Н.И.КАЛЕНКОВИЧ С.М.БОРОВИКОВ А.М ТКАЧУК Н.С.ОБРАЗЦОВ
РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ А ПАРАТУР и
OCHOBbI
ЕЕ
КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТ...
303 downloads
396 Views
13MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Н.И.КАЛЕНКОВИЧ С.М.БОРОВИКОВ А.М ТКАЧУК Н.С.ОБРАЗЦОВ
РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ А ПАРАТУР и
OCHOBbI
ЕЕ
КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский го су дарственный университет
информатики и радиоэлектроники» Кафедра радиоэлектронных средств
РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА
И ОСНОВЫ ЕЁ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области информатики и радиоэлектроники в качестве учебно-методического пособия для студентов, получающих высшее техническое образование по специальностям «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Проектирование и производство РЭС»
Минск
1
2008
УДК
ББК
621. 396. 6 - 192(075.8) 32.844 я73 К83 Р е Ц е н 3 е н т ы:
Каленкович, Н. и. Б
Радиоэлеюронная а=арюура и основы её конструкторского проекти-
83
рования
:
учебно-методическое пособие для студентов спец. «Моделпрова
ние и компьютерное проектпрование» и «Проектпрование и производство РЭС»
/ ни.
Каленкович [и др.
]. -
Минск: БГУИР,
2008. - 200
с.
: ил.
ISBN 978-985-488-272-7 РаССМO'Iрены классификация и особенности конструкторского исполнения со временной радиоэлектронной аппаратуры. Приводится общая методология конструк торского проектирования РЭС и их составных частей: печатных плат, несущих конст рукций, лицевых панелеЙ. Излагаются методы защиты конструкций РЭС от действия
дестабилизирующих факторов: повышенной температуры, влаги и механических на грузок. Рассмотрены вопросы надёжности элементной базы РЭС и методы оценки по казателей надёжности проектируемых устройств.
УДК ББК
ISBN 978-985-488-272-7
© ©
621. 396. 6 -192(075.8) 32.844 я73
Каленкович Н. И.,
2008
УО «Белорусский государственный
университет информатики и радиоэлектроники»,
2
2008
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 1)
БИС
БНК -
большая интегральная схема;
ВаКС
-
базовая несущая конструкция; волоконно-оптические кабели и соединители;
rnС
-
ГФ
гетинакс фольгированный;
-
гибридная интегральная схема;
-
ЕСКД
-
ИМС КД мв
-
-
ПЗУ ПП
интегральная микросхема;
конструкторская документация;
- механические воздействия;
ОЗУ аУ
единая система конструкторской документации;
-
-
оперативное запоминающее устройство;
операционный усилитель;
-
постоянное запоминающее устройство;
печатная плата;
РДП
-
РП
рельефная плата;
-
рельефная двухслойная плата;
РЭС РЭУ РЭА
радиоэлектронная аппаратура; радиоэлектронное средство; радиоэлектронное устройство;
РЭФУ
- радиоэлектронный функциональный узел; САПР - система автоматизированного проектирования; СБИС - сверхбольшая интегральная схема; СВЧ - сверхвысокая частота; СФ - стеклотекстолит фольгированный; ТЗ - техническое задание; ТКЕ - температурный коэффициент емкости; ТКС - температурный коэффициент сопротивления; ТТ - технические требования; ЭА - электронная аппаратура. 1)
В зависимости от контекста большинство приведённых сокращений могут исполь
зоваться в единственном и во множественном числе.
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Основные понятия и определения. Классификация РЭС 1.1. Основные задачи и проблемы конструирования .............................. . 1.2. Эволюция конструкций РЭС ...................................................... . 1.3. Виды изделий и элементная база РЭС ........................................... . 1.3.1. Общие сведения ................................................................. . 1.3.2. Резисторы постоянные ........................................................ . 1.3.3. Резисторы переменные ........................................................ . 1.3.4. Конденсаторы постоянной емкости .......................................... . 1.3.5. Интегральные микросхемы ................................................... . 1.3.6. Транзисторы и диоды .......................................................... . 1.3.7. Электрические соединители ................................................... . 1.4. Конструкция РЭС и конструкторская иерархия ............................... . 1.5. Классификация РЭС .................................................................. . 1.6. Классы исполнения РЭС по условиям их эксплуатации .................... . 2. Методология конструкторского проектирования .................................. . 2.1. Особенности процесса конструирования ....................................... . 2.2. Стадии разработки РЭС ............................................................ . 2.3. Организация процесса конструирования ....................................... . 2.4. Особенность системного подхода к проектированию конструкций РЭС .. 3. Конструкционные системы и технологичность конструкций РЭС .... . 3.1. Несущие конструкции РЭС ......................................................... . 3.2. Конструктивные разновидности корпусов интегральных микросхем .... . 3.3. Выбор материалов для конструктивных элементов РЭС .................... . 3.4. Разновидности и особенности разъёмных и неразъёмных соединений .. . 3.5. Технологичность конструкций РЭС ............................................. . 3.5.1. Показатели технологичности ................................................. . 3.5.2. Методы обеспечения технологичности .................................... . 4. Электрические соединения в конструкциях РЭС ........................ . 4.1. Классификация методов электрических соединений ........................ . 4.2. Основные определения и типы печатных плат ................................... . 4.3. Конструктивные характеристики печатных плат ............................. . 4.4. Электрические характеристики печатных плат ................................ . 4.5. Рельефные печатные платы (РПП) ................................................ . 4.6. Материалы оснований печатных плат ........................................... . 4.7. Печатный монтаж и методы его получения .................................... . 4.8. Односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы ........ . 4.9. Методы конструирования печатных плат ...................................... . 4.10. Последовательность процесса конструирования печатных плат ........ . 4.11. Конструктивные покрытия печатных плат ................................... . 4
4.12. 4.13. 4.14.
Выбор и размещение отверстий ................................................. . Маркировка печатных плат ......................................................
Межконтактные соединения из объёмного
. провода ........................ .
5. Компоновка и эргономические показатели рэс ............................ . 5.1. Задачи компоновки 5.2. Оценка компоновочных характеристик РЭУ 5.3. Требования к компоновочным решениям ...................................... . 5.4. Способы выполнения компоновочных работ .................................. . 5.5. Факторы, определяющие эффективность деятельности оператора ......... . 5.6. Эргономические показатели качества конструкции ........................... . 5.7. Принципы организации и компоновки рабочего места ..................... . 5.8. Проектирование лицевых панелей .............................................. . 6. Защита конструкций рэс от дестабилизирующих факторов .......... . 6.1. Классификация дестабилизирующих факторов ............................. . 6.2. Механические воздействия .................................................... . 6.2.1. Параметры вибраций .......................................................... . 6.2.2. Воспроизведение механических воздействий на испытательных стендах .......................................................... . 6.2.3. Динамические характеристики конструкций РЭС ..................... . 6.2.4. Реакция конструкций РЭС на механические воздействия ............ . 6.2.5. Защита конструкций РЭС от вибраций ..................................... . 6.2.6. Защита конструкций РЭС от ударов, линейных нагрузок и акустических шумов ................................................................. . 6.2.7. Защита РЭС при транспортировании ....................................... . 6.2.8. Методы расчёта конструкций с использованием ЭВМ ............... . 6.2.9. Общие рекомендации по защите РЭС от механических воздействий ............................................................................ . 6.3. Тепловой режим конструкций РЭС ............................................ . 6.3.1. Разновидности теплоотвода - теплопроводность, тепловое излучение и теплопередача конвекцией ......................................... . 6.3.2. Способы охлаждения РЭС .................................................. . 6.3.3. Тепловые трубки и термоэлектрические охладители ................. . 6.3.4. Оценочный выбор способа охлаждения РЭС ........................... . 6.4. Защита конструкций РЭС от воздействия влаги .............................. . 6.4.1. Источники и пути проникновения влаги ................................. . 6.4.2. Взаимодействие влаги с материалами конструкций ................... . 6.4.3. Способы влагозащиты РЭС ................................................. . 6.4.4. Покрытия для защиты от коррозии ........................................ . 6.4.5. Влагозащитные монолитные оболочки .................................... . 6.4.6. Влагозащитные полые оболочки ........................................... . 6.4.7. Влагозащита с использованием герметизирующих прокладок ..... . 6.4.8. Герметизация соединителей ................................................ . 5
6.4.9 Технологичность конструкций влагозащигы ............................. . 7. Надёжность РЭА и их элементов ............................................... . 7.1. Надёжность как свойство РЭА и элементов ................................... . 7.2. Показатели надёжности РЭА и их элементов ................................. . 7.3. Надёжность элементов ............................................................. . 7.4. Расчёт показателей надёжности проектируемых РЭУ. ...................... . 7.5. Пример расчёта показателей безотказности РЭУ. ........................... . 8. Техническая документация ... .................................................... . 8.1. Государственные стандарты ....................................................... . 8.2. Конструкторские документы ...................................................... . 8.3. Схемная документация ............................................................. . 8.4. Схемы электрические принципиальные ........................................ . 8.5. Текстовые документы .............................................................. . 8.6. Комплектность конструкторских документов ................................. . 8.7. Технические требования и техническая характеристика ..................... . 8.8. Размеры, допуски и посадки на чертежах ...................................... . 8.9. Параметры шероховатости и их обозначение на чертежах ................. . 8.10. Сборочные чертежи и их содержание .......................................... . 8.11. Спецификация и порядок ее оформления ..................................... . ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА
6
ВВЕДЕНИЕ
Для выбора удачных конструкторских решений РЭС выпускнику специ альности «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Проекти
рование и производство РЭС» необходимо иметь чёткое представление о клас сификации РЭС, организации процесса конструкторского проектпрования, ос новных компоновочных схемах конструкций РЭС, технической документации,
конструкционных системах РЭС, материалах и элементной базе, электрических соединениях в конструкциях РЭС, организации защиты от дестабилизирующих факторов, методах оценки показателей надёжности и т.д. Предлагаемое учебно-методическое пособие предназначено, прежде все го, для закрепления знаний и умений, получаемых студентами специальностей
«Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Проектирование и
производство РЭС»
при освоении учебной дисциплины «Конструпрование
РЭС» (Конструирование РЭУ). После прослушивания цикла лекций по указан
ной дисциилине данное учебно-методическое пособие может служить своего рода справочным пособием, в котором кратко излагаются общие сведения о конструкциях РЭС и рассматриваются основы конструкторского проектпрова
ния. Что касается выбора методов защиты конструкций РЭС от действия деста билизирующих факторов и расчёта показателей надёжности проектпруемых устройств, то предлагаемый материал позволяет сделать это на уровне, пригод
ном для инженерных применениЙ. Отметим, что разработка технической доку ментации сопровождает конструкции РЭС на всех жизненных этапах, начиная от проектирования, продолжая производством и эксилуатацией и заканчивая
(при необходимости) утилизацией. Однако в методическом плане авторы сочли оправданным вопросы разработки технической документации систематизиро вать и привести в отдельном заключительном разделе данной работы. Учебно-методическое пособие предназначено для специальностей «Мо делирование и компьютерное проектпрование РЭС» и «Проектпрование и про
изводство РЭС», однако в полной мере может быть использовано студентами других специальностей, учебные планы которых включают дисциилины конст рукторского профиля, которые в определённой степени носят общий характер. Такими специальностями являются «Радиоэлектронные системы», «Радиоэлек
тронная
защита
информацию>,
«Медицинская
электроника»,
«Оито
электронные системы и технологии», «Экономика и управление на предпри
ятии» , «Инженер НО- психологическое обеспечение информационных техноло гий» и др. Учебные иланы некоторых из указанных специальностей не содер жат учебных дисциилин по изученшо элементной базы конструкций РЭС, по этому авторы включили в пособие учебный материал по типовым элементам: резисторам,
конденсаторам,
микросхемам,
соединителям.
полупроводниковым Авторы
приборам,
надеются,
что
интегральным
данное
учебно
методическое пособие в значительной степени поможет студентам указанных специальностей в освоении учебных дисциплин конструкторского про филя.
7
1.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯРЭС
1.1.
Основные задачи и проблемы конструирования
Цель процесса конструирования
-
спроектировать малогабаритную, вы
сокоэффективную и надёжную аппаратуру, производство и эксплуатация кото рой потребует ограниченного расхода трудовых, энергетических и материаль ных ресурсов. Для достижения этой цели решают, как правило, четыре основ ные задачи конструирования:
• • •
комплексная микроминиатюризация;
обеспечение высокой надёжности; защита от дестабилизирующих факторов (тепло, влага, механические
воздействия и др.);
•
повышение технологичности.
При решении задачи комплексной микроминиатюризации РЭС ищут резервы миниатюризации всех составных частей изделия, не ограничиваясь
только узлами, в которых можно применить интегральные микросхемы (ИМС),
Т.е. элементной базы, системы питания, охлаждения, автоматики и т.д. Решение задачи комплексной микроминиатюризации РЭС начинается с
формирования технических требований к проектируемому изделию в отноше нии максимального снижения габаритов, массы и энергопотребления. Это ре шение должно осуществляться по схемотехническому и конструкторскому на
правлениям
взаимосвязано
и
согласованно.
Конструкторское
направление
включает решение трёх основных вопросов комплексной микроминиатюриза ции:
• • •
структура конструкции РЭС; материалы;
элементная база.
При выборе оптимальной структуры конструкции РЭС по критерию ком плексной микроминиатюризации необходимо использовать большие и сверх большие интегральные схемы (БИС и СБИС), волоконно-оптические кабели и соединители (ВОКС).
При выборе материалов для несущих конструкций и элементов необхо димо применять легкие в высокопрочные материалы, например алюминиевые и магниевые сплавы.
Комплексная микроминиатюризация элементной базы
-
наиболее слож
ный вопрос, особенно в отношении исполнительных элементов автоматики и коммутации.
Тесно связанной с комплексной микроминиатюризацией является задача
обеспечения высокой надёжности РЭс. В последние десятилетия проблема надёжности РЭС заметно обострилась. Объясняется это следующим:
8
РЭС заметно усложнились в схемотехническом отношении. Пр осле
1.
живается тенденция перехода на цифровые принц=ы формирования и обра ботки сигналов, а это усложняет схемотехническое решение РЭУ примерно на порядок (в десять раз). Ужесточились условия, в которых эксплуатируется современная ра
2.
диоэлектронная а=аратура. Они часто характеризуются большим перепадом температур, высоким или низким давлением, наличием механического воздей ствия ит.д.
Повысились требования к точности функционирования РЭС.
3. 4.
Повысилась «цена» отказа РЭУ: он может привести к серьёзным тех
ническим и экономическим потерям. В ряде случаев человек-оператор не имеет непосредственного контакта с РЭС (электронные датчики контроля хода техно логических ироцессов в агрессивных средах, РЭУ на непилотируемых лета
тельных объектах и т.п.). Достижения микроэлектронной технологии позволили получить изделия
большой степени интеграц=
-
БИС и сверхбольшой степени интеграц=
-
СБИС, обладающие высоким уровнем надёжности, что способствует решению проблемы обеспечения надёжности РЭС (табл. интеграции понимают величину шего целого числа, где
N-
1.1).
Напомним, под степенью
округлённую до ближайшего боль
k = 19(N),
количество элементов в ИМС. Таблица
1.1
Надёжность ИМС в зависимости от количества элементов (степени интеграции) Количество
Степень
элементов в ИМС
инте-
От От От От
10 11 до 100 101 до 1000 1001 до 1000 10001 до 100000
ИМС малой степени интеграции ИМС средней степени интеграции ИМС средней степени интеграции
ИМС большой степени
0,022 0,028 0,038 0,148 0,280
интеграции (БИС)
Сверх большие ИМС (СБИС)
100000 *-
зов*, х 10-6 l/ч
ИМС малой степени интеграции
1 2 3 4 5 -
Более
интенсивности отка-
технической литературе
грации
До
Усреднённоезначение
Название, используемое в
0,320
Для полупроводниковых цифровых ИМС (кроме ОЗУ и ПЗУ) не в пластмассовых
корпусах.
Третья задача конструирования РЭС торов (тепло, влага и др.) Четвёртая задача
-
-
-
защита от дестабилизирующих фак
возникла как побочное следствие миниатюризации.
повышение технологичности
-
решается на основе
унификации и стандартизации. Избыточное разнообразие существующих в на стоящее время схемотехнических и конструкторских решений резко снижает
технологичность конструкции РЭС. Различают две разновидности технологич ности
-
производственную и эксилуатационную.
Производственная технологичность
-
это минимальные трудовые и мате
риальные затраты при изготовлении изделия.
9
Эксrmуатационная технологичность
-
минимальные сроки для предупреж
дения, обнаружения и устранения неисправностей и отказов в работе аппарату ры.
