 1000 С. Умеренный климат: нитроцеллюлозные эмали НЦ-11 и др. Декоративны, прочны, полируются, температура – 60…+600 С. Воздействие пресной и морской воды: сополимервинилхлоридные эмали ХС78 и др. Тверды, прочны. Используются для стали и алюминиевых сплавов. Воздействие повышенных температур: кремний органические эмали Эм-9 и др., гдифталовые эмали ГФ-820 и др. Тверды, прочны, температура – 60… +2500 С. Электроизоляция: полиуретановый лак УР-31, фенольный лак СБ-1с, бакелитовые лаки А, Б, Эф и др. Защита с помощью создания стеклянной оболочки используется на этапе производства. При толщине пленки около 10 мкм не всегда обязательная дополнительная герметизация. Особенность защиты состоит в трудности получение стекол с низкой температурой размягчения и малым ТКЛР. Поэтому часто при резком изменении температуры среды в стеклянной пленке возникают трещины. Наносят стекло термическим испарением в вакууме, пульверизацией и наложением заготовок с последующим их плавлением. В заключение параграфа проведем систематизацию покрытий с наполнением ГОСТов по их выбору. По назначению покрытия делят на: • Защитные (от коррозии, старения, высыхания и пр.). • Защитно-декоративные (защита и придание внешнего вида). • Специальные (придающие особве свойства поверхности, например, отражательности, электропроводности и др., или защищающие от особых сред). По способу получения на: • Металлические (ГОСТ 9.303-84) • Неметаллические неорганические (ГОСТ 9.303-84) • Неметаллические органические (ГОСТ 9.401-79 и ГОСТ 9.404-81) Упомянем только о широко распространенных в РЭА комбинированных покрытиях. Они могут быть многослойными, граничащими и смешанными (рис. 9.2) многослойные граничащие смешанные Рис. 10.2 Виды комбинированных покрытий. Подслой чаще всего бывает окисным или металлическим с последующим нанесением лакокрасочного покрытия. Главное условие такого покрытия – беспористость. Завершающие рекомендации по выбору покрытия для конструкций РЭС: 1) Выбор покрытия производится с учетом функционального назначения покрываемой детали и воздействия окружающей среды. 2) Детали внутри блоков следует защищать металлическими покрытиями или оксидными пленками. 3) Детали, соприкасающиеся с внешней средой, защищают лакокрасочными покрытиями с предварительной пассивацией или оксидированием. 4) Сварные или клепаные швы подвергаются сильной коррозии и должны защищаться многослойными лакокрасочными покрытиями. Б. Защита изоляционными материалами. Пропитка состоит в заполнении имеющихся пустот, пор и каналов электроизоляционным материалом. Одновременно с заполнением пустот на всех элементах конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищающий ее от агрессивной внешней среды. При этом дополнительно повышается электрическая прочность изделия, механически скрепляются отдельные элементы, вытесняется воздух из пор, что улучшает теплопроводность. Однако при пропитке увеличивается масса изделия. Выбор пропиточного состава определяется хорошей текучестью, химической неитральностью, адгезией, электроизоляционными свойствами, теплопроводностью. Какой-либо один материал этим набором свойств не обладает. Применяются: церезин, парафин, компаунды ЭД-5, Ф-95, ЭТР-5 и др. Обычно пропитку используют в комбинации с другими методами, например, заливкой или опресовкой. Заливка состоит в заполнении всех свободных полостей изделия, в том числе и пространства между корпусом и кожухом, электроизоляционным материалом, который после отверждения образует достаточно толстый защитный слой. Заливку производят либо в постоянном корпусе изделия, либо в технологической форме. Т.к. объем заливочной массы большой, то при отверждении возникают внутренние напряжения, вызывающие обрывы проводников и поломку хрупких деталей. Поэтому применяют пластичные электроизоляционные материалы, образующие при полимеризации упругую резинообразную массу, на основе каучуков – герметик УТ-32, или пенообразующие материалы – пенополиуретаны или комбинации материалов. 