Приборостроение

Введение. Решение многих задач повышения качества и надежности изделий приборостроения и машиностроения осуществляется в процессе проектирования, когда на основе исследований и расчетов, накопленного опыта и учета прогрессивных технологических процессов разрабатывают конструкцию прибора, выбирают материалы для изготовления деталей, определяют наиболее рациональные их формы и размеры, решают вопросы точности, надежности, унификации и экономичности. Необходимо предусматривать защиту проектируемого устройства от внешних воздействий (механических и химических) различных излучений и других факторов, и наоборот защиту окружающей среды, включая человека, от нежелательных воздействий со стороны прибора (или машины). Современные приборы и приборные устройства включают элементы автоматики микроэлектроники и вычислительной техники, поэтому требования к их конструкциям стали более сложными и разнообразными. Конструктору в современных условиях необходимо применять не только расчеты параметров прибора, исходя из требований его функционирования, но и метода расчета ресурса и надежности его работы, учитывать защиту проектируемого прибора от внешних воздействий, коррозии, ударных и вибрационных нагрузок электрических и магнитных полей и др. Приборостроение (БСЭ), отрасль машиностроения, выпускающая средства измерения, анализа, обработки и представления информации, устройства регулирования, автоматические и автоматизированные системы управления; область науки и техники, разрабатывающая средства автоматизации и системы управления (см. Автоматизация производства). В дореволюционной России было всего несколько небольших предприятий, выпускавших термометры, манометры, водомеры, весы и др. простейшие приборы. В СССР промышленное развитие П. началось в годы 1-й пятилетки (1929—32) с образованием Всесоюзного электротехнического объединения, где было организовано серийное производство электроизмерительных приборов и средств автоматизации, Всесоюзного объединения точной индустрии, сосредоточившего изготовление теплоизмерительных приборов, Всесоюзного объединения оптико-механической промышленности, Всесоюзного объединения весоизмерительной промышленности, предприятий авиационного, морского и др. специализированных направлений П. В 1965 образовано общесоюзное министерство приборостроения, средств автоматизации и систем управления. В его состав включен комплекс предприятий, научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, проектных и монтажных организаций, осуществляющих разработку, производство, монтаж и ввод в эксплуатацию как отдельных устройств, так и систем автоматизации. Ведущее место в П. по количеству я разнообразию выпускаемых приборов занимают средства измерительной техники. Созданы методы и приборы измерения механических, электрических, магнитных, тепловых, оптических, радиационных и др. величин. Измерительные приборы в сочетании с регулирующими, вычислительными и исполнительными устройствами составляют техническую базу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). *********************************************************************** Классификация приборов Приборы для устройств обработки данных, вычислительная техника (цифровые. аналоговые и аналого-цифровые ЭВМ, периферийные устройства, перфораторы устройства ввода и вывода на перфокарты, запоминающие устройства на магнитных лентах, дисках и барабанах, дисплеи, печатающие устройства, графопостроители и др. ) средства оргтехники (пишущие машины, машины для обработки текста, бухгалтер. Приборы для техники связи, радио и телеприемники, звуконосители и носители сигналов телевизионного изображения, телефонные аппараты, телетайпы, звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура (микрофоны, громкоговорители), радио и телепередающая аппаратура, студийная аппаратура, передающие и приемные антенны, радиорелейная, радиолокационная и радиопеленгационная аппаратура, аппаратура связи (провода, кабели, устройства высокочастотной связи, искатели, координатные соединители, различные оконечные устройства) и др. Приборы для измерительной техники, для измерения линейных размеров (линейки, плитки, штангенциркули, микрометрические винты, микрометры, микроскопы, гепескопы, компараторы, координатные измерительные приборы, приборы для измере­ния шероховатости поверхности и др. ), для измерения времени (часы, реле времени, специальные часы), для измерения усилия (весы всех типов, динамометры), для изме­рения электрических величин (лабораторные и промышленные приборы для измерения напряжения, тока и производных от них величин), оптические и электронные микро­скопы, навигационная аппаратура, астрономические приборы, фотограмметрические приборы для топографической съемки, промышленной фотограмметрии и др. Приборы для автоматизации: чувствительные элементы (измерительные преобра­зователи и датчики давления, температуры, объема и др.): средства управление и регулирования (регуляторы с устройствами управления и регистрации, цифровые управляющие системы с различной логической структурой; механические реле и бесконтактные логические схемы; запоминающие устройства, реле времени, счетчики, сдвиговые регистры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микро­процессоры, микро ЭВМ и др.); исполнительные устройства (электродвигатели, магнитные, мембранные, поршневые приводы и др.). Приборы для фото- и кинотехники: (фотокамеры, фото- и кинопроекторы, устрой­ства для съемки, копирования и показа микрофильмов, репродукционные уста­новки, множительная техника и др.). Медицинские и лабораторные приборы: (для диагностики, терапии и профилактики, например кардиографы, облучатели. тренажеры, а также приборы для проведения операций, протезирования, выполнения физико-химических анализов и др.). Приборы для промышленности: (для производства микроэлектронных элементов, например для микро- и прецизионной литографии, зондовые тестеры, координатные столы и т. д., для соединения проводов: паяльные и намоточные машины; манипуля­торы, промышленные роботы и др.). Приборы для домашнего хозяйства: (стиральные машины, холодильники, пыле­сосы, швейные машины, микроволновые печи и др.). Технические игры: (механические, оптические и телевизионные игры, игровые автоматы и ЭВМ и др.), Конструирование приборов. Основные понятия. Конструкция – материальная, целесообразно организованная пространственная структура, обладающая следующими свойствами: • способность выполнять необходимые функции; • способность к сохранению функционирования при наличии внешних воздействий; • пригодность к воспроизведению, то есть к производству. Конструкция прибора – пространственно организованная совокупность элементов с разными электрофизическими, механическими и другими свойствами, между которыми существуют связи, создаваемые в соответствии с принципами функционирования. Функционирование (принцип действия) прибора – операции, происходящие в приборе, нужные для передачи, извлечения и обработки информации. Информация – совокупность сведений или сообщений о состоянии объекта, а также об изменении этого состояния. Носителем информации является сигнал. Это физический процесс, в котором отображено то или иное сообщение. Электроника – область науки и техники, изучающая электронные и ионные процессы в вакууме, твёрдых телах, жидкостях и газах внутри или на поверхности с целью создания электронных приборов и устройств, используемых для передачи, обработки и хранения информации. Радиоэлектронные средства (РЭС) – изделия или составные части, в основу которых положены принципы радиотехники, электроники и радиоэлектроники. Конструирование – процесс создания новых конструкций, результатом которого является комплект конструкторской документации для промышленного изготовления. Сущность процесса конструирования. Результатом процесса создания новых конструкций является комплект конструкторской документации. Конструкторская документация (КД) – совокупность конструкторских документов, содержащих, в зависимости от их назначения, данные, необходимые для разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации, ремонта. Конструирование как инженерная деятельность – это процесс поиска, нахождения и отражения конструкторской документации, формы, размеров и состава изделий, входящих в него деталей и узлов, использование материалов, комплектующих, взаимного расположения частей и связи между ними, указания по технологии изготовления с целью обеспечить производство изделий с заданными свойствами при наименьшей трудоемкости. Задачей конструирования является подготовка производства промышленных изделий с учетом результатов научно исследовательских работ. На этапе опытно конструкторских работ имеются широкие возможности для укрепления и значительного расширения материально технической базы народного хозяйства. Требования к технико-экономическим показателям, качеству изготовления и выполнения изделием своих функций постоянно повышаются. Возрастающий объем научно исследовательских работ требует значительного увеличения производительности конструкторских отделов предприятий по их реализации при сокращении сроков разработки и затрат на нее. Отсюда вытекает необходимость дальнейшей рационализации конструкторских работ, ускорения и повышения надежности необходимой информации. Одновременно повышаются требования к конструкторам. В особой мере это относится к приборостроению, которое быстро развивается под влиянием микроэлектроники. Технические изделия призваны вносить все более эффективный вклад в повышение производительности труда и увеличение национального продукта. В решении этой задачи первостепенную роль играет приборо­строение, так как приборы используются как в области материального производства и его подготовки (т. е. на этапах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ), так и в таких областях, как транспорт, охрана труда, народное образование и др. Нельзя представить себе человеческую деятельность без приборов. Классическая область использования точных приборов (получение научно-технических данных с помощью соответствующих методов измерения) особенно расширилась к началу второй половины XX века. Новым стимулом к развитию приборостроения стало повышение требований к качеству информации и к освобождению человека от выполнения повторяющихся работ. Общественная потребность в информации удовлетворя­ется с помощью различных средств, обеспечивающих получение, хране­ние, передачу и преобразование информации. Произошел переход от классического измерительного прибора к системе обработки информации. Боль­шинство приборов можно рассматривать как такую систему в отличие от машин, для которых определяющими являются преобразование энергии и материалов. Исторически первой задачей, выдвинувшей новые требования к прибо­ростроению и обусловившей широкие перспективы его развития, явилась необходимость управления физическими процессами и контроля за их выполнением, т. е. задача автоматизации. Освобождение человека от повторяющихся работ в области исследований, разработки и конструи­рования, а также организации и руководства стало задачей приборострое­ния еще во времена появления логарифмической линейки, механических счетных машин, пишущих машин и чертежных приборов. При конструировании изделий компьютерные технологии позволяют решать разнообразные задачи, такие как автоматизированная подготовка документации, технические рас­четы, моделирование технических систем и другие, вплоть до автоматизи­рованного синтеза технических решений. Однако речь идет о неполной автоматизации процесса конструирования, так как за конструктором остается решение творческих задач. Электроника внедряется в новые области приборостроения, включая и традиционно неэлектронные; например, появились электронные часы. Сохраняют свое значение и решения, в которых не используются электронные узлы, в частности механические. Использование механических узлов ка­сается в первую очередь “периферии” прибора, т. е., во-первых, узлов, непо­средственно обслуживаемых человеком, и, во-вторых, устройств сопряжения, используемых для сбора данных изме­рений и выдачи заданных параметров, необходимых для работы средств авто­матизации. В первых из этих узлов должны быть учтены сенсорные и моторные способности человека для механического ввода команд (с помощью рычагов, клавиатуры и т д ) и восприятия выводимой информации в виде механических, оптических и акустических сигналов. Сбор данных измерений и вывод заданных парамет­ров в средствах автоматизации требуют наличия преобразователей сигналов и энергии. Благодаря этому именно приборостроение способствовало разви­тию электромеханических, электромагнитных и других элементов. Вследствие необходимости согласования свойств электронных узлов и устройств сопряжения постоянно растут требования к неэлектронным специальным механическим узлам. Эти требования касаются увеличения производительности, расширения диапазона изменения мощности, еще боль­шей миниатюризации, повышения точности, надежности, срока службы, меж­ремонтных интервалов и обеспечения охраны окружающей среды (особенно в отношении уровня шума). Анализы показывают, что доля механических элементов в изделиях приборостроения в настоящее время в 1,5 раза превы­шает долю электронных; предполагается, что в последующие два десятилетия это соотношение останется примерно таким же. Поэтому в области конструирования приборов основными направлениями дальнейшего прогрес­са являются поиск новых механических конструкций и использование достижений микроэлектроники для разработки более совершенных конструк­ций. Постоянно существует потребность в разработке новых принципов работы, отвечающих возможностям все более широко унифицируемых микроэлектронных узлов, позволяющих реализовать преимущества одновре­менно микроэлектроники, механики и электромеханики в одном изделии. Внедрение новых поколений приборов осуществляется возрастающими темпами, для образцов ЭВМ срок замены составляет примерно 3 г. Вследствие широкого круга дисциплин, оказывающих влияние на возможность реализации приборов различных типов, сотруд­ничество специалистов различного профиля является определяющим факто­ром в сокращении времени такой реализации. Это должно позволить с самого начала разработки исследовать наиболее перспективные варианты общего решения изделия, его электромеханических, механических и оптических узлов, оптимальной технологии их изготовления, а также наиболее рацио­нального использования изделия. Появление новых задач и областей применения приборов обязательно влечет за собой изменение требований к их потребительским свойствам. Ниже приведены основные требования, определяющие направление дальнейшего развития приборостроения. Производительность измерительного прибора, электронного устройства обработки данных или устройства числового управления станком становится все более важным фактором. Особенно четко эта тенденция проявляется в отношении приборов, которые уже сегодня становятся средствами измерения рабочих параметров, управления и регулирования. Произ­водительность приборов следует измерять в виде количественного параметра, характеризующего скорости выполнения отдельных операций или обработки. Однако необходимы и качественные оценки универсальности, возможности решения новых задач, точности и надежности приборов. Требование повышения производительности, в конечном счете, ведет к автоматизации выполнения задач за счет использования в приборах микропроцессоров и микроЭВМ (расширением области применения приборов для автоматизации раз личных процессов возрастают и требования к надежности и точности выполнения ими своих функций. С увеличением сложности техниче­ских систем требования к надежности отдельных приборов возрастают, поскольку для обеспечения требуемой надежности системы, надежность ее элементов должна быть значительно выше. Все более глубокое проникно­вение в микромир, повышение скорости обработки информации и взаимоза­висимости приборов в автоматизированных системах также обусловливают необходимость повышения точности приборов Из экономических критериев следует выделить экономию материалов и энергии. Вкладом приборостроения в решение задачи экономии материалов в других областях могут быть, например, замена механических систем, требующих большого расхода материалов, решающими те же задачи системами на базе микроэлектроники, снижение расхода дорогостоящих материалов (например, меди для проводников за счет применения оптоволоконных кабелей и беспроводных способов связи), широкая микроминиатюризация и, следовательно, экономия материалов за счет использования микроэлектронных схем. В самих приборах экономия материалов достигает­ся последовательным облегчением конструкций, применением новых принци­пов работы, заменой дорогостоящих материалов более дешевыми, а также при­менением технологий, обеспечивающих снижение расхода материалов. Экономия энергии является важной задачей. Она может быть эффективно решена путем оптимизации расхода энергии на производстве, транспорте и в других отраслях с помощью современных приборов. Требование экономии энергии касается, конечно, и самих прибо­ров, даже если их энергетический КПД и не является решающим крите­рием качества прибора по сравнению, например, с качеством обработки информации. Необходимо учитывать энергию, потребляемую прибором, и не допускать появления приборов со слишком малым энергетическим КПД. Необходим поиск выгодных с энергетической точки зрения принципов дей­ствия, например переход от дискретных радиотехнических элементов к интегральным микросхемам позволил снизить расход энергии на 1—2 по­рядка. Широкое внедрение приборов во все области жизни, с одной стороны, и повышение требований к условиям жизни и труда, с другой, во все большей степени поднимают значение технической эстетики. Необходимо рас­сматривать эстетические, эргономические и рабочие свойства прибора с точки зрения потребителя с учетом существующих и перспективных условий эксплуатации. Все это определяет такие важные потребительские свойства прибора, как рабочие характеристики, износостойкость, надежность, удоб­ство обслуживания, экономию времени при эксплуатации, эстетику формы. Повышенные требования к эстетическому виду прибора обусловлены расши­рением связей между ним и человеком и, следовательно, появлением ка­чественно и количественно новых физических и психологических нагрузок, обусловленных этими связями. Унификация, типизация и стандартизация деталей, узлов и приборов не только выгодны изготовителю благодаря возможности увеличения про­изводства повторно применяемых изделий и автоматизации технологических процессов, но и обеспечивают более гибкое использование прибора, облегчение его обслуживания и ремонта. Разрабатываются типовые детали, узлы и приборы, вплоть до крупных систем, построенные по модульному принципу. Значительную роль в ускорении этого процесса играет микроэлектроника, которая благодаря возможности простого пере­программирования позволяет изменять функции прибора и осуществлять переход от узкоспециализированных приборов к универсальным. На заре приборостроения приборы эксплуатировались в четко ограни­ченных некритических лабораторных условиях. Сегодня условия окружаю­щей среды исключительно разнообразны и включают экстремальные условия, в которых не работают никакие другие изделия. Современные приборы используются в жилых помещениях, лабораториях, производственных цехах, в строительных и сельскохозяйственных машинах, на автомобилях, самолетах и судах, в ракетах и космических аппаратах, под землей и на открытом воздухе в самых различных климатических условиях. Они испытывают дополнительные нагрузки при транспортировании, эксплуатации, обслуживания. Современный уровень развития средств автоматизации, определяемый совершенством используемых приборов, характеризуется все более широким применением микропроцессоров. Внутренняя структура микропроцессоров (так называемая шинная структура) обеспечивает возможность простого обмена информацией со многими периферийными устройствами. Микропроцессорная система чрезвычайно универсальна и может быть использована для автоматизации любых процессов, связанных с обработкой материалов, преобразованием энергии или информации (рис. 1.1). Одновременно с автоматизацией процесса микроэлектроника позволяет автоматизировать также работу самого прибора. Это открывает перспективы для оптимизации работы приборов и выполнения ими дополнительных функций, повышающих их потребительские свойства, а также для создания приборов, оснащенных средствами обнаружения, диагностики и устранения неисправностей. Получение научно технических данных соответствует традиционной задаче измерения физических величин. Сегодня приборы используются во всех областях человеческой деятельности. В обрабатывающей промышленности, например, около 15 % живого труда затрачивается на измерения, в электронной промышленности эта доля составляет 60 % и имеет тенденцию к росту. Иногда очень сложные и большие по объему задачи измерений, преобразования, обработки и подготовки данных могут быть решены только с помощью электронных средств обработки данных. При этом зачастую невозможно обойтись без автоматических измерительных систем, представляющих собой цепочку из нескольких изме­рительных приборов, автономно осуществляющих сбор, уплотнение, преоб­разование, обработку и подготовку данных измерений. Новые задачи прибо­ростроения возникают в результате все более глубокого изучения микро- и макроструктур, которое без приборов просто невозможно. Области применения определяют типы приборов. В приборах используются достижения практически всех разделов физики, однако основными являются электротехника, электроника, оптика и механика, которые можно рассматривать как техническую базу приборостроения. Классификация приборов Приборы для устройств обработки данных, вычислительная техника (цифровые. аналоговые и аналого-цифровые ЭВМ, периферийные устройства, перфораторы устройства ввода и вывода на перфокарты, запоминающие устройства на магнитных лентах, дисках и барабанах, дисплеи, печатающие устройства, графопостроители и др. ) средства оргтехники (пишущие машины, машины для обработки текста, бухгалтер. Приборы для техники связи, радио и телеприемники, звуконосители и носители сигналов телевизионного изображения, телефонные аппараты, телетайпы, звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура (микрофоны, громкоговорители), радио и телепередающая аппаратура, студийная аппаратура, передающие и приемные антенны, радиорелейная, радиолокационная и радиопеленгационная аппаратура, аппаратура связи (провода, кабели, устройства высокочастотной связи, искатели, координатные соединители, различные оконечные устройства) и др. Приборы для измерительной техники, для измерения линейных размеров (линейки, плитки, штангенциркули, микрометрические винты, микрометры, микроскопы, гепескопы, компараторы, координатные измерительные приборы, приборы для измере­ния шероховатости поверхности и др. ), для измерения времени (часы, реле времени, специальные часы), для измерения усилия (весы всех типов, динамометры), для изме­рения электрических величин (лабораторные и промышленные приборы для измерения напряжения, тока и производных от них величин), оптические и электронные микро­скопы, навигационная аппаратура, астрономические приборы, фотограмметрические приборы для топографической съемки, промышленной фотограмметрии и др. Приборы для автоматизации: чувствительные элементы (измерительные преобра­зователи и датчики давления, температуры, объема и др.): средства управление и регулирования (регуляторы с устройствами управления и регистрации, цифровые управляющие системы с различной логической структурой; механические реле и бесконтактные логические схемы; запоминающие устройства, реле времени, счетчики, сдвиговые регистры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микро­процессоры, микро ЭВМ и др.); исполнительные устройства (электродвигатели, магнитные, мембранные, поршневые приводы и др.). Приборы для фото- и кинотехники: (фотокамеры, фото- и кинопроекторы, устрой­ства для съемки, копирования и показа микрофильмов, репродукционные уста­новки, множительная техника и др.). Медицинские и лабораторные приборы: (для диагностики, терапии и профилактики, например кардиографы, облучатели. тренажеры, а также приборы для проведения операций, протезирования, выполнения физико-химических анализов и др.). Приборы для промышленности: (для производства микроэлектронных элементов, например для микро- и прецизионной литографии, зондовые тестеры, координатные столы и т. д., для соединения проводов: паяльные и намоточные машины; манипуля­торы, промышленные роботы и др.). Приборы для домашнего хозяйства: (стиральные машины, холодильники, пыле­сосы, швейные машины, микроволновые печи и др.). Технические игры: (механические, оптические и телевизионные игры, игровые автоматы и ЭВМ и др.), ***************************************************************** Методология конструирования приборов. Методология – система принципов и правил познания и действия. Теория – это результат познания. Рассмотрим несколько основных принципов методологии конструирования приборов. 