1.2.
Эволюция конструкций РЭС
Первые устройства проводной телеграфной связи появrmись в
1832
г. (рус
ский изобретатель ПЛ. Шиллинг). Первый в мире радиоириемник, изобретен ный АС. Поповым, был продемонстрирован в
1895
г.
Конструкционное исполнение первых РЭС напоминало аппаратуру про водной связи (деревянный ящик, монтаж неизолированным проводом, контак
тирование с помощью
(1925 -1935
винтов).
Установка РЭС
на
суда
и
автомобrmи
гг.) привела к необходимости увеличения прочности и экраниро
вания отдельных узлов с помощью металлического шасси. Увеличение серий ности выпуска аппаратуры привело к созданию конструкторской иерархии
(унификации и соподчиненности несущих базовых конструкций). Для защиты аппаратуры танков и самолетов
(1935 - 1945
гг.) были разработаны герметич
ные корпуса, которые устанавливались на виброизоляторы (амортизаторы). Требование существенной минимизации массы и объёма ракетной аппаратуры
(1940 - 1950
гг.) привлекло к созданию микромодулей, печатных rmат, полу
проводниковых приборов, коаксиальных кабелей, полосковых линий, инте гральных микросхем. Дальнейшее усложнение аииаратуры в
1960 - 1970
гг.
привело к появлению элементов функциональной микроэлектроники. В на стоящее время начинает развиваться наноэлектроника.
Условrmись различать следующие поколения РЭС. РЭС первого поколения ны
с
использованием
(20 -
50-е годы прошлого столетия) были построе
электровакуумных
ламп,
дискретных
электрорадиоэле
ментов (ЭРЭ), проводных электрических связей. Ко второму поколению РЭС
(50 -
60-е годы) относят конструкции РЭС на
печатных платах и дискретных полупроводниковых приборах. К третьему поколению относятся конструкции на печатных платах и ИМС малой степени интеграции
(60 -
70-е годы).
В конструкциях РЭС четвертого поколения применяются большие инте гральные микросхемы (БИС), многослойные печатные платы, гибкие печатные шлейфы, микрополосковые линии. В интегральной электронике сохраняется главный принции дискретной электроники
-
разработка электрической схемы
по законам теории цепей. Этот принцип обусловливает рост числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых
ею функций. Однако повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы из-за воз
никающих проблем технологии изготовления, теплоотвода и др. В РЭС иятого поколения находят применение приборы функциональной микроэлектроники. Функциональная микроэлектроника предполагает принци
пиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию ап-
10
паратуры без применения стандартных базовых элементов, используя физиче ские явления в твердых телах. При этом локальному объёму твердого тела при даются такие свойства, которые необходимы для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления этой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут вы полняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материа
лов, как сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлек триках, закономерности распространения ультразвука и т.д.). С течением вре мени изменялось и понятие РЭС. Что касается используемой терминологии. Вначале использовалось поня
тие «аппаратура». Аппаратура, в которой с помощью генерирования и преоб разования электромагнитных колебаний
радиодиапазона решались техниче
ские задачи обнаружения целей, наведения, навигации и Т.П., называлась «ра диотехническая аппаратура». Развитие ЭВМ, систем автоматики, телеметрии, электросвязи привело к появлению понятия «электронная аппаратура». В практике стал шпроко использоваться термин «радиоэлектронная
аппарату
ра» (РЭА). Его можно рассматривать как собирательный термин для обозначе ния одного или совокупности устройств, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники или функционирование которых основано на электронных процессах.
С января укрупнения
1987
года в обращение был введен ГОСТ
радиоэлектронных
средств
по
26632-85
«Уровни раз
функционально-конструктивной
сложности. Термины и определения», который установил термин «Радиоэлек тронное средство» (РЭС). Согласно указанному стандарту под РЭС понимают
изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принцииы радиотехники и электроники. Конкретное наименование РЭС уста навливают в зависимости от его назначения и принципа действия. Согласно
этому определению совокупность функционально связанных устройств (радио электронная система, радиоэлектронный комплекс), решающих какую-то кон
кретную задачу также представляет собой РЭС. Названный стандарт установил и другие термины в зависимости от функциональной сложности РЭС. Радиоэлектронное
устройство
(РЭУ)
-
РЭС,
представляющее
собой
функционально законченную сборочную единrщy, выполненную на несущей конструкции, реализующее функции(ю) передачи, преобразования информации или техническую задачу на их основе.
Радиоэлектронный
функциональный узел
(РЭФУ)
-
РЭС,
представ
ляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующее функцию преобразования сигнала и не имеющее самостоятельного эксилуатационного применения.
В зависимости от конструктивной сложности в соответствии с указанным ГОСТ установлены понятия радиоэлектронный шкаф (кратко диоэлектронный блок (кратко
11
-
-
шкаф), ра
блок) и радиоэлектронная ячейка (кратко
-
ячейка). На практике наиболее широко пользуются понятием радиоэлектрон ныйблок. Радиоэлектронный блок
-
РЭС, представляющее собой совокупность
радиоэлектронных ячеек, предназначенное для реализации функций передачи, приёма, преобразования информации и выполненное на основе несущей конст рукции более высокого уровня, нежели используемых для ячеек Радиоэлектронная
ячейка
-
РЭС,
предназначенное
для
реализации
функций передачи, приёма, преобразования сигналов, выполненное на основе несущей конструкции,
используемой для размещения
изделий электронной
техники, электротехнических изделий, электрорадиоизделий и т.п.
Согласно ГОСТ, под определение РЭС подпадают и электрорадиоизде
лия (полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, резисторы, кон денсаторы и т.д.), которые представляют собой элементную базу конструкций РЭС. Но традиционно сложилось, что в конструировании под РЭС понимают
изделия по функциональной сложности не ниже уровня РЭФУ, а по конструк тивной сложности
-
не ниже уровня радиоэлектронной ячейки. Для элементов
используют термины изделия электронной техники и электрорадиоизделия.
26632-85
В соответствии с ГОСТ
термин РЭС представляет некий аналог тер
мина РЭА, который по-прежнему широко используется в учебной и техниче ской литературе. Поэтому в дальнейшей при изложении учебного материала нет существенного различия между терминами РЭС и РЭА.
1.3.
Виды изделий и элементная база РЭС
1.3.1.
Общие сведения
Конструкция характеризует структуру и свойства изделия, под которым
понимается любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Изделия различаются по видам: деталь
-
изделие, представляющее неделимую часть конструкции и изго
товленное из однородного по наименованию и марке материала или механиче
ски неразделённой композиции материалов;
сборочная единица
-
изделие, составные части которого подлежат соеди
нению на предприятии-изготовителе с помощью сборочных операций; комплекс
два изделия и более (состоящих, в свою очередь, из двух час
-
тей и более), не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными опера циями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатацион
ных функций; комплект
-
два
изделия
и
более,
не
соединенных
на
предприятии
изготовителе сборочными операциями и представляющих общее эксплуатаци онное назначение вспомогательного характера (например, комплект запасных частей, инструмента).
РЭС предназначены для передачи, приёма, хранения и преобразования ин формации, представленной в виде непрерывных или дискретных электромаг-
12
нитных сигналов. Устройства, работающие с непрерывными электрическими (электромагнитными) сигналами, называют аналоговыми, а устройства, рабо тающие с дискретными
сигналами, цифровыми. Обычно в состав современ
ных РЭС входят как аналоговые, так и цифровые устройства, в свою очередь включающие дискретные ЭРЭ
-
резисторы, конденсаторы, катушки индуктив
ности, полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, светодиоды и др.), а также компоненты в интегральном исполнении (ИМС, БИС, СБИС и элементы
функциональной микроэлектроники). В состав элементной базы РЭС входят также
элементы
электромонтажа
-
соединители,
печатные
платы,
провода,
шлейфы и кабели из объёмного провода. Микросхемы являются основной элементной базой современных РЭС из-за своей миниатюрности и высокой надёжности. Однако эксплутационная надёж
ность аппаратуры зависит также от качества разработки конструкции, уровня технологического процесса изготовления и качества использованных в аппара
туре других комплектующих изделий
-
электрорадиоэлементов (резисторов,
конденсаторов и др.), полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т.д.), электрических соединителей. В условиях промышленного производства применение комплектующих изделий регламентируется ведомственными ограничительными перечнями. Не допускается,
в
частности,
пр именение
таких
компонентов,
как
германиевые
диоды и транзисторы (все они сняты с производства и запрещены к примене
нию в новых разработках в России), устаревшие и снятые с производства типы интегральных
микросхем,
транзисторов,
диодов,
резисторов,
конденсаторов,
реле ит.п.
Ниже приводится краткая сводка информационных материалов по наибо лее употребительным видам комплектующих изделий РЭС
1.3.2.
[1].
Резисторы постоянные
При выборе тина резисторов руководствуются рядом требований к их электрическим, конструктивным характеристикам и эксплутационным показа телям:
- номинальное значение сопротивления; - допустимая мощность рассеяния; - класс точности - допустимая погрешность основного параметра; - коэффициент температурной зависимости сопротивления; - уровень собственных шумов; - допустимое падение напряжения на резисторе; - массогабаритные показатели; - возможность формовки выводов для использования в печатном монтаже, в том числе возможность монтажа автоматами;
- показатели устойчивости к климатическим воздействиям; - показатели устойчивости к механическим воздействиям; - показатели надёжности. 13
Массовым т=ом резисторов, применяемых в печатных узлах РЭС, явля ются постоянные металлодиэлектрические резисторы.
Шкалы номинальных значений основного параметра ЭРЭ, установленные
государственным стандартом ГОСТ Е48, Е96 и
El92
(табл.
1.2).
2825-67,
имеют обозначения: Е6,
El2,
Е24,
Наиболее массовым является ряд Е24. Он характе
ризуется десятипроцентным приращением значения при переходе от номинала
± 1О %. приращениями 5 %,
к номиналу и распространяется на компоненты классов точности
Ряды Е48, Е96 и Е192 характеризуются, соответственно,
2%
и
1%
±5 %
и
и распространяются на прецизионные электрорадиокомпоненты. Ря
ды Е6 и Е12 распространяются на переменные резисторы. Эти же ряды номи нальных значений распространяются на конденсаторы и катушки индуктивно сти.
Таблица Ряды номинальных значений резисторов
Обозначение
Ряд
ряда
Е6
1,0 1,5
2,2
3,3
4,7
6,8
El2
1.0 1.5
2.2
3.3
4.7
6.8
1.2 1.6
2.7
3.9
5.6
8.2
1.0 1.3
1.8
2.4
3.6
4.7
6.2
8.2
1.1 1.5
2.0
2.7
3.9
5.1
6.8
9.1
1.2 1.6 100 133
2.2 178
3.3 237
4.3 316
5.6 422
7.5 568
10.0 750
105 140
187
249
332
442
590
787
110 147
196
261
348
464
619
825
115 154
205
274
365
487
649
866
121 162
215
287
383
511
681
909
127 169
226
301
402
536
715
953
100 133
178
237
316
422
562
750
102 137
182
243
324
432
576
768
105 140
187
249
332
442
590
787
107 143
196
255
340
453
604
806
110 147
196
261
348
464
619
825
113 150
200
267
357
475
634
845
115 154
205
274
365
487
649
866
118 158
210
280
374
499
665
887
121 162
215
287
383
511
681
909
124 165
221
294
392
523
698
931
127 169
226
301
402
536
715
953
130 174
232
309
412
549
732
976
Е24
Е48
Е96
14
1.2
Номинальное значение параметра (сопротивления) образуется путём ум
ножения опорных значений из табл.
1.1
на масштабный коэффициент из ряда:
1, 103, 106, 109 И т.д. Производные от основной единицы - Ома сопротивления в инженерной пракrике называются килоомами, мегаомами , гигаомами. При ука зании номинала резистора в конструкторской документации и в технической
литературе используются обозначения: Ом , кОм, МОм , ГОм. При выполнении индивидуальных заданий и для использования в диплом ном проекrировании могут быть рекомендованы следующие типы резисторов. Резисторы С2-23 ОЖО.467.081 ТУ (рис.l.1).
1.
Q
'Q
Номинальные
/s!
/s!
I т
'f
сопротивлений от
--t
1 Ом
до
10
МОм , Допустимая мощность рассеяния от
1
L
(шесть
Рис. 1. 1. Металлодиэлектрический резисторы типа С2-23
2825-67: Е96 ±5 %, ±10 % . В
значения
до
2,0
типоразмеров
Вт по
мощности). Шкала
значений по ГОСТ
для классов точности
классов точности
табл.
1.3
0,062
номинальных
±1 %, ±2 %;
Е24
-
для
приведены обозначения типоразме
ров и сведения о габаритных размерах резисторов С2-23. Таблица
1.3
Основные параметры резисторов С2-23
Типоразмер С2-23-0,062 С2-23-0,125 С2-23-0,25 С2-23-0,5 С2-23-1 С2-23-2
2.
Р рас •
L,
D,
а,
1,
Вт
мм
мм
мм
мм
0,062 0,125 0,25 0,5 1,0 2,0
4,6 6,0 7,0 10,8 13,0 18,5
1,6 2,0 3,0 4,2 6,6 8,8
0,5 0,5 0,6 0,8 0,8 1
20 20 20 25 25 25
Резисторы С2-ЗЗН ОЖО.467.173 ТУ.
Выпускаются шести типоразмеров по величине допустимой мощности рас сеяния
-
от
0,125
до
2
Вт, в вариантах исполнения для ручного и автоматиче
ского монтажа.
Номинальные значения сопротивлений от Классы точности
1,0
Ом до
3.
15
МОм.
±1 %, ±2 %, ±5 %, ±10 %.
Шкала номинальных значений для классов точности классов точности
22
±5 %, ±10 % -
Е24 (ГОСТ
±1 %, ±2 % -
2825-67).
Прецизионные резисторы С2-29В ОЖО.467.009 ТУ.
Е96, для
Выпускаются в шести типоразмерах по величине допустимой мощности рассеяния
-
от
0,062
до
2 Вт.
Номинальные значения сопротивлений от
1 Ом до 20 МОм. Классы точности ±0,05 %, ±0,1 %, ±0,25 %, ±0,5 %, ±1 %. Шкала номинальных значений - Е192 (ГОСТ 2825-67). Показателем температурной зависимости сопротивления резистора являет ся температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
-
относительное измене
ние величины сопротивления при изменении его температуры на один градус
по Цельсию (Кельвину).
В табл.
1.4
приведена классификация резисторов перечисленных типов по
величине температурного коэффициента сопротивления. Таблица
1.4
Классификация резисторов по величине ТКС ГрупТип
па
ТКС С2-23
ТКС,
х 10-
б
В
±ЗОО
Г
±500 ±800 ±1200 ±150 ±75
Д Е Е Ж
Диапазон тем-
Диапазон номинальных
ператур
значений
jО С
(-60 ... +20)
1 Ом ... 9,1 МОм 1 Ом ... 1 МОм 1 Ом ... 10 МОм 1 Ом ... 10 МОм 10 Ом ... 1 МОм 33,2 Ом ... 15,8 кОм
ос
(-60 ... +20)ОС (-60 ... +20) ос
С2-
А
29В
Б
±75 ±150
В
±ЗОО
Д С
±5 ±50
(+20 ... +70) ос (-60 ... +20) ос
10 Ом ... 10 МОм 1 Ом ... 20 МОм 1 Ом ... 20 МОм 10 кОм ... 100 кОм 101 Ом ... 100 кОм
С2-
Б
±100
(-60 ... +20)
1 кОм ... 9,76
33Н
В
±ЗОО
Г
±500 ±500 ±1500
Д Ж
Уровень
собственных
ос
±2 %, ±5 %, ±10 ±2 %, ±5 %, ±10 ±2 %, ±5 %, ±10 ±5 %, ±10 % ±0,5 %,±1 %, ±2 ±0,5 %,±1 %, ±2
% % % % %
Все классы:
0,05 %, 0,1 % 0,25 %, 0,5 % 1% ±0,5 %,±1 %, ±2 %
10 Ом ... 240 кОм 1 Ом ... 1 МОм
±1 %,±2 %,±5 %, ±10 %
1 Ом ... 1 МОм
±2 %,±5 %,±lO %
10 шумов
кОм
Класс точности
Ом ... 22 МОм
характеризуется
±5 %, ±10 %
величиной
напряжения
флуктуационной составляющей падения напряжения на резисторе (в микро вольтах на один вольт падения напряжения). Предельно допустимые эксплуатационные характеристики перечисленных типов резисторов практически одинаковы:
Диапазон температур: Относительная влажность воздуха при
Пониженное атмосферное давление Повышенное атмосферное давление
16
-60°С ...