1 – элементы 2 – герметизирующий полимерный материал 3 – выводы 4 – подслой из эластичного материала Рис. 10.3 Заливка с подслоем. Качество защиты при заливке определяется влагопроницаемостью материала, площадью и формой выводов и толщиной d заливки. Ориентировочно d выбирается из условий x величины V объема защищаемого изделия: V= 5-8 см3 ® d= 2-2,5 мм V= 10-200 см3 ® d@ 10 мм V> 200 см3 ® Vзаливки= (0,1-0,2)×V Требования к материалам заливки различны, и иногда трудносовместимы, например, хорошие влагозащитные свойства и высокая теплопроводность. Поэтому используют различные материалы: • битумы нефтяные; • компаунды; • пенополиуритан. Кроме того необходимо учитывать, что в рабочем диапазоне температур один и тот же компаунд может пререходить в разные состояния и резко менять свои свойства. То же происходит с компаундами и во времени. Обволакивание – консервирующий метод, осуществляемый путем нанесения на поверхность изделиянегипроскопического изоляционного материала. По технике исполнения похож на прпитку. Однако здесь используется вязкий материал обладающий хорошей адгезией к элементам изделия. Обволакивание выполняется пульверизатором или кратковременным (1,0-1,5 с) в специальный изоляционный материал. Достоинство метода защиты в высокой экономичности, а недостаток – обязательная сушка для удаления влаги попавшей под защитный слой, а также сравнительно толстый слой полимера. Применяется обволакивание в нежестких условиях эксплуатации, для защиты бескорпусных микроскобок и полупроводниковых элементов, а также для герметизации паяных и сварных швов. В качестве материалов изоляции используются: • лаки УР-231, СБ-1с, Гф-913, Э-4100; • компаунды ЭКМ и др. Опрессовка – защита изделия толстым слоем термоплатичной или термореактивной пластмассы в технологических формах. Применяется также в тех случаях, когда может выполнять не только защитную роль, но и служитформообразующей основой для всей конструкции: корпуса транзисторов, корпуса МКС серии К-155. Использование типовой формы и размеров для элемнтов упрощает техпроцесс изготовления и снижает стоимость защиты в 2-3 раза по сравнению с полыми корпусами. Герметичность опрессовки определяется в основном герметичностью узла “контактный вывод-пластмасса”. Для уменьшения механического напряжения в этом месте стараются подобрать ТКЛР металла и пластмассы приблизительно одинаковыми. Используют пластмассы ЭФП-63, К-81-39 и др. 10.3.2. Защита полыми оболочками. Защита полыми оболочками применяется в основном для узлов и блоков РЭС. Для узлов (ИС, в частности) используются металлостеклянные, стеклянные, керамические и металлополимерные копуса. Герметизация достигается с помощью швов. При разработке герметичных корпусов необходимо учитывать условия эксплуатации, изменения давления, возможные перепады температуры. Герметизация может быть полной и неполной. А. Полная герметизация. При полной герметизации внешние швы конструкции выполняют • пайкой, • сваркой, • закаткой, • заливкой специальными компаундами (герметиками). При использовании герметиков следует предусматривать специальные канавки, чтобы при отрицательных температурах герметик не оторвался от поверхности. Следует меть ввиду, что герметики могут изменять свое состояние под действием температуры или влаги, т.е. способны густеть, затвердевать, разбухать и пр. При больших перепадах давления кожуха герметичных приборов выполняются в виде сильфонов, изменяющих размер по высоте при перепаде давления. 1 – выполнение паяных и сварных швов 2 – шов с герметиком 3 - сильфон Рис. 10.4. Швы корпусов в РЭС. Решение о полной герметизации изделия принимает конструктор исходя из условий работы изделия, срока его службы, ремонтопригодности. Для герметизации МКС применяют сварку, пайку, склейку. Герметизация выводов обеспечивается спаем ковар-стекло имеющими близкий ТКЛР. (ковар Н29К17). Кабельные выводы делают герморазъемами. Дополнительное повышение надежности защиты достигается заполнением корпусов азотом, аргоном или другим инертным газом. Для обеспечения ремонтопригодности необходимо использовать разъемные полые оболочки. Б. Неполная герметизация. При неполной (частичной) герметизации между корпусом и крышкой помешают эластичную прокладку, а в герметизируемый объем – влагопоглотитель, например, селикагель. Условие герметичности такого соединения – сохранение контактного давления между прокладкой и соединяемыми поверхностями. Применяют металлические (из свинца, алюминия, красной меди) прокладки, резиновые и полимерные. При стягивании винтами металлические прокладки деформируются и могут возникнуть напряжения, превышающие предел текучести. При использовании резиновых прокладок уплотнение достигается действием остаточных упругих деформаций. При сжатии прокладка заполняет специально сделанные канавки. Рис. 10.5. Резиновые прокладки. При использовании резины следует помнить о том, что для этого материала характерно свойство релаксации, т.е. постепенного падения внутренних напряжений при неизмененном значении деформации. Поэтому узел уплотнения с резиновой прокладкой следует подтягивать через двое суток после сборки, т.