1. Системный подход и его конкретизация применительно к приборам. Этот подход базируется на рассмотрении изучаемого объекта как единого целого. В качестве системы выбирается РЭС. Внешнее воздействие Анализ Структура Потенциально достижимые результаты Модель системы Прогноз Параметры Функции Система Синтез Дестабил-е факторы Качество системы Она обладает структурой, параметрами и функциями. 1) Структура системы – это поэлементное строение объекта и взаимосвязи между отдельными элементами системы; 2) Параметры – это описание численных характеристик взаимосвязей элементов; 3) Функции – это функциональные зависимости между параметрами и структурой взаимодействия. Полезную информацию система получает посредством определённого внешнего воздействия. Помимо этого на неё действуют различные дестабилизирующие факторы. По потенциально достижимым результатам системы можно говорить о её качестве. Затем с их помощью система сравнивается с моделью, полученной на основе анализа и синтеза. В результате взаимодействия получаем прогноз, который замыкается на нашу систему. 2. Синтез РЭС со стремлением к оптимизации по различным критериям. 3. Иерархический принцип построения РЭС. Действует как в отношении функциональной, так и в отношении конструктивной сложности. По конструктивной сложности формируются РЭС на несущих конструкциях путём механического и электрического объединения простых конструкций в более сложные. 4. Обеспечение непрерывности улучшения экономической эффективности РЭС. Эффективность РЭС определяется тремя основными положениями: 1) Микро- и миниатюризация (минимум массы, объёма, энергопотребления); 2) Качество функционирования (отклонение от тактико-технических требований, надёжность, стойкость к дестабилизирующим факторам); 3) Технико-экономическая целесообразность (технологичность и минимизация на всех стадиях жизненного цикла). 5. Принцип технологичности конструкции РЭС. 6. Изучение характера отклонений при производстве и при эксплуатации РЭС. 7. Обеспечение надёжности при воздействии дестабилизирующих факторов. 8. Микроминиатюризация, конструктивно-технологическая и функционально-физическая интеграция. Введение РЭС новых физических явлений. 9. Принцип обеспечения согласования РЭС с эргономическими требованиями человека-пользователя и объектом размещения части массы, габаритов и органов управления. 10. Унификация, нормализация и стандартизация. 11. Учёт влияния частоты сигнала на конструкцию. 12. Комплексное использование эвристических, экспериментальных, расчётных и автоматизированных методов конструирования РЭС. *********************************************************** Классификация приборов по среде применения и объекту установки Приборы Бортовые Морские Наземные Бытовые 1) Самолётные 1) Судовые 1) Стационарные 1) Стационарные 2) Вертолётные 2) Корабельные 2) Возимые 2) Возимые 3) Ракетные 3) Буйковые 3) Носимые 3) Переносные 4) Космические 4) Переносные Стационарные приборы. Данный вид аппаратуры в процессе эксплуатации не подвергается воздействию внешних механических факторов, защита же её от ударов и вибрации при доставке на место установки обеспечивается за счёт транспортной упаковки. В зависимости от климатических условий, в которых будет работать аппаратура, различают две группы приборов: для отапливаемых помещений и для неотапливаемых помещений или открытых площадок. Конструирование приборов первой группы учитывает следующие факторы: 1) Применимость недорогих материалов, защитных покрытий и компенсирующих изделий; 2) Большую вместимость конструкций вследствие высокой функциональной сложности; 3) Возможность доступа с разных сторон при ремонте и эксплуатации; 4) Квалифицированное техническое обслуживание с вызовом специалистов предприятия-изготовителя. При конструировании приборов второй группы необходимо обеспечивать защиту от воздействия климатических факторов. Для аппаратуры, работающей на открытом воздухе, применяются герметизирующие корпуса. Переносные приборы К переносным приборам относится аппаратура связи, управления, измерительная аппаратура, изготавливаемая в приборном исполнении, для которого характерна эксплуатационная автономность. Переносные приборы обладают рядом особенностей: 1) Ограничение массогабаритных показателей возможностями переноса; 2) Обеспечение как функциональной, так и эксплуатационной завершённости для автономного использования; 3) Высокий уровень стандартизации и унификации для совместимости различных типов приборов; 4) Насыщенность передней панели органами управления и системами отображения информации. Полевые переносные приборы должны иметь лучшую защиту от климатических и механических воздействий, так как они работают длительное время на открытом воздухе. Возимые приборы Подобные приборы подвергаются интенсивным механическим воздействиям, возникающим при движении носителя. Аппаратура может работать как при неподвижном, так и при движущемся носителе. Сложные возимые приборы располагаются в кузовах и фургонах. Ограничение габаритных размеров необходимо для установки на подвижный носитель. Особенности возимых приборов: 1) Ограничение рассеивания мощности до 0,5 кВт/м3; 2) Совместное размещение различных по назначению устройств требует высокий уровень стандартизации и унификации; 3) Использование межблочного монтажа не только на задней, но и на передней стенке; 4) Применение приточно-вытяжной вентиляции. Носимые приборы Носимые приборы должны иметь защиту от механических и климатических воздействий. Могут носиться на ремне, если их масса не превышает трёх килограмм, за спиной (10 кг), или в кармане (0,7 кг). Самолётные и вертолётные приборы Изготовление данных приборов отличается ростом сложности при жёстких массогабаритных ограничениях, возможностью применения новейших материалов и технологий, обеспечением высокой контрольной и ремонтной пригодности в предполётном состоянии, обеспечением высокой безотказности в полёте. Ракетные и космические приборы Отличаются длительностью времени хранения, жёсткими требованиями к массогабаритным и тактико-техническим характеристикам и форме, дополнительной защитой от термоударов. У космических приборов примерно те же особенности, но помимо них появляются новые, связанные с длительной работой на орбите в условиях пониженного давления и высокого уровня электромагнитного излучения. Судовые и корабельные приборы Судовая аппаратура – это аппаратура, устанавливаемая на морских и речных судах гражданского флота, корабельная аппаратура устанавливается на надводные и подводные корабли военного назначения. Особенности: 1) Высокая насыщенность различными средствами; 2) Расположение как в специальных отсеках (с хорошими условиями), так и на открытом пространстве; 3) Подверженность действию солей, содержащихся в воздухе, активизирующих коррозию металла и разрушение изоляционных материалов; 4) Необходимое обеспечение брызгозащищённости во время шторма; 5) Необходимая защита от механических воздействий, ударов и вибрации при волнении и движении носителей; 6) Высокая устойчивость к помехам; 7) Высокий уровень унификации с целью возможности ремонта в условиях похода. Буйковые прибры Буйковые приборы – средства навигации. Устанавливаются в погруженном состоянии путём сбрасывания с вертолётов, либо с борта надводных кораблей. Особенности: Высокая безотказность в условиях необслуживаемого режима работы; Устойчивость к воздействию морской воды; Защита от механических воздействий во время постановки и при волнении. ****************************************************************** Методы конструирования РЭС и приборов. Классификация методов конструирования РЭС 1) По видам связи: • геометрический; • машиностроительный; • топологический; 2) По способу выявления связей: • моноблочный; • модульный; 3) По степени автоматизации: • алгоритмический; • эвристический; • интуитивный. Геометрический метод конструирования Применяется для механических конструкций, в которых должно соблюдаться точное взаимоположение и перемещение деталей. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от числа степеней свободы и геометрических характеристик детали. Точка в пространстве имеет три степени свободы, у тела – шесть таких степеней. Основные положения: 1. Все возможные перемещения одного тела относительно другого, которые могут встречаться в системе двух конструктивно связанных тел, определяется числом и местом положения точек взаимного соприкосновения. Так как число этих точек не может превышать 6 и быть меньше единицы, то одно тело относительно другого может иметь до 5 степеней свободы. 2. Расположение точек соприкосновения, то есть точек опоры должно быть выбрано так, чтобы каждая точка безусловно ограничивала движение тела. Если убрать эту точку, то тело получит свободу перемещения в направлении, котором ограничивалось этой точкой. 3. Для ограничения возможного перемещения точку опоры располагают таким образом, чтобы плоскость, касательная к этой точке была перпендикулярна возможному перемещению. 4. Чтобы сохранить с помощью точек опоры взаимное расположение тел в системе, необходимо иметь постоянно действующие силы, направленные перпендикулярно плоскостям, касательным к этим точкам. Такие силы называют замыкающими. Роль замыкающей силы может выполнять либо сила тяжести, либо сила действия специальных пружин. Геометрический метод конструирования применяется для конструкций, в которых должно соблюдаться точное взаимное расположение отдельных деталей. Машиностроительный метод В основу метода положена структура механических связей между элементами в виде системы опорных поверхностей. Используется для конструирования устройств и элементов РЭС, которые несут большие механические нагрузки, в результате чего неизбежны значительные деформации. Основные положения: Применение опорных поверхностей вместо опорных точек. Возможность расположения опорных поверхностей под углом к нежелательному перемещению. Замена замыкающих сил особой формой поверхностей. Обеспечение точности взаимного расположения деталей достигается за счёт точности их изготовления. Топологический метод конструирования При разработке монтажных схем, трассировки монтажа, решение задач компоновки. При этом конструкция моделируется графической структурой связей между элементами (графом) За вершины (узла) графа принимаются компоненты или их выводы, а ребрами (ветвями) являются проводники, связывающие соответствующие компоненты. Выполняя по определенным правилам преобразования графа, можно получить оптимальную конструкцию по выбранному критерию. Задачей метода является решение задачи оптимизации размещения элементов по критерию минимума суммарной длины связей. Связность элементов определяется графом. Граф G представляет собой фигуру, состоящую из множества точек Х (вершин) и множества рёбер V (ветвей). Каждое ребро соединяет пару каких-либо вершин. Ребро называют инцидентным вершине, если оно соединяет её с другой вершиной. Граф вида G=(X,V) может быть выражен в аналитической, геометрической или матричной форме. Любые две вершины, связанные между собой ребром, называют смежными. Основные положения: Сопоставление связанности элементов конструкции графу. Изоморфизм графов. У графа можно изменить порядок следования вершин при условии сохранения того же порядка соединения их инцидентными рёбрами. Преобразованный таким образом граф называют изоморфным, то есть сходным по форме с начальным графом. Использование свойств графов для размещения элементов на печатной плате и трассировки линий связи. При переходе от электрических схем к графам G=(X,U) для решения задач конструирования элементы схемы принимаются за вершины X=(xi;yj), а электрические цепи – за рёбра U=(ui;uj). Принципиальные электрические схемы не содержат замкнутых контуров, поэтому они отображаются плоскими графами, то есть графами с непересекающимися рёбрами. Плоскость изображается координатной сеткой, в узлах которой помещаются вершины графа. Поиск оптимальной топологии в РЭА базируется на использо­вании теории графов. Поэтому представляется полезным кратко ознакомиться с ней. ************************************************************************* Основные определения и свойства графов. Граф G представ­ляет собой фигуру, состоящую из множества точек Х (вершин) и множества ребер U (ветвей). Каждое ребро соединяет пару ка­ких-либо вершин. Граф вида G=(X, U) может быть выражен в аналитической, геометрической или матричной форме. Каждая пара вершин графа соединена ребром. Ребро называют инцидент­ным вершине, если оно соединяет ее с какой-либо другой вершиной. Любые две вершины, связанные между собой ребром, назы­вают смежными. Полный граф — это граф, у которого любая пара вершин со­единена ребром, в отличие от неполного графа, между некоторыми-парами вершин которого нет замыкающих ребер. Граф называют плоским, если он не имеет пересекающихся ребер, в отличие от неплоского графа, в котором таких пересечений избежать нельзя. Некоторые видимые в графе пересекающиеся ребра еще не есть пе­рекрестные, если пересечения их можно избежать соединением инцидентных им вершин ребрами в виде дуг, огибающих осталь­ные вершины У графа можно изменить порядок следования вер­шин при условии сохранения того же порядка соединения их инцидентными ребрами. Преобразованный таким образом граф на­зывают изоморфным, т. е. сходным по форме с начальным графом. Примеры геометрического построения и преобразования различ­ного вида графов приведены на рис. 2.1. Маршрутом S называют конечную последовательность неповто­ряемых ребер. Длина маршрута определяется числом ребер и их длиной. Цепь в графе образуется таким маршрутом, в котором нет повторяющихся ребер. Маршрут, в котором совпадают началь­ная и конечная вершины, называют циклом С,. Важным свойством графов является связность. Граф называют связным, если две его любые вершины связаны цепью. Множество вершин графа можно разбить на непересекающиеся компоненты связности, подграфы и суграфы. В связном графе перешейком на­зывают ребро, после удаления которого граф распадается на две компоненты связности. Образование компонентов связности упро­щает решение многих практических задач при исследовании подграфов. Связный граф с числом вершин не менее двух, у которых соеди­нение ребер не образует ни одного замкнутого контура, называют деревом Сд. Дерево имеет только одну компоненту связности. Несвязный граф, у которого отсутствуют циклы и содержится ме­нее четырех вершин, составляет множество деревьев. Такой граф называют лесом Сд. Минимальный лес состоит из минимального числа деревьев. Переход от электрических схем к графам и матрицам. При решении задач конструирования РЭА машинным способом исполь­зуют абстрактные математические модели электрических схем и алгоритмы, легко поддающиеся программированию для реализа­ции на ЭВМ. В наиболее приемлемом способе перехода от элек­трических схем к графам G= (X, U) для решения задач конструи­рования элементы схемы принимаются за вершины Х= {Хi, Xj), a электрические цепи — за ребра U= (Ui, Uj). В процессе перехода от схем к графам необходимо учитывать специфику схемных элементов и предусматривать простую раз­вязку узлов электрической цепи схемы. На рис. 2.2 показаны эле­ментарная электрическая схема со­единений из четырех элементов и возможные варианты отображения ее в граф. Как видно из рис. 2.2,6, вариант в виде полного графа имеет большое число избыточных ребер, усложняющих решение задачи, по­этому стремятся использовать более простые варианты графов, показан­ные на рис. 2.2,в, г, д. Также с це­лью упрощения задачи цепи схемы, общие для всех элементов (цепи пи­тания, земля), при переходе к гра­фам не учитываются. Принципиальные электрические схемы или схемы соединений от­дельных составляющих РЭА не со­держат замкнутых контуров и па­раллельных связей, поэтому они мо­гут быть выражены плоскими графами. Основой для прокладки' монтажных проводников служит монтажная плоскость, обычно изо­бражаемая в виде координатной сетки. Граф, нанесенный на пло­скости сетки, образует множество узлов (вершин), представляю­щих собой схемные элементы. Вершины графа соединяются наибо­лее короткими ребрами в соответствии с электрической схемой. На рис. 2.3 показан пример перехода от электрической схемы к графу, выраженному в координатной сетке 1х1. Задание графов и их формальное преобразование удобнее про­изводить с помощью матриц. Преобладающая часть известных алгоритмов конструирования работает с использованием матриц: смежности X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X1 2 3 1 5 X2 2 2 1 X3 3 2 3 3 X4 1 3 2 X5 1 3 2 1 X6 2 3 1 X7 3 1 3 X8 5 2 1 3 1 2 X9 3 1 3 2 где 0 указывает на отсутствие соединения вершин с ребром, а остальные числа указывают на количество соединяющих ребер. расстояний Функция расстояний между вершинами графа. X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X1 1 2 1 2 3 2 3 4 X2 1 1 2 1 2 3 2 3 X3 2 1 3 2 1 4 3 2 X4 1 2 3 1 2 1 2 3 X5 2 1 2 1 1 2 1 2 X6 3 2 1 2 1 3 2 1 X7 2 3 4 1 2 3 1 2 X8 3 2 3 2 1 2 1 1 X9 4 3 2 3 2 1 2 1 Здесь число матрицы показывает количество связывающих вершины ребер наименьшей длины. Когда в графе задана длина ребер, то в матрице расстояний вместо количества ребер между рассматриваемыми вершинами удобнее указывать их суммарную длину. матрица расстояний напишется в виде Матрица геометрии L графа, отображенного в решетке Gr, по­зволяет подсчитать суммарную длину его ребер. Например, матрица геометрии графа, отображенного в решетке L=S*D=… ……………. Качество трассировки печатных соединений зависит от того, насколько хорошо была решена задача размещения элементов на печатном поле. Выбирают такую числовую характеристику, которая обобщала бы все критерии (суммарная длина связи между элементами). li- длина отдельного соединения; n – общее количество. ************************************************************************ Методы размещения элементов. Аналитические (наиболее распространенные) Модельные Алгоритмы, используемые при аналитическом решении, делятся на последовательные и итерационные. Метод минимизации l-алгоритм последовательного размещения: произвольный граф, с помощью матрицы смежности строится стандартный граф по критерию макс. Смежности (для каждой строки матрицы геометрии выставляются элементы с максимальным количеством связей) повторяется, пока все вершины произвольного графа не будут перенесены на стандартный. Итерационный метод позволяет улучшить размещение. Особенностью является то, что на каждом их шаге существует вариант размещения не хуже начального. Улучшение достигается путем перестановки элементов на монтажного поля и оптимизации. Наиболее простым из итерационных алгоритмов является метод парных перестановок. Основным документом для решения топологии при компоновке элементов РЭА служат прин­ципиальные электрические схемы, схемы соединения, геометрия монтажных площадок (панелей, плат, шасси), размеры и форма размещаемых элементов. На размещение элементов значительное влияние оказывают также принятые в каждом случае критерии оптимального конструирования. В качестве основных критериев принимают минимальные зна­чения: расстояния между элементами, имеющими наибольшее ко­личество соединительных проводников; суммарной длины