+ 155°С +З50С: 98 % 1,З·10- 4 Па 2,97·10 5 Па
в табл.
1.5
приведена классификация резисторов рассматриваемых типов в
зависимости от группы уровня собственных шумов. Предельные рабочие на пряжения резисторов представлены в табл.
1.6. Таблица
1.5
Классификация резисторов по уровню собственных шумов
Тип рези-
Группа по уровню
Пределы номинальных
стора
собственного шума
значений
С2-23
А
До
10
Уровень собственного шума, мкВ/В не более
кОм
1
А
1
Б
Свыше
10
5
кОм
Без обозначения
Не нормирован
С2-29В
1 Ом ... 10 10 Без обозначения
кОм
1
кОм .. .499 кОм
499
0,5 1
кОм ... 10 МОм
1 5
Свыше С2-33Н
А
0,1
МОм
5
Ом ... 10 кОм
1
10
10 кОм ... 10 МОм 10 Ом ... 22 МОм
Без обозначения
1 5 Таблица
Предельные рабочие напряжения резисторов Предельное наТип
Р рас , Вт
пряжение
Ипред , В Постоянное, пеС2-23
ременное
Импульсное Постоянное, пеС2-29В
ременное
Импульсное Постоянное, пеС2-ЗЗН
ременное
Импульсное
0,062
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
100
200
250
350
500
750
150
350
450
750
1000
1200
150
200
350
500
750
750
300
400
750
1000
1200
1200
-
200
250
350
500
750
-
400
450
750
1000
1200
Допустимые параметры механических воздействий для рассмотренных выше типов резисторов следующие:
Максимальная частота синусоидальной
вибрации: Пиковое ускорение одиночного удара:
17
5000 Гц 10000 м!с 2 (1000 g)
1.6
Пиковое ускореIШе многократного удара:
1500 м!с 2 (150 g) 5000 Гц
Максимальная резонансная частота:
Показатели надёжности рассматриваемых здесь типов резисторов сведены
в табл.
1.7. Таблица
1.7
Показатели надёжности резисторов Тип резистора
С2-2З
С2-29В
С2-ЗЗН
Интенсивность отказов, l/ч
2·10·8
2·10·8
2·10·8
Гарантированная наработка, ч
50000
25000
20000
25
25
15
Срок сохраняемости, лет
На примере записи в конструкторской документации покажем, в каком по
рядке указывается информация о резисторе: Резистор С2-33-0.25
-221
кОм
±l%А- В- В-А
ОЖО.467.173ТУ
Т
Обозначение документа на п
именение
для автоматического монтажа
Всеклиматическое исполнение Группа по ТКС Класс по ласс по точности
стимая мо
Тип
езисто а
1.3.3.
Резисторы переменные
Резисторы с регулируемой величиной сопротивления называются пере менными резисторами.
По видам осуществляемых регулировок переменные резисторы подразде ляются на регулировочные и подстроенные.
Регулировочные переменные резисторы предназначены для осуществ ления оперативных регулировок в процессе эксплуатации РЭС. Подстроечные переменные резисторы предназначены для осуществле
ния регулировок эпизодически, при наладке узлов и блоков РЭС. В табл.
1.8.
приведена сводка данных для некоторых типов переменных
резисторов, предназначенных для печатного монтажа.
Выбор типа переменного резистора должен делаться из условий постав ленной задачи с учётом всех приведенных в табл. показателеЙ.
18
1.8
и ряда дополнительных
Таблица
Переменные резисторы для печатного монтажа!) Тип резистора
Параметры СПЗ-19Б
РПl-84
РПl-61А
РПl-63ВМ
Конструктивные характеристики Габарюы, мм
7,5х6,5х9
10х6,3х10
10х4,5х12,2
10х4х10,6
Шаг выводов, мм
2,5
2,5
2,5
5
Масса, г
0,8
3
1
1,5
Износоустойчивость,
500
15000
200
500
циклов
Электрические характеристики Диапазон номинальных
10 ... 1·10-6
470 .. .4.7·106
100 ... 6,8·10 6
47 ... 1·106
10 ... 20
20 ... 30
20 ... 30
10 ... 20
0,5
0,025
0,5
0,125
70
55
70
40
250 ... 500
1000
100 ... 250
1000 ... 1500
20
5.. .30
20
20
1000
1000
-
100
15
10
15
10
значений, Ом Класс точности,
%
Номинальная мощность рассеяния, Вт Температура при но минальной МОЩНОСТИ, ос
ТКС (по модулю), (l/К)
х
10-6
Уровень собственных шумов, мкВ/В Сопротивление изоляции,МОм Начальный скачок,
%
Эксплуатационные характеристики Диапазон рабочих тем-
-60 ... +125
-60 ... +70
-60 ... + 125
ператур, ос
Коэффициент снижения
0,1
0,2
-
0,4
мощности при макси-
мальной температуре Относительная влаж-
98
ность при
25
ОС,
%
Предельное напряжение
150
50
250
150
210
-
350
150
5000
80
80
80
постоянного и перемен-
ного тока, В Предельное напряжение импульсное, В Максимальная частота
синусоидальной вибрации,Гц
19
1.8
Окончание табл.
1.8
Тип резистора
Параметры СПЗ-19Б
РПl-84
РПl-61А
РПl-63ВМ
10000
-
-
-
0,1 ... 2,0
-
-
-
1500
150
150
150
100
100
100
80
Однократный удар:
пиковое ускорение, м/с
2
длительность импульса, мс
Многократные удары:
пиковое ускорение, м/с
2
длительность импульса
1 ... 5 мс Максимальная резонансная частота, Гц
Показаmели надёжносmи Интенсивность
3·10·8
3·10·8
3·10·8
3·10·8
20000
20000
20000
15000
15
12
15
10
отказов, l/ч Гарантированная нара-
ботка, ч Срок сохраняемости, лет
1) ГОСТ
Ряд номинальных значений всех перечисленных типов переменных резисторов - Е6 по
2875-67. Одним из важных свойств переменного резистора является его функцио
нальная характеристика
-
закон изменения сопротивления между выводом, со
единенным с подвижной контактной щеткой и одним из крайних выводов рези стора от угла поворота или продольного перемещения подвижной системы.
Регулпровочные резисторы выпускаются с тремя вцдами функциональной характеристики:
- «А» - «Б» - «В» -
с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота;
с зависимостью, близкой к логарифмической; с зависимостью в виде показательной функции.
Переменные резисторы с функциональной характеристикой «В» приме няются в регуляторах громкости радиовещательных приемников и звуковоспро
изводящей аппаратуры, чтобы скомпенспровать логарифмическую динамиче скую характеристику человеческого слуха и обеспечить возможность изменения громкости звучания пропорционально углу поворота или продольному переме
щению подвижной системы регулятора, в особенности при малых уровнях громкости.
Переменные резисторы с функциональной характеристикой «Б» приме няются в узлах управления формой частотной характеристики (регулировки тембра) звуковоспроизводящей аппаратуры. К подстроечным резисторам требования нелинейной функциональной ха рактеристики не предъявляются, и они выпускаются с характеристикой «А».
20
Следует иметь в ВИДУ, что наличие ПОДС1роечных переменных резисторов в
узлах РЭС всегда нежелательно. Наличие их в печатных узлах РЭС приводит к
увеличенIПO габаритных размеров, предполагает необходимость обеспечения доступа к работающему узлу для выполнения ПОДС1ройки, что часто усложняет КОНС1рукцшо узлов и блоков и ухудшает условия их защиты от воздействия фак торов внешней среды. С точки зрения элекгрических характеристик ПОДС1роечные резисторы яв ляются источниками дополнительного ВНУ1реннего шума, значительно пр евы шающего внутренние шумы постоянных резисторов.
С точки зрения надёжности ПОДС1роечные резисторы являются потенци альным источником отказов, связанных с превышением ресурса износоустой
чивости, составляющего у разных типов всего от
100
до
500
полных циклов
регулировки (поворотов подвижной системы). Поэтому следует проектпро
вать высокостабильные аналоговые узлы, сохраняющие свои характеристики в течение всего срока их работы без ПОДС1ройки. Пример записи в КОНС1рукторской документации: РезuсmорРПl-81-100 кОм ±
1.3.4.
20 % Ашпк.434160.017 ТУ.
Конденсаторы постоянной емкости
При выборе типа и типоразмера конденсаторов набор требований, сформулпрованных по отношенIПO к резисторам, несколько изменяется только в части элеК1рических характеристик. Не повторяя всего набора, перечислим ряд показателей, специфических именно для конденсаторов:
- номинальное
рабочее напряжение (постоянного, переменного тока или
импульсного);
- частотный диапазон, в котором работает конденсатор; - тангенс угла диэлекгрических потерь; - зависимость величины емкости от рабочего напряжения. Большое разнообразие 1ребований по номинальным значениям емкости
-
от единиц пикофарад до тысяч микрофарад, по рабочим напряжениям
-
от
единиц до тысяч вольт, по классу точности, потерям, температурному коэф фициенту емкости (ТКЕ)
-
все это определяет разнообразие типов и обилие
типоразмеров конденсаторов.
Приведем выдержки из справочных материалов по некоторым типам кон денсаторов, предназначенных для использования в печатных платах РЭС.
1.
Конденсаторы с керамическим диэлек1рИКОМ К10-17а (рис.
1.2,
а).
Предназначены для применения во всех видах радиоаппаратуры в цеиях постоянного и переменного тока в шпроком диапазоне частот.
Выпускаются в изолированном все климатическом исполнении (залиты
обволакивающим компаундом) в 1рех типоразмерах (табл.
21
1.9).
L
L
L \l)
IX!
Ц)"
- 1\.,.1
~{\I
i
rгJd
eJd
IX!
rгJd
I I .... ц)
I
А
~
А б
а
Рис.
-
~ . ' . :t
:t
1- -'-'-'-
а
i
!
1.2.
в
КOIщенсаторы с керамическим диэлектриком:
типа К10-17а; б
-
типа К10-47а; в
-
типа К10-476 Таблица
1.9
Типоразмеры конденсаторов К1 0-17а
Предельные номинальные значения емкости
2,2 ... 2000 пФ(гр. ПЗЗ и др.) 6,8 нФ ... 0,47 мкФ (гр. Н9О) 2,2 НФ (гр. 6,2
ПЗЗ)
... 1,5 мкФ (гр.
нФ (гр. ПЗЗ) ...
Н9О)
0,47 мкФ (гр. Н90)
Номинальные значения емкости от
2,2
пФ до
L,
В,
А,
d,
мм
мм
мм
мм
6,8
4,6
2,5
0,6
8,4
6,7
5,0
0,6
12
8,6
7,5
0,6
мкФ (шкала Е 24).
1,5
Группы по ТКЕ: ПЗЗ, М47, М750, М1500, Н50 и Н90. Классы точности:
для группы ТКЕ Н90;
(+80 ... -20) %
±5 %, ±10 %, ±20 %
для остальных групп.
Номинальные рабочие напряжения от
25
до
160 В.
Пример записи в конструкторской документации:
Конденсатор К1О-17а - М47 -
2.
430 пФ ± 10 % -В -
ОЖО.
460.107 ТУ
Керамические коидеисаторы КI0-47а, КI0-47б (рис.
1,2, б, в).
Предназначены для применения в цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока в широком диапа з оне частот.
Номинальные значения емкости от
10
нФ до
2,2
мкФ.
Группы по ТКЕ: НЗО , Н50, Н90. Классы точности:
(+80 ... -20) %
для группы Н90;
± 10 %, ±20 %
ДЛЯ осталь
ных групп ТКЕ. Номинальные рабочие напряжения
50, 100
и
250
В. Следует иметь в виду,
что в качестве диэ лектрика в конденсаторах данного тппа исполь з ована сегне токерамика, вследствие чего номинальное значение емкости реализуется только
при рабочих напряжениях, близких к номинальным.
22
в табл.
1.1 О
приведены конструктивные данные конденсаторов К 10-47, в
исполненпи «ю> и «б» температурной группы Н30: <ш» пусе, «б»
-
-
в пластмассовом кор
залиты обволакивающим компаундом. Таблица
1.10
Конструктивные данные конденсаторов К10-47 Пределы номинальных
Ином,
L,
Н,
В,
А,
d,
значений емкости
В
мм
мм
мм
мм
мм
1
2
3
4
5
6
7
Исполнение «Ш). группа ТКЕ НЗО
10 нФ ...
ЗЗ нФ
47 нФ, 68 0,1
мкФ,
100
0,15
мкФ,
0,47 мкФ, 0,68
мкФ
10 нФ, 15
нФ
нФ,
нФ,
0,068 0,1
33
5
5
0,6
9
5,3
7,1
5
0,6
12
5,3
9,5
7,5
0,8
14
5,3
11
10
0,8
100
16
5,3
13,5
12,5
0,8
250
9
5,3
7,1
5
0,6
12
5,3
9,5
7,5
0,8
14
5,3
11
10
0,8
16
5,3
13,5
12,5
0,8
мкФ мкФ
22
5,3
нФ
0,33
0,22
7,5
47 нФ
мкФ
мкФ
Исполнение
10 нФ .. .33
нФ
«6».
группа ТКЕ НЗО
100
7,5
5,3
5
5
0,6
47 нФ, 68
нФ
100
9
5,3
7,1
5
0,6
10 нФ, 15
нФ
250
9
5,3
7,1
5
0,6
Пример записи в конструкторской документации: Конденсатор
K10-47 а -100 В - 0,22 мкФ ± 20 % НЗО
ОЖО.460.174 ТУ.
Сводка данных по электрическим параметрам, эксплуатационным показателям, показателям надёжности рассматриваемых здесь типов керамических
конденсатов приведена в табл.
1.11. Таблица
1.11
Параметры керамических конденсаторов Параметры
Тип конденсатора КlO-17a
I
КlO-47a
Кl5-206
Электрические параметры Номинальное напряжение, В Допуск,
%
Тангенс угла потерь Сопротивление изоляции, МОм
23
25 ... 160 50,100,250 Н90(+80 ... -20) НЗО±20 Н50 (+50 ... -20) ОсН90 (+80 ... -20) тальные группы ±5, ±10,±20 0,0015 при С > 50 0,0015 при С > 50 пФ
пФ
10000
4000
1600 .. .4000 Н50 (+50 ... -20)
0,035 10000
Окончaюrе табл.
1.11
Тrrn конденсатора
Параметры
I
КlO-17a
I
КlO-47a
Кl5-206
Устойчивость к воздействиям факторов окружающей среды
Температура Се
-60 ... + 125
-60 ... + 125
-60 .. .+85
1, 3'10 2,97'105 98%
1,3'104 2,97'105 98%
1,3'104 2,97'105 80 %
Устойчив
Устойчив в испол-
Устойчив
Атмосферное давлеmrе: А
поmrжеююе повышенное
Относrпельная влажность при 25 С 0
Соляной тум:ан
ненIПI «В» Иней, роса
Устойчив
-
Устойчив в испол-
ненIПI «В» Плесневые грибы
Устойчив
-
Устойчив в испол-
ненIПI «В» Синусоидальная вибрацrщ Гц;
Ускореmrе м/с 2 АкуСПIчесЮlЙ шум:, дЕ, в диапа-
зоне
50 ... 10000
-
.
80 (5000)* 50 (400)* 170
50 .. 10000 400 170
-
5000(15000)* 400(1500)* 5000*
15000 1500 5000
Гц
Однократный удар, м/с " Многократные удары, м/с '"
Лrrnейное ускореmrе, м/с "
Показатели надёжности МrrnI1},i[альная наработка ч
25000 25
Срок сохраняемости, лет
30000 20 .. 25
2000 20
При крепленIПI конденсатора за корпус.
*)
3.
:Конденсаторы металлопленочные полиэтилентерефталатные (ЛАВ
САН) К73-24 (рис.
1.3).
Предназначены для работы в качестве встроенных элементов внутренне го
монтажа
аппаратуры
в
цепях
постоянного,
и
пульсирующего
тока.
8
L
8
L
переменного
Конденсаторы готавливаются
:t
3
«а»,
\.
lj 1'-
трех
:t
!
А
"
с'
0d
.,
!
<о ~
I
! ! i.-
I А
~ Е
'"
~I
~
! ,
)
Рис.
1.3.
Конденсаторы мета.тшоrшеночные поmrэпшентерефталатные: а
24
-
тrrnа К73-24; б -типа К73-24в
в
вариантах:
и «в».
«6»
Конденсаторы
00,6
из
рианта
-
(й»
ва
уrmот
нённые (рис.
1.3, а), «6» - не
варианта
защищённые, анта «в» ные
(рис.