к. двое суток релаксация стабилизируется. ГОСТ предусматривает применение резиновых шнуров круглого, квадратного и прямоугольного сечения. В зависимости от назначения они могут изготавливаться из кислотощелочной, теплостойкой, морозостойкой и маслобензиностойкой резины. Наличие резиновых прокладок из-за быстрого старения заставляет через 2-3 года заменять их. Пластмассовые прокладки изготавлтвают из полиамида П-54, полиэтилена, фторопласта, винипласта и др. Необходимость повышения плотности компоновки и разгерметизации для ремонта привели к появлению специального решения – паяный шов (рис. 10.6.). 1 – корпус 2 - резиновая прокладка 3 – стальная прокладка 4 – крышка 5 – припой Рис. 10.6. Паяный шов Паяный шов нарушается с помощью стальной проволоки, расположенной под слоем припоя и имеющей свободный конец. Для защиты внутреннего объема РЭС от газов, выделяющихся при пайке, между корпусом и крышкой ставится резиновая прокладка. После запайки из корпуса откачивают воздух и заполняют объем сухим азотом под давлением 1,6.105 Па. Это позволяет избежать проникновения воздуха и влаги внутрь кожуха в течение нескольких лет. Шов по размеру невелик, а надежность такой герметизации велика. Завершая раздел укажем несколько основных выводов: 1) Защита металлическими, металлостеклянными, металлокерамическими и керамическими оболочками имеющими паяный или сварной шов в принципе – вакуумоплотная. 2) При полимерных оболочках невозможно осуществить вакуумоплотную герметизацию в принципе. 3) Выбор способа защиты зависит от допустимой концентрации влаги внутри, времени влагозащиты, концентрации влаги в среде, стоимости и объема конструкции. 4) Защита полимерными монолитными оболочками применяется для сравнительно небольшого времени влагозащиты (не более 30-40 суток) и при требовании низкой стоимости. 5) Герметизация полыми неорганическими оболочками обеспечивает большее время защиты, подороже и занимает больший объем. 6) Обычные свойства полых оболочек можно усилить использованием монолитных оболочек, необходимых уже на этапе производства компонентов. Контрольные вопросы по главе 10. 1. Влияние влаги на различные металлы конструкции РЭС. 2. Влияние влаги на изоляционные материалы. 3. Влияние влаги на полупроводниковые материалы. 4. Последствия и результаты воздействия влаги на резисторы, конденсаторы, полупроводниковые и другие элементы конструкции РЭС. 5. Принципы и способы защиты РЭС от влаги. 6. Классификация способов. 7. Краткая характеристика защиты монолитными оболочками. 8. Краткая характеристика защиты полыми оболочками. 9. Защитные металлические покрытия. 10. Защитные неорганические покрытия. 11. Защитные органические покрытия. 12. Пропитка и заливка изоляционными материалами 13. Обволакивание и опрессовка в РЭС. 14. Полная герметизация РЭС. 15. Неполная герметизация узлов и блоков РЭС. 16. Паяный шов. 17. Выбор способа защиты РЭС от влаги. Глава 11. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ РЭС. В заключительном разделе очень коротко рассматриваются основные положения и представления о способности РЭС противостоять воздействию различных излучений; при этом приводятся сведения о наиболее опасных для РЭС воздействиях, указываются данных о влиянии их на различных материалы конструкции РЭС и о результатах воздействий, даются общие сведения о построении систем защиты РЭС. 11.1 Характеристики воздействий и радиационная стойкость РЭС. Радиационное воздействие окружающей среды на РЭС, в основном, происходит в двух видах: • солнечная радиация; • ионизирующее излучение. Солнечная радиация представляет собой воздействие на материалы конструкции РЭС потоков фотонов различного происхождения. Обычно проявляются последствия солнечной радиации либо в избирательном поглощении лучей различной длины волны l материалы конструкции РЭС - так называемая, фотолитическая солнечная радиация, либо фотолитическая , приводящая к нагреву материала. Итогом и в том и в другом случае является снижение механической прочности материалов, изменение (ухудшение) свойств механической подсистемы Sм РЭС, а вслед за этим - и ухудшение свойств РЭС как системы в целом. Так как солнечная радиация проявляется для РЭС в основном в нагреве материалов конструкции, а защита от такого вида воздействий уже было рассмотрена ранее в дальнейшем остановимся подробнее на втором виде воздействия. Ионизирующее излучение представляет собой изучение любого вида, взаимодействие которого со средой или материалом конструкции РЭС приводит к образованию электрических зарядов различного знака. Особенностью ионизирующего излучения является образование так называемого вторичного ионизирующего излучения за счет воздействия на среду