провод­ников; количества проводников; количества пересечений (для пе­чатного монтажа); количества проводников, присоединяемых к одной монтажной точке; количества проводников, присоединяемых к контактам электрических соединителей, соединительных планок и других опорных точек. С уменьшением расстояний между радиоэлектронными элемен­тами или между проводниками появляется опасность превышения допустимых пределов паразитных связей, при этом можно ожидать и ухудшения теплового режима. Таким образом, к перечисленным выше критериям прибавляются еще и критерии функционального качества, выражаемые электромагнитной совместимостью и теп­ловым градиентом. Как видно, задача размещения схемных элементов РЭА отно­сится к типу сложных, так как даже критерии оптимальности тес­но связаны между собой и противоречат друг другу. Численное решение таких задач можно получить лишь методом машинного поиска с постепенным приближением к оптимальному варианту. Размещение схемных элементов на монтажной площадке, вы­раженное в виде матриц или в математической форме, можно представить как задачу оптимизации графа. Эта задача решается различными методами, которые можно разбить на две группы. К первой группе относятся методы механического подобия, в которых между размещаемыми элементами условно вводят меха­нические связи, пропорциональные длинам проводников между этими элементами. Наименьшие связи соответствуют минимальной длине проводников. Введением условных сил трения системе сооб­щают устойчивое состояние. Ориентацию выводов от схемных эле­ментов на контактные площадки создают условными моментами сил. И, наконец, введением сил, обратно пропорциональных рас­стоянию между элементами и границей монтажного поля (края платы), т. е. сил, отталкивающих точки друг от друга, ограничи­вают передвижение элементов пределами монтажной платы. По­добный метод позволяет свести задачу поиска оптимального ва­рианта размещения элементов к составлению системы дифферен­циальных уравнений движения материальных точек и решению этих уравнений численным методом с помощью ЭВМ. Ко второй группе относятся методы постепенного улучшения размещения, вначале с наибольшим числом присоединяемых про­водников, транспортированием их на монтажной площадке, пока суммарная длина их не будет минимальной. Одновременно исполь­зуют эквивалентность между перестановкой элемента на плате и соответствующих строк и столбцов в матрицах связей. Иногда та­кие задачи решают поэтапно, начиная с произвольного размеще­ния элементов. За математическую модель монтажной площадки принимают плоскость сетки с ячейками единичного размера. На сетке рас­полагают схемные элементы с минимально допустимым расстоя­нием между ними. Эти расстояния выражаются в виде сумм 1+hK и Г+h'k, где / и V — унифицированные размеры элементов опре­деленных структурных уровней, размещаемых на пластинках, платах, панелях и рамах; h — шаг модульной или координатной сетки монтажной платы и К — принятый модуль 0, 1, 2, 3 и т. д. Алгоритм парных перестановок Строится исходный граф и определяется суммарная длина связей первоначального положения; Делаются парные перестановки, и определяется приращение суммарной длины связей. Если приращение отрицательное, происходит следующая перестановка; Алгоритм останавливает работу, если приращение суммарной длины станет положительным; Если число элементов в схеме N, то число перестановок: Из всех перестановок выбираются те, в которых отрицательное приращение суммарной длины связей максимально; Вывод информации (распечатка результатов). Задача разбиения сложных схем Задача разбиения сложных схем на более простые решается путём оптимизации связей между отдельными подграфами. Во-первых, получают подграфы с максимальной связностью между элементами (при помощи алгоритма парных перестановок), во-вторых, за определёнными подграфами закрепляют вершины, запрещённые для других подграфов. При разбиении графа на подграфы определяют: 1) Число внутренних рёбер в подграфе: Kii=Ui; 2) Число внешних соединительных рёбер: Kij=Uij; 3) Число рёбер, соединяющих подграфы между собой: Ki=0,5kij. Отношение суммы рёбер, заключённых во всех подграфах к числу рёбер, соединяющих подграфы называют коэффициентом разбиения: Алгоритм разбиения графов на подграфы основан на оптимизации коэффициента разбиения, то есть максимизации G. Моноблочный и модульный методы конструирования При моноблочном методе конструкция представлена в виде блока, расчленённого только на ЭРЭ. Такой метод применяется при конструировании микроэлектронной аппаратуры (однокристальные ЭВМ). Модульный метод основан на использовании функционально и геометрически совместимых модулей (функциональных узлов), из которых может быть построена по иерархическому принципу сколь угодно сложная конструкция РЭС. Анализ РЭС различных классов и назначений показывает что 80-90 % схем может быть реализовано подобным методом. Алгоритмический, эвристический и интуитивный методы конструирования Алгоритмический метод полностью автоматизирован для решения задач размещения элементов, трассировки линий связи и соединения узлов в блоки. Эвристический метод основан на решении задач, альтернативных по назначению с использованием базы данных ЭВМ. В случае, когда невозможно формализовать стадии принятия решения, полагаются на интуицию и опыт конструкторов высшей категории. Такой метод конструирования называется интуитивным. ************************************************************ Стадии разработки приборов системы Стадия – это период, в течение которого производится разработка проектной или рабочей документации определённого вида с определённой степенью выполнения решений. Этап – законченная часть стадии, на которой проводят отдельные работы. Различают проектные стадии, связанные с разработкой проектной и рабочей документации и рабочие стадии, связанные с непосредственным производством, изготовлением того или иного изделия. Последовательность стадий: Техническое задание Техническое предложение Эскизный проект Технический проект Рабочий проект Проектные стадии Рабочие стадии 1. Техническое задание (ТЗ) – основной исходный документ для проектирования, изготовления и эксплуатации изделия. ТЗ формируется на основе маркетинговых исследований, в результате которых выявляется свойство изделия, обеспечивающее его качество и конкурентоспособность. ТЗ строится в соответствии с ГОСТом 15000-82 и содержит следующие основные разделы: 1.1 Наименование и область применения (даёт краткую характеристику той области, в которой данное устройство будет эксплуатироваться); 1.2 Основы для проектирования (как правило, разрабатываются для определённого заказчика); 1.3 Цели и назначения проектирования; 1.4 Источники финансирования; 1.5 Технические требования (основной раздел); 1.6 Экономические показатели (указывается ориентировочная стоимость и окупаемость изделия); 1.7 Стадии и этапы проектирования (указываются нужные стадии, устанавливается необходимость разработки стандартов и проведения исследований); 1.8 Порядок контроля и приёмки (определяются требования к приёмочным испытаниям, устанавливаются сроки приёмки). Технические требования состоят из следующих подразделов: 1) Состав продукции и требования к конструкции (указывается наименование, количество и назначение основных составных частей). В этом подразделе указывают требования по ограничению массы и габаритных размеров, требования к средствам защиты, взаимозаменяемости, а также требования к устойчивости от воздействия электромагнитных полей и к виду и составу запчастей. 2) Показатели назначения экономного использования сырья, материалов, топлива и энергии. 3) Требования к надёжности. Существует четыре основных характеристики надёжности: долговечность, безотказность, сохраняемость, ремонтопригодность. 4) Требования к технологичности конструкции и метрологическому обеспечению. 5) Требования к унификации и стандартизации. Унификация ограничивает множество видов изделий двумя путями: либо выполнением большого разнообразия изделий на одной элементной базе, либо с помощью применения единой аппаратуры для решения различных задач. Стандартизация позволяет решать задачу взаимозаменяемости и обеспечивать эффективное производство и обслуживание РЭС за счёт применения стандартных частей. Уровень унификации и стандартизации определяется соответствующими коэффициентами: коэффициент унификации сборочных единиц Кус=Еуи/Еи, где Еуи – число унифицированных сборочных единиц, Еи – общее число сборочных единиц, входящих в изделие; коэффициент унификации деталей: Куд=Дуи/Ди, где Дуи – число унифицированных деталей, Ди – общее число деталей, входящих в изделие; коэффициент стандартизации изделия: . 6) Требования к безопасности и охране окружающей среды. К ним относятся правила по обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте РЭС, а также требования к охране окружающей среды при производстве, эксплуатации и утилизации РЭС. Конструкция РЭС должна обеспечивать защиту оператора от поражения электрическим током, от высоких температур, от рентгеновского и высокочастотного облучения, от последствий взрыва ЭЛТ, от механической неустойчивости и от огня. 7) Эргономические требования. Оптимизируется структура взаимодействия оператора с техническими средствами; физическая, информационная, психологическая и умственная нагрузка на оператора; условия деятельности; поддержание и восстановление работоспособности оператора. 8) Требования по обитаемости. 9) Требования технической эстетики. Предъявляются требования к художественной выразительности; рациональности формы (связаны с эстетическим восприятием определённых направлений); цветофактурному решению. 10) Требования к патентной частоте заключаются в обеспечении непопадания используемого технического решения под действие патентов в определённой стране. Определяются степенью защиты разрабатываемого изделия авторскими свидетельствами. Ппз=Ппз’+Ппз’’, где Ппз’ – показатель степени патентной защиты авторскими свидетельствами, а Ппз’’ – показатель степени патентной защиты авторскими свидетельствами за рубежом. 11) Условия эксплуатации. Здесь указываются требования к техническому обслуживанию и ремонту. Это требования к кинематическим и механическим воздействиям, виду обслуживания (постоянное или периодическое), ориентировочной стоимости обслуживания и ремонта, количеству и квалификации персонала. 2. Техническое предложение (ГОСТ 2118-83). Основная задача данной стадии – анализ ТЗ с целью выявления дополнительных или уточняющих требований: Стадия состоит из следующих этапов: 2.1 Подбор материалов; 2.2 Разработка технического предложения; 2.3 Присваивание документам литеры «П»; 2.4 Рассмотрение и утверждение технического предложения; 2.5 Проверка на патентную чистоту и конкурентоспособность. После сравнительной оценки, производится выбор оптимального варианта. 3. Эскизный проект (ГОСТ 2119-83) – это последняя проектная стадия, устанавливающая принципиальные, конструктивные и схемные решения. Выполняются следующие работы: a) Конструктивная проверка вариантов; b) Оценка изделия на технологичность; c) Оценка соответствия требованиям по качеству; d) Изготовление и испытание макетов; e) Решение вопросов по упаковке и транспортировке. Документации на этой стадии присваивается литера «Э». 4. Технический проект. Цель стадии – выявление окончательных решений, дающих полное представление о конструкции изделия. Разрабатываются конструкции изделия и его составных частей, принципиальные схемы и схемы соединений, технические решения, обеспечивающие надёжность изделий, защиту от внешних факторов, кроме этого решаются вопросы взаимозаменяемости и эргономичности. Изготавливаются чертежи общего вида сборочных единиц и чертежи деталей. Документации присваивается литера «Т». 5. Рабочий проект разрабатывается на основе технического проекта. На стадии проводятся следующие работы: a) Разработка и изготовления конструкторской документации для изготовления и испытания опытного образца; b) Изготовление опытного образца и предварительные заводские испытания с целью корректировки конструкторских документов; c) Изготовление и испытание головной серии. Испытания бывают предварительными (заводскими) и приёмочными. Предварительные испытания проводятся для проверки соответствия требованиям ТЗ, приёмочные испытания – с целью проверки готовности производства к серийному выпуску. По результатам предварительных испытаний, конструкторской документации присваивается литера «О1», по результатам приёмочных испытаний, после корректировки, конструкторской документации присваивается литера «А». Запуск в серийное производство осуществляется по конструкторской документации с литерой «Б». Указанная последовательность работ (если это упрощает разработку) может нарушаться. Например, стадия эскизного проектирования при разработке несложной РЭС может отсутствовать. Технические условия (ТУ) содержат требования к техническим параметрам и характеристикам изделия, предъявляемым при производстве, контроле, приемке, поставке. ТУ содержат: • введение; • технические требования; • правила приемки; • методы испытаний; • хранение и транспортировки; • указания по эксплуатации; • гарантии поставщика. Конструкционные системы. Унифицирование конструкции. Повышение элементаризации функциональных блоков приводит унифицированным конструкциям (УК). При этом решающим фактором является повышение производительности труда при разработке, изготовлению и эксплуатации. Определяющим считают унификацию и стандартизацию изделий и методов, а также специализацию труда при разработке и изготовлении в национальном и международном масштабе. Важным является: УК строятся по единым принципам и имеют структурированную иерархию. Высшая форма системы приборов: на базе единой системы типовых конструкций. Такая система охватывает приборы, выполняющие различных функции с учетом однозначной функциональной и конструктивной совместимости самих приборов, их элементов и узлов. Единая система должна обеспечивать возможность получения большого числа изделий из меньшего числа элементов. Модуль прибора – конструктивный элемент (узел), унифицированный преимущественно с точки зрения его функции, геометрии и материалов. Электронный модуль – функционально и конструктивно законченная составная часть радиоэлектронного средства (РЭС) или электронного устройства, реализующая функции преобразования электрических сигналов, выполненная на базовой несущей конструкции и обладающая свойствами взаимозаменяемости. Единая система типовых конструкций состоит из нескольких подсистем, определяющих функции приборов, их геометрические характеристики, форму, окраску, защиту, допуски, параметры надежности, а также правила изготовления, жизненный цикл, ремонт и т.д. В соответствии со структурой частей приборов, их внутренней и внешней связи, модули условно классифицируются по группам: • функциональные модули (выполняют функции преобразования и коммутации) • модули несущие защитные • связующие модули Каждый модуль выполняет несколько функций. Единые системы: зубчатые редукторы, переключатели, клавиатура, бытовые приборы. Наибольший интерес представляют системы, ориентированные на области приборостроения, связанные с типовыми несущими конструкциями. Для приборостроения, в связи с тем, что конструкционные элементы играют решающую роль, важны работы по унификации и конструированию систем.. Благодаря высокой повторяемости конструкций, упрощается процесс изготовления и эксплуатации. ************************************************************************** Структура и состав конструкционных систем. Конструкционная система (КС) представляет собой совокупность БНК разных уровней разукрупнения, обеспечивающую создание требуемого множества РЭС и организованную на основе определенных размерных соотношений с учетом условий эксплуатации, инженер­ной психологии, технологии производства. Разработка КС пред­полагает не только проведение комплексной унификации раз­меров, сортамента, конструктивно-технологических решений, но и создание типовых элементов конструкций, узлов и НК модулей различных уровней разукрупнения. Для КС обязательно раз­рабатывают полный комплект базовой конструкторской докумен­тации и экспериментально подтверждают получение требуемых паспортных характеристик. По способу построения КС представляют собой системы универсально-сборных каркасных конструкций, основу построения которых составляют сборные каркасы различных уровней, видов и типоразмеров. Несущая конструкция РЭС – элемент конструкции или их совокупность, предназначенная для размещения составных частей различного функционального назначения и обеспечения устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. БНК – несущая конструкция, имеющая стандартизованные размеры, констуктивное решение, которое обязательно при конструировании РЭА и приборов. Под каркасом понимают основание (остов) сборочной единицы или РЭС в целом, собранный, как правило, из отдельных элементов и обес­печивающий прочность и жесткость конструкции при заданных внешних воздействиях. В некоторых конструкционных системах такие сборочные единицы называют рамами, шасси и т. п. Наружные оболочки (кожухи), выполняемые, как правило, из листовых материалов, предназначены для придания конструкции завершенного вида, защиты от внешних климатических и механи­ческих воздействии, электромагнитного экранирования. Листы, составляющие оболочки, называют панелями, крышками или стенками. При невысокой интенсивности механических воздейст­вий допустимы бескаркасные варианты, в которых прочность и жесткость обеспечивают собранные в единое целое элементы конструкции и панели, несущие в этом случае механическую нагрузку. Одним из важнейших требований является обеспечение электромагнитной совместимости (должно обеспечиваться качество заземления). Разработанные конструкционные соединения имеют много общего, но и различаются. Общее число уровней колеблется от 3-х до 5, в основном 4 уровня. В 3-х уровневой системе – монтажная плата объединяется с каркасом. В 5 уровневой системе в отдельный уровень выделяют изделия электронной техники. Технологичность конструкционных систем. Производственную технологичность (ГОСТ 14.205—83) оценивают с помощью набора большого числа показателей, из которых важнейшие — трудоемкость, материало­емкость и себестоимость. Высокая технологичность КС связана, главным образом, с резким сокращением числа типоразмеров и принципом сборки из унифицированных типовых деталей. Так, при переводе аппаратуры приема и обработки информации с оригинальных НК на КС количество типоразмеров шкафов или блоков уменьшилось в 30...50 раз, а коэффициент повторяемости деталей возрос до 75%. Значительное снижение трудоемкости, материалоемкости и се­бестоимости связано с широким применением точных профилей, штампованных деталей, унифицированных способов и узлов крепления. Использование точных профилей при изготовлении КС значительно упрощает технологические процессы, сводя их, в ос­новном, к обрезке профилей и сверлению отверстий. В большинст­ве случаев достаточна точность обработки не выше 12 квалитета и допуски на межосевые размеры около ±0,2 мм. Это приводит к снижению трудозатрат в 3...5 раз и повышению коэффициента использования металла до 95%. Перспективны сложные профили с пазами для установки панелей и плат из алюминиевых сплавов, поверхности которых не требуют дополнительной обработки и допускают непосредственное нанесение декоративных покрытий. Для соединений в КС может быть использована сварка и сборка с помощью винтов или болтов. Для общей характеристики конструкционных систем РЭС приведем некоторые данные отраслевой КС «База-3», обес­печивающей построение конструкций шестнадцати типоразмеров в двух модификациях: сборочных узлов — 37; деталей—52; профи­лей— 3; типоразмеров стандартного крепежа (болтов, винтов) — 522, гаек—120; количество видов покрытий гальванических—7, лакокрасочных — 2. Значительное отличие в количестве винтов и гаек связано с широким применением самонарезающихся винтов, ускоряющих монтаж. Для изготовления КС разработаны типовые технологические процессы, приведенные, например, в ОСТ 4.054.062—83. Выбор модулей конструкционных систем. При компоновке модулей всех уровней необходимо придерживаться принципа функциональной и конструктивной законченности! Представим такой случай, когда ячейка предназначается для установки в блок, в свою очередь блок устанавливается в шкаф, причем число ячеек в блоке может достигать нескольких десятков. В блоке стараются сформировать функционально законченные схемы, но при конструктивной реализации блока не всегда могут быть заняты все установочные места под ячейки. Поэтому объемы блоков часто недоиспользуются (для стационарной аппаратуры—порой на 25% от полного объема). Чтобы устранить этот недостаток, разрабатывают частичные каркасы, составляющие как бы часть целого и входящие составной частью в комплектный блок. Подобные частичные блоки разрабатывают на разное число ячеек, причем с точки зрения потребителя КС чем шире номенклатура частичных блоков, тем лучше, но с точки зрения конструктора и производственника—тем хуже, поскольку удлиняются сроки разработок и освоения производства, возрастают затраты. Нужно помнить, что, используя КС, потребитель будет в чем-то терять. Эти потери называют потерями на адаптацию—приспособление модулей КС к нуждам потребителя. Но с государственных позиций внедрение КС почти всегда даст экономический выигрыш. Потери на адаптацию КС для решения конкретной задачи почти всегда характеризуются увеличением габаритов, массы, эксплуатаци­онных затрат. Например, для установки четырех ячеек можно использовать один пятиплатный или четыре одноплатных блока. В том и другом случае имеют место потери. В первом случае потери определяются лишним установочным местом, во втором—увеличением объема, массы, стоимости аппаратурной реализации за счет введения четырех несущих конструкций блока вместо одной. Выбор наилучшего варианта набора различных модификаций КС параметриче­ского рада осуществляют решением задачи Оптимизации, за критерий которой принимают затраты на разработку и производство КС при удовлетворении спроса на продукцию с учетом потерь на адаптацию. Основные