-
вари
защищён
компаундом
1.3,
б).
в табл.
1.12
приведены сведеIШЯ о номенклатуре номинальных значений
емкости, рабочих напряжений и габаритных размеров конденсаторов К73-24в. Таблица
1.12
Параме'IpЫ конденсаторов К73-24в
Сном, мкФ
0,001 0,0015 0,0022 0,0033 0,0047 0,0068 0,0082 0,01 0,012 0,015 0,022 0,027 0,033 0,039 0,047 0,056 0,068 0,082 0,1 0,12 0,15 0,18 0,22 0,27 0,33 0,39 0,47 0,56 0,68 0,82 1,0
UHoM~100 В
UHOM~250 В
L,
Н,
В,
А,
L,
Н,
В,
А,
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
9
11
9
4,5
7,5
11
4,5 7,5
10,5
10,5
- - - -- - - - -- ------ - - - - -
-------
6
11,5
13
7,5 10
13
4,8 5,0
13,5 10
6,0 13,5
11,5
19,5 16
16 19,5
6,6 5,6 6,7 5,6 6,7
9,3 11 6,1 7,1 8,2
15
9,4 15
19 27
11,2 8,8 10,5
22,5
Пример записи в конструкторской документации: Конденсатор К73-24в-700В
4.
Конденсаторы
- 0,1 мкф-± 10
металлопленочные
%АДпк.
673633.010
ТУ
полиэтилентерефталатные
К73-39.
Заменяют: металлопленочные конденсаторы К73-17, К73-30, К73-34, ке рамические конденсаторы КМЗ «б»
-
КМ6 «б», К10-17 «б», К10-47 «а» групп
НЗО, Н50, Н90, превосходя их по стабильности емкости.
25
Основные технические данные металлопленочных конденсаторов двух
рассматриваемых здесь типов приведены в табл.
1.13. Таблица
1.13
Технические данные металлопленочных конденсаторов Параметры
Тип конденсатора К73-24в
К73-39
Электрические параметры Номинальная емкость
0,001 ... 6,8
Номинальное напряжение (в интервале
мкФ
100,250
0,001 ... 1,0
мкФ
63,100,250,400,630
темпера'I)'Р
-60 ос
... +85 ОС), В
Класс точности Тангенс угла потерь при Сопротивление
±5;±10;±20 '::0,012 3000
1 кГц изоляции дЛЯ СНОМ ':: f
~
±5;±10;±20 ':: 0,012 3000
мкФ, МОм, не менее
0,033
Сопротивление изоляции между соеди-
10000
-
':: 1000
':: 1000
ненными выводами и корпусом, МОм, не менее
Постоянная времени для Сном'::
0,033
мкФ, МОм·мкФ
Эксплуатационные Интервал рабочих темпера'I)'Р Относительная влажность при
25
ОС
Пониженное атмосферное давление, Па
-60 ... + 100°С
-60 ... + 100 "с
98%
98%
6,66· 102
-
1... 80 50
-
Синусоидальная вибрация: диапазон частот, Гц
аМПЛИ'I)'да ускорения, м/с
2
Пиковое ускорение многократного уда-
ра, м/с
150
2
Показатели надёжности Интенсивность отказов, l/ч
2·10"8
-
Минимальная наработка, ч
15000
15000
10
10
Срок сохраняемости, лет
Пример за=си в конструкторской документации: Конденсатор К73-39
-100 Б - 0,1 мкФ ± 10 % РАЯц. 673633.000 ТУ 5. Оксидно-электролитические конденсаторы К50-35 (рис. 1.4, а).
Предназначены для применения в цеиях постоянного и пульсирующего
тока для фильтрац= помех. Выпускаются в цилиндрическом алюминиевом корпусе (исполнение «И»
6,3 дов
26
и
-
в полихлорвиниловой оболочке). Диаметр корпуса:
8 мм (диаметр выводов 0,6 мм, шаг 2,5 мм); 10, 14 и 16 мм (диаметр 0,8 мм, шаг 5 мм); 18 и 21 мм (диаметр выводов 0,8 мм, шаг 7,5 мм).
выво
06.3-18
i
ГrF
i I
.., 11 '" !i 1i
I
,
07. 1
05(6)
I I
i 0с1
i i 00.6(0.8)
2,5.1 1•
• 1 1··2.5(5)
•i 5 i.
б
а
Рис а
6,
-
в
1.4.
IJ
Конденсаторы:
оксидно-электролитические типа К5О-35;
-
оксидно-полупроводниковые типа К53-34
Номинальные рабочие напряжения Номинальные значения емкости
6,3 ... 315 В. 1,0 ... 4700 мкФ.
Пример записи в конструкторской документации: Конденсатор К50-35
6.
- 25 В -47 мкф -
И-В-А ожо.
464.214
ТУ.
Конденсаторы оксндно-полупроводннковые К53-34 (рнс.
1.4,
б, в).
Конденсаторы неполярные. Предназначены для работы в цепях постоян ного, переменного и пульсирующего тока.
Выпускаются в изолированном всеклиматическом исполнении в двух ва риантах: (рис.
К53-34-1
(рис.
1.4, б) - 2 типоразмера (05 и 6 мм) 1.4, в) - 3 типоразмера (0 5,6 и 7,1 мм). Шаг расположения выводов 2,5 и 5 мм (рис. 1.4, б, в). Номинальное рабочее напряжение от 1,6 В до 50 В. Номинальные значения емкости от 6,8 до 100 мкФ, шкала Е6.
и К53-34-2
Пример записи в конструкторской документации: Конденсатор К53-34-1-
7.
6,3 В -10мкФ ± 20 %
-В ожо. 464. 238 ТУ.
Конденсаторы оксидно-электролитические неполярные К50-51.
Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульси рующего тока и в импульсных режимах.
Выпускаются в цилиндрическом алюминиевом корпусе, одного типораз мера: диаметр корпуса
2,5
6
мм, высота
11
мм, диаметр выводов
0,6
мм, шаг
мм.
Номинальные рабочие напряжения Номинальные значения емкости
6;3; 16,25 и 50 В. 2,2; 4,7; 10; 22 и 47 мкФ.
Пример записи в конструкторской документации: Конденсатор К50-51
27
-
25В
-
47мкФ -И-В:А АДПК673541.000 ТУ
,
3,2
Конденсаторы
8.
окснд
но-полупроводннковые
~
биевые, полярные К53-21.
I
+
Предназначены для рабо ты
в
цепях
постоянного
пульсирующего
пульсных
00,6
ются
2,5
2, 5
1.5. Конденсаторы а
-
се в
типа К53-21;
6,
в
-
типа К53-30
тока
режимах.
и
в
и им
Выпуска
«уплотненном»
испол
в пластмассовом
корпу
одного
типоразмера
(рис.
1.5). Номинальные рабочие на
оксидно-полупроводниковые
ниобиевые, полярные:
в
нении
2,5 б
а
Рис.
нно
пряжения
6,3; 10; 16; 20
и
32
В.
Номинальные значения емкости
0,68 ... 4,7
мкФ, шкала
Е6. Класс точности
± 20 %.
При мер записи в конструкторской документации: Конденсатор К53-21- 20В
9.
-
47мкФ ± 20В -А ОЖО.464.157 ТУ.
Конденсаторы оксидно-полупроводниковые ниобиевые, полярные
К53-30.
Выпускаются в изолированном всеклиматическом исполнении и в исполнении ухл, в двух модификациях (рис.
1.5, б, в). Номинальные рабочие напряжения 1,6 ... 32 В. Номинальные значения емкости 1,0 ... 15 мкФ. Обозначение документа на применение: ОЖО.464.279 ту для модифика
ции
1 (рис. 1.5,
б) ОЖО.464.225 ту
-
для модификации
2
(рис.
1.5,
в).
При мер записи в конструкторской документации: КонденсаторК53-30-1-1,6В
1.3.5.
- 47 мкФ± 20 % -В -А
ОЖО.464.279 ТУ.
Интегральные микросхемы
Выбор серии и конкретных типов микросхем основывается на знании их электрических параметров и эксплутационных показателеЙ. Широко использу ются ИМС операционных усилителей. Операционный усилитель (ОУ), выпол ненный в виде интегральной микросхемы, используется в технике записи и воспроизведения звука, в технике телекоммуникаций, радиопередачи и радио
приема, в телевидении
-
для усиления, сравнения, фильтрации, генерирования
сигналов и Т.п. По электрическим характеристикам ОУ подразделяются на сле
дующие классы: ОУ общего применения; высоковольтные и мощные ОУ; мик ромощные ОУ; быстродействующие широкополосные ОУ; прецизионные (вы сокоточные) ОУ; многоканальные ОУ.
28
Для обозначения микросхем операционных усилителей, про изводимых в странах СНГ, принята следующая кодировка. х
хх --
ХХХУ
-г-
- -
--т--
хх
хх
-
-г--
х
-
--
Различие в электрических параметрах (А .. Я) Код типа корпуса:
01 - корпус типа 31ХХ.ХХ 4 - корпус типа 401.14 08 - корпус типа 2108.8 Порядковый номер разработки от Аббревиатура от «Усилитель ди Цифровое обозначение серии
1 до 99
е енциальный»
- 2 или 3 цифры
Груипа по конструкторско-технологическому исполнению:
1; 5; 6 - полупроводниковые 7 - полупроводниковые бескорпусные 2; 4; 8 - гибридные 3 -прочие Тип корпуса:
- пластмассовый планарный Б - бескорпусное исполнение Е - металлополимерный DIP М - металлокерамический DIP Н - миниатюрный металлокерамический С - стеклокерамический DIP Р - пластмассовый DIP Ф - миниатюрный пластмассовый Без буквы - металлостеклянный А
Вариант применения: К
-
ОС Э
-
широкого применения
-
специального применения
экспортное исполнение (шаг
Нет символа
-
2,54
и
1,27 мм)
специального применения
Примеры обозначения: 140УД1А; КР140УД608; КФ1053УДЗ и т.п. в табл.
1.13
приводится сводка необходимых конструктору сведений по
ОУ широко распространенной серии
29
140.
Таблица Операционные усилители серии
1.14
140 Технические
Классификационный тип
Тип корпуса
140УД1
Общего применения
301.12-1
6КО.347.004ТУ
KP140YДl
Общего применения
201.14-1
6КО.348.454 ТУ
140УД5
Быстродействующий
301.12-1
6КО.347.004 ТУЗ
КР140УД5
Быстродействующий
201.14-1
6КО.348.239 ТУ
140УД6
Общего применения
301.8-2
6КО.347.004 ТУ4
КР140УД6
Общего применения
201.14-1
140УД7
Общего применения
301.8-2
КР140УД7
Общего применения
201.14-1
140УД8
Общего применения
301.8-1
6КО.347.027 ТУ
КР140УД8
Общего применения
2101.8-1
6КО.348.150 ТУ
140УД9
Общего применения
301.12-1
6КО.347.004 ТУ9
КР140УД9
Общего применения
2101.8-1
6КО.348.488 ТУ
140УДll
Быстродействующий
301.8-2
6КО.347.004ТУ15
140УД12
Микромощный
301.8-2
6КО.347.004 ТУ10
КР140УД12
Микромощный
201.14-1
140УДlЗ
Прецизионный
301.8-2
6КО.347.004 ТУ12
КР140УД14
Микромощный
201.14-1
6КО.348.304 ТУ
140УД14
Микромощный
301.8-2
6КО.347.004 ТYll
Общего применения
301.8-2
6КО.348.669 ТУ
Прецизионный
301.8-2
6КО.347.004 ТУ17
Общего применения
2101.8-1
6K0.348.095-11
Двухканальный
201.14-10
6КО.347.004 ТУ14
Общего применения
301.8-2
6КО.348.095-1З ТУ
ТипОУ
Кl40YД16 140УД17 КР140УД18 140УД20 Кl40YД22
По условиям эксплуатации в рамках серии
140
условия
6КО.347.004 ТУ5
ТУ
выпускаются конструктив
ные исполнения микросхем, предназначенные для применения в аппаратуре как
общепромышленного, так и специального назначения. Соответствующие раз новидности микросхем выполняются
в
пластмассовых
или металлокерамиче
ских DIР-корпусах или в круглых металлостеклянных корпусах со штыревыми выводами.
В табл.
1.15
приведена сводка эксплуатационных показателей интеграль
ных схем ОУ данной серии.
30
Таблица Эксилутационные показатели ОУ серии
1.15
140
Серия, модификация
Показатели
1
140
Нl40
Кl40
КР140
КФ140
2
3
4
5
6
Устойчивость к внешним воздействиям Температурный диапа-
-60 .. .+ 125
-60 .. .+85
-10 .. .+70
-10 .. .+70
-10 .. .+70
6,67·102 2,97·105
6,67·102 2,97·105
26,6·104 2,97·105
26,6·104 2,97·105
26,6·104 2,97·105
1... 5000 400
1... 5000 400
1.. .2000 200
1... 2000 200
1... 500 100
15000
15000
1500
1500
1500
(0,1 ... 2,0)
(0,1 ... 2,0)
(0,1 ... 2,0)
(0,1 ... 2,0)
(0,1 ... 2,0)
1500
1500
750 ... 1500
1500
750
(1 ... 5)
(1 ... 5)
(1 ... 6)
(1 ... 5)
(1 ... 6)
5000
5000
5000
5000
500
170
-
-
-
-
-
-
98%
98%
98%
Иней и роса
Устойчив
Устойчив
Соляной туман
Устойчив
Устойчив
Плесневые грибы
Устойчив
Устойчив
-
-
-
зон ос
Атмосферное давление, Па: пониженное повышенное
Синусоидальная вибрация:
диапазон частот, Гц
ускорение, м/с
2
Однократный удар: 2
пиковое ускорение, м/с ; длительность импульса, мс
Многократные удары: 2
пиковое ускорение, м/с ; длительность импульса, мс
Линейное ускорение,
м/с
2
Акустический шум:
50 ... 1000
диапазон частот, Гц;
О
интенсивность,дБ
Относительная влажность при
35
ос
Показатели надёжности Средняя наработка до отказа, Ч
Срок сохраняемости, лет
31
50000
50000
50000
15000
20000
25
20
10
12
10
в современных РЭС и ЭВС используются различные виды интегральных логических микросхем
-
серии быстродействующих микросхем на эмиттер но
связанной логике (ЭСЛ-серии транзисторной логики
100, 500 и др.), серии микросхем транзистор (ТТЛ-серии 133, Кl13, Кl55, 1533, Кl533, К555 и др.),
серии микросхем на комплементарных МДП-структурах (КМДП-серии К176,
564,
К561), серии микросхем памяти К537, К556, К565, К573 и другие, микро
процессорные комплекты и однокристальные микроЭВМ
К1810,
Kl816
-
серии К580, К1801,
и другие, серии микросхем аналого-цифровых и цифроаналого
вых преобразователей К572, К111 О и т.д. Среди них встречаются серии-двойники, являющиеся полными схемотех
ническими аналогами и аналогами по типам корпусов и цоколевке. Это объяс няется тем, что с совершенствованием технологии оказалось возможным про
дублировать хорошо зарекомендовавшие себя и нашедшие широкое приме нение серии микросхем новыми сериями с более высокими техническими характеристиками, обеспечив возможность легкой замены устаревших мик росхем новыми в уже разработанных узлах РЭС.
Так, включение диодов
Шоттки в структуру базового элемента ТТЛ-серий привело к созданию мик росхем с меньшим
энергопотреблением,
появление
«охранного
кольца»
в
структуре КМДП привело к разработке на смену серии К176 ИМС серий
564,
К5бl, К1564, работающих в широком диапазоне напряжений питания
-
от+3до+15В.
Существующие при этом «старые» серии
133,
К155, К176 и другие будут
выпускаться еще долго, так как сроки разработки, производства и эксплуатации РЭС на объектах установки обычно растягиваются на десятки лет, а модерниза ция, включающая замену электронного оборудования на более современное, стоит дорого и практикуется редко. Поэтому выпуск устаревших серий ИМС,
необходимых для комплектования запасного имущества и принадлежностей (ЗИП) для ремонта находящихся в эксплуатации РЭС старых выпусков, про
должается долгие годы. Пр именение устаревшей компонентной базы в новых разработках при этом ограничивается специальными ведомственными и межве домственными документами. Порядок ирименения покупных изделий, включая
оформление разрешения на пр именение, регламентируется ГОСТ
2.124-85.
При выборе серии логических ИМС для РЭС (ЭВС) следует, как всегда, исходить из условий задачи по быстродействию проектируемого цифрового устройства, совместимости его по уровням напряжений входных и выходных
сигналов, входным и выходным токам с другими узлами и блоками комплекса РЭС объекта, наличия или отсутствия на объекте установки ограничений по энергопотреблению, массогабаритным показателям, из условий эксплуатации устройства на объекте. В табл.