первичного излучения. Ионизирующее излучение обычно подразделяют на электромагнитное и корпускулярное. Электромагнитное (фотонное) излучение проявляется в виде l- излучения и рентгеновского излучения. Наиболее опасным для РЭС является l- излучение. Корпускулярное излучение представляет собой поток различных частиц: • a - излучение; • b - излучение; • нейтронное излучение. Из корпускулярных излучений наиболее опасными для РЭС является нейтронное излучение. Для оценки ионизирующего излучения применяются следующие оценки: • поток ионных частиц FN ; • плотность потока jN ; • поток энергии ионного излучения Fnn ; • плотность потока энергии jnn и др. Наиболее опасными для РЭС являются, как уже было сказано, воздействие нейтронов и g- излучения, т.к. они обладают наибольшей проникающей способностью. Именно их учитывают в первую очередь при проектировании РЭС. Для оценки поведения РЭС при радиационном воздействии вводится понятие радиационной стойкости РЭС. Радиационная стойкость - свойство РЭС выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ионизирующего излучения. Критерием радиационной стойкости обычно является предельное значение параметра изделия определяющего радиационную стойкость. Очевидно, что этот критерий связан с характеристикой поля ионизирующего излучения, при которой достигается критерий радиационной стойкости. Результат радиационных воздействий на различные материалы существенно определяется самим материалом и проявляется в: • радиационных и ионизирующих эффектах; • обратимых и необратимых дефектах; • разогреве и других явлениях. Радиационные и ионизирующие эффекты приводят к изменению значений параметров материалов и параметров соответсвующих элементов РЭС за счет ионизации и возбуждения атомов вещества. Дефекты различного рода представляют собой нарушение структуры вещества. Повышение температуры материалов при нагреве объясняется поглощение веществом энергии ионизирующего излучения. Следует учесть, что нейтронное излучение приводит в основном к радиационным дефектам при преобразовании облучаемого материала. g - излучение проявляется в ионизационных эффектах в веществе, что, в конечном итоге, увеличивает, например, проводимость диэлектрических и полупроводниковых материалов. 11.2 Влияние ионизиррующего излучения на различные элементы РЭС. Оценивая в целом влияние ионизирующего излучения на различные материалы необходимо учитывать, что наиболее устойчивы к воздействию металлы, менее - органические и полупроводниковые материалы. Говоря о металлах можно сделать следующие два вывода, во-первых, они практически стойки к воздействию и, во-вторых, металлы могут быть источниками вторичного ионизирующего излучения. Полупроводниковые материалы под воздействием ионизирующего излучения меняют время жизни и подвижность носителей зарядов. А органические материалы изменяют свои механические свойства и, кроме того, электрическую прочность, диэлектрическую проницаемость E, тангенс угла потерь tg d и др. Неорганические диэлектрические материалы практически устойчивы к радиационным воздействиям. Изменение свойств материалов очевидно приводит к изменению свойств различных элементов конструкции РЭС. Резисторы под воздействием радиации меняют значения сопротивления R, а так же повышается уровень собственных шумов, ухудшается влагостойкость. Наиболее устойчивы керамические и проволочные резисторы; другие типы резисторов необходимо защищать от радиации. У конденсаторов при наличии ионизирующего излучения ухудшаются электрическая прочность, сопротивление изоляции, тангенс угла потерь tg d, меняется номинальная емкость Сном. Полупроводниковые материалы неустойчивы к радиации, однако механизм деградации различен у различных материалов. Диоды, транзисторы, интегральные схемы необходимо специальным образом защищать от радиационного воздействия. Однако вариант защиты определяется многими факторами, в том числе, иногда достаточно специальной технологии изготовления элементов. 11.3 Защита РЭС от радиационного воздействия. Исходя из общих методологических положений обеспечения защищенности РЭС от воздействия, необходимо построить систему S с соответствующей радиационной стойкостью. Для чего необходимо определить совокупность принципов П, определить набор элементов Г, схему объединения элементов q и значения параметров Е системы. Среди множества принципов П защиты от радиации наиболее часто используется принцип р1 изоляции защищаемого объекта от воздействия с помощью эффекта поглощения. Для этой цели используется элемент-экран g1. Среди вариантов схем q взаимного расположения экрана g1 и объекта возможно полное или частичное экранирование (рис. 11.1). 