конструкционные системы Известно, что затраты на изготовление изделий зависят от объема их выпуска нелинейно: C(N)»C0N", где C(N) —затраты на изготовление N изделий; Со, <х—коэффициенты, причем для радиопромышленности а «0,3. Увеличение объема выпуска изделий может быть достигнуто за счет: внутривидовой унификации—сокращения типономиналов изделий в рамках КС, предназначенной для разработки ЮС одного вида, например стационарной или морской (см. § 12.1); межвидовой унификации—сокращения типономиналов изделий за счет приме­нения одной и той же КС для изготовления РЭС различных видов. В настоящее время для построения РЭС, ЭВМ и электронных устройств различного назначения используют свыше двадцати КС, отличающихся конструк­торской реализацией, но построенных на основе рассмотренных выше общих принципов построения и стандартов. Такое большое разнообразие КС вызвано не столько объективными, сколько субъективными причинами, обусловленными узковедомственными интересами отраслей, поэтому достаточно рассмотреть основные характеристики нескольких представляющих наибольший интерес для конструирования РЭС систем; унифицированных типовых конструкций и входящих в единую систему средств приборостроения (ЕССП), задающих основные принципы построения других конструкционных систем; унифицированных базовых несущих конструкций (УБНК), имеющих достаточ­но высокий уровень межвидовой унификации; конструкционную систему для электронных измерительных приборов. Системы УТК и ЕССП. Эти системы занимают особое место, так как во многом организуют построение других КС, в частности, для всех КС с метриче­ской системой мер обязательны регламентирующие УТК-20 положения ГОСТ 20504—81: терминология, основные размеры модулей, структура КС и состав изделий разных уровней разукрупнения. Более того, система УТК-20, состав которой приведен на рис. 6.2, представляет собой одну из первых наиболее удачных я полно разработанных КС и получила широкое распространение при констру­ировании средств автоматизации и приборостроения для различных областей науки и техники. Для расширения возможностей разработана модификация УТК-19, выполненная в международной «19-дюймовой» системе мер. Опыт применения КС УТК подтвердил правильность и эффективность основных конструкторских решений, так что многие из них могут быть учтены при разработке новых КС. Структурам схема КС ЕССП (ГОСТ 26.204—83), приведенная на рис. 6.4, имеет необычный вид, так как отражает специфику международного стандарта МЭК 297—1, 1982. Размещение на первом месте передней панели характеризует не ее входимость, а лишь выбор в качестве первообразующего размера ширины передней панели, равной 19 дюймам (482,6 мм), однако это не мешает выделить обычные для РЭС в модульном исполнении четыре уровня разукрупнения. В ЕССП входит ряд конструкционных систем, из которых при конструирова­нии РЭС чаще других могут быть использованы система КАМАК, получившая широкое распространение в научном приборостроении, и система унифицирован­ных конструкций УК СМ ЭВМ, разработанная для серии малых ЭВМ. Для этих систем характерен очень высокий уровень показателей унификации изделий и технологичности. Преимущества реализации РЭС на конструкционных системах. Конструктивная завершенность РЭМ позволяет разбивать РЭС на относительно автономные при конструировании и изготовлении части, а сборку РЭС в единое целое в наиболее распространенном разъемном варианте осуществляют стыковкой частей легкосъем­ных электрических соединителей. Сформулируем основные преимущества модульного исполне­ния РЭС для этапов конструирования, производства и экс­плуатации. Действи­тельно, возможность выпуска РЭС в двух системах мер вызывает неудобства в силу несовместимости даже сходных по возмож­ностям и размерам модулей из разных систем. Система унифицированных типовых конструкций (УТК). Одним из важнейших требований к КС является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Для получения высокой эффективности экранирования КС в целом недостаточно ис­пользования металлов или металлизации при изготовлении эле­ментов конструкции. При разработке КС должны быть раз­работаны соединения, обеспечивающие малое сопротивление кон­тактного перехода между отдельными деталями КС, конструкции заземления РЭМ разных уровней разукрупнения. Разработанные КС, отличаясь в деталях, сохраняют много общих черт. Анализ наиболее распространенных отечественных и зарубежных систем показывает, что число уровней в них варьируется в пределах 3...S, причем в большинстве систем четыре уровня, в трехуровневых системах монтажные платы (нулевой уровень) фактически объединены с каркасами первого уровня, а пятиуровневые—расширены за счет уровня ИЭТ. Для выяснения типичного состава изделий в КС рассмотрим широко распространенную и детально разработанную систему унифицированных типовых конструкций (УТК). Эта структура, уровни разукрупнения которой, по сути, соответствуют ГОСТ 26632—85, является иерархической. 0.1 – монтажные вдвижные платы (могут входить во все подсистемы уровней); 1.1 – частичные каркасы; 1.2 – частичные переходные каркасы; 1.3 – частичные приборные каркасы; 2.1 – блочные вставные каркасы; 2.2 – комплектные вставные каркасы; 2.3 – блочные приборные каркасы; 2.4 – комплектные приборные каркасы; Комплектные каркасы представляют собой каркасы с передними панелями. 3.1 – встраиваемые кожухи; 3.4 – напольные шкафы; 3.5 – настенные шкафы; 3.6 – стационарные стойки; 3.7 – передвижные стойки; 3.8 – настольные стойки; 3.9 – столы; 3.10 – подставки; 3.11 – секции пультов; 3.12 – секции щитов. Нулевой уровень занимают выдвижные монтажные платы для объединения ИЭТ. Действительно, платы могут входить во все подсистемы первого, второго и третьего уровней разукрупнения, следовательно, в отношении входимости нулевой уровень действи­тельно лучше, к примеру, третьего, который соответствует устройствам, специально разрабатываемым для решения каких-то конкретных задач. В то же время совершенно очевидно, что монтажные платы соответствуют РЭМО, т. е. низшему уровню разукрупнения РЭС в модульном исполнении ГОСТ 26632—85. Занимающие первый уровень частичные каркасы предназначены для размещения, объединения электрическими и другими связями, присоединения к внешним цепям изделий, собранных, как правило, на монтажных вдвижных платах. Второй уровень составляют комплектные и блочные каркасы, объединяющие изделия, выполненные на частичных каркасах и (или) платах. Комплектные каркасы представляют собой каркасы с передними панелями. В случае простых или даже функционально сложных, но построенных на ИМС повышенной степени интеграции РЭС, необходимый для их размещения объем невелик. Это характерно для электронных измерительных приборов, РЭС для автоматиза­ции производства и средств связи. На первом и втором уровнях для этого введены приборные каркасы, представляющие собой каркасы с наружными оболочками, что обеспечивает построение конструктивно завершенных РЭС для автономного использова­ния—приборов. Третий уровень занимают шкафы и стойки, столы и пульты. Шкафы предназначены для установки, объединения электриче­скими и другими связями изделий, выполненных, как правило, на блочных каркасах. Основным отличием стоек от шкафов является отсутствие передней двери. Тумбы, столы и секции пультов используют для организации рабочего места оператора. Бескаркасные НК, пред­назначенные для объединения и защиты изделий, собранных на монтажных вдвижных платах или частичных каркасах, здесь названы кожухами. Система БНК При конструировании сложных РЭС различного назначения широкое распространение получила отраслевая КС унифицированных базовых конструкций, структура построения которой приведена на рис. 6.5. Базовой несущей конструкцией называется унифицированная или стандартизованная несущая конструкция, предназначенная для размещения конструкций низших уровней. В систему входят РЭМ четырех уровней разукрупнения. Но, строго говоря, отнесенные ко второму уровню УБНК-П фактически соответствуют частичным каркасам УТК. Некоторые размеры РЭМ в системе УБНК не соответствуют ГОСТ 20504—81, так как УБНК применяют для построения не только стационарных, но и возимых, наземных, морских и самолетных РЭС, на которые действие стандарта не распространяется. Кроме того, унифицированные ячейки УБНК-I устанавливают в УБНК-П и БНКЗ, хотя и вертикально, но в большинстве случаев не перпендикулярно, как предусматривает ГОСТ 20504—81, а параллельно лицевой панели унифицированных блоков. Такой способ установки ячеек удобен в транспор­тируемых РЭС при ограниченных размерах аппаратных отсеков, а на стационарные РЭС распространен с целью межвидовой унификации конструкций на первом и втором уровнях разукрупнения. Действительно, УБНК-I и УБНК-П, которые могут быть использованы в РЭС для различных объектов установки, представляют собой модификации, полученные за счет установки на универсальные шасси разных передних и задних панелей, узлов присоединения и фиксации. В то же время условные размеры унифицированных УБНК-I различных типоразмеров и модификаций соответствуют ГОСТ 20504—81, а некоторые отличия наружных и внутренних размеров обусловлены разницей в принятых значениях допусков на входимость. Базовые каркасы, по размерам соответст­вующие блочным каркасам УТК, позволяют размещать УБНК-I в БНКЗ рядами с шагом по высоте 200 мм. Специфику объектов установки учитывают главным образом конструкции третьего уровня разукрупнения БНКЗ, хотя для некоторых видов РЭС, например для автомобильных, разработаны также и универсальные шасси специальной конструкции. Напомним, что ГОСТ 20504—81 не распространен на размеры конструкций третьего уровня разукрупнения в пыле-, водо- и виброзащищенном исполнениях, применяемых в транспортируемых РЭС, но наружные и внутренние размеры БНКЗ стационарных РЭС полностью соответствуют его требованиям, что обеспечивает их совместимость с другими КС. По построению и размерам к УБНК РЭС близка распространенная отраслевая система «База-3» (ОСТ 4.410.017-82 и др.). 3й БНК-3 ЭМ-3 Шкафы, стойки, пульты 2й БНК-2 ЭМ-2 БЛОКИ 1й БНК-1 ЭМ-1 Функциональные узлы ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 0й Основание микросборок Структурные уровни определяют иерархию конструкции РЭС. На верхнем третьем уровне находятся наиболее сложные конструкции, построенные на основе БНК-3 (БНК – базовые несущие конструкции). БНК-1 рамочные и безрамочные ячейки на основе унифицированного ряда ПП. На основе БНК-1 выполняются электронные модули первого уровня (ЭМ-1); БНК-2 несущие основания герметичных и негерметичных блоков разъемной и книжной конструкции в составе электронных модулей второго уровня (ЭМ-2); БНК-3 несущие конструкции шкафов, стоек и пультов, объединяющих ЭМ-1 и ЭМ-2 в различных вариантах компоновки. Иногда в конструкцию шкафов и стоек входят не только блоки, но также функциональные узлы. Разделение на структурные уровни ограничивается неделимостью нижнего уровня, хотя для разработки микроэлектронных устройств подуровень нулевого уровня является высшим уровнем. В основе построения систем – все размеры конструктивных элементов должны быть кратны определенной величине ( например, 20 мм – УТК20). Есть разновидности систем, которые учитывают международные стандарты, в дюймах УТК19. В системе БНК-1 модуль построен – 2,5 мм, БНК- 2 (3) – 25 мм. Рассмотренные КС содержат все характерные элементы других систем, а система УБНК принята в качестве основы для рассмотрения особенностей конструирования РЭС при дальнейшем изложении материала. ************************************************************************* Конструкционная система электронных измерительных приборов. Типичным примером КС для построения электронных измерительных приборов или соответствующих им по сложности РЭС служит отраслевая система «Надел», схем построения которой приведена на рис. 6.6. Основу системы составляют базовые корпуса, при установке на которые дополнительной арматуры и деталей получают либо встраиваемые в БНКЗ либо настольные (приборные) корпуса. В конструкционной системе «Надел-75А» типоразмеры корпусов каждого из типов образуют ряды в метрической системе мер, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 20504—81 к условным номинальным размерам модулей первого и второго уровней разукрупнения при некоторых отличиях в допусках на совместимость и входимость. Все корпуса, кроме малогабаритного неагрегатируемого 5, допускают объединение по горизонтали или вертикали. В качестве условной ширины полного настольно-стоечного корпуса 2 Принят размер 480 мм, для высоты и ширины—значения из уже рассмотренных стандартных арифметических рядов для Н и В. Малогабаритные агрегатируемые корпуса 1 имеют три размера по ширине, допускающие агрегатирование по горизонтали до полного настольно-стоечного. Для размещения относительно несложных РЭС предусмотрены корпуса вставных блоков 3, устанавливаемых в модификацию настольно-стоечных кор­пусов, или малогабаритные корпуса 4. Аналогично малогабаритные осциллографические корпуса допускают не только размещение автономных РЭС, но и установку в полные настольно-стоечные РЭС. Для обеспечения соответствия отечественных электронных измерительных приборов международным стандартам, требованиям поставки на экспорт, создания единого парка измерений в рамках стран-членов СЭВ, разработана конструкцион­ная система «Надел-85», выполненная в соответствии с публикацией МЭК 297 (ГОСТ 26.202—81, ГОСТ 26.204—83 и другие стандарты ЕССП), с улучшенными технико-экономическими характеристикам. Характеристика систем несущих конструкций. Тип системы Назначение системы Конструктивные уровни Назначение констр. элементов Характерный параметр УТК Распространяется на все технические средства агрегатированных комплексов, приборов и средств автоматизации ГСП. «0» Монтажные платы Модуль 20 мм. «1» Частичные каркасы, переходные, приборные. «2» Блочные каркасы, вставные, приборные «3» Стойка, шкаф и т.д. БНК (УБНК) Все РЭС БНК-1 Ячейка Модуль 2,5 мм БНК-2 Вставной блок и его различные варианты 25 мм БНК-3 Стойка, шкаф, стол приборный НК (по МЭК 297) «1» Плата монтажная Дюймовая система мер Модуль 44,45 мм «2» Частичный корпус (блок, кассета) «3» Комплексный корпус (шкаф, стойка) *********************************************************************** Элементная база Элементная база РЭС – это совокупность ЭРЭ, применяемых в электромонтаже с учётом конструктивно-функциональной принадлежности. ЭРЭ называют прибор, устройство или деталь, выполняющую функции преобразования, распределения или переключение электрических сигналов, реализуемые электрической схемой. Навесной ЭРЭ совмещает функции механического крепления и электромонтажного соединения. Установочный ЭРЭ – элемент, конструкция которого выполнена так, что функции механического крепления и монтажного соединения разделены (переключатели, кнопки, трансформаторы и пр.). Основные требования, предъявляемые ЭРЭ: 1) Надёжная эксплуатация в течение заданного срока службы; 2) Устойчивость к внешним воздействиям; 3) Взаимозаменяемость по электрическим и механическим функциям. Стандартизация ЭРЭ обеспечивает эффективность, надёжность и взаимозаменяемость. Номиналы значений резисторов и конденсаторов определяются шестью рядами предпочтительных чисел (Е6, Е12, Е48, Е96, Е192, Е384). Они состоят из основных чисел и построены так, что каждый последующий ряд включает предыдущий с дополнением новых чисел между основными. Применение рядов предпочтительных чисел повышает геометрическую взаимозаменяемость ЭРЭ. Рассматривая более подробно требования, предъявляемые к ЭРЭ, можно выделить из них три основные группы: эксплуатационные, конструкторско-технологические и экономические требования. Эксплуатационные требования: 1) Заданный срок службы при определённых условиях эксплуатации; 2) Устойчивость к воздействиям климатических факторов; 3) Механическая прочность и жёсткость; 4) Защищённость от внешних полей; 5) Отсутствие излучения в пространство (металлический экранированный корпус); Конструкторско-технологические требования: 1) Удобство сборки, регулировки и ремонта; 2) Обеспечение взаимозаменяемости по электрическим и геометрическим параметрам; 3) Максимальное сокращение номенклатуры ЭРЭ в одном РЭС; 4) Технологичность ЭРЭ: низкая трудоёмкость и материалоёмкость. Экономические требования – это оптимальное соотношение между закладываемыми в конструкцию техническими требованиями и реальными возможностями производства с учётом себестоимости. Конструкторско-технологическая классификация и обозначение резисторов По назначению различают резисторы постоянные и переменные. Постоянные резисторы, бывают общего применения и специальные. Специальные резисторы делятся на прецизионные (допуск 1%); высокочастотные (работающие на частотах свыше 1ГГц); высоковольтные (больше 1,5кВ) и высокомегомные (R=1Гом и выше). Переменные резисторы, в свою очередь, бывают подстроичными (1) и регулировочными (2) (с линейной или нелинейной зависимостью). По материалу резистивного слоя резисторы делятся на проволочные, металлофольговые и непроволочные. Непроволочные резисторы бывают тонкослойными (металлодиэлектрические, металлоокисные, углеродистые и бороуглеродистые) и композиционными (плёночные с органическим или неорганическим диэлектриком и объёмные). В зависимости от конструктивного исполнения существуют резисторы нормального и тропического исполнения (последние имеют специальные виды защиты). По виду монтажа изготавливаются резисторы для навесного (3), печатного (1) или поверхностного монтажа (2). Установка элементов определяется ОСТ 4.010.030-81 и ГОСТ 29137-91. При разработке вариантов монтажа элементов на ПП комплексно учитываются специфические требования: • минимальное расстояние от корпуса элемента до места гибки вывода; • минимальное расстояние до места пайки; • допустимое время нагрева до температуры расплавления припоя; • ограничения по промывки и лакировки; • необходимость дополнительного крепления. Перечисленные параметры частично или полностью задаются в ТУ на элементы. Если нет, тогда ОСТ или ГОСТОМ. По характеру изменения сопротивления постоянные резисторы могут быть изолированными, герметизированными и вакуумными; переменные – с круговым перемещением линейной части и линейным перемещением. До 1968 года было введено следующее трёхбуквенное обозначение элементов: первая буква характеризовала материал, вторая – вид защиты, третья – различные дополнительные свойства. Например, МЛТ – металлоплёночный лакированный теплостойкий резистор; ППВ – проволочный переменный безкорпусной резистор. После 68 года вводится новое обозначение: первый элемент состоит из буквы С (сопротивление) или СП (сопротивление переменное), второй элемент – цифра от одного до пяти, обозначающая конструктивное исполнение элемента: 1 – непроволочное тонкослойное; 2 – непроволочное металлоуглеродистое; 3 – непроволочное композиционное приведённое; 4 – непроволочное композиционное объёмное; 5 – проволочное. С 1986 года решили обозначать резисторы следующим образом: первый элемент – одна или несколько букв: Р – резистор постоянный, РП – резистор переменный, НП – набор резисторов; второй элемент – цифра: 1 – непроволочный резистор, 2 – проволочный резистор; третий элемент (через дефис) – две цифры, характеризующие код конструкции; четвёртый элемент (через дефис) – мощность рассеивания в ваттах, пятый – сопротивление, шестой элемент – погрешность, например РП1-33-0,25-1к510%. Конструкторско-технологическая классификация и обозначение конденсаторов По характеру изменения ёмкости различают конденсаторы постоянные, переменные и подстроичные, по назначению конденсаторы делятся на специальные и конденсаторы общего применения. По конструктивному исполнению: 1. Способ монтажа 1.1 навесной; 1.2 печатный; 1.3 ИМС; 1.4 поверхностный. 2. Вид защиты 2.1 изолированные; 2.2 герметизированные; 2.3 уплотнённые. 3. Вид диэлектрика 3.1 органический; 3.2 неорганический; 3.3 оксидный; 3.4 газоразрядный. По техническим характеристикам: 1. Напряжение (рабочему) 1.1 низковольтные; 1.2 высоковольтные; 2. Область применения 2.1 слаботочные; 2.2 сильноточные; 3. Диапазон частот 3.1 звуковые; 3.2 радиочастоты; 3.3 ВЧ и СВЧ; 4. Точность 4.1 0-й класс (2%); 4.2 1-й класс (5%); 4.3 2-й класс (10%); 4.4 3-й класс (20%); 5. ТКЁ 5.1 положительный П33; 5.2 отрицательный М47. Установка конденсаторов на плату при монтаже регламентирована ОСТом: ОСТ4.010.030-81 «Установка ЭРЭ на печатные платы». При монтаже пользуются различными вариантами установки ЭРЭ. Выбор того или иного варианта зависит от плотности монтажа, требуемого качества установки, условий последующей эксплуатации изготавливаемых приборов и прочих факторов. Обозначение: первый элемент – одна или несколько букв: К – конденсатор постоянный, КТ – подстроичный конденсатор, КП – конденсатор переменной ёмкости; второй элемент – две цифры: материал диэлектрика; третий элемент (через дефис) – цифра и буква, характеризующие конструктивный тип конденсатора; четвёртый элемент (через дефис) – температурный коэффициент ёмкости, пятый (через дефис) – ёмкость, шестой элемент – погрешность, например К10-7В-М47-27пФ10%. Конструкторско-технологическая классификация и обозначение полупроводниковых приборов 1. По функциональному назначению: 1) Однопереходные (диоды); 2) Многопереходные (транзисторы). 2. По рабочей частоте: 1) Низкочастотные (до 3 МГц); 2) Среднечастотные (3-30 МГц); 3) Высокочастотные (30-300 МГц); СВЧ (свыше 300 МГц). 