1.16
приводится сводка данных по устойчивости микросхем
к
воздействиям окружающей среды. Следует отметить, что эти данные мало от
личаются от данных табл.
1.15,
поскольку устойчивость микросхем любых ти
пов, как аналоговых, так и цифровых, к внешним воздействиям определяется, в основном защитными свойствами корпуса. Это не касается только такого не
32
рассматриваемого здесь показателя, как устойчивость к воздействrпo прони кающей радиации, которая зависит от схемотехники и технологии производства
имс. Таблица
1.16
Эксплутационные показатели некоторых серий логических микросхем
Серия
Показатель
133
1533
К555
564
КС561
Эксплуатационные nоказатели Вибрация: диапазон частот, Гц
ускорение, м/с
1... 5000400 1... 5000400 1... 2000200 1... 5000400 1... 2000200
2
Многократные удары:
ускорение, м/с 2
1500
1500
1500
1500
1500
1.. .3
1... 5
1... 5
1.. .3
1... 5
10000
15000
1500
10000
1500
0,2 ... 1,0 1500
0,1 ... 1,0 5000
0,1 ... 2,0 5000
0,2 ... 1,0 5000
0,1 ... 2,0 5000
-
50 ... 10000 170
-
-
-
0,67·103 2,94·105
0,67·103 2,94-105
2,66·104 2,94·105
-60 ... + 125
-60 ... +125
-10 ... +70
-60 ... +125
-45 ... +100
98
-
-
98
-
Устойчивы
Устойчивы
Устойчивы
-
-
-
-
-
при длительности импульса, мс
Однократный удар:
ускорение, м/с 2 при длительности импульса, мс
Линейное ускорение, м/с
2
Акустический шум: диапазон частот, Гц; интенсивность,дБ
Атмосферное давление, Па: пониженное повышенное,
Температура, ос
Относительная при 35 С, 0
влажность
%
Иней, роса Соляной туман
Плесневые грибы
-
Показатели надёжности Минимальная наработка, ч Срок сохраняемости, лет
50000
100000
50000
15000
50000
15
25
12
15
15
Обозначение документов на поставку микросхем (технические условия), как правило, включает, кроме номера технических условий (ТУ) на серrпo в це лом, еще и дополнительный номер исполнения на каждую микросхему внутри
серии. Записи в конструкторской документации и при заказе поставки должны
включать слово «микросхема», наименование микросхемы и обозначение до кумента на поставку, например:
Микросхема 1533ТМ5 6КО. 347. 364-17 ТУ
33
1.3.6.
Транзисторы и диоды
Основные признаки, по которым про водится классификация транзисто ров, следующие.
По принципу управления током транзисторы подразделяются на бипо лярные и полевые.
Биполярные по типу комбинации проводимостей структуры делятся на транзисторы р-n-р- и n-р-n-типа.
Полевые транзисторы по типу проводимости канала делятся на транзи сторы с р-каналом и n-каналом.
По способу получения проводящего канала полевые транзисторы делятся на транзисторы с управляющим р-n- переходом и МДП -транзисторы. МДП-транзисторы делятся на транзисторы со встроенным и с индуциро ванным каналом.
Внутри каждого из перечисленных классов транзисторы делятся на при
боры малой, средней и большой мощности, низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диапазона и импульсные.
Кроме этого, может быть проведено различие по используемым полупро водниковым материалам, по технологии создания структуры транзистора и т. п.
Номенклатура выпускаемых транзисторов и полупроводниковых диодов
насчитывает тысячи позиций, поэтому полный обзор информации по их техни ческим характеристикам в данном пособии невозможен. Ограничимся подбор кой данных по эксплуатационным показателям нескольких широко используе
мых тииов кремниевых транзисторов (табл.1.1 7). Таблица
1.17
Эксплутационные показатели некоторых типов транзисторов Тип транзистора
Показатель КТ316
2Т316
КТ601
2Т601
КТ819
Эксплуатационные nоказатели Вибрация: диапазон частот, Гц;
Iускорение, м/с
2
1... 5000 400
1... 5000 400
1... 2000 200
1... 5000 400
1... 2000 200
1500 1.. .3
1500 1... 5
1500 1... 5
1500 1.. .3
1500 1... 5
10000 0,2 ... 1,0
15000 0,1 ... 1,0
1500 0,1 ... 2,0
10000 0,2 ... 1,0
1500 0,1 ... 2,0
1500
5000
5000
5000
5000
0,67·103 2,94-105
0,67·103 2,94·105
2,66·104 2,94·105
-60 ... + 125
-60 ... +125
-10 ... +70
Многократные удары:
ускорение, м/ с 2 длительность импульса, мс
Однократный удар:
ускорение, м/с ; 2
длительность импульса, мс
Линейное ускорение, м/с 2 Атмосферное давление, Па: пониженное повышенное
Температура, ос
34
-
-60 ... +125
-
-45 ... +100
Окончание табл. Тип транзистора
Показатель КТ316 Относительная при
35
ос,
1.17
влажность
%
98
2Т316
КТ601
-
2Т601
98
-
КТ819 -
Показаmели надёжносmи Минимальная наработка, ч Срок сохраняемости, лет
В табл.
1.17
50000
100000
50000
15000
50000
15
25
12
15
15
представлена информация для транзисторов одного типа, но
предназначенных для использования в РЭС общепромышленного и специаль ного назначения (буква «К» или цифра
1.3.7.
2 перед обозначением).
Электрические соединители
Применение электрических соединителей для присоединения модулей первого уровня (ячеек) вносит свои ПJПOсы И минусы В технические характери
стики разрабатываемых модулей и блоков РЭС. Контакт металлических поверхностей между собой
-
сложное нелиней
ное явление. При соприкосновении металлических поверхностей электрический
контакт имеет место не по всей поверхности, а только на выступающих зубцах шероховатостей. В результате локальные значения плотности тока могут на много превышать среднюю по всей площади контакта величину, вызывая ло
кальный перегрев и окисление металла. Контактирующие поверхности могут быть окисленными, а разрушение оксидной пленки
-
неравномерным по по
верхности контакта. Переходное сопротивление электрического контакта зави
сит от физико-химической природы контактирующих металлов, от напряжения, под которым находится контакт, от протекающего тока. Разъёмный электриче
ский контакт подвержен влиянию таких внешних факторов, как температура, атмосферное давление, влажность воздуха. Возможна электролитическая кор розия. При неудачном подборе контактирующих металлов на контакте возника ет контактная разность потенциалов. Поэтому главным минусом разъёмных конструкций РЭС является потенциальное снижение надёжности. С другой стороны, пJПOСОМ разъёмных конструкций являются их техноло
гичность и ремонтопригодность. В разъёмной конструкции возможно быстро заменить отказавший модуль, затем отремонтировать его, проверить на стенде и вернуть на место или в комплект запасных частей.
Таким образом, в основе выбора типа конструкции должен лежать ком промисс между потенциальным снижением надёжности и необходимостью обеспечения технологичности и ремонтопригодности проектируемых РЭС. Принято считать, что изделия индивцдуального и мелкосерийного произ водства, изделия, не нуждающиеся в оперативной замене отказавших модулей, изделия одноразового использования могут иметь неразъёмную конструкцию.
35
Изделия же крупносерийного и массового производства, комrmектуемые модулями, поступающими от разных производителей и изделия, по условиям
использования которых требуется оперативная замена модулей в случае отказа, предпочтительно изготавливать в виде разъёмных конструкций. Известно множество конструкций электрических соединителей. По кон
струкции контакта всё множество может быть сведено к трём разновидностям: контакты, работающие «на прижим», ножевые контакты (плоский контакт-нож вдвигается в пружинящие ryбки розетки) и штыревые контакты (штырь кругло го сечения входит в упругое разрезное или подпружиненное гнездо). В ячейках на печатных платах широко применяются «печатные» соеди нители: на одном из краев платы создается проводящий рисунок в виде кон
тактных rmастин (ламелей), а плата обрезается таким образом, чтобы образова лась «ВIШКа»
соединителя. Другая часть соединителя
-
розетка
выпускается в
виде самостоятельного компонента и приобретается как комплектующее изде лие. Несмотря на широкое распространение, такие соединители являются не самыми надёжными.
Наиболее надежными являются соединители с «гиперболическими» кон тактами:
контакты розетки выполняются в виде натянутых между двумя коль
цами проволок-струн, образующих при взаимном развороте этих колец поверх ность, известную под названием гиперболического параболоида. Штыри вилки надежно охватываются про волоками гнезда розетки со всех сторон, образуя низкоомный, высоконадежный контакт. Соединители данного вида имеют обо значение ГРПМ.
Тип электрического соединителя выбирается с учётом его электрической нагрузки и допустимого тока,
протекающего через контакты,
вида тока,
на ко
торый рассчитано применение соединителя, предельной частоты переменного
тока, условий эксплуатации, надёжности. При использовании базовых несущих конструкций (БНК) применение различных типов соединителей регламентиру ется ГОСТ
26765.12-86.
Приведем краткую сводку данных в соответствии с
этим стандартом на два типа соединителей, используемых для установки и
монтажа на печатные rmаты базовых несущих конструкций БНК-l. Гиперболические соединители ГРПI\11.
1.
Предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока с частотой
.-
3.5
l~-
,г
u А
L Рис.
36
рис.I.6
.._ ·._-_._ - -·- ._- ._ 3 . . ГРПМ6J.1l1У2
1vfГц.
теля ГРПМl показан на
." ",'
3
Чертеж вилки соедини
nx35±02-NtО2 • •
17~
до
, "':!;
'"
."
<о
1.6. Вrшка электрического соедиюпеля ГРПМl
Обозначение единителей
со-
ГРПМI
расшифровывается сле дующим образом:
ГР
П
1 - 31 45 61 90
м
Ш
о
Г
Пл
в
2
КеОЗ64
006
ТУ
IДокумент на поставку
У
Всеклиматическое исполнение
Покрытие контактов серебром
122
Обычные у
-
/
плавающие контакты
ХВОСТОВИКИ согнуты ПОД углом 900
Шты И / гнезда Число контактов Номе
Малогабаритный Прямоугольной формы Гиперболический разъём Геометрические размеры соединителей ГРПМl nPИВОДЯТСЯ в табл.l.18. Табшща
1.18
Геометричесюrе размеры соедиюпелей ГРПМl Количество
А,
L,
контактов
мм
31 45 61
68 92 120
2.
N,
п,
мм
мм
мм
78 102 130
52,5 77,0 105,0
15 22 30
Соединители ножевые прямоугольной формы СlПI34.
Предназначены ДЛЯ использования в цепях постоянного, переменного то ка с частотой ДО
3
1vfГц и в импульсных режимах.
На печатную плату устанавливается розетка соединителя. Контакты рас
полагаются в три ряда с шагом
2,5
мм ВДОЛЬ и поперек КОЛОДКИ (рис.
стовики контактов розетки изогнуты под углом
900
1.7).
Хво
в сторону монтажных от
верстий платы. Контакты покрыты золотом.
Обозначение соединителей
10
дан
ного типа расшиф ровывается
сле
дующим образом: Рис.
37
1.7.
Розетка электрического соедиюпеля СНП34
снп
34 - -69 - / 132
х
12
П2
- 21 -
В
БРО.364.0l1 ТУ
В
IДокумент на поставку
Р
Всеклиматическое исполнение Конс
Вилка
/ Розетка
Геометрические размеры колодки Количество контактов
Номер разработки Обозначение типа сое инения Точное попадание штырей вилки в гнезда розетки при сочленении обес печивается элементами конструкции соединителей и самой ячейки:
•
в корпус вилки ГРПМ1 запрессованы два штыря-ловителя разных
диаметров, попадающие в гнезда розетки;
•
контакты вилки и розетки ГРПМ1 расположены в два ряда с неоди
наковым числом контактов в ряду, в результате чего исключается возможность
сочленения вилки, развернутой на
•
1800, с розеткой;
на одной боковой стороне колодки розетки СНП34 выполнены уг
лубления прямоугольной формы (видны на рис.1. 7), в которые при сочленении входят «ответные» выступы на колодке вилки;
•
при сборке ячейки на плату устанавливается индивидуальная кодо
вая планка, исключающая установку ячейки в «чужое» гнездо или в разверну том положении в модуль высшего уровня.
Данные по устойчивости соединителей ГРПМ1 и СНП34 к воздействиям
факторов окружающей среды приводятся в табл.1.19. Таблица Эксrmутационные характеристики соединителей Тип соединителя
Вид воздействия ГРПМ1
Температура окружающей среды (без учёта перегрева контактов) Относительная влажность воздуха при температуре
+35
ос,
%
Атмосферное давление, Па Повышенное атмосферное давление, Па
(-60 ... +85)
СНПЗ4 ос
(-60 ... +85)ОС
98
98
1,07·105 .. 1,33·10-4
1,07·105 .. 1,33·10-4
2,97·105
2,97·105
5.. .4000 300
1.. .3000 200
Вибрация: диапазон частот, Гц
ускорение, м/с 2
38
1.19
Окончание табл.
1.19
Тип соединителя
Вид воздействия ГРПМ1
СНПЗ4
350 1... 80
400 2 ... 10
1500 0,2 ... 1,0
5000 1,0 ... 2,0
500
500
-
50 ... 10000 130
-
Устойчив
Многократные удары:
ускорение, м/с 2 длительность импульса, мс
Однократный удар:
ускорение, м/с
2
длительность импульса, мс
Линейное ускорение, м/с
2
Акустический шум: диапазон частот, Гц звуковое давление, дЕ Иней, роса Соляной туман Солнечная радиация Плесневые грибы
Устойчив Устойчив Устойчив
Технические характеристики соединителей ГРПМ1 и СНП34 приведены в
табл.
1.20. Таблица Технические характеристики соединителей
Параметры
Тип соединителя ГРПМ1
СНПЗ4
1,0
минимальный, мкА
2,0 1,0
Максимальный рабочий ток на одиночный контакт*), А
3,0
1,5
46/31 67/45 91/61
-
30
-
Максимальное рабочее напряжение, В
250
100
Сопротивление контакта, не более, Ом
0,005
0,015
2,5
3,0
1000
5000
50
50
20 46,3/31 71,4/45 91,8/61
20
Ток на контактную пару: максимальный, А
Суммарная токовая нагрузка
/
при числе контактов, А
Температура перегрева контактов, не более, ос
Емкость между соседними контактами, пФ, не более
-
Сопротивление изоляции: в нормальных условиях, МОм, не менее после воздействия повышенной температуры, МОм, не менее
после кратковременного воздействия повышенной влажности, МОм, не менее
Усилие расчленения, Н
39
/ при
числе контактов
78,4/69 156,8/135
1.20
Окончание табл.
Параме'IpЫ
Тип соединителя ГРПМ1
СНПЗ4
1000
500
5000/1000
10000/500
12
12
Износоустойчивость, число сочленений-расчленений, не менее
Минимальная наработка, ч
/
при числе сочленений-
расчленений, не менее Срок сохраняемости, лет *)
1.20
Контакты разрешается нагружать максимальным током через один. Запись в конструкторской документации состоит из обозначения части
соединителя
-
слова «Вилка» или «Розетка», условного обозначения и обозна
чения документа на поставку.
Примеры записи в конструкторской документации:
•
для вилки ГРПМl 45-контактной с посеребренными контактами, с
согнутыми под углом
90° хвостовиками для монтажа на печатной плате: Вилка ГРПМ 1 - 45У2 - В КеО. 364.006 ТУ; • для розетки 61-контактной с илавающими гнездами, предназначен-
ной для объёмного монтажа: РозеткаГРПМ1- 61ГШ2-В КеО.364.006ТУ;
•
для розетки СНП34 135-контактной для монтажа на печатной илате:
Розетка СНП34
1.4.
-135 / 132x12 В - 21-B 6PO.364.011
ТУ
Конструкция РЭС и конструкторская иерархия
Под конструкцией РЭС понимается совокупность деталей и материалов с
разными физическими свойствами, находящаяся в определенной физической связи (электромагнитной, тепловой, механической и др.), обеспечивающая вы полнение заданных функций с необходимой точностью под влиянием внешних и внутренних воздействий и воспроизводимая в условиях производства.