1- экран 2 2- защищаемый объект РЭС 3-радиационно-стойкий элемент РЭС. Рис. 11.1 Варианты компоновки объектов с защищенными экранами. Очень часто используются многослойные экраны, существенно повышающие свои защитные свойства против обычных экранов. Именно такие экраны применяются для защиты от g- излучения и нейтронной защиты. В качестве материалов экранов (при выборе параметров Е защитных экранов) используются свинец, полиэтилен, бор, графит, нержавеющая сталь. Частным случаем защитных экранов является защитное покрытие, позволяющее обеспечить защиту при незначительных воздействиях. Кроме защиты по принципу изоляции возможно повышение собственной радиационной стойкости объекта - защита по второму принципу р2. Для реализации этого принципа используются следующие приемы: уменьшение размеров, выбор стойких материалов, соответствующая технологическая обработка их и т.д. Реально при проектировании конструкции РЭС применяется сочетание принципов р1 и р2 для получения соответствующей радиационной стойкости РЭС. Контрольные вопросы по главе 11. 1. Виды радиационных воздействий, учитываемые при проектировании РЭС. 2. Солнечная радиация и ее последствия для РЭС. 3. Ионизирующее излучение и виды излучений. 4. Оценки ионизирующих излучений. 5. Наиболее опасные виды ионизирующих излучений. 6. Радиационная стойкость и критерий стойкости. 7. Влияние ионизирующего излучения на металлы, полупроводниковые и диэлектрические материалы. 8. Влияние ионизирующего излучения на резисторы, конденсаторы и полупроводниковые элементы РЭС. 9. Способы и элементы защиты РЭС от радиации. 10. Полное и частичное экранирование. 11. Многослойные экраны. 12. Материалы экранов. ЛИТЕРАТУРА 1. Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение.1984.- 536с.: ил. 1. Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для вузов / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтинь-Аболинь и др., Под ред. В.Б.Пестрякова. 2. М.: Радио и связь, 1992.- 432 с.: ил. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов/ В.П. Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков.- М.: Энергоатом-издат, 1987.- 400с.: ли. 3. Гуткин Л.С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества.- М.: Сов. радио, 1975.- 368с.: ил. 4. Тищенко Н.М. Введение в проектирование сложных систем автоматики.- М.: Энергия, 1976.-304с.: ил. 5. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. Пер. с англ.- М.:, 1969.- 400с.: ил. 6. Хилл П. Наука и искусство проектирования Пер.с англ.- М.: Мир,1973,- 262с.: ил. 7. Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование. Современные методы проектного анализа: Пер. с англ.- М.: Мир, 1976.-374с.: ил. 8. Уилсон А., Уилсон М. Управление и творчество при проектировании систем.- М.: Сов. радто, 1972.- 212с.: ил. 9. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. -М.: Мир, 1978.- 311с. 10. Сахаров Ю.С., Колуков В.В. Выбор наилучших пространственных структур радиоэлектронной аппаратуры. /Под. ред. С.А. Сорокина - М.: Моск. энерг. ин-т, 1985.-84с.: ил. 11. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры. /Под.ред. Б.Ф. Высоцкого.- М.: Сов.радио, 1977.-372с.: ил. 12. Взятышев В.Ф. Методы поиска проектно-конструкторских решений при разработке радиоэлектронных устройств./ Под. ред. Е.М. Старовойтовой. - М.: Моск. энерг. ин-т, 1983,-84с.: ил. 13. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании) /Под.ред .А.И. Половинкина - М.: 1981.-344с.: ил. 14. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении.-Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.-255с. 15. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов / Е.М. Парфенов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев.-М.: Радио и связь, 1989.-272. с.: ил. 16. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования /Под ред. Р.Г. Варламова.- М.: Сов. радио, 1980.-480с. 17. Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа , 1984.- 247с. 18. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры: Справочное пособие /П.Н. Овсищер, И.И. Лившиц, А.К. Орчинский и др.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого.- М.: Радио и связь, 1982.- 206с. 19. Поляков К.П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1982.- 240с. 20. Преснухин Л.Н. Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. - М.: Высшая школа, 1986.- 512с. 21. Токарев М.ф. Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита РЭА. - М.: Радио и связь, 1984.- 224с. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. - М.: Радио и связь, 1989.- 224с