3. По допустим. мощности рассеивания: 1) Маломощные (<0,3Вт); 2) Средней мощ-ти (от 0,3Вт до1,5Вт); 3) Мощные (>1,5Вт). Обозначаются полупроводниковые приборы следующим образом: первый элемент (буква или цифра) характеризует марку материала: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия, И(4) – арсенид индия; второй элемент определяет тип: Т – биполярный, П – полевой, Д – диоды общего назначения, Ц – выпрямительные столбы, А – СВЧ диоды, В – варикапы, И – функциональные диоды, Н – диодные тиристоры, У – триодные тиристоры, Л – излучающие диоды, Г – генераторы шума, Б – диоды Ганна, К – стерилизаторы тока, С – стабилизаторы; третий элемент – три цифры, обозначающие принадлежность полупроводников к рабочей частоте и мощности: для транзисторов 101199 – НЧ транзистор малой мощности, 201299 СЧ транзистор малой мощности, 301399 – ВЧ транзистор малой мощности, 401499 – НЧ транзистор средней мощности, 501599 – СЧ транзистор средней мощности, 601699 – ВЧ транзистор средней мощности, 701799 – НЧ мощный транзистор, 801899 – СЧ мощный транзистор, 901999 – ВЧ мощный транзистор; буква С перед третьим элементом означает набор однотипных транзисторов; четвёртый элемент – буквы от А до Я, показывающие тип по параметрическим группам; пятый, дополнительный элемент (не у всех) – цифра от 1 до 6 для бескорпусных транзисторов характеризует вид выводов: 1 – гибкие выводы без подложки, 2 – гибкие выводы на подложке, 3 – жёсткие выводы без подложки, 4 – жёсткие выводы на подложке, 5 – контактные площадки, 6 – контактные площадки на подложке. Ex: 2ПС202А-2, КТ937А-2. Система условных обозначений ИС По функциональному назначению интегральные схемы бывают аналоговыми, цифровыми, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми. Аналоговые интегральные схемы (АИС) – интегральные схемы, у которых на выходе может устанавливаться любое напряжение. АИС преобразуют непрерывные сигналы. Цифровые интегральные схемы (ЦИС) используются для преобразования дискретной информации и имеют по входу и выходу только два уровня (так устроены операционные усилители). Аналого-цифровые интегральные схемы (АЦИС) служат для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, цифро-аналоговые интегральные схемы (ЦАИС) – для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Степень интеграции определяется следующим образом: Ки=[lgN]+1, где N – число активных элементов в одном корпусе. Для больших интегральных микросхем (БИС) степень интеграции не превышает пяти, для сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) Ки 6. По технологии изготовления интегральные схемы делят на гибридные и полупроводниковые. Гибридные ИС выполняются на диэлектрической подложке (пассивные элементы – в плёночном исполнении, активные - навесные). Для толстоплёночных ИС пассивные элементы наносятся вжиганием, для тонкоплёночных (толщина плёнок менее 100 мкм) – напылением. Активные элементы являются навесными и присоединяются с помощью пайки или сварки. Полупроводниковые ИС – интегральные схемы, у которых в качестве несущего элемента используется полупроводниковый материал. Такие схемы не имеют диэлектрического основания и выполняются в объёме или на поверхности. Полупроводниковые ИС бывают биполярными (p-n-p и n-p-n переходы формируются в кристалле), униполярными (построены по принципу МОП структуры) и совмещёнными. Всё многообразие ИС принято объединять в серии. Серия ИС – это набор совместимых по конструкции, технологии изготовления, входным и выходным уровням ИС, позволяющий при совмещении последних получать сколь угодно сложные РЭС. Обозначение ИС (см. схему). 1. Буква, обозначающая исполнение: К – общетехническое, Э - экспортное; 2. Комбинация из трёх или четырёх чисел, характеризующая номер серии ИС: 100999 или 10008999, причём если первая цифра в номере 1, 5, 6 или 7, то это полупроводниковая ИС, если 2, 4, 8 – гибридная ИС; 3- пленочные ИС и прочие. 3. Две буквы, характеризующие вид ИС по функциональному назначению: например: РУ – регистр, ЛА – логическое устройство; 4. Номер разработки в классе по функциональному назначению; 5. Вид исполнения выводов бескорпусных ИС. Корпуса интегральных схем Корпуса служат для защиты ИС от внешних воздействий, а также для удобства сборки модулей первого уровня. Корпуса бывают металлостеклянными, металлокерамическими, металлополимерными, керамическими и пластмассовыми. Корпуса ИС различаются по форме их проекций на монтажную плоскость, а также по форме сечения выводов. Корпуса делят на 5 типов и 12 подтипов. 1й тип: прямоугольная форма проекции корпуса с выводами круглого сечения, выполненными внутри проекции корпуса. Шаг выводов – 2,5 мм. На рисунке слева направо изображены 1.1-«пенал», 1.2-«трапеция», 1.3-«тропа» и 1.4-«посол». 2й тип: прямоугольная форма корпуса, выводы отогнуты перпендикулярно монтажной плоскости. Шаг выводов – 2,5 мм. Наиболее часто встречающиеся ИС. 3й тип: цилиндрическая форма корпуса с выводами круглого сечения, выполненными по окружности внутри проекции корпуса. Выводы располагаются друг относительно друга под углом 360/n, где n – число выводов (n=8 или 12). 4й тип: прямоугольная форма проекции корпуса, выводы ленточного типа, выполненные параллельно монтажной плоскости (планарные выводы). Проекция выводов выступает за проекцию корпуса. Шаг выводов – 1,25 или 0,625 мм. 5й тип: керамический корпус без выводов. Контакты выполняются вжиганием металла в перфорационные окна. Шаг выводов – 1,25 мм. Например: 413.48-1: 13- тип, размер корпуса, 4- прямоугольная форма проекции, 48- планарные выводы. 1 – порядковый номер регистрации. Каждый тип корпуса имеет свои достоинства и недостатки: с точки зрения удобства монтажа, возможности контроля. Плата считается нормальной, когда все контакты доступны для визуального контроля. После пайки необходимо осуществлять удаление остатков пайки. Это сложный процесс, поэтому используют безфлюсовую пайку. ***************************************************************** Печатные платы Классификация и конструкция. ПП – это деталь, состоящая из диэлектрического основания и рисунка в соответствии с принципиальной электрической схемой, являющаяся несущим основанием для установки ЭРЭ, элементов соединения и крепления. ПП отличаются друг от друга по конструкции. Этапы технологии получения ПП: 1. Получение заготовок; 2. Получение защитного рисунка; 3. Получение проводящего рисунка; 4. Дополнительная обработка. В качестве заготовок ПП используют фольгированные или нефольгированные волокнистые материалы (гетинакс или текстолит). ПП необходимых размеров получают нарезкой заготовок гильотинными ножницами из особо прочных сталей. Данный метод отличается высокой производительностью. Недостатком метода является наличие дефектов на краях заготовок. Для их устранения, заготовка подвергается последующей обработке. Второй способ нарезки ПП осуществляется дисковыми пилами с особотвёрдыми зубьями. Достоинство метода – ещё большая производительность, но при затупливании инструмента качество краёв заготовок существенно снижается. Отверстия в заготовках получают вырубными штампами или сверлением. В первом случае имеют место ограничения, связанные с диаметром отверстий (диаметр отверстия должен быть больше толщины платы). Для сверления используются высокооборотные сверлильные станки (2000 об/мин) с принудительной подачей на доли миллиметра за оборот. Угол заточки сверла для гетинакса – 100, для текстолита – 120. Дополнительная обработка заготовок осуществляется фрезерованием. Получение защитного рисунка. На рельефное клеше (1) предварительно наносится краска. Валик из офсетной резины (3), соприкасаясь с клеше, переносит рисунок сначала на офсетную резину, а затем на заготовку (2). Такой метод применяется для изготовления ПП невысокого класса точности и обладает высокой производительностью при низкой стоимости. Недостатком метода является необходимость обеспечения точного соотношения между скоростью вращения валика () и скоростью поступательного движения стола (V). Сеткографический метод: Рисунок получается продавливанием резиста (5) через отверстия металлической или капроновой сетки (1) с предварительно нанесённым рисунком. Положительные стороны метода – простота оборудования и малое время нанесения рисунка; отрицательные стороны – невысокая износостойкость сетки и искажение рисунка на плате из-за её деформации. Фотопечать: Сначала изготавливается фотооригинал: чёрно-белое или другое контрастное изображение в увеличенном масштабе. Обычно фотооригинал вычерчивается тушью в масштабе 5:1 или 10:1 в позитивном изображении. После этого изготавливают фотошаблон – рисунок в масштабе 1:1 на плёнке или пластине путём перефотографирования фотооригинала. При этом ошибки рисунка на фотошаблоне Zш уменьшаются по сравнению с ошибками на фотооригинале Zф: Zш=Zф/М (М – масштаб фотооригинала). Затем на поверхность ПП наносят фоторезист – материал, чувствительный к УФИ части спектра. Фоторезист бывает жидкий или сухой плёночный. Жидкий фоторезист можно наносить окунанием, разбрызгиванием или валиком, при этом необходимо получить равномерное тонкое покрытие толщиной от 5ти до 12 мкм. Сухой плёночный фоторезист имеет толщину 50 мкм и наносится путём совместного протягивания вместе с заготовкой через нагретые валики. После того как рисунок нанесён, выполняется засвечивание фоторезиста. Засвечивание осуществляется УФИ лампой. Освещённые участки задубливаются, незадубленный фоторезист смывается. Получение проводящего рисунка. Всё многообразие методов изготовления ПП разделяют на две большие группы: субстрактивные (substratio – отнимать) методы и аддитивные (additio – прибавление) методы. В субстрактивных в качестве основания ПП используют фольгированные диэлектрики, на которых проводящий рисунок формируется путём удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация контактных отверстий приводит к созданию комбинированных методов. Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрической основе. По сравнению с субстрактивными, они обладают следующими преимуществами: 1) однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе; 2) устраняется подтравливание элементов печатного монтажа; 3) обеспечивается равномерная толщина металлического слоя в отверстиях; 4) появляется возможность повысить плотность монтажа; 5) упрощается ТП за счёт исключения операции нанесения защитного покрытия и травления; 6) снижаются затраты на медь, химикаты и нейтрализацию сточных вод; 7) уменьшается продолжительность рабочего цикла. Несмотря на перечисленные преимущества аддитивных методов, их применение ограничивается низкой производительностью процесса металлизации, а также интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик. В реальных производственных условиях доминирующими остаются субстрактивные технологии. Инженерное обеспечение качества изображения. Основные факторы, определяющие результат наложения: • Качество экспонирования и точность совмещения; • Окружающая среда; • Стабильность геометрических размеров фотошаблона; • Совмещение рисунка при последующих операциях. Для серийного с разрешением 0,2 – 0,3 мм. Используют установки с источником рассеянного света. Может произойти разрыв края резиста. Но частицы в зоне засветки не влияют на резист благодаря боковым пучкам (до 30 мкм.). Помещения не требуют принятия дополнительных мер. Перегрев фотошаблона в зоне экспонирования может достигать 10 С, что приводит к изменению размеров. Есть свои особенности, связанные с совмещением. В серийном производстве печатных плат максимальное разрешение 0,17 мм – для самых лучших установок этого класса. Для меньших величин применяются более высокие требования. Классы точности 1 класс точности – платы с пониженной плотностью монтажа, 0,5 мм. 2 класс точности – не менее 0,25 мм 3 класс точности – до 0,15 мм; платы, на которых расположены ИС средней степени интеграции. Не стоит выбирать плату большего класса точности, так как это влечет за собой повышение точности элементной базы. Шаг 1,25 и 2,5 мм вполне достаточны для установки и троссеровки. 4,5 класс точности – более высокие требования. ************************************************************************* Методы изготовления печатных плат. 1. Субтрактивные 2. Аддитивные 3. Полуаддитивные 4. Комбинированные Субстрактивные методы. Метод наиболее распространен для различных по сложности конструкций. Основной метод – химический. Реализуется в производстве односторонних печатных плат, где присутствуют селективная защита и травление. Схема процесса: • Вырубка заготовки; • Сверление отверстий; • Подготовка поверхности фольги, удаление заусенцев; • Трафаретное нанесение защитного рисунка; • Травление открытых участков; • Сушка; • Нанесение паяльной маски; • Горячее облуживание открытых участков припоем; • Ненесение маркировки и контроль. Удаление фольги с непроводящих участков осуществляется либо с помощью торцевой фрезы (для единичного и мелкосерийного производства), либо химическим травлением (офсетно-химическим, сеточно-химическим или фотохимическим): 2FeCl3+Cu2FeCl2+CuCl2. В последнем случае получаются ПП высокой точности с малым количеством пробельных мест. При восстановлении из раствора потери меди составляют 80%, кроме этого происходит подтравливание за счёт длительного взаимодействия хлористого железа с металлом. Для снижения эффекта подтравливания необходимо использовать тонкий слой фольги. Преимущества: возможность полной автоматизации, высокая производительность, низкая себестоимость. Недостатки: низкая плотность монтажа, использование фольгированных материалов, наличие экологических проблем. Механическое формирование зазора. Из сплошного слоя фольги делают рисунок. Используют специальные фрезы и станки с ЧПУ. Необходимо обеспечивать постоянство размеров. Метод отличается коротким технологическим циклом. Недостатки: большой расход фрез, низкая производительность. Лазерное гравирование. Для получения отверстий используют СО2 лазеры, а для зазоров – ультрофиолетовые лазеры. Метод достаточно производительный, высокое разрешение – до 0,5 мм, но дорогое оборудование. Аддитивные методы. Можно получить рисунок с помощью метода переноса со стальной матрицы. В гальваническую ванну помещается отполированная стальная матрица с защитным рисунком. После гальванического осаждения меди рисунок удаляется с матрицы и запрессовывается в горячем виде в диэлектрик. В качестве диэлектрика используются термопластичные материалы (пластмассы). Фотоаддитивный процесс: • Вырубка заготовки; • Сверление под металлизацию; • Нанесение фотоактивируемого катализатора; • Активация катализатора через фотошаблон-негатив; • Толстослойное химическое меднение (ТХМ); • Промывка платы; • Глубокая сушка; • Нанесение паяной маски; • Маркировка; • Обрезка по контуру; • Электрическое тестирование (контроль); • Приемка (сертификация). Преимущества: использование нефольгированных материалов, возможность воспроизведения тонкого рисунка. Недостатки: длительный контакт открытых участков с растворами, длительность процессов ТХМ. Рассмотрим ещё один аддитивный метод получения токопроводящего рисунка (метод переноса): электрохимический. На нефольгированный диэлектрик (стеклотекстолит или гетинакс) наносится защитный рисунок таким образом, чтобы проводники и контактные площадки оставались открытыми. После этого выполняют сверление отверстий, подлежащих металлизации и проводят химическое меднение. Последнее включает в себя три операции: 1. Сенсибилизация: SnCl2Sn2+; 2. Активация: Pd2++Sn2+Pd0+Sn+4; 3. Меднение: CuSO4+HCHO+NaOHCu+HCO2Na2+H2O. Химически осаждённая медь имеет толщину 1,5 мкм и является электродом для гальванического осаждения. После гальванического осаждения, для получения монолитной структуры осуществляют оплавление рыхлой осаждённой меди. Завершающим этапом является нанесение защитного оловянно-свинцового сплава Розе для улучшения паяемости. Для всех аддитивных методов характерен эффект разращивания, возникающий в результате того, что толщина слоя защитного рисунка меньше толщины слоя проводящего рисунка. Для устранения возможного эффекта закорачивания следует увеличить толщину слоя защитного рисунка (например, посредством использования сухого плёночного фоторезиста). Преимущества: отсутствует процесс травления, экологически чистый. Недостатки: низкая скорость процессов ТХМ, неустойчивость этих процессов, затруднена металлизация отверстий. Полуаддитивный метод по сравнению с негативным и позитивным методами имеет два преимущества: отсутствие эффекта разращивания за счёт применения толстого слоя защитного рисунка и снижение эффекта подтравливания, так как слой химически осаждённой имеет малую толщину. Необходим токопроводящий слой, который создается по 2-м характеристикам: атгезия и прочность: • Химическое осаждение тонкого слоя металла до 1 мкм • Вакуумное напыление • Газотермическая металлизация Классический полуаддетивный метод. Схема процесса: • Вырубка, сверление • Нанесение тонкого подслоя металла • Усиление слоя до 6 мкм • Экспонирование фоторезиста (через шаблон позитив.) • Основная металлизация (гальваническая) • Гальванияческое нанесение металлорезиста (чистые металлы, сплавы) • Удаление экспонированного фоторезиста • Вытравливание тонкой металлизации • Гальваническое осаждение контактных покрытий на концевые ламели (контактные площадки) • Отмывка, сушка • Нанесение паяной маски • Нанесение финишных покрытий под пайку Преимущества: использование нефольгированных материалов, хорошее воспроизведение тонких проводников. Недостатком метода является низкая адгезия проводников с несущим основанием. Аддетивный метод с дифференциальнымтравлением. Нет металлорезиста. Для формирования рисунка используется разница в толщине металлизации. Преимущества: высокое разрешение, малые прямые расходы. Недостатки: более сложное оборудование, сложность управления процессом. Комбинированные методы. Комбинированный негативный метод получения проводящего рисунка подразумевает последовательное выполнение следующих операций: 1) Входной контроль фольгированного диэлектрика; 2) Нарезка заготовок; 3) Вскрытие базовых отверстий; 4) Сверление отверстий, подлежащих металлизации; 5) Химическая металлизация; 6) Подготовка поверхности металлизированных заготовок; 7) Нанесение защитного рисунка схем; 8) Травление; 9) Удаление защитного слоя; 10) Сверление отверстий, не подлежащих металлизации; 11) Гальваническое осаждение меди; 12) Нанесение сплава Розе; 13) Обрезка плат по контуру; 14) Выходной контроль и консервация. Комбинированный позитивный метод подразумевает осуществление травления после электролитического меднения и включает в себя следующие операций: 1) Входной контроль фольгированного диэлектрика; 2) Нарезка заготовок; 3) Вскрытие базовых отверстий; 4) Сверление отверстий, подлежащих металлизации; 5) Химическая металлизация; 6) Декапирование (удаление жировых и окисных пятен 10%ным раствором HCl); 7) Нанесение защитного рисунка схем; 8) Электролитическое меднение и нанесение металлорезиста; 9) Удаление фоторезиста; 10) Травление меди; 11) Выходной контроль и консервация. Выбор метода изготовления печатных плат. Цель – воспроизведение рисунка заданного класса точности. ГОСТ 23751 – оговаривает ряд критериев, из которых одним из основных можно рассматривать точности воспроизведения «проводник-зазор» Разрешающая способность фоторезиста: F – толщина фоторезиста. Величина подтравливания: Н – толщина фольги. Зазор: =z+2x=4/3(F+H) Толщина фольги (Н) Толщина гальванического наращивания Зазор, мм () 70 40 0,2 35 35 0,16 18 30 0,13 9 25 0,11 Полуаддетивный метод Комбинированный позитив. метод Тентинг - метод Параметры сравнения 0,04 0,085 0,13 Зазор 2…3 1,4 1 Относительная стоимость производства 8…10 2…3 1 Относительная стоимость инженерного обеспечения Многослойные печатные платы Такие платы используются для создания схем с повышенной плотностью монтажа. При изготовлении многослойных печатных плат (МПП) применяются те же технологические приемы, что и для изготовления односторонних и двусторонних печатных плат, однако более тщательно соблюдаются технологические режимы: с высокой точностью изготавливаются фотошаблоны, с особой точностью сверлятся отверстия, кроме этого предъявляются высокие требования к качеству металлизации отверстий. Метод металлизации сквозных отверстий Проводящие слои изготавливаются методом травления тонкого фольгированного диэлектрика. Пакет из проводящих слоев изолируется лакотканью и прессуется. В спрессованном пакете просверливаются отверстия, после чего проводится химическое и электролитическое осаждение меди. За счет металлизированного отверстия осуществляется межслойная коммутация проводящих слоев. Этим методом изготавливают печатные платы с числом слоев до 10. Метод попарного прессования 1. Нарезка заготовок и получение рисунка схемы на внутренних слоях; 2. Выполнение необходимых межслойных соединений на каждой из заготовок между наружными и внутренними слоями; 3. Прессование с прокладкой из стеклотекстолита, пропитанного клеем; 4. Нанесение защитного слоя на наружных сторонах. Сверление отверстий для соединения наружных слоев; 5. Металлизация просверленных отверстий. Метод послойного наращивания Метод состоит в последовательном наклеивании диэлектрика и осаждении проводящего рисунка аддитивным методом. В отверстиях и на поверхности диэлектрика наращивают металл. Затем методом травления получают рисунок. На него наклеивают другой слой перфорированного диэлектрика и повторяют те же действия. Метод послойного наращивания отличается надежностью и высокой плотностью размещения. Недостатком метода является высокая трудоемкость и длительность процесса. Материалы для изготовления печатных плат ГФ-1(2)-35 (для ОПП, ДПП) – гетинакс фольгированный, 1(2) – количество слоев фольги, 35 – толщина фольги в микрометрах, толщина диэлектрика 1-3 мм; СФ-1(2)-35(50) (для ОПП, ДПП) – стеклотекстолит фольгированный, 1(2) – количество слоев фольги, 35(50) – толщина фольги в микрометрах, толщина диэлектрика 1-3 мм; СТЭК – нефольгированный диэлектрик для изготовления ОПП и ДПП полуаддитивным методом, толщина диэлектрика 1-3 мм; Слофадит – нефольгированный диэлектрик для электрохимического метода изготовления ОПП и ДПП, толщина диэлектрика 0,2 мм толщина диэлектрика 1-3 мм; СТФ-1(2)-35 (для ОПП, ДПП) – теплостойкий фольгированный стеклотекстолит, 1(2) – количество слоев фольги, 35 – толщина фольги в микрометрах, толщина диэлектрика 1-3 мм; ФДМ-1(2)-20 (МПП, ГПП) – фольгированный диэлектрик малоразмерный, 1(2) – количество слоев фольги, 20 – толщина фольги в микрометрах, толщина диэлектрика 0,2 мм. Габариты печатных плат 1. Особомалогабаритные (до 180Х90) 3. Среднегабаритные (до200Х240) 2. Малогабаритные (до 120Х180) 4. Крупногабаритные (до 240Х300) Размеры одной из сторон ПП выбирают исходя из величины шага (5 мм для размеров от 25 до 75 мм; 10 мм для размеров от 80 до 110 мм; 20 мм для размеров от 120 до 240 мм). Другая сторона определяется в масштабе 1:1; 1:3; 2:3 или 2:5 по отношению к известной стороне. *********************************************************** Этапы конструирования печатных плат 1. Изучение технического задания осуществляется с целью определения по условиям эксплуатации группы жесткости (ОСТ 4.077.00 – «Группы жёсткости»). На основе групп жесткости выбираются материалы и толщина печатных плат. 2. Выбор типа и технологии ПП. Конструкция ПП выбирается исходя из ограничений на размеры, а также из экономических факторов. Выбор технологии изготовления определяется конструкцией ПП. 3. Выбор шага координатной сетки и обоснование выбора материала. Шаг координатной сетки определяется минимальным расстоянием между выводами ЭРЭ. Он должен быть кратен следующим числам: 0,625; 1,25; 2,5. Чем выше плотность монтажа, тем меньше шаг координатной сетки. 