Конструкция РЭС характеризуется рядом особенностей, которые выде ляют её в отдельный класс среди других конструкций:
1)
иерархической структурой, под которой подразумевается последо
вательное объединение более простых электронных устройств (узлов) в более сложные;
2) 3) 4) 5)
доминирующей ролью электрических и электромагнитных связей; наличием паразитных связей, порождающих помехи (наводки); наличием тепловых полей;
слабой связью внутренней структуры конструкции с ее внешним
оформлением. Конструкторская иерархия реализуется с помощью уровней разукрупне
ния РЭС, габаритные размеры которых стандартизованы. Конструкции ниже стоящего уровня совместимы с конструкциями вышестоящих уровней. По кон-
40
структивной сложности различают следующие уровни разукруинения РЭС:
стойка (шкаф), блок, ячейка. Совокупность уровней разукруинения РЭС определенного назначения
образует конструкционную систему. Известны конструкционные системы РЭС измерительных приборов, электронно-вычислительной, телевизионной аппара туры, а=аратуры электросвязи и др.
1.5.
Классификация РЭС
Классификация РЭА по функциональному назначеmпo и принципу дейст вия поясняется рис.
1.5.
I
~
==
":::: ~
==
""~ " ~ .<1
" ;.:
""
~
'" "" i
,
~
~
~
~ ~
"
~
";.:""
I
РадиоэлеКТРOlшая аппаратура
::::
i:!~
==
":::: ~
""::::
":;:"" ~ ~
~
==
";.: "
I
" ::Е
~
".-:
~
" ~
""" ;.:
".-: '"
"n"" "" """е
,
~
i
~
"""~
"""5" """::::"
[~
"" <е ~
<
в рамках каждой из групп, указанных на рис.
" " " ~
1.5,
"""~ "
==
";.:""
" ~~ """ ""n ";.: " ~ "" '==" "е
.-:'"
1"":[
==
§'~
~ "~ ";.: == ~
~
§
",,"
".-:
~
е n
""
"
РЭА может классифи
цироваться далее также по функциональному назначению. Например, радио техническую а=аратуру можно разделить на радиопередающую, радиоприём ную, приёмо-передающую и т. д.
По частотному диапазону генерируемых и обрабатываемых сигналов различают радиоэлектронные устройства:
• • •
низких частот (НЧ); высоких частот (ВЧ); сверхвысоких частот (СВЧ).
По характеру изменения сигналов, обрабатываемых аппаратурой, различают:
• • •
аналоговые устройства;
устройства цифровой обработки информации; аналого-цифровые устройства.
По режимам применения (функционирования) РЭУ подразделяют на:
41
• • •
устройства непрерывного длительного применения; устройства многократного циклического применения;
устройства однократного применения.
В зависимости от глобальной сферы использования (земля, вода, воздух) РЭА подразделяют на:
• • •
наземную; морскую;
бортовую (воздушное и космическое пространство).
Внутри каждой категории (класса) различают специализпрованные груп
пы в зависимости от объекта установки. Например, категория наземных РЭС включает в себя такие основные группы:
• • •
стационарные РЭС; передвижные РЭС (РЭС, используемые на подвижных объектах); носимые (переносные) РЭС;
Особенности стационарных РЭС:
1) 2) 3)
продолжительность эксплуатации;
работа в помещениях с нормальными климатическими условиями; транспортирование в специальной упаковке для защиты от механиче
ских воздействий (МВ), влаги и других де стабилизирующих факторов;
4) 5)
высокая ремонтопригодность;
ограничения на габариты и массу одной стойки (шкафа) для удобства
транспортирования, выгрузки и т.д.
Группа передвижных РЭС имеет три основные особенности:
• • •
повышенные требования к защите от МВ; защитные мероприятия от возможных воздействий влаги и пыли;
возможность погрузки И разгрузки силами двух человек (для мас
сивных РЭС). к этой группе относят связные, радиолокационные и пеленгаторные станции, диспетчерские станции строителей, передвижные телевизионные сту дии, автомагнитолы и т.п.
В зависимости от назначения и характера ответственности задач, возлагаемых на РЭС, различают:
• бытовые РЭС: • профессиональные РЭС; • РЭС военной техники и спецназначения. Бытовые РЭС характеризуются следующими особенностями:
1)
повышенной эстетичностью внешнего вцда и качеством акустических
характеристик;
2)
возможностью эксплуатации иногда совершенно неподготовленным
человеком;
3) 4)
42
массовостью производства; определяющим значением стоимости.
Для поддержания спроса у населения используют три основных направ
ления в развитии конструкций бытовых РЭС:
•
создание принципиально новых РЭС, вызывающих новые потребности
у населения, не зависящие от наличия у потенциальных покупателей старых
конструкций (например, появление в свое время цветных телевизоров и т.д.);
•
совершенствование ранее выпускавшихся конструкций с целью макси
мальной автоматизации управления, улучшения характеристик и введения но
вых функций (например, введение дистанционного управления работой музы кального центра и др.);
•
повышение технологичности с целью снижения стоимости.
Морские РЭС включают в себя три основные группы:
• • •
судовые (пассажирские, грузовые суда);
корабельные (морские суда ВМФ);
буйковые РЭС.
Основные особенности морских РЭС:
1) комплексное
воздействие климатических и механических факто
ров (например, lOO%-я влажность при повышенной температуре в солевом ту
мане и при МВ от двигательных установок);
2)
длительная автономная работа с отрывом от ремонтных баз.
Группы бортовых РЭС:
• • • •
самолётные; вертолётные; ракетные; космические.
Основные требования к бортовым РЭС:
1) минимальные масса и объём; 2) высокая надёжность; 3) стойкость к действию разнообразных
воздействующих факторов (МВ,
температура, давление и т.д.).
По возможности восстановления работоспособного состояния после от каза РЭС подразделяют на:
• •
восстанавливаемые; невосстанавливаемые.
Восстанавливаемые РЭС в случае возникновения отказа подвергаются ремонту и далее снова используются по назначению. Невосстанавливаемые
РЭС не подлежат либо не поддаются ремонту по техническим или экономиче ским соображениям. По необходимости проведения технического обслуживания в процессе эксплуатации РЭС подразделяют на:
• •
обслуживаемые; необслуживаемые.
Приведённая классификация является далеко неполной, но достаточной для решения основных задач конструкторского проектирования РЭС. Класси-
43
фикация может быть продолжена в зависимости от характера проектных задач путём выбора классификационных признаков. Например, с основными призна ками, по которым подразделяют РЭС при задании требований к надёжности, можно ознакомиться в ГОСТ
1.6.
27.003-90.
Классы исполнения РЭС по условиям их эксплуатации
в соответствии с ГОСТ
15150-69
установлены следующие классы испол-
нения изделий по условиям их эксплуатации в макроклиматических районах:
Y(N) -
для районов с умеренным климатом;
УХЛ(NF) ХЛ(F)
-
-
с умеренным и холодным климатом;
с холодным климатом;
- с влажным тропическим климатом; ТС(ТА) - с сухим тропическим климатом; Т(Т) - с тропическим как сухим, так и влажным климатом; М(М) - с умеренно холодным морским климатом; ТМ(ТМ) - с тропическим морским климатом; С(У) - все районы, кроме районов с морским климатом; OM(MW) - с морским климатом; B(W) - все макроклиматические районы. ТВ(ТН)
В зависимости от места размещения изделия при эксплуатации в воздуш ной среде установлены следующие категории размещения:
12-
на открытом воздухе;
под навесом или в помещениях, где условия эксплуатации несущест
венно отличаются от категории
1;
3-
в закрытых помещениях без искусственного регулирования темпера
4-
в помещениях с искусственно регулируемыми условиями эксплуата-
туры;
ции;
5-
в помещениях с повышенной влажностью (шахты, подвалы и т.д.).
Стандарт устанавливает нормы температуры, влажности и других эксплу тационных параметров для данного класса и категории. Например, для изделия в исполнении УХЛ4 рабочие температуры ратура
44
+20
+1 ... +35
ОС, предельная относительная влажность
ОС, средняя рабочая темпе
80%.
2.
МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.1.
Особенности процесса конструирования
Исходными данными для конструирования изделия являются техниче ское задание (ТЗ) и электрическая принципиальная схема.
В работе конструктора можно выделить следующие составляющие:
1)
творческая
-
анализ и синтез различных вариантов конструктивного
исполнения;
2) техническая - расчёты и выпуск конструкторской документации; 3) организационная - руководство исполнителями, проверка, согласова ние конструкторской документации, передача в архив;
4) производственная 5) корректировочная -
сопровождение изготовления изделия; изменение конструкторской документации в связи
с исправлением ошибок, заменой материалов, усовершенствованием конструк цииит.д.
Наиболее сложной и важной является творческая часть работы, при вы полнении которой решаются две задачи:
1) анализ -
изучение поведения конструкции с заданной структурой, Т.е.
изучение зависимости показателей качества от отдельных факторов и их сово купности;
2)
синтез
-
определение оптимальной структуры конструкции при задан
ных показателях качества и ограничениях, Т.е. генерация некоторого количест
ва новых вариантов конструкторских решений.
На этом этапе наиболее полно проявляются интуиция, опыт И творческие способности конструктора, усиленные коллективной работой с коллегами и ис пользованием диалогового режима между человеком и ЭВМ. Анализ вариантов конструкции осуществляют, как правило, тремя методами:
1) 2) 3)
логико-расчётным; эвристическим; методом моделирования.
Логико-расчётный метод основан на использовании формализованных процессов, повторное применение которых дает сравнимые результаты (расчё
ты отдельных элементов, блоков и т.д. С использованием ЭВМ). Эвристический метод
-
метод экспертных оценок
-
заключается в том,
что для группы специалистов-экспертов формулируют проблему и используют их профессиональный опыт для решения проблемы. Иногда этот метод назы вают методом мозгового штурма.
При использовании метода моделирования анализ проводят не на самих реальных объектах проектирования, а на их моделях зических.
45
-
математических или фи
Стадии разработки РЭС
2.2.
Ввиду того, что требования к параметрам разрабатываемых РЭС часто противоречивы (например, малая стоимость и высокая надёжность), исходная
информация для вновь создаваемых изделий не является достаточно полной, а исполнители при работе могут допускать ошибки, разработку РЭС и их конст рукций осуществляют в несколько стадий (обычно не менее двух):
- НИР (научно-исследовательская работа); - ОКР (опытно-конструкторская работа). Каждая стадия включает несколько этапов. Основные этапы проведения НИР: патентный поиск;
1) 2)
разработка и согласование с заказчиком технического задания (ТЗ)
и государственная регистрация НИР; подготовительный этап
3)
-
выбор направлений исследования, разра
ботка, согласование и утверждение частных ТЗ на основные части НИР;
4)
основной этап
-
теоретические и экспериментальные исследования
(расчёты, моделирование), обработка результатов исследований, составление и оформление технической документации; заключительный этап
5)
-
обобщение результатов и оценка выпол
неннойНИР;
приёмка НИР, обсуждение и согласование
6)
задания на ироведение
ОКР, государственный учёт НИР. Этапы проведения ОКР:
• • • • •
техническое задание; техническое предложение;
эскизный проект; технический проект;
рабочая документация.
Техническое задание составляется исполнителем на основании техниче
ских требований (ТТ) заказчика. На основе общего ТЗ могут быть составлены частные ТЗ для субподрядчиков. Техническое предложение
-
этап разработки, на котором исполнителем
обосновывается принципиальная возможность создания РЭС с заданными по ТТ характеристиками и намечаются основные технические и организационные решения по выполнению ТЗ. Эскизный проект
-
этап, на котором вырабатываются принципиальные
инженерные и конструктивные решения, дающие общие иредставления об уст ройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие его назна чение и основные параметры.
Технический проект конструкторских
-
документов,
этап, на котором разрабатывается совокупность содержащих
окончательные
технические
реше
ния, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия.
46
Рабочая конструкторская документация
документации, предназначенной
для
-
разработка конструкторской
изготовления опытного образца или
опытной партии изделий. При разработке
РЭС в условиях промышленного
производства этап разработки конструкторской документации может ВКJПOчать три основных составляющих:
•
проектирование изделия на платах с печатным монтажом. Сюда входит
обоснование и выбор системы базовых несущих конструкций (БНК), выбор ти поразмера печатной платы, размещение электрорадиокомпонентов на поле пла ты, проектирование топологии печатного рисунка, в том числе и с использова
нием систем автоматизированного проектирования (САПР);
•
разработка конструкции и выпуск комплекта конструкторской доку
ментации на печатную плату и другие элементы конструкции
-
каркасы, рамы,
панели, элементы крепления и др.;
•
объёмное художественное конструирование модулей высоких уровней
(блок, шкаф, стойка) с демонстрацией средствами компьютерной анимации вхождения в них модулей низших уровней, взаимодействия элементов конст
рукции при сборке и в процессе эксплуатации.
2.3.
Организация процесса конструирования
в создании РЭС участвуют различные организации, подразделения, ис
полнители. Организации могут выполнять функции заказчика, исполнителя и субподрядчика. Заказчик формулирует технические требования к РЭС и осуществляет приемку разработанного изделия. ТТ определяют технические показатели РЭС (мощность, чувствительность и т.д.), а также содержат требования к конструк ции:
- наименования, количество и назначение основных частей; - габаритные, установочные и присоединительные размеры; - требования по взаимозаменяемости частей, унификации,
тииизации,
стандартизации и преемственности.
Кроме того, ТТ ВКJПOчают требования:
- по охране окружающей среды; - помехозащищенности; - составу запасного имущества; - безопасности работы; - эргономике и эстетике; - условиям эксплуатации и т.д. Исполнитель на основании ТТ разрабатывает ТЗ, в котором содержатся экономические, ироизводственные и другие требования, определяется порядок разработки и ириемки изделия. Субподрядчик решает для исполнителя частные вопросы:
- разработка и поставка новых материалов,
47
элементов, узлов;
- разработка технологических процессов; - разработка методов измерений, проведения испытаний и т.д. При
проектировании
конструкции
РЭС
в
той
или
иной
степени
принимают участие различные подразделения предприятий:
-
системотехнические (определение структуры РЭС, например «разбивка
на наземную и бортовую части»);
- схемотехнические (разработка принципиальной схемы); - конструкторские (общая компоновка, выпуск конструкторской
доку-
ментации, сопровождение производства);
-
технологические (установление последовательности изготовления, от
работка режимов технологических процессов, подготовка производства);
- производственные (изготовление РЭС). Кроме того, в процессе разработки и изготовлении принимают участие вспомогательные службы:
-
надёжности (рекомендации по структурной и информационной избы-
точности, проведение испытаний);
- снабженческие (поставка покупных изделий и материалов); - патентные; - автоматизированного конструкторского проектирования и др. Координация работы предприятия, подразделений и специалистов осуще ствляется с помощью согласованных календарных планов или сетевых графи ков.
2.4.
Особенность системного
подхода к проектированию конструкций РЭС Детальное рассмотрение конструкций РЭС показывает, что они проявля
ют признаки систем, Т.е. представляют собой единое целое, состоящее из со ставных частей, выполняющих какую-то общую задачу. Поэтому для проекти рования конструкций применим такой же подход, как и при проектировании
систем. Он получил название системного подхода. Опыт проектпрования показывает, что использование системного подхо
да позволяет достичь более высокие качественные показатели конструкций, нежели при традиционном подходе к конструированию.
В самом общем виде системный подход к проектированию конструкций РЭС заключается в учёте на всех этапах проектирования связи, отражаемой схемой, показанной на рис.
2.1.
Основными особенностями системного подхода применительно к проек тированию конструкций являются:
1)
необходимость
предположительно
рассмотрения
могут
привести
к
альтернативных получению
вариантов,
сопоставимых
которые
результатов.
Это, прежде всего, касается выбора источников энергии, используемых мате риалов, компоновочных схем, комплектующих изделий. Выбранные решения должны наиболее адекватно удовлетворять требованиям к конструкции;
48
Схема
При мер: Ради оэл ектр о нны й а пп ара т ,
Су п ерсист ема
внешняя
с реда
2)
оценка :качества
конструкции
не
основываясь принятых
на
только
обще
п оказателях,
таких, :как выходные па
- -J - - -- , ,,, П роектир уемая ,, ,,, т е х н ол о гич еский ,,, ,, п ро ц есс (с и ст ема ) : - - ~ - - -- "
раметры,
~-
ко н стр ук ци я или
Ради оэл ект ро нный бл ок
стоимость,
время разрабarюr, удоб ство
в
обслуживанlЩ
надё:лrnость и т.п ., н о И количествеJШая
L __
значения
оценка
комплексного
показателя качества ;
Сост ав ны е ча сти ( п од с и ст емы)
Фу н кцио н а льны е узлы , каска ды
3)
учёт
того,
ЧТО
конструкция РЭУ функ ционирует
во
внепmей
среде и в действительноРис .
2.1.