4. Топологическое конструирование платы. На этом этапе стремятся достичь минимальных размеров рисунка на плате, обеспечивающих размещение ЭРЭ в соответствии с заданной принципиальной схемой, набором ИЭТ и вспомогательной техникой. Решение этого вопроса разбивается на два этапа: 1) Размещение; 2) Трассировка. Критерии оптимального размещения: a) Минимум суммарной длины связей; b) Минимум максимальной длины сигнальных цепей; c) Максимально близкое расположение элементов с наибольшим числом взаимных связей. Основные правила размещения: • Шаг установки ИМС выбирается исходя из требований к тепловому режиму и числу задействованных выводов; • Пространственная ориентация элементов должна учитывать направления охлаждающих потоков воздуха; • В узле разъемной конструкции в первом столбце размещаются элементы, максимально связанные с соединителем. Критерии оптимальной трассировки: a) Уменьшение задержки сигнала; b) Минимум длины параллельно идущих проводников; c) Равномерность распределения проводников по проводящим слоям. Основные правила трассировки: • Прямая разводка, когда элементы соединяются по кратчайшему пути. При этом происходит удлинение трасс за счет того, что предыдущая трасса мешает проведению последующей. • Координатная разводка. Обход препятствия осуществляется путём перевода трассы на другую сторону с помощью переходного отверстия. 5. Расчет геометрических параметров проводящего рисунка: 1) Расчет ширины проводников; 2) Выбор диаметра контактных площадок; 3) Выбор диаметра переходных отверстий; 4) Расчет по постоянному и переменному току. 6. Оформление конструкторской документации (КД). Печатные узлы с поверхностным монтажом компонентов. Рис.1: Бескорпусной транзистор с гибкими выводами (КТ301-1, КТ311-1, КТ318-1, КТ322-1); Рис.2: Бескорпусной транзистор с балочными выводами (ХХХХХ-2); Рис.3: Бескорпусной транзистор с шариковыми выводами (КТ348-3); Бескорпусные микросхемы, как и транзисторы, могут быть с гибкими, балочными и шариковыми выводами. Часто интегральные микросхемы (ИМС) выполняют на кристаллодержателе: керамической конструкции, внутри которой устанавливается либо один, либо несколько кристаллов с выводами, распаянными на контактные площадки. Последние вжигаются в керамику кристаллодержателя (смотри рис.4). Кристаллодержатель устанавливается своими контактными площадками (КП) на КП диэлектрического основания. Варианты установки элементов поверхностного монтажа: • На клей (на печатную плату через трафарет) • На плату наносится припойная паста через трафарет, либо дозатором. (для элементов небольших габаритов) Групповые методы: 1. пайка волной и двойной волной припоя 2. пайка селективной волной 3. конвекционная (инфракрасная) пайка – пайка в печи. Пайка волной и двойной волной припоя. Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы. Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя. Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя. Конвекционная пайка Для успешного использования конвекционной пайки требуется учесть  4 главных фактора: 1. Предварительный нагрев Выбранный температурный профиль и более длительное время выдержки влияют на поведение флюса и оптимизацию соотношения времени воздействия и времени плавления.   2. Пиковая температура и время плавления Достижение правильного минимума и максимума пиковой температуры наряду с установлением требуемого времени плавления необходимо для того, чтобы обеспечить целостность платы и компонентов, а также изготовить качественное паянное соединение.   3. Скорость охлаждения Скорость охлаждения влияет на микроструктуру соединения и на интерметаллические паянные образования. Более быстрое охлаждение дает более чистые и однородные микроструктуры, которые образуют в результате более крепкие соединения. Однако компоненты, пайку и материалы, из которых изготовлена плата, нельзя подвергать чрезмерно быстрому охлаждению, т.к. это может привести к возникновению дефектов. 4. Время Итоговая производительность определяется соотношением между размером платы и скоростью движения конвейер. Рекомендации: Основное внимание должно быть уделено широким контактным площадкам и зазору между контактными площадками, которые зависят от шага и ширины. Для микросборок с шагом не менее 0,625 мм контактная площадка должна быть на 2 мм шире чем вывод, а по длине на 0,3 – 0,4 мм больше. Если менее 0,625 мм – ширину контактных площадок можно уменьшить. Контактные площадки находятся в узлах координатной сетки. Расстояние между смежными рядами должно быть кратно шагу координатной сетки. Контактные площадки должны выступать из-под элемента. Если используется пайка волной припоя, то размер – 0,7 мм, если в печи, то 0,3 мм. Величина перекрытия зависит от размеров металлизации, которая колеблется у различных элементов от 0,2 до 0,5 мм. При пайке в печи элемент должен лежать на контактной площадке полностью. При пайке волной, размер перекрытия может быть сведен к нулю. В целом, желательно, чтобы контактная площадка располагалась в узлах координатной сетки. Конструирование электронных модулей 1-го уровня (ЭМ1) В основе ЭМ1 лежит печатный узел: печатные платы с установленными ЭРЭ, элементами механического крепления, контроля, фиксации и элементами соединения. При конструировании ЭМ1 решают следующие задачи: 1. Выбор варианта конструкции модуля: КОНСТРУКЦИЯ ЭМ1 Разъёмная конструкция С гибким печатным кабелем Рамочная конструкция Безрамочная конструкция С односторонним монтажом С двусторонним монтажом Одноузловая конструкция Многоузловая конструкция 2. Осуществление рациональной компоновки конструкторско-технологических зон на поверхности печатного узла: Компоновка конструкторско-технологических зон на поверхности печатного узла осуществляется следующим образом (см. рисунок): S1 – зона расположения элементов контроля; S2 – зона расположения соединителей; S3 и S3’ – зоны расположения элементов крепления; S4 и S4’ – зоны расположения ЭРЭ; S5 – зона расположения дополнительных элементов для усиления жёсткости. 3. Выбор типа электрического соединителя; 4. Выбор элемента крепления, контроля и фиксации; 5. Обеспечение нормального теплового режима; 6. Обеспечение защиты от механических воздействий; 7. Обеспечение электромагнитной совместимости. Требования к ЭМ1 1) Конструктивная завершенность электронного функционального узла; 2) Конструктивная совместимость и надежное соединение с другими частями РЭС; 3) Устойчивость к внешним воздействиям; 4) Эксплуатационная надежность; 5) Низкая стоимость. Конструкционная система (КС) представляет собой базовые несущие конструкции различных уровней разукрепления, обеспечивающие создание множества РЭС на основе определённых размерных соотношений с учетом эксплуатации и технологии производства. Конструкционные системы обладают внутривидовой унификацией, т. е. сокращением типоразмеров изделий в рамках одной КС, предназначенной для разработки РЭС одного вида, например стационарной. Межвидовая унификация КС предусматривает сокращение типоразмеров за счет применения одной и той же КС для аппаратуры различных видов. Конструкция ЭМ-1 на основе УБНК1 Бескаркасный модуль: 1 – Передняя панель Нп Х Вп; 2 – Элемент кодирования - для защиты от неправильного подсоединения модуля; 3 – Соединитель; 4 – Печатная плата размером L0 Х H0; 5 – Наиболее выступающий ЭРЭ высотой Нэ. Каркасный модуль первого уровня предполагает, что печатный узел закрепляется на соответствующем каркасе. Ручка крепится к раме при помощи невыпадающих винтов. Подобные каркасные модули предназначены для простых и сложных РЭС при жёстких массогабаритных ограничениях, обладающих высокой контрольной и ремонтной пригодностью (возимых, носимых, морских, самолетных и вертолетных РЭС). Система обозначений УБНК-1 1 5 2 3 4 1. Буква Я (ячейка); 2. Буква или цифра, обозначающая вид аппаратуры: У – универсальная, 1 – стационарная для ЭВМ; 2 – аппаратура дискретной автоматики; 3 – стационарная, кроме ЭВМ; 4 – машинная (на колёсном шасси); 5 – на гусеничном шасси; 6 – морская; 7 – самолётная. 3. Через дефис, цифра, характеризующая вид конструкции: 1-рамочная, 2-безрамочная; 4. Через дефис, двузначный код по линейным размерам; 5. Через дефис, цифра, обозначающая количество плат. Пример: Я1-1-22-1. Конструирование электронных модулей 2-го уровня (ЭМ2) Под электронными модулями второго уровня понимают блоки, построенные на несущих конструкциях БНК2. Эти блоки могут быть вставными (для установки в шкафы или стойки), автономными с кожухами, иметь индивидуальные блоки питания и средства защиты от внешних воздействий. Блоки автономной эксплуатации – это в большинстве случаев автономные приборы. Требования к ЭМ2: 1. Возможность размещения электрического и механического соединения ЭМ1, рациональное расположение устройств отображения информации и органов управления; 2. Оптимальное использование объёма; 3. Защита от климатических и механических воздействий; 4. Унификация, стандартизация и типизация конструкторских решений; 5. Конструктивная совместимость с другими РЭС, включая серийные приборы; 6. Обеспечение нормальных тепловых режимов и электромагнитной совместимости; 7. Высокая технологичность; 8. Согласованность с человеком-оператором (эргономические требования); 9. Композиционная целостность и эстетическое оформление; 10. Удобство размещения блоков на объекте. Задачи, решаемые при конструировании ЭМ2 1) Выбор варианта конструкции блока; 2) Рациональное размещение устройств отображения информации и органов управления; 3) Рациональное размещение ЭМ1 и минимизация объёма зоны межузловых соединений; 4) Обеспечение нормального теплового режима; 5) Обеспечение защиты от механических воздействий. 1. Зона размещения устройств отображения информации и органов управления; 2. Зона размещения ячеек (полезный объём блока); 3. Зона размещения элементов межблочной коммутации или источников питания; 4. Зона размещения элементов межузловой коммутации (для коммутации ячеек). Правильность выбора конструкции определяется совокупностью абсолютных показателей (объём, масса) и относительных показателей (коэффициент использования полезного объёма и др.). При выборе типоразмера пользуются радами типоразмеров БНК. Ширина блока В выбирается исходя из ширины платы и ширины зоны коммутации, длина блока определяется его типом и обычно не может свободно задаваться, поэтому если число ячеек оказывается меньше или больше допустимого размером Lk, то следует перейти к другому типоразмеру. Основные компоновочные схемы блока (ЭМ2) Разъёмная конструкция (1) предусматривает возможность удаления ЭМ1 из блока по направляющим за счёт разъёма и дополнительных зажимов. Откидная конструкция с одной степенью (2) свободы позволяет отделить ЭМ1 друг от друга за счёт шарнирного движения вокруг оси. Межузловые соединения осуществляются посредством жгутов или гибких печатных кабелей. Для контроля и ремонта такого блока необходимо обеспечить дополнительный объём на откидывание. Откидная конструкция с двумя степенями свободы (2б) используется в тех случаях, когда необходим контроль сразу нескольких ЭМ1. В этих конструкциях необходимо предусмотреть длину жгутов и кабелей. Книжная конструкция (3) обладает значимым преимуществом по отношению к предыдущим конструкциям: имеет малую длину жгутов. Количество модулей в блоке ограничивается возможностью раскладывания «книжки». Конструкция «книжка-раскладка» (4) используется в микроэлектронной аппаратуре, когда отпадает необходимость применения длинных связей. Телескопическая конструкция (5) позволяет удалять модули из блока при помощи телескопической пары. Для контроля модуля, осуществляется его вращение вокруг телескопической оси. Данная схема довольно дорогая и применяется при повышенных требованиях контрольной пригодности. Анализ вариантов расположения межузловой коммутационной зоны На рисунке обозначены два объёма: V1 – объём, занимаемый ячейками и V2 – объём, занимаемый межузловой коммутационной связью. Варианты 5 и 6 обладают наибольшим объёмом, занимаемым ячейками. Вариант 2 и вариант 6 характеризуются плохим теплообменом и используются при наличии принудительного охлаждения. В книжных конструкциях число ячеек ограничено, поэтому для таких блоков преимущественными являются варианты 4 и 5. Для разъёмных конструкций используются варианты 1 и 3. Выбор варианта компоновки блока должен производиться с учётом допустимой длины печатных проводов на плате ячейки, поэтому при книжной компоновке вариант 4 предпочтительнее, нежели вариант 5. Конструкции электронных модулей 3-го уровня (ЭМ3) К ЭМ3 относятся стойки, шкафы и пульты. Несущие конструкции этих модулей должны обеспечить электрический и механический контакт между размещаемыми в них блоками, а также удобство эксплуатации и защиту от внешних воздействий. Существуют три варианта ЭМ3: 1. Стеллажная конструкция изготавливается из профилированного проката и предназначается для размещения блоков в отдельных приборных корпусах; 2. Стойка. Конструкция отличается от шкафа отсутствием передней двери. 3. Шкаф – закрытая конструкция для размещения блоков и технических средств, обеспечивающая их надёжное крепление и защиту от механических воздействий. При этом каждый из вставных блоков не имеет индивидуального кожуха. Шкаф может быть укомплектован как ЭМ1, так и ЭМ2; Шкафы и стойки используются для сложных РЭС, устанавливаемых в аппаратных залах. Стеллажные конструкции применяют в измерительной аппаратуре и средствах контроля. Конструктивной основой любой стойки (шкафа) является каркас, обычно изготавливаемый из стального уголкового профиля или труб прямоугольного или квадратного сечения. Детали каркаса в единую конструкцию объединяются болтовыми соединениями (для этого в трубы помещают стальные вкладыши). На каркасе закрепляется крышка вентиляционными отверстиями, два боковых щита и дверцы (для шкафа). Дверцы подвешиваются на петлях и имеют кнопку-ручку. Дверцы и щиты должны плотно прилегать к каркасу, чтобы избежать утечки охлаждающего воздуха, проникновению пыли, воздействию электрического, магнитного и электромагнитного полей. Детали каркаса, щиты, дверцы электрически объединяются оплеткой экранированного провода. Внешняя коммутация блоков стойки (шкафа) осуществляется приборными или приборно-кабельными соединителями, обеспечивающими замену отказавшего блока. Приборно-кабельный соединитель обеспечивает работу блока при частично-выдвинутом блоке. ******************************************************************** ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ РЭС ОТ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Дестабилизирующие воздействия нарушают надёжность функционирования РЭС и делятся на две группы: внешние дестабилизирующие воздействия, обусловленные климатическими факторами, характерными для данного региона и объектом установки РЭС; и внутренние дестабилизирующие воздействия, возникающие в результате функционирования самого устройства (электромагнитные взаимосвязи и тепловые воздействия). Категории РЭС в зависимости от условий эксплуатации Категория 1: аппаратура, работающая на открытом воздухе; Категория 2: аппаратура, размещаемая в помещениях типа палаток, кузовов, ангаров или навесов; Категория 3: аппаратура, эксплуатируемая в закрытых помещениях с естественной вентиляцией; Категория 4: аппаратура, работающая в закрытых помещениях с искусственным регулированием климата; Категория 5: аппаратура, работающая в условиях повышенной влажности (в неотапливаемых и невентилируемых помещениях, где создаются условия для конденсации влаги). Предельно допустимые параметры регламентированы ГОСТами типа «Мороз»–для аппаратуры и «Климат» – для ЭРЭ. Основными стандартами, устанавливающими предельно допустимые климатические воздействия, служат ГОСТы: 16019-88, 17672-87, 22579-89. Климатические воздействия: Климат – это характерная для данного региона совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обусловленная географическими координатами, строением земной поверхности, а также наличием морей и океанов. Различают следующие климатические факторы: • воздействие тепла или холода; • давление; • относительная влажность; • роса и обледенение; • морской туман; • пыль и песок; • солнечная радиация; • плесневые грибки. Для нашего климатического пояса нормальными условиями считаются: температура воздуха (2510)С; давление 630-800 миллиметров ртутного столба или (1,36-10,6)104Па; влажность (45-85)%. Если температура воздуха больше 30С, то влажность не должна превышать 70%. ГОСТом 15150-89 регламентируются значения факторов различных макроклиматических районов: 1) Умеренный климат: tС=(+40…-40)С; 2) Холодный климат: температура от –45С; 3) Тропический влажный климат: температура свыше 20С при влажности 80%; 4) Тропический сухой климат: температура свыше 40С при влажности <70%; 5) Умеренный холодный морской климат: tС=(+20…-40)С, морской туман; 6) Тропический морской климат: температ. >20С, влажность 80%, морской туман. Аппаратура, работающая в тропическом влажном и тропическом сухом климате, имеет обозначение «Т»; аппаратура, работающая во всех наземных районах обозначается буквой «О»; аппаратура для морского климата – «ОМ»; для всех климатических районов – «В». Тепловые воздействия и их характеристики. Тепловые модели блоков Теплофизическое конструирование – это обеспечение теплового установившегося режима, при котором температура внутри блока не превышает максимально допустимую температуру наиболее чувствительного элемента. Все ЭРЭ можно разделить на две группы: термоактивные элементы, которые выделяют тепло, не изменяя своих параметров и термочувствительные элементы, параметры которых изменяются с изменением температуры. Методы переноса тепла: 1. Кондукция – передача тепла в твёрдом теле за счёт молекулярного движения. Кондукция подчиняется закону Фурье: QT=(/lT)(T1-T2)ST, где QT – мощность теплопередачи [Вт];  – коэффициент теплопроводности [Вт/мК]; Т1 и Т2 – температура нагретого и охлаждённого участка [K]; ST – площадь теплопроводности [м2]; lT – длина теплового пути [м]. Как правило, стремятся максимизировать QT, то есть увеличить теплообмен. Для увеличения мощности теплового потока необходимо: 1) Иметь материалы с высоким коэффициентом теплопроводности (металлы); 2) Обеспечить максимальную площадь теплопроводности, что достигается путём применения игольчатых и пластинчатых конструкций радиаторов; 3) Добиться минимальной длины теплового пути от нагр. участка к охлаждённому; 4) Получить максимальную разность Т1 и Т2, для чего с помощью криогенных устройств снижают температуру Т2. 2. Излучение – передача тепла посредством преобразования тепловой энергии в электромагнитную энергию инфракрасного диапазона. При встрече с преградой, такая энергия вновь преобразуется в тепловую. Излучение подчиняется закону Стефана-Больцмана: Qл=л(TК-TС)Sл, где Qл – мощность теплового потока [Вт];  – коэффициент теплопередачи излучением [Вт/м2К]; ТК и ТС – температура нагретого тела и охлаждающей среды [K]; ST – площадь испускающей поверхности [м2]. Коэффициент теплопередачи излучением выражается следующей формулой: где 5,67 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; п – приведённая степень черноты, зависящая от состояния поверхности металла (0<п<1). Приведённая степень черноты определяется излучающей и поглощающей поверхностями: п=[(1/1)+(1/2)-1]-1. Если 1>>2, то п2; в случае, когда 1 и 2 стремятся к единице п12. Особенности использования теплового излучения: 1) Тепловое излучение используется при теплоотводе от радиаторов. В этом случае радиаторы покрывают тёмной матовой эмалью для увеличения мощности потока; 2) Для получения равномерного теплового поля внутри замкнутого объёма используются тепловые экраны. Поглощающие экраны выполняются из материалов, у которых значение п близко к единице. Отражающие тепловые экраны выполняют из светлых металлов с полированной поверхностью. Тепловые экраны могут применяться для защиты термочувствительных ЭРЭ; 3) Для защиты теплоизлучающих объектов используются замкнутые сплошные экраны. Такие экраны применяются для мощных генераторных ламп и трансформаторов. 3. Конвекция – это передача тепла в среде газа или жидкости, возникающая в результате соприкосновения с нагретыми или охлаждёнными телами. QК=К(TК-TС)SК, где QК – мощность потока конвекции [Вт];  – коэффициент теплопередачи конвекцией [Вт/м2К]; ТК и ТС – температура нагретого тела и охлаждающей среды [K]; SК – площадь поверхности конвекции [м2]. Конвекция бывает свободной и искусственной: 1) Свободная конвекция имеет место при нагреве частиц и их естественном перемещении вверх. Нагретые частицы заменяются более холодными, за счёт чего происходит перемешивание среды; 2) Искусственная конвекция – это принудительный вид охлаждения посредством интенсивного перемешивания теплопроводящей среды. Различают три режима конвекции: ламинарный, переходный и турбулентный. Под ламинарным режимом конвекции понимают тот режим, при котором частицы вдоль поверхности движутся параллельно друг другу, не образуя завихрений. Тепловая модель блока. Тепловая модель блока – упрощенное представление о распределении t поля в виде нагретой зоны и окружающего зону кожуха. Уровень теплового баланса может быть представлен следующим образом: 3, к – коэффициент теплопередачи нагретой зоны и кожуха; S3, Sк – площади нагретой зоны и кожуха; Tк, T3 – температуры нагретой зоны и кожуха. Sк =2ab+2(a+b)h S3 =2ab+2(a+b)hзKзап Kзап – коэффициент заполнения, характеризует насколько заполнен объем ЭРЭ. V3 – объем нагретой зоны к, з- теплопроводность кожуха и нагретой зоны. T3Tдоп эрэ Тепловой анализ позволяет получить предварительные данные о системе охлаждения. I - зона без вентиляции; II - зона естественной вентиляции; III - зона принудительной вентиляции. Зная удельную мощность рассеивания q (плотность теплового потока) и разницу температур ТЗ и ТС ( Тз- температура нагретой зоны, Тс- температура окружающей среды) по графику можно определить тот или иной способ охлаждения. При разработке системы охлаждения необходимо: 1) Обеспечить эффективную циркуляцию воздуха между нагревающимися элементами с минимальными аэродинамическими потерями; 2) В вентилируемой области необходимо избегать закрытых участков; 3) Особо нагреваемые элементы необходимо снабжать радиаторами; 4) Наиболее чувствительные к перегреву элементы необходимо изолировать от воздействия теплового потока тепловыми экранами. При значительном числе охлаждаемых блоков, поток охлаждающего воздуха делится на ряд параллельных потоков. Между источниками тепла и поверхностями охлаждения необходимо обеспечить надёжный тепловой контакт. Способы охлаждения РЭС 1. Естественное охлаждение. Естественное охлаждение применяется в аппаратуре с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05Вт/см2 . Теплонагруженные элементы охлаждаются за счет естественной конвекции воздуха, теплопроводности и излучения. Метод охлаждения требует повышенного внимания к вопросам рациональной компоновки, то есть стремиться к равномерному распределению выделяемой мощности по всему объему аппаратуры. Компоненты с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части аппаратуры или близ стенок, критичные к перегеву компоненты- в нижней части и (или) защищать тепловыми экранами. В целях выравнивания Т поверхности внутри блоков должны иметь высокую степень черноты. Различают три схемы охлаждения: эффективное охлаждение, когда воздух проходит через всю площадь поперечного сечения; схема с нормальным охлаждением и модель «тепловые трубы». Такая модель использует конденсационно-испарительный принцип. Внутри трубы находится пористый материал, пропитанный жидкостью. При нагреве жидкость продвигается по пористому веществу к радиатору. За счёт этого происходит интенсивный отвод тепла от охлаждённого блока. 2. Принудительное воздушное охлаждение Принудительное воздушное охлаждение автономными вентиляторами практикуется в рамах и стойках аппаратуры с тепловыделениями не более 0,5Вт/см2 . В приточной схеме вентилятор ставится на входе охлаждающего воздуха, в вытяжной- на выходе, в приточно-вытяжной- на входе и выходе. В приточной схеме ( по сравнению с вытяжной) большая производительность. Приточно-вытяжная схема озволяет увеличить напор охлаждающего воздуха. Выбор способа охлаждения На выбор способа охлаждения влияют: 1. Режим работы аппаратуры; 2. Конструктивное исполнение; 3. Рассеиваемая мощность; 4. Объект установки; 5. Окружающая среда. Режим работы аппаратуры бывает длительным, кратковременным, кратковременно-повторным и характеризует длительность включенного- выключенного состояний. Длительный режим свойственен стационарной аппаратуре работой в течение многих часов, кратковременный- бортовой и не превышает нескольких минут. Защита конструкций РЭС от механических воздействий Виды механических воздействий и их характеристики: 1. Вибрация – результат знакопеременной силы. Она возникает в процессе передвижения и определяется следующими характеристиками: 1) Перемещение, характеризуемое амплитудой Ax; 2) Скорость, характеризуемое амплитудной скорости АV; 3) ускорение с амплитудной Aw; 4) изменение ускорения Vr; Если х=Ах-t, где =2f, то тогда АR=А=2Аv=3Ах. 2. Перегрузка: j=(42Axf2)/g=Axf2/250. 3. Динамическая сила, действующая на механическую систему: Рдин=jGm. Виды вибрационных воздействий Гармоническая вибрация. Спектр такого воздействия имеет линейчатый вид и называется -функцией. Периодическая вибрация более опасна, поскольку вероятность совпадения с резонансной частотой здесь выше. Реакция РЭС на механические воздействия 1. Деформации, приводящие к трещинообразованию и разрушению конструкции, а также к появлению ложных электрических сигналов из-за: • пьезоэффекта; • тензорезистивного эффекта; • трибон-эффекта; • дребезга в контактах, реле и разьёмах. Характеристики: 1) Виброустойчивость – характеристика, позволяющая аппаратуре нормально функционировать в процессе воздействия вибрации; 2) Вибропрочность - способность РЭС функционировать после воздействия вибрации; 2. Ударное воздействие. Удар – это мгновенное изменение скорости движения системы на конечное значение. Возникает при встрече с объектом, при падении и транспортной тряске. Характеристики: 3) Амплитуда; 4) Форма и длительность. Из приведённых графиков видно, что наиболее опасным, с точки зрения возможного разрушения, является прямоугольный сигнал (наибольшая площадь, ограниченная S). Кроме удароустойчивости и ударопрочности вводится понятие ударостойкости. Ударостойкостью называют способность аппаратуры противостоять разрушительному действию удара определенного значения и функционировать во время и после удара. 3. Линейные центробежные ускорения. Возникают при изменении скорости на прямолинейном или криволинейном участке. Воздействие характеризуется перегрузкой порядка 10-15 раз и длительностью до десяти секунд, поэтому рассматривается как статическое. Если конструкция защищена от вибраций и ударов, то она оказывается защищённой от воздействий линейных и центробежных ускорений. Разработка конструкции РЭС по вибрационной и ударной нагрузке При разработке конструкций идут двумя путями: 1. Увеличение жесткости и прочности конструкции. Жёсткость – отношение действующей силы к деформации, прочность – нагрузка, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации. Повышение прочности связано с усилением конструктивной основы, а также с применением ребер жесткости и повышением прочности материалов несущих оснований. Однако увеличение прочности и жесткости приводит к увеличению массы. 2. Анализ механических моделей. 1) Модель балка (стержень) применяется для механических характеристик ЭРЭ. Определяется собственная частота ЭРЭ и допустимый прогиб при воздействии внешних механических нагрузок определённых значений; 2) Модель пластины. Здесь выделяют несколько разновидностей: защемлённый край – это край, прогиб и угол поворота которого равен нулю; опёртый край – это край, прогиб и изгибающий момент которого равен нулю; свободный край – край, изгибающий момент и перерезывающая сила которого равна нулю. Собственная частота рассчитывается по формуле: ,  и  – коэффициенты, зависящие от варианта закрепления сторон; D – цилиндрическая жёсткость; М – масса пластины с элементами. При анализе модели необходимо, чтобы собственная частота лежала вне частотного диапазона воздействий. Это достигается изменением способа закрепления сторон; 3) Модель блока. В этом случае, ЭРЭ связаны с несущим основанием силами упругости и силами демпфирования. Возбуждающая сила может действовать непосредственно на ЭРЭ, или на несущее основание (см. рис.). По такому принципу устроены амортизационные системы. Основные параметры амортизирования систем с одной степенью свободы Решается вопрос эффективности введения амортизационной системы. Если собственные колебания блока x0=A0sin0t, а вынуждающие колебания xВ=AВsinВt, то различают следующие показатели эффективности: • коэффициент настройки: =В/0, если =1, то система входит в резонанс; • коэффициент виброизоляции: =AВ/A0, если =1, то система неэффективна; • коэффициент передачи: =1/=A0/AВ; • жёсткость упругих опор: c=02m; • коэффициент демпфирования: D=(2n)/0, где KЗ/2=hm/2. Защита от воздействия помех Способность аппаратуры нормально функционировать при не­котором уровне помех и самой не создавать помех 'выше опреде­ленного уровня, нарушающих нормальную работу установленной рядом аппаратуры, называется электромагнитной совместимостью. Источники помех .весьма разнообразны по физической природе и подразделяются на внешние, и внутренние. Внутренние помехи, обусловлены наличием источников помех внутри ЭВА. Источниками электростатических помех являются блоки электропитания, шины распределения электроэнергии, бата­реи, термопары, статические потенциалы, возникающие при тре­нии.. Источниками магнитных полей являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения систему распределения электроэнергии следует рассматривать как источ­ник, излучающий в пространство электромагнитную энергию. Им­пульсные схемы стабилизации вызывают высокочастотные поме­хи через емкостные связи и за счет излучения энергии. Значитель­ные помехи создаются магнитами постоянного тока, электромагнитами, электрическими двигателями, реле и электромеханическими исполнительными механизмами УВВ. Источниками, излучающими энергию в окружающее пространство, являются тактирующие и синхронизирующие схемы, контактная дуга в двигателях и реле. Внутренними помехами также являются ломехи от рассогласова­ния параметров линий связи с входными—выходными цепями электронных схем, а также помех, появляющихся на земле. Под внешними помехами понимаются помехи от сети электро­питания', размещаемой по соседству радиоэлектронной передаю­щей аппаратурой, средствами связи, щеточными двигателями, сва­рочными аппаратами и пр., а также помехи атмосферные и косми­ческие. Помехи от сети электропитания происходят из-за нестабильно­сти напряжения и частоты. При этом затрудняется стабилизация постоянного напряжения, изменяется частота вращения электриче­ских двигателей УВВ и ЗУ, что приводит к появлению сбоев при записи и считывании информации. По сети электропитания воз­можно появление импульсных помех, что обусловлено перегрузкой в сети и появлением пусковых токов при включении оборудования, нагруженного на ту же сеть. Действие на аппаратуру всех прочих внешних помех по физической природе аналогично действию на аппаратуру внутренних помех. Несмотря на большое разнообразие источников помехи попадают в ЭВА через гальваническую связь, электрическое, магнитное, электромагнитное поле. Приемниками помех в ЭВА являются высокочувствительные усилители, линии связи, магнитные элементы, характеристики ко­торых изменяются под действием полей рассеивания источников помех. Основным способом защиты от помех следует считать уст­ранение самих источников помех. Однако, если таким образом можно избавиться от внешних .источников помех, то внутренние источники в ЭВА будут присутствовать всегда. Поэтому проблема защиты от помех стоит довольно остро и важность ее с микро­миниатюризацией растет. Заземление. Следует различать схемное и защитное заземле­ние аппаратуры. Схемное заземление представляет собой нулевую точку отсчета всех потенциалов электронных схем. Конструктивно схемная земля представляет систему проводников, выполняемых печатным монтажом, скрученным проводником, одиночным про­водником, коаксиальным кабелем. Защитное заземление объединя­ет все металлические элементы конструкций стоек, рам и блоков, доступ к которым возможен при наладке, ремонте и эксплуатации, общей шиной с отводами наименьшей конструктивной длины с глухозаземленной нейтралью первичной питающей сети, располагаемой обычно около фундамента здания. Защитное заземление гарантирует сохранение потенциала нейтрали на нетоковедущих конструктивных элементах даже при нарушении изоляции распре­делительной системы электропитания и касания ею металлическо­го конструктивного элемента. Система блокировки при подобной аварийной ситуации отключает ЭВА от питающего напряжения и защищает от возможного поражения электрическим током обслу­живающего персонала. При экранировании экран подсоединяется к защитной земле. Схемное и защитное заземление объединяются в одной точке. Сложная ЭВА с одной схемной землей функционировать не бу­дет из-за низкой помехоустойчивости. На рис. 8.19 видно, что для определенной конструкторской разработки платы потенциал зем­ли .изменяется от 2 до 100 мВ. Если высокочувствительная схема размещается в зачерненной и светлой областях платы, то она вряд ли будет надежно работать. Обычно в, ЭВА выделяют землю сис­темы электропитания, высокочувствительных линейных схем, импульсных схем, а также относительно нечувствительных мощных схем. Каждая земля изолируется от всех прочих, а электрически они объединяются в одной точке, как правило, в системе электро­питания. Результат разделения земли показан на рис. 8.20, из которого видно, что для каждой подсхемы ЭВА вводится своя цепь заземления. Затем эти цепи электрически объедиияются в одной точке 3. Внутри каждой подсистемы положен тот же принцип заземле­ния, что и заземление системы. Чем меньше сопротивление между точкой 3 и землей, тем выше качество заземления. Падение на­пряжения на сопротивлении заземления 2.з на рис. 8.21 приведет к появлению ошибки на выходе усилителя в результате смещения рабочей точки при протекании постоянного тока в цифровой схеме Протекание импульсных токов в цифровой схеме будет изменять сигналы на входе усилителя, что несомненно скажется на работе цифровой схемы. Для полной развязки схем по цепям земли необ­ходимо, чтобы Zз=0. Появление, контуров заземления—земляных соединений, дуб­лирующих основную земляную цепь, приводит к возникновению контурных токов и, как следствие, дополнительных помех. Кон­турный ток Iк в схеме на рис. 8.22 появляется из-за разности по­тенциалов между точками заземления А и Б. Эту разность потен­циалов можно представить источником напряжения, который на эквивалентной схеме оказывается подключенным последовательно с источником напряжения, моделирующим схему 1. Контуры за­земления недопустимы ни в цифровой, ни в аналоговой аппарату­ре. Конструктивно земля выполняется массивными короткими мед­ными проводниками' и шинами круглого и прямоугольного сече­ний. Для ослабления взаимного влияния "за счет индуктивной свя­зи земляные проводники должны быть взаимно перпендикулярны. Активное сопротивление Rа проводника вычисляется по формуле Rа'=рl/S, где р—удельное сопротивление проводника, Ом-мм2 /м; l—дли­на проводника, м; S — поперечное сечение проводника, мм2. Со­противление медного проводника круглого сечения за счет поверх­ностного эффекта увеличивается на Rп=k(f в)1/2 R а (8.37) где f в—верхняя частота сигнала, МГц; k—коэффициент; его зна­чения для различных диаметров проводника даны в табл. 8.7. При передаче импульсных сигналов частота /в определяется из выра­жения (4.12). Экранирование. Экраны вводят в конструкцию для ослабления нежелательного возмущающего поля в некоторой ограниченной области до приемлемого уровня. Возможны два варианта защиты. В первом варианте экранируемая аппаратура размещается внутри экрана, а источники помех—вне его, во втором экранируются источники помех, а защищаемая от помех аппаратура располагается вне экрана. Первый вариант используют при защите от внеш- них помех, второй—от внутренних.. В .обоих вариантах в качест­ве экранов используются металлические оболочки. В ЭВА функцию экрана выполняют кожух и крышки приборов, блоков и стоек, при выборе материалов и расчета толщины кото­рых кроме соображений эффективности экранирования необходи­мо учитывать требования обеспечения механической прочности, жесткости, надежности соединения отдельных элементов экрана с малым переходным сопротивлением, минимума массы. Отверстия и щели в экране могут уменьшить эффективность экранирования, поэтому, конструируя экран, нужно заботиться о минимуме в нем .отверстий и щелей. Однако целиком от них избавиться не пред­ставляется возможным. Щели возникают, если прибор или стойка защищается крышками, устанавливаемыми и закрепляемыми на каркасе. Отверстия вводятся в кожух для установки соединителей, элементов управления и индикации, для обеспечения нормального теплового режима. Эффективность экрана не ухудшится, если в его конструкции выполнены отверстия, максимальная длина кото­рых не превышает 0,5 минимальной длины волны экранируемого сигнала. Чтобы помехи не проникали через вентиляционные отверстия, на внутренней поверхности закрепляется металлическая сетка. Конструирование электрических экранов. Экранирование электрического поля выполняется в следующих случаях: экранируемое устройство не чувствительно к воздействию магнитного поля; составляющая магнитного поля мала по сравнению с состав­ляющей электрического поля; частота электромагнитных волн мала и помеха имеет место только за счет электрической индукции. Принцип действия электрического экрана рассмотрим на конкретном примере, когда между источником И электрического поля и входными — выходными цепями электронной схемы имеет место емкостная связь (рис. 8.23,а), приводящая к искажению как вход­ного, так и выходного сигнала. Результатом введения в конструкцию экрана Э (рис. 6.23,6) будет появление паразитных емкостей на экран источника помехи Си.э, входной С 1э, выходной С 2э цепи и цепи земли Сз.э. Эквивалентная расчетная схема конструкции с эк­ранам приведена на рис. 8.23,в, из которой видно, что наличие эк­рана отнюдь не развязало вход и выход схемы непосредственно от источника помехи. Появилась обратная связь выхода со входом через последовательно соединенные емкости С 1э и С 2э. Если шину нулевого потенциала схемы подсоединить к экрану и заземлить, .то обратная связь окажется разорванной, источник помех И закороченным на землю через емкость Си.э, а вход и выход-схемы— нагруженным на емкости С 1э и С 2э , что должно учитываться схемотехниками при оценке параметров и характеристик схемы (рис. 8.23,г). Защита от электрического поля сводится к установке ЭВА в сплошную металлическую оболочку — экран произвольной толщи­ны и высокой электрической проводимости. Заземляться экран должен массивным коротким проводником с минимальным индук­тивным сопротивлением. С увеличением частоты электрического поля толщина экрана будет влиять на эффективность экранирова­ния. Через отверстия и щели в экране внутрь ЭВА может проник­нуть внешнее электрическое поле. Напряженность поля Еэ внутри ЭВА определяется по формуле Еэ=Евн(2lщ /πlщт )2ехр(-πδэ /lщ), (8.38), где Евн — напряженность внешнего поля; lщ , δэ — максимальная длина щели и толщина экрана; lщт —расстояние от щели до рас­сматриваемой точки внутри экрана. Электрические экраны весьма разнообразны как по форме, так и по применяемым материалам. При выполнении экрана в виде отдельных конструктивных элементов необходимо особое внима­ние уделять электрической связи между элементами и общему за­землению. Чтобы конструктивные элементы кожуха блока на рис. 8.24 выполняли функцию экрана, детали 1—3, 5, 7 электрически объединяются .между собой и с несущей конструкцией модуля, в который устанавливается блок. Для этого к элементам кожуха в легкодоступных местах с предварительным удалением покрытия привариваются земляные лепестки 4, коммутируемые между собой гибкими многожильными проводниками пайкой. Легкосъемность конструкции обеспечивается заземлением «под винт». Для надежности контактирования под головку винта вводится пружинная ' шайба. Выбор материалов электрических экранов можно сделать на основе данных табл. 8.8. Рис. 8.24. Заземление кожуха блока: I — передняя панель; 2—крышка; 3—стенка; 4— лепестки заземления; 5 — задняя панель; 6—мон­тажный проводник; 7 — дно Поскольку часто желательно иметь минимальную стоимость и массу экрана, то с этих позиций наилучшим материалом является магний, но он легко корродирует и образовывающийся слой окис­ла ухудшает контакт экрана с корпусом изделия. Цинк дешевле меди, имеет меньшую плотность, но мягок. Латунь по своим пара­метрам занимает среднее положение в ряду материалов для экра­нов, но благодаря отличным антикоррозионным свойствам и ста­бильности сопротивления электрического контакта ее можно ре­комендовать для широкого применения в качестве материала эк­рана. Конструирование магнитных экранов. Магнитный экран кон­струируется в следующих случаях: экранируемое изделие не чувствительно к воздействию элект­рического поля; магнитная составляющая электромагнитного поля во много больше электрической составляющей. Задача экранирования магнитного поля сводится к уменьше­нию или полному устранению индуктивной связи между источни­ком и приемником помехи. Если магнитный поток пересекает кон­тур, образуемый проводником, то в контуре наводится напряже­ние помехи, уровень которой вычисляется по формуле (4.9). Магнитные экраны выполняются как из ферромагнитных, так и немагнитных металлов. Ферромагнитные материалы с большой относительной магнитной проницаемостью  r обладают малым магнитным сопротивлением, в результате чего линии магнитного поля будут шунтироваться материалом экрана и пространство внутри экрана не будет подвергаться воздействию магнитного по­ля. Ферромагнитные материалы эффективно защищают аппаратуру в диапазоне частот 0—10 кГц. Для предотвращения попада­ния магнитного поля внутрь экрана конструктивные элементы эк­ранируемого прибора не должны содержать деталей (в том числе и крепежных) с малым магнитным сопротивлением и способных создавать пути магнитным силовым линиям поля. При высоких требованиях к помехоустойчивости ЭВА крепежные детали выпол­няются латунными. Отверстия и щели в экране ухудшают качество экранирования. Магнитное поле через отверстия и щели в экране проникает внутрь экранируемого пространства. Если направление линий магнитного поля известно, то для улучшения качества экранирования щели и отверстия следует ориентировать длинной стороной вдоль направления линий маг­нитного поля. В противном случае можно рекомендовать в экра­нах щели и длина отверстия, максимальная которых не превыша ла бы половины минимальной длины волны поля. Магнитное эк­ранирование тем эффективнее, чем больше магнитная проницае­мость экрана и толще экран. Однако если напряженность магнит­ного поля станет равной или превысит коэрцитивную силу мате­риала экрана, то произойдет его намагничивание до насыщения. Когда насыщенный слой достигнет внутренней поверхности стенки экрана, увеличится магнитное поле внутри экранируемой области. При выборе материала экрана необходимо помнить, что магнит­ная проницаемость с увеличением