К поня1ию системноro п одхода
сти
является
мой
подсисте-
некоторой
другой
системы (суперсистемы) . Решения, ПРJШим:аемые при разработке конструкЦЮI РЭУ на moбой стадии, обусловлены внепmей средой, виде
которая
выступает
в
следующих факторов: физическое окружение; уровень науки и техники;
форма структуры проектной организации; квалификация, опыт и JШтеШIект персонала; время разрабarкн ; ДОПОJППIтепьные факторы ;
4)
ис следование эффективности конструкторских решений на основе мо
делирования без испопьзования устройств ;
5)
исп ользоваЮ1е верояrностно-статистических методов при оценке ре
шений, на результат которых вШlЯЮТ случайные параметры;
6)
IШIpокое использование ЭВМ и совремеJПIОГО математиче ского аппа
рата при оценке пригодно сти конструкторских решений .
49
3. МАТЕРИАЛЫ И НЕСУЩИЕ 3.1.
КОНСТРУКЦИИ РЭС
Общие сведения о несущих конструкциях РЭС
Несущие конструкции предназначены для размещения компонентов РЭС и
обеспечения их функционирования в реальных условиях эксплуатации. Их ис пользование позволяет обеспечить компоновку, теплоотвод, экранирование и заземление, а также повысить надёжность и технологичность составных частей и изделия в целом.
Конструкционные системы
-
совокупность базовых несущих конструкций,
находящихся в определенной соподчиненности на основе единого модуля и оп
тимальной технологии производства. Они предназначены для создания опти
мальных компоновок РЭС с учётом функциональных, механических, тепловых факторов, требований эргономики и ремонтопригодности. Существует большое разнообразие конструкционных систем РЭС, предназначенных для различных видов аииаратуры:
базовые несущие конструкции РЭС;
• • •
базовые несущие конструкции ЭВМ; стойки аппаратуры систем передачи информации по про водным линиям
связи;
• • • •
конструкционная система студийной телевизионной аппаратуры;
шкафы и корпуса блоков электронных измерительных приборов; конструкционная система авиационной аппаратуры;
базовые несущие конструкции судовой аппаратуры и т.д.
[ -
-
Для сложных РЭС наиболее употре Модуль четвертого
бительной является слеДУIOщая иерархия
уровня (комплексы)
конструкционных систем (рис. В
Модуль третьего
уровня (шкаф, стойка)
качестве
несущей
3.1).
конструкции
для модуля первого уровня чаще всего ис ПОЛЬЗУIOтся
печатные
платы,
устанавли
ваемые на металлические рамки. Модуль второго
уровня (блок) Модуль первого уровня (ячейка)
ТакуIO
сборку иногда называIOТ ячейкой. На пе чатной плате устанавливаIOТСЯ элементы
нулевого
уровня
-
ИМС,
микросборки,
ЭРЭ, а также элементы коммутации, регулировки И т.д.
Несущей конструкцией модуля вто
Модуль нулевого уровня (ЭРЭ, ПП, ИМ С)
рого уровня является корпус блока. Ос новные разновидности корпусов (рис.
Рис.
3.1.
Иерархия
конструкционных систем
-
3.2)
разъёмная (а) и книжная (б) конструк
ции. Основной недостаток
-
увеличенные
масса и объём из-за наличия разъёмов к каждой ячейке. Область использования
ЭВМит.д.
50
-
бьповая, измерительная аппаратура,
Достоинства книжной компоновки
-
высокая компактность, малые масса
и объём, легкий доступ к ИС и ЭРЭ при ремонте, возможность проверки и от ладки устройства во ВКJПOченном состоянии. Недостаток
-
затрудненный де
монтаж ячеек, что увеличивает время ремонта. Книжный вариант чаще всего
применяется для бортовых устройств с высокой надёжностью, где требования уменьшения массы и габаритов является доминирующими. Несущими конструкциями модулей третьего уровня могут быть:
- для стационарной аппаратуры - шкафы, стойки, пульты; - для бортовых РЭС - виброизоляционная рама или стеллаж. Более детальные параметры соответствующих конструкционных систем приводятся в отраслевых стандартах.
3.2.
Конструктивные разновидности корпусов интегральных микросхем
Интегральная микросхема (ИМС)
-
микроэлектронное изделие, выпол
няющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и накап ливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов, которое с точки зрения требований к ис пытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое
це
лое.
Различают два основных класса интегральных микросхем: полупровод
никовые и гибридные. Полупроводниковая име
- это монолитное устройство, в котором все
элементы изготовлены на единой полупроводниковой подложке и в едином
технологическом цикле. Особенность технологического процесса производства полупроводниковых ИМС заКJПOчается в том, что одновременно с изготовлени
ем транзисторных структур необходимо получать диоды, резисторы и конден саторы в соответствии с принциииальной схемой ИМС. Принциииальным недостатком полупроводниковых ИМС является не
возможность практической реализации на основе эффектов в полупроводниках индуктивных элементов, которые можно было бы использовать для выполне ния определенных схемотехнических функций. К их недостаткам следует отне сти и невозможность получения широкой шкалы номинальных значений сопро
тивлений диффузионных резисторов и емкостей конденсаторов. Гибридные интегральные схемы (ГИС)
-
это устройства, в которых
пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) выполняются по пленочной технологии,
а
активные
элементы
являются
навесными,
Т.е.
компонентами.
Степень миниатюризации ГИС определяется количеством используемых на
весных компонентов, для размещения которых необходима определенная пло щадь, и геометрическими размерами пленочных элементов.
ГИС шпроко используются В устройствах СВЧ, а также в тех случаях, ко
гда требуется получить конденсаторы большой емкости или мощные резисто-
51
ры. При массовом выпуске различных им:с малой мощности, особенно пред назначенных дЛЯ ЭВМ, используются в основном полупроводниковые им:с. По варианту конструктивного исполнения различают корпусные и бес корпусные имс. Корпусированные элементы используются в основном в не герметичных конструкциях. их достоинством является защищенность элемен тов им:с от дестабилизирующих факторов, а недостатками
увеличение габа
-
ритов , массы и стоимости из-за наличия корпуса и усложнения сборки, ухуд шение теплоотвода, а также электрических параметров (из-за увеличения дли ны выводов, их сопротивления , индуктивности, межвыводной емкости). Однако
применение корпусированных им:с не исключает необходимости защиты от дестабилизирующих факторов других элементов рэс
-
проводников, печатных
плат, электрических соединений и Т.Д.
Основные разновидности корпусов, используемых им:с, представлены на рис.
в настоящее время
3.3.
Они различаются формой, видом и расположением внешних выводов, ко бывают
торые
штырьковыми , нарными, женными
пла
рас полос
шагом
0,625; 1,0; 1,25; 1,7; и 2,5 мм. Каждая разноВИДНОСТЬ
и
с
. . . . ~ф . . .
I I I I I Тип
4
1:1 1:1
для
t
1:1 1:1 1:1 1:1
кор
1:1 1:1
уста
монтажа
требует на печатной плате
Тип
3
планарными
и
2
•
недостатки .
выводами
новки
Тип
достоин
т ак например, пус
1
-+-
корпуса
имеет свои
ства
........ Тип
почти
Рис .
3.3.
Разновидности корпусов ИМС
вдвое
большей площади, чем корпус с ортогональным расположением выводов. Од нако установка таких корпусов возможна с двух сторон платы. Жесткие штыIе- вые выводы с ортогональной ориентацией относительно плоскости основания
позволяют устанавливать микросхемы на плату без дополнительного крепления даже при жестких вибрационных и ударных нагрузках. При совместной уста новке микросхем и ЭРЭ дЛЯ упрощения монтажных работ рекомендуется использовать корпуса со штыревыми выводами.
Пластмассовые
корпуса
дешевы,
хорошо
противостоят механическим
воздействиям, но ЛJ'же других типов корпусов защищают от климатических
воздействий и перегрева. корпуса некоторых лические шины.
52
Для улучшения тепловыделения в пластмассовые
интегральных микросхем вводятся
теплоотводящие метал
3.3.
Выбор материалов для конструктивных элементов РЭС
Выбор материалов для конструкций и деталей РЭС является сложной за дачей из-за многовариантности, т.к изделие РЭС можно создать либо из раз личных материалов, либо из их сложных совокупностей. Правильный выбор материала может быть сделан на основе анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологиче ских показателей с учётом следующих факторов:
1.
Материал является основой конструкции, Т.е. определяет способ
ность детали выполнять рабочие функции в изделип и противостоять воздейст вию дестабилизирующих климатических и механических факторов. Например, в качестве диэлектрика конденсатора постоянной емкости, работающего в кон туре высокой частоты, применяют материал с малым значением тангенса угла
диэлектрических потерь. В противном случае конденсатор внесет большое за тухание в контур и снизит его добротность.
2.
Материал определяет технологические характеристики детали, т.к.
обрабатывается определенными технологическими методами. Например, объ ёмные детали из текстолита можно обрабатывать только резанпем. Те же дета ли из пластмасс изготавливают прессованием, что дает большую производи тельность при серийном и массовом производстве.
При прочих равных условиях выбирать следует тот материал, который допускает обработку наиболее прогрессивными методами: штамповкой, лить ем, прессовкой, обработкой на станках-автоматах и т.д. Особенно это относится к деталям сложной формы, т.к. обработка их резанием увеличивает трудоем кость и материальные затраты.
3.
От свойств материала зависит точность изготовления детали. Точ
ность штамповочных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала, т.к. после изъятия детали из штампов она стремится в какой-то степенп принять
свою первоначальную форму. Отсюда следует, что деталь из мягкой стали при прочих равных условиях будет изготовлена с большей точностью, чем деталь из пружинящей стали.
4.
Материал влияет на габариты и массу прибора. Так, использование
алюминиевых сплавов взамен стали может дать уменьшение массы в
1,5-3
раза
при полном удовлетворении требований к прочности и жесткости.
5.
Материал определяет эксплуатационные характеристики детали,
ее надёжность и долговечность. Контакты переключателя из латуни в слож ных климатических условиях выдерживают незначительное число пере ключе
нИЙ. Календарный срок службы этих контактов независимо от числа переклю ченпй также крайне ограничен, т.к. окисление материала с течением времени
приводит к нарушению электрического контакта в переключателе. Эти детали,
имеющие покрытия из золота или серебра, выдерживают десятки тысяч пере ключений и в определенных условиях могут эксплуатироваться годами. Однако
применение таких материалов резко увеличивает стоимость детали. В любом
53
случае применение дефицитных и дорогостоящих материалов должно быть строго регламентировано и экологически обосновано. При изготовлении элементов конструкций Р3С широко используются
различные металлы и пластмассы. Пластмассы по сравнению с металлами об ладают следующими достоинствами:
• • • • • • •
меньшая плотность;
химическая стойкость и влагостойкость;
вибропоглощающая способность; прозрачность или полупрозрачность;
легче обрабатываются; поддаются сплошной окраске (в объёме); меньшая стоимость и др.
Некоторые недостатки пластмасс:
• • • • • •
меньшая прочность;
большие значения коэффициентов линейного расширения; меньшая теплостойкость;
способность к поглощению влаги; воспламеняемость;
ухудшение свойств при действии ультрафиолетового излучения.
Для изготовления несущих элементов конструкций Р3С (рамы, элементы корпусов и т.д.) используются тонколистовые стали, алюминиевые, магниевые
и титановые сплавы. Обычно используют про кат толщиной до
2 мм
в вцде лис
тов, лент, гнутых про филей из углеродистой стали 10кп, алюминиевых сплавов АМц, Д16, В-95, АЛ2. Используются также магниевые сплавы МА2-1, МА-8, титановые сплавы ОТ4 и ВТ1-0. Сталь 10кп (углеродистая, качественная, высо
кой пластичности) хорошо сваривается и деформируется в холодном состоя нии. Применяется в случаях, когда при изготовлении деталей необходимы зна чительные пластические деформации (гиб, высадка, холодная штамповка, от бортовка и т.д.)
[9].
Наиболее высокопластичный из алюминиевых сплавов
алюминиево
-
марганцевый сплав АМц, обладающий повышенной коррозионной стойкостью. Как и другие алюминиевые сплавы, он в
3
раза легче стали. Алюминиевый
сплав Д16 более ирочный и более жесткий, чем сплав АМц. Магниевые сплавы в
1,5
раза легче алюминиевых, и их используют при
жестких требованиях к минимизации массы конструкции. Однако по некото рым другим параметрам, в том числе по коррозионной стойкости и стоимости, они уступают алюминиевым.
Титановые сплавы, обладающие
высокой прочностью и твердостью,
сравнимой с твердостью стали, коррозионно-стойки и почти В
2
раза легче ста
ли. Однако они являются труднообрабатываемыми (быстрый износ штампов) и их стоимость в несколько раз выше стоимости стали.
Для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей и т.п. используются магнитные материалы: электротехническая сталь
54
(331 О, 3320,
Э330), пермаллой (сплав железа и никеля), карбонильное железо, альсифер, ферриты. Для изготовления отдельных элементов конструкций, например, кон тактных групп переключателей и т.д., используются такие медные сплавы, как
латунь Л-63 (медно-цинковый сплав) и бронза Ер.52 (сплав меди и олова). Для изготовления намоточных и монтажных проводов используется медь маркиМ1.
Из диэлектрических материалов наиболее употребляемыми в конструк циях РЭС являются: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, фторопласт, эбонит, полистпрол, керамика, стекло, ситалл и др. Для изготовления печатных плат
используется (ГОСТ
1036-78)
гетинакс
фольгированный
с толщиной листа
листовой
1,0; 1,5; 2,0; 3,0
ГФ-1-35-2,0
мм и стеклотекстолит фоль
гированный марок Сф-1 или Сф-2. Толщина листа, мм:
3.4.
марки
0,8; 1,0; 1,5; 2,0;
Разновидности и особенности разъёмных и неразъёмных соединений Разъёмные и неразъёмные виды соединений используются при сборке
конструкций РЭС и их элементов. Распространённым видом разъёмных соеди
нений является резьбовое, с использованием которого креиятся панели, карка сы, направляющие, переключатели, переменные резисторы, трансформаторы, ручки, электроизмерительные приборы и др. Крепежные элементы
-
винты,
болты, шпильки, гайки и шайбы. В условиях крупносерийного и массового производства целесообразно применять автоматическое оборудование, в котором сопряжение собираемых деталей, подача и ориентация крепежа, выполнение соединений осуществляют ся механизмами в едином технологическом цикле.
Неразъёмные механические соединения выполняются пайкой, сваркой,
развальцовкой, заклепками, склеиванием, обжимкой и опрессовкоЙ. Краткая характеристика некоторых неразъёмных соединений приведена ниже.
При пайке зазор между соединяемыми элементами заполняется расплав
ленным припоем без илавления основного материала элементов. Используемые припои
-
ПОС6l, ПОС40 и др. В качестве флюса для предотвращения негатив
ного влияния окислой пленки используется канифоль и другие специальные растворы.
Виды сварки, применяемые при производстве РЭС,
-
точечная, ролико
вая, ультразвуковая и др. Выбранный вид сварки должен помимо необходимых прочностных и эксилуатационных свойств конструкции обеспечить ее мини мальную деформацию в процессе и после сварки, что зависит от жесткости конструкции, режима сварки и толщины соединяемых элементов.
Клеевые соединения являются технологичными и достаточно Прочными. Их использование снижает стоимость изделий и уменьшает их массу. Достоинства клеевых соединений:
• •
возможность соединения разнородных материалов; возможность получения качественного соединения тонких элемен
тов конструкций;
55
•
герметичность соединения.
Недостатки клеевых соединений:
• • • •
низкая теrmостойкость; меньшая долговечность из-за старения клея;
сложный контроль качества соединений; сильная зависимость прочности
клеевого
соединения от качества
подготовки склеиваемых поверхностей.
Заклепочные соединения используют для деталей из несвариваемых, а
также не допускающих нагрева материалов. Эти соединения вытесняются более экономичными
-
сварными и клеевыми. Материал для заклепок
-
rmастичные
металлы и сплавы (алюминиевые сплавы, стали, латуни и др.).
3.5.
Технологичность конструкций РЭС
Технологичность
-
свойство конструкции, состоящее в её приспособлен
ности для повторения в условиях производства.
Технологичность конструкции во многом определяется удачностью при нятых решений на этапе конструкторского проектирования рэс.
Технологичность проявляется в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени на всех этапах производства, изготовления, экс плуатации и ремонта по сравнению с соответствующими показателями для од
нотипных конструкций.
Для оценки эффективности мер по повышению технологичности вновь разрабатываемой конструкции рэс проводится технико-экономический анализ,
в результате которого устанавливается технико-экономический эффект, обу словленный внедрением новой техники и технологии с учётом дополнительныIx
затрат на проектирование и подготовку производства. Технико-экономический
эффект проявляется в виде экономии затрат и удовлетворении каких-либо по требностей людей (например видеозапись, цифровой фотоаппарат и т.д.).