частоты поля уменьшается, и это сказывается на эффективности экранирования. Принцип действия экрана, из немагнитного металла заключа­ется в вытеснении внешнего магнитного поля из внутреннего про­странства прибора материалом экрана. Внешнее переменное маг­нитное поле создает индукционные вихревые токи в экране, а те, в свою очередь, — магнитное поле, направленное навстречу внеш­нему полю внутри экрана, а за экраном — совместно с направле­нием возбуждающего поля. У экранов из немагнитных металлов эффективность экранирования растёт с увеличением толщины и проводимости материала экрана. Магнитное поле частотой выше -10 МГц достаточно надежно экранируется, если на диэлектриче­ский кожух наносится медное или серебряное покрытие толщиной не более 100 мкм. Толщина немагнитного экрана может в несколь­ко раз превысить толщину ферромагнитного, обеспечивающего на фиксированной частоте одинаковое ослабление. Использование ферромагнитного материала позволит значительно снизить массу экрана. При экранировании магнитного поля заземление экрана не обязательно, поскольку оно не влияет на качество экранирова­ния. В табл. 8.9 приведены основные свойства ферромагнитных ма­териалов, используемых в конструкциях экранов. Проводимость материалов в табл. 8.9 отнесена к проводимости меди, которая принята за 1 (Y= 1/1,75-10-8 Ом-'-м-1). Железо, если бы не низкая его коррозионная стойкость, является наилуч­шим материалом для магнитных экранов. В практике конструиро­вания получили распространение экраны из стали, и пермаллоев. Экраны из стали с малой начальной магнитной проницаемостью обеспечивают малое, но постоянное экранирование как на инфра- Рис. 8.25. Принцип электромагнитного экранирования _____________________________________________ низких, так и на частотах вплоть до десяти килогерц. Экраны из пермаллоев высокой начальной проницаемостью позволяют получить эффектив­ное экранирование, но в узком диапазоне частот от нуля до нескольких со­тен герц. С увеличением частоты возрастают вихревые токи экра­на, которые вытесняют магнитное поле из толщи экрана и умень­шают его магнитопроводимость, а это сказывается на эффектив­ности экранирования. Конструирование электромагнитных экранов. Электромагнит­ное экранирование охватывает диапазон частот от 103—109 Гц. Принцип действия электромагнитного экрана состоит в отражении электромагнитной энергии Wэ от поверхности экрана и ее затуха­нии в толще экрана. Как видно из рис. 8.25, электромагнитная энергия отражается на границах диэлектрик—экран W01 и эк- ран—диэлектрик W02, затухает в толще экрана Wз и частично проникает в экранируемое пространство Wп. Экранирование по­глощением объясняется тепловыми потерями на вихревые токи в материале экрана, экранирование отражением—несоответствием волновых параметров материала экрана и окружающей среды. Для нижней границы частотного диапазона первостепенное значе­ние приобретает отражение, для верхней границы—поглощение электромагнитной энергии. Электромагнитное экранирование мо­жет выполняться как немагнитными (табл. 8.8), так и магнитными материалами (табл.8.9). Немагнитные металлы высокой проводимости можно эффективно использовать в низкочастотной час­ти спектра, ферромагнитные материалы высокой магнитной прони­цаемости и электрической проводимости — во всем частотном диа­пазоне электромагнитного поля. Толщина экрана должна быть по возможности наибольшей. Можно дать следующие рекомендаций по выбору материалов при электромагнитном экранировании. Для частот менее 106 Гц наилучшие результаты дают медные и алюминиевые экраны, а при частотах выше 106 Гц—экраны из стали. Однако наилучшие результаты могут быть получены применением многослойных экранов—последовательно чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов. Возможны различ­ные варианты материалов слоев медь—пермаллой—медь, пер­маллой—медь, медь—сталь—медь. Введение воздушного зазо­ра между слоями в 20—40% суммарной толщины экрана улучшит эффективность экранирования. При защите ЭВА от внешнего по­ля материал с низким значением r помещают наружу, с высоким значением r—внутрь. Если экран защищает источник электро- магнитного поля от его распространения в конструктивном про­странстве, то материал с низким r должен быть внутренним слоем, а с высоким — наружным. Отверстия и щели в экране (как и при экранировании от воздействия отдельно магнитного и электрического полей) ухудшают качество экранирования Электромагнитные связи в конструкциях РЭС Электромагнитные связи в конструкциях РЭС включают в себя три составляющие: 1. Источник помехи; 2. Связь между источником и приемником; 3. Приемник помехи. При электромагнитных взаимодействиях существует три вида связей: 2) Электростатическая составляющая – возникает в том случае, когда вектор электрического поля больше вектора магнитного поля. 3) Магнитная составляющая – появляется когда вектор магнитного поля больше вектора электрического поля. 4) Электромагнитная составляющая – имеет место когда вектора электрического и магнитного полей равны. Анализ электростатических связей Связь между источником и приёмником может быть представлена в виде так называемой паразитной ёмкости. UB’>UB. В том случае, когда экран не имеет надежного заземления, в определенных условиях получается увеличение напряжения помехи в точке приема. Для электростатического экранирования необходимо, чтобы экран, расположенный между источником и приемником помехи, имел надежное соединение с нулевой шиной. Второй способ уменьшения наводки – это помещение источника и приёмника в заземлённый корпус (соединённый с нулевой шиной).Уменьшение напряжения наводки в точке приема В, в этом случае осуществляется за счет шунтирования источника наводки паразитной емкостью С1 в точке А и шунтированием приемника наводки паразитной емкостью С2 в точке приема В. Корпус обычно изготавливается из латуни и покрывается серебром или золотом. Требования к конструкциям электрических экранов Экранирование электростатических полей осуществляется в следующих случаях: 1. Экранируемое устройство нечувствительно к воздействию магнитного поля. 2. Составляющая магнитного поля меньше составляющей электрического поля. 3. Частота электромагнитного поля мала и помеха имеет место только за счет электрической индукции. Защита от электрического поля сводится к установке узла или блока в сплошную металлическую оболочку, представляющую экран произвольной толщины с высокой электрической проводимостью. Электрические экраны разнообразны по форме и применяемому материалу. Особое внимание уделяется надежности электрических контактов между экраном и нулевой шиной. Источник помехи для электростатических экранов представляется в виде диполя, находящегося в ближней зоне, в которой расстояние от диполя до экрана r=/2, где  – длина волны помехи. Наличие щелей и отверстий в электростатическом экране не ухудшает эффективность экранирования. Анализ магнитных связей Плотность тока на глубине х зависит от частоты наводки: Ix=I0ex/x0, где x0=/(0f) – показатель уменьшения плотности тока. В диамагнитном цилиндре возникают вихревые индукционные токи Фуко, они создают собственное поле, которое внутри цилиндра направлено навстречу действующему полю, а снаружи – вдоль линий действия поля. В результате, поле вытесняется из цилиндра. Ферромагнитные материалы шунтируют магнитное поле. Требования к магнитным экранам Магнитные экраны конструируются в следующих случаях: 1. Экранируемое изделие нечувствительно к воздействию электрического поля; 2. Магнитная составляющая электромагнитного поля намного больше электрической составляющей. Магнитные экраны выполняют из ферромагнитных и диамагнитных материалов. Ферромагнитные материалы эффективны в диапазоне частот от 1 до 10 кГц, диамагнитные – более 10 кГц. Качество экранирования зависит от толщины материала: чем она больше, тем выше качество экранирования. Отверстия и щели в магнитном экране ухудшают качество экранирования. Их следует ориентировать вдоль направления линий магнитного поля. Заземление экрана – необязательно, так как не влияет на качество экранирования. Конструктивные элементы экрана из ферромагнитного материала выполняются латунными. Магнитные экраны могут иметь цилиндрическую или прямоугольную форму. Анализ электромагнитных связей При экранировании имеют место два эффекта: 1. Поглощение – эффект, характеризуемый тепловыми потерями на вихревые токи; 2. Отражение – явление, обусловленное несоответствием волновых сопротивлений материала экрана и окружающей среды. Электромагнитное экранирование проходит для диапазона частот от 1 кГц до 1ГГц. Нижняя граница до 1МГц объясняется отражением. Используются алюминиевые и медные экраны. Верхняя граница – лимитируется поглощением. В этом случае используются экраны из стали. Для эффективного экранирования применяют многослойные экраны. Такие экраны эффективно работают в широком диапазоне частот как за счет поглощения так и за счёт отражения. Отверстия и щели ухудшают качество экрана. С увеличением частоты внешнего поля наблюдается рост влияния эффектов поглощения и отражения. Затухание отражением существенно зависит от природы электромагнитного поля. Материалом электромагнитного экрана определяется эффективность экранирования, то есть потери за счет поглощения и отражения. По конструктивной форме экраны выполняются цилиндрическими, сферическими и прямоугольными. Результирующая частота определяется исходя из эквивалентного радиуса и должна находиться в диапазоне частот, характерном для данного экрана. Вопросы специальной технологии РЭС Различают три вида технологических процессов: единичные, типовые и групповые. Единичные технологические процессы (ЕТП) разрабатываются для изделий одного наименования и типоразмера в любом (не только единичном) типе производства. Типовые технологические процессы (ТТП) разрабатываются для группы деталей, имеющих общность конструктивных элементов. Групповые технологические процессы (ГТП) разрабатываются для группы деталей, имеющих общность применяемых технологических методов для их изготовления, но различающихся конструктивными элементами. При оформлении технологической документации, в зависимости от глубины разработки, технологические процессы (а, следовательно, технологическую документацию) разделяют на маршрутные (МК - маршрутные карты), операционные (ОК, КЭ – операционные карты и карты эскизов) и маршрутно-операционные (МК/ОК). Маршрутные ТП предусматривают последовательность выполнения операций, выбор оборудования, технологической оснастки, инструмента. В операционном ТП указывается содержание каждой операции, т.е. отдельные переходы с указанием режимов их выполнения. Обязательным документом операционного ТП является карта эскизов. Специальная технология РЭС подразумевает последовательное выполнение следующих операций: 1. Подготовительные операции, включающие в себя подготовку ЭРЭ (их распаковку, правку выводов, обрезку, зачистку и лужение проводов), а также подготовку сборочных единиц к сборке и монтажу. 2. Установочные операции. Они заключаются в транспортировке ЭРЭ к месту установки, их ориентации и установке на печатной плате. Установочные операции могут осуществляться вручную, в приспособлениях типа пинцет, вакуумный пинцет, в установочных головках, полуавтоматах и прочее. 3. Сборочные операции, обеспечивающие разъёмные или неразъёмные соединения деталей и сборочных единиц в соответствии с конструкторской документацией. К сборочным операциям относятся свинчивание, склёпывание (развальцовка), запрессовка деталей с помощью натяга. 4. Монтажные операции – получение электромонтажного соединения с помощью пайки, сварки, склеивания или накрутки. Пайка – процесс соединения металлов, находящихся в твёрдом состоянии, путём введения в зазор расплавленного припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. Такого рода соединения широко применяются при монтаже электрической аппаратуры, так как обладают низким и стабильным переходным сопротивлением, являются универсальными, легко подвергаются контролю и ремонту. К недостаткам пайки следует отнести высокую стоимость цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур на соединяемые элементы, коррозионная активность остатков флюса, выделение вредных веществ в окружающую среду. Сварка – процесс получения неразъёмного соединения материалов под действием активирующей энергии теплового поля, деформации, УЗ колебаний и их сочетаний. По сравнению с пайкой, сварка характеризуется следующими преимуществами: более высокой механической прочностью получаемых соединений, отсутствием присадочных материалов, незначительной дозированной тепловой нагрузкой на электрорадиоэлементы. К недостаткам относятся критичность при выборе соединяемых материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования интерметаллитов, невозможность группового контактирования и сложность ремонта. Существует много разновидностей методов сварки, но наиболее часто применимы следующие: дуговая электросварка, ультразвуковая сварка, холодная сварка, термокомпрессионная сварка и сварка сдвоенным электродом. Дуговая электросварка Основана на плавлении металлов под действием электрической дуги, которая образуется при прохождении тока через воздушный промежуток между двумя проводниками. В роли первого проводника выступает свариваемый металл, в роли второго – угольный или металлический электрод. При электромонтаже дуговая сварка обеспечивает надёжность соединений при тепловых воздействиях, высокую механическую прочность, надёжный электрический контакт, а также соединение металлов, не поддающихся пайке. Применение сварки вместо пайки повышает производительность и снижает себестоимость изделия, вследствие отсутствия дорогостоящих припоев и флюсов, а также из-за более низких требований, предъявляемых к подготовке поверхностей. Основными недостатками такой сварки является невозможность разъединения сваренных поверхностей, что снижает ремонтопригодность аппаратуры и незначительная стойкость против коррозии. Ультразвуковая сварка Неразъёмные соединения образуются при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и небольших уравновешивающих усилий. Эта сварка может быть точечной, шовной и стыковой. Применяется при соединении материалов, используемых для точечных контактов (платина, иридий, обладающие высокой износостойкостью) с несущими элементами, изготавливаемыми из бронзы. Кроме того, этим способом сваривают тугоплавкие металлы (титан, молибден и др.). Холодная сварка Сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей. Для сварки используют механические и гидравлические прессы. Методом холодной сварки соединяют детали, изготовленные из пластичных материалов (алюминий, цинк). Существует возможность соединения разнородных материалов. Термокомпрессионная сварка Обычные методы сварки при выполнении соединений в интегральных схемах имеют весьма ограниченное применение, что обусловлено малыми размерами поперечных сечений соединяемых материалов. Микросоединения выполняют золотой или алюминиевой проволокой диаметром менее 50 мкм. Термокомпрессионная сварка осуществляется при одновременном воздействии повышенной температуры и давления. Нагрев повышает пластичность выводов и позволяет уменьшить давление, необходимое для деформации. В зависимости от условий, температура выбирается в пределах 250-400, время сварки – 5-30 секунд. Различают два типа пуансонов: клиновые и капиллярные. Пуансон изготавливают из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам), не обладающих адгезией к металлическому проводнику в процессе сварки. Механизм осуществления термокомпрессионного прессования связан с разрушением окисной плёнки и созданием жёсткого контакта между соединяемыми поверхностями. При этом происходит диспергирование окисных плёнок с последующей взаимной диффузией. Свойства соединения зависят от размеров и материала проводника. По мере увеличения площади поперечного сечения, прочность соединения уменьшается. Это объясняется увеличением теплопотерь через проводник. Кроме того, в этом случае для обеспечения надёжного соединения (создание условий для диффузии) необходимо высокое давление. К недостаткам метода относят высокие требования к качеству соединяемых поверхностей, низкая производительность (до 200 соединений в час), низкая надёжность при сварке алюминиевых проводов. Сварка сопротивлением (сдвоенным электродом) Принцип основан на разогреве проводника при прохождении через него электрического тока. Q=I2Rtc. Из формулы видно, что чем больше ток и сопротивление, чем дольше идёт процесс сварки (tc), тем больше выделяется тепла. Общее сопротивление R складывается из переходного сопротивления Rэд между сдвоенным электродом (1) и деталью (2), сопротивления детали Rд и сопротивления Rк корпуса (3): R=Rэд+Rд+Rк. При сварке элементов к проводящему рисунку печатной платы не может быть применена точечная сварка из-за присутствия изоляционного основания (4). Поэтому применяют сварку с параллельным зазором электрода (сдвоенным электродом). Зазор между электродами достигает 0,020,25 мм. Принцип сварки основан на том, что два параллельных тока отталкиваются друг от друга, то есть один из них проходит через деталь, а второй – через корпус. Глубина проникновения тока зависит от величины зазора. Обычно ток создаётся за счёт конденсаторного разряда. Время сварки порядка 10 секунд, напряжение 1,2 вольта, давление 0,25 кгс. Достоинства метода – это маленькое сопротивление контакта, малое время контактирования, то есть теплового воздействия, высокая прочность соединения. Метод применяется там, где необходимо произвести сборку при минимальных расстояниях между соседними контактными площадками. Есть у метода и свои недостатки: необходимость подбора оптимальных режимов, точность позиционирования, высокая стоимость, низкая ремонтопригодность, необходимость частой очистки электродов. Склеивание контактолами. Контактол состоит из эпоксидной смолы (65-80%) и мелкодисперсных частиц серебра или золота. Технология получения подобного соединения подразумевает последовательное выполнение следующих этапов: 1) Химическая очистка соединяемых поверхностей; 2) Нанесение на контактные площадки контактола с помощью шприца без иголки или сеткографии; 3) Установка на контактные площадки выводов элементов с определённым усилием; 4) Нанесение на склеиваемые поверхности дополнительной дозы пасты; 5) Сушка и контроль. Процесс склеивания, в отличие от описанных ранее методов, не влияет на структуру соединяемых металлов, упрощая конструкцию контактных соединений и применяется в тех случаях, когда другие способы соединения неприменимы. 5. Защитные операции. Заключаются в нанесении на поверхность печатного узла влагозащитных покрытий и осуществляются при помощи пульвилизаторов, кистей или окунанием. В качестве влагозащитных покрытий используется эпоксидный компаунд (ЭД80) или нитроклей (К-38). Исходные данные для разработки рабочих технологических процессов (РТП) 1) Конструкторская документация (сборочный чертёж); 2) Программа выпуска; 3) Совокупность оборудования и приспособлений для конкретных предприятий; 4) Разработки специального оборудования, инструментов и оснастки; 5) Особые требования, предъявляемые к отдельным операциям. Содержание: Введение. 1 Классификация приборов 1 Конструирование приборов. 4 Основные понятия. 4 Сущность процесса конструирования. 5 Методология конструирования приборов. 9 Классификация приборов по среде применения и объекту установки 10 Методы конструирования РЭС и приборов. 12 Основные определения и свойства графов. 13 Переход от электрических схем к графам и матрицам. 14 Методы размещения элементов. 16 Стадии разработки приборов системы 19 Конструкционные системы. 21 Унифицирование конструкции. 21 Структура и состав конструкционных систем. 22 Технологичность конструкционных систем. 23 Выбор модулей конструкционных систем. 23 Основные конструкционные системы 24 Преимущества реализации РЭС на конструкционных системах. 25 Система унифицированных типовых конструкций (УТК). 26 Система БНК 27 Конструкционная система электронных измерительных приборов. 30 Характеристика систем несущих конструкций. 31 Элементная база 31 Конструкторско-технологическая классификация и обозначение резисторов 32 Конструкторско-технологическая классификация и обозначение конденсаторов 33 Конструкторско-технологическая классификация и обозначение полупроводниковых приборов 34 Система условных обозначений ИС 35 Корпуса интегральных схем 36 Печатные платы 36 Классификация и конструкция. 36 Инженерное обеспечение качества изображения. 38 Классы точности 38 Методы изготовления печатных плат. 38 Многослойные печатные платы 42 Габариты печатных плат 43 Этапы конструирования печатных плат 43 Печатные узлы с поверхностным монтажом компонентов. 44 Варианты установки элементов поверхностного монтажа: 44 Конвекционная пайка 45 Конструирование электронных модулей 1-го уровня (ЭМ1) 46 Требования к ЭМ1 47 Конструкция ЭМ-1 на основе УБНК1 47 Система обозначений УБНК-1 48 Конструирование электронных модулей 2-го уровня (ЭМ2) 48 Требования к ЭМ2: 48 Задачи, решаемые при конструировании ЭМ2 48 Основные компоновочные схемы блока (ЭМ2) 49 Анализ вариантов расположения межузловой коммутационной зоны 49 Конструкции электронных модулей 3-го уровня (ЭМ3) 50 ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ РЭС ОТ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 50 Категории РЭС в зависимости от условий эксплуатации 50 Климатические воздействия: 51 Тепловые воздействия и их характеристики. Тепловые модели блоков 51 Тепловая модель блока. 52 Способы охлаждения РЭС 54 Защита конструкций РЭС от механических воздействий 55 Разработка конструкции РЭС по вибрационной и ударной нагрузке 56 Защита от воздействия помех 56 Конструирование электрических экранов. 60 Экранирование электрического поля выполняется в следующих случаях: 60 Конструирование магнитных экранов. 62 Конструирование электромагнитных экранов. 64 Электромагнитные связи в конструкциях РЭС 64 Анализ электростатических связей 65 Анализ магнитных связей 65 Анализ электромагнитных связей 66 Вопросы специальной технологии РЭС 66 Исходные данные для разработки рабочих технологических процессов (РТП) 69 Содержание: 70