3.5.1.
Показатели технологичности
Технологичность конструкции определяется на основе показателей технологичности, которые различаются:
• • • •
по области проявления (производственные, эксплуатационные); по целям анализа (технические, технико-экономические);
по системе оценки (базовые, разрабатываемой конструкции); по степени значимости (основные, дополнительные) и др.
Некоторые показатели могут иметь разновидности. Так, производствен ная технологичность конструкции изделия характеризуется конструкторскими
и технологическими показателями технологичности. Конструкторские показа тели определяют
конструктивную
преемственность
изделия
и применяемость
новых составных частей, обусловленных его функциональным назначением. Технологичность конструкции может быть:
56
• • •
производственной; эксплуатационной;
ремонтной.
Производственная технологичность определяет объём работ по техноло гической подготовке производства, сложность изготовления, удобство монтажа вне предприятия-изготовителя.
Эксплуатационная технологичность определяет объём работ при подго товке изделия к использованIПO по назначеНIПO, техническому ремонту и утили зации.
Ремонтная технологичность характеризует объём работ при всех видах ремонта, кроме текущего.
3.5.2.
Методы обеспечения и оценка технологичности
Основными методами обеспечения технологичности являются:
1)
использование наиболее простой и отработанной в производстве кон
структорской иерархии (базовой конструкции);
2) 3)
выбор прогрессивных способов формообразования деталей; уменьшение числа уровней разукрупнения конструкций РЭС и выбор
их формы и размеров с учётом унифицированной оснастки и стандартного обо рудования;
4) 5)
уменьшение номенклатуры используемых материалов;
уменьшение применения дефицитных пли токсичных материалов, дра-
гоценных металлов;
6)
обоснованный выбор квалитета точности, шероховатости поверхно-
7)
конструктивная и функциональная взаимозаменяемость узлов, мини
сти;
мизация числа подстроечных и регулпровочных элементов;
8)
контролепригодность и инструментальная доступность элементов, де
талей и узлов.
Количественная оценка технологичности конструкций РЭС проводится по
системе базовых показателей (табл.
3.1),
включающих отработанные и достиг
нутые при доработке и совершенствовании изделия параметры. По базовым по казателям рассчитывается комплексный показатель технологичности
к
.. = .;., а;К; ,
оао
~
i=l
ai
где а;
- коэффициент весовой значимости i-ro показателя. Расчётное значение 11 оа5 сравнивается с нормативным К н' который для серийного производства узлов РЭС изменяется в пределах (0,5 ... 0,8), для уста новочной серии - (0,45 ... 0,75) и для опытного образца - (0,4-0,7) [3]. Таблица
57
3.1
Базовые показатели технологичности Показатель
Формула расчёта
Значимость а,
Коэффициент использования
ИМС и микро-
K EThr
Н еШ - количество ИМС;
H EiN
--
H Ei Й+НУfYУ
сборок
Примечания
1,0
Н У!)'Г количество других навесных элементов
Нм Коэффициент
тактных соединений;
механизации и автоматизации
общее количество кон-
-
К
монтажа
АМ
= НАМ Н
1,0
НАМ
-
выполняемых механизированм
ным способом Н МПЭРЭ
Коэффициент
монтажу
-
количество навесных
элементов, подготавливаемых
механизации подготовки к
количество соединений,
К
= Н МПЭРЭ Н ЭРЭ
мп
0,8
к монтажу механизированным
способам; Н ЭРЭ
-
общее количество на-
весных элементов
Н кн' Н мкн - общее и осущест-
Коэффициент механизации контроля и на-
стройки
К
мкн
= Н мкн Нкн
К лов
=1-
ЭРЭ
Н ТЭРЭ - количество типоразме-
Н ТЭРЭ
н ЭРЭ
0,3
ЭРЭ
К пэрэ
=1- Н Т.ОРЭРЭ Н т . эрэ
сти формообразования деталей
Н ЭРЭ
-
общее количество ЭРЭ
меров оригинальных ЭРЭ;
0,2
Н Т.ЭРЭ - общее количество типоразмеров ЭРЭ Д ПР - число деталей, изготав-
Коэффициент прогрессивно-
ров ЭРЭ;
Н Т.ОРЭРЭ - количество типораз-
Коэффициент применяемости
способом количество операций контроля
Коэффициент повторяемости
вляемое механизированным
0,5
К
Ф
= д пр Д
ливаемых прогрессивными ме-
0,1
тодами;
Д - общее число деталей
Разработанное изделие должно иметь комплексный показатель техноло гичности не ниже нормативного, в этом случае конструкция изделия считается
технологичной. Если расчётное значение К ТЕХ ниже нормативного, то изделие
подлежит доработке с целью получения более высокого показателя техноло гичности.
58
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ 4.1.
ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА
Классификация методов электрических соединений в конструкциях РЭС
Компоновка РЭС осуществляется пространственным размещением ком понентов по уровням конструкторской иерархии. Отдельные компоненты РЭС
(ЭРЭ, ИМС и др.), элементы конструкторской иерархии должны быть электри чески соединены между собой. Электрические соединения
-
часть конструкции, предназначенная для
обеспечения электрически неразрывных связей элементов и составных частей РЭС между собой в соответствии с принципиальной или монтажной схемой. Технологический процесс выполнения электрических соединений называется электромонтажом (монтажом). На рис.
представлены конструкторско-технологические методы элек
4.1
тромонтажа.
Конструкторско-технологические методы электромонтажа
~ Межконтактная
Контактирование
коммутация
\
~
Печатным
Объёмным
монтажом
проводом
Односторонним
l.!вусторонним Многослойным
ОI]ИНОЧНЫМ
Сборкой про во-
I]OB
Неразъёмное
Органиченно-
Разъёмное
разъёмное
Пайка
Накрутка
Сварка
Прижим
Автоматиче-
НЧ -соеl]ИНИ тели
,
ВЧ -соеl]ините ли
ской уклаl]КОЙ
Рис.
4.1.
Классификация методов электромонтажа
Качество выполнения электрических соединений и его конструктивное и
технологическое исполнение в значительной степени определяют эффектив ность и качество конструкции всего РЭС.
Электрические соединения могут
вносить искажения, затухание и задержку непрерывного или дискретного сиг
нала при распространении в электрической линии связи, а возникающие в ней
паразитные связи и помехи могут нарушить нормальное функционирование РЭС.
Трудоемкость сборочных и электромонтажных работ при производстве РЭС составляет
59
40 ... 60 %
всей трудоемкости изготовления изделий.
Надёжность РЭС при эксплуатации в значительной степени определяется числом контактов, каждого
из
входящих
в электрические соединения,
которых соответствует
примерно
вероятность
вероятности отказа
отказа
всего микро
электронного узла на кристалле. Таким образом, чем меньше контактов и кон тактных групп, тем выше надёжность изделия.
Приведённую на рис.
классификацию методов электромонтажа можно
4.1
было бы продолжить, детализируя и далее разновидности вариантов исполне ния. Например, печатные платы по виду основания могут быть диэлектриче ские (стеклоrmастик, полиимидная пленка, фторопласт, керамика) и металличе ские (сталь, аmoминий, титан и др.). Есть много разновидностей печатных плат и по технологическому способу получения проводников.
4.2.
Основные определения и типы печатных плат
Печатные платы (IПI)
-
основа печатного монтажа любой РЭА, при ко
тором ИМС, полупроводниковые приборы, ЭРЭ и элементы коммутации уста навливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок
метаШIa (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой. Печатный монтаж нение
элементов
-
способ монтажа, при котором электрическое соеди
электронного узла,
вкmoчая экраны,
выполнено
с
помощью
печатныIx проводников.
Печатный проводнин:
-
проводящая полоска в проводящем рисунке.
В РЭА применяют ПП практически на всех уровнях конструктивной ие рархии:
-
на нулевом на
первом
и
в качестве основания ГИС и микросборок; последующих
-
в
качестве
основания,
механически и элек-
трически объединяющего все элементы,
входящие в электрическую
иринципиальную схему РЭА Стандартом
а
предусмотрены
следующие типы ПП:
-
односторонняя печатная пла
та (ОПП)
-
пп, на одной стороне
которой выполнен проводящий ри
сунок (рис.
-
б
4.2,
а);
двусторонняя печатная плата
(ДПП)
-
которой
пп,
на
обеих
выполнены
сторонах
про водящие
рисунки и все требуемые соедине Рис а
-
4.2.
Основные ТIПIы печатных rmат:
ОДНОСТОРШlliЯЯ ПП; б
-
двустороJlliЯЯ ПП
ния (рис.
-
б);
многослойная печатная плата
(МПП)
60
4.2,
-
пп, состоящая из чере-
дующихся слоев ИЗОЛЯЦИОIПюго материала с проводящими рисунками на двух
или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения;
- гибкая печатная плата (ГПП) - ПП, имеющая гибкое основание; - гибкий печатный кабель (тк) - система параллельных печатных
про-
водников, размещенных на гибком основании. На рисунке приведены следующие обозначения:
t - ширина печатного проводника; s - расстояние между печатными проводниками; Q - расстояние от края ПП (выреза, паза) до элементов
проводящего ри
сунка;
Ь
-
расстояние от края просверленного отверстия до края контактной пло
щадки (поясок);
D d -
диаметр контактной площадки;
hф
толщина фольги;
-
диаметр отверстия;
НМ -толщина материала основания печатной платы; Нп - толщина ПП;
l -
расстояние между центрами (осями) отверстий.
Про водящий рисунок
-
совокупность всех элементов на отдельном слое
ПП, образованных проводящим материалом (печатные проводники, контактные площадки, концевые контакты печатного разъёма и др.). Перемычка ПП
-
отрезок проводникового материала, не входящий в ри
сунок ПП и обеспечивающий электрическое соединение между двумя точками проводящего рисунка на одной стороне ПП (устанавливается при невозможно сти выполнить соединение печатным проводником). Разновидности отверстий на печатной плате
-
монтажные (могут быть ме
таллизированными) и крепежные (для механического крепления ПП на шасси, для крепления разъёмов и т.д.).
Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено кон тактной площадкой.
4.3.
Конструктивные характеристики печатных плат
По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников,
контактных площадок и пр.) ПП делят на иять классов (табл.
4.1). Таблица
Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов печатного монтажа ДЛЯ узкого места в зависимости от класса точности
Условные обозначения элементов печатного монтажа
t.
мм
S,MM Ь,мм y~dlН
61
Класс точности ПП
1 0,75 0,75 0,30 0,40
2 0,45 0,45 0,20 0,40
3 0,25 0,25 0,10 0,33
4 0,15 0,15 0,05 0,25
5 0,10 0,10 0,025 0,20
4.1
l -й и 2- й клаСQ,1 пп применяюг в случа е малоо на сыщеннocrn поверхно
cm ШIдискретныМ1
элементами и М1кросхемalllli М1ЛОЙ степени интеграции .
3 -й клас с IШ используется для М1кросхем со llПыревым.f и планарныI\lli вывдalllli при средней и высокоо наQ,lщенности пооерхнocrn ШI элементами . 4-й класс ШI
-
при выссксй насыщенноcm пооерхнocrn IШ микросхе
МalIlli с Bывдам1 и без них. 5 -й класс IШ
-
при оченЬ высокой наQ,lщенности nooepxнocm ШI эле
ментаМ1 с вывдalllli и без них. IIIирину печаwых прооодникоо рассчитывют и выбирают в 3lвисимости
ar допусгш..юй тсж"ооой нагрузки, соойств токопроводящего l'&lтериала , T~e parypbI окружающей среды при экашуатации. Края проводникоо должны бьпь pOBHbIM-I , прооодники - без вздУШЙ, отслоений, разрыво,, пор, крупнозерни сгocrn И -трещин, так как эти дефrжrъl ВJП-!ЯЮТ на соорошвление и др. Расстояние междУ элемеНТalllli проводящеro ресурсз (наприt.qJ, междУ ПРОВОДНИкаМ1) заВИQ-lТ от допусгш..юro рабочеro напряжения, своосгв диэлек -трика, условий эксплуатации и CIlЯ31на с псмехоустойчивocrъю, искажением сигналоо и КорО1'КИми зам,IКаниями.
Координатная сетка чертежа ШI необходима АЛЯ координации злементов печатноroрисунка (рис
4.3). в узлах пересечений ce1'Ю:I рааlОлагаюгся l'.Юнтажные и переходные О1'13ер cmя .
ОСНОО
ным шагом координатой сетки принят размер
.l. ~
1
0,5
мм в обоих напраВЛffiИЯХ. Если этот шаг не
удоолепзоряет -тр е бованиям KOHKPe11-!ОЙ конст
+-
рукции,
можно применять шаг, равный
0,05
мм. При испапьзооании МС и элементов с ша
гом BывдовB
0,625
мм дmускается ПРИМffiение
шага координаwоо сетки
0,625
М.I. В случае
иеобходимости применения координатной сет ШАС
РНС.
4 .3.
Коордпюn:ная сетка
чертежа печатн ой !lЛаты
ки
с
шагом, отличным от
штельным является шагам координатной
OOiOBHbIX,
предпоч
шаг, кратый ОСНООНЫМ ce1'Ю:I. При иаlОПЬ30ва
иии микросхем 3lрубежного проозводcmа с расстояниями междУ вывдalllli по дюймовой
системе дmускается испальзование шага координатной сетки, крашоro
2,54
мм
i'IfJ:am:-rpbI
монтажных и перехОДНЫХ arnерсгий должны COOТBeJ"C1'13oвaTh
ГОСТ 10317-79и н,lбираThСЯ из ряда
0,4; 0,5 ; 0,6; 0,7; 0 ,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0 мм. Монтажные отверсшя предназначены AJIЯ устанооки МС и ЭРЭ, а пере ходные отверстия - для ЭЛlЖГрической Cl3яЗ-! между слояМ1lШИ СГОРОНalIlli ПIl
62
Размеры ПП, если они специально не оговорены в ТЗ, определяются с учётом количества устанавливаемых элементов, их установочных площадей,
шага установки, зон установки разъёма и пр. Линейные размеры ПП рекомен
дуется выбирать по ГОСТ (табл. ПП должно составлять не более
4.2). 3: 1.
Соотношение линейных размеров сторон
Таблица
4.2
Линейные размеры печатных плат Ширина, мм
Длина, мм
Ширина, мм
Длина, мм
90
90 120 150 170
ЗО
20
40 40 60 75 80 60 80 100 150 60 80 90 100 140 160
ЗО
40 45
50
60
75 90 170
75
130 140
80
4.4.
150
120 130 150 170 120 140 150 160 170 180 200 200 150 200 150,170,180,200
160
170,200
170
180,200,280
200
З60
100 110
120
130 140
Электрические характеристики печатных плат
Допустимая плотность тока для ОПП, ДПП и наружных слоев МПП
20 А/мм2 , для внутренних слоев МПП 15 А/мм2 . Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисун ка, расположенными в соседних слоях ПП и тк, зависит от материала основа
ния ПП и не должно превышать следующих значений, приведённых в табл.
4.3.
Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего ри сунка, расположенными на наружном слое ПП, зависят от материала основания ПП, условий эксплуатации и не должны иревышать значений, указанных в
таБЛ.4.4. Таблица
6З
4.3
Допустимые рабочие напряжения для материалов ПП Значение рабочего напряжения, В
Расстояние между элементами рисунка, мм
От
0,1
до
0,2
Гетинакс фольгированный
Стеклотекстолит
(ГФ)
фольгированный (СФ)
включительно
-
25
-
50
Свыше
0,2
до
0,3
включит.
Свыше
0,3
до
0,4
включит.
75
100
Свыше
0,4 до 0,5
включит.
150
200
Свыше
0,5
включит.
250
350
Свыше
0,75
включит.
350
500
Свыше
1,5
500
650
до
0,75
до
до
1,5
2,5
включит.
Таблица
4.4
Допустимые рабочие напряжения между элементами про водящего рисунка на наружных слоях ПП Расстояния между элементами проводящего ри-
Значения рабочего напряжения, В Нормальные условия
Пониженное атмосферное
Относ. влажн.
93 %
при
40
ос
сунка, мм
давление
53600 Па (400 мм рт. ст.)
666 (5
Па
ммрт. ст.)
ГФ
СФ
ГФ
СФ
ГФ
СФ
ГФ
СФ
0,1--{),2
-
25
-
15
-
20
-
10
0,2-0,3
30
50
20
30
25
40
20
30
0,3-0,4
100
150
50
100
80
110
30
50
0,4-0,7
150
300
100
200
110
160
58
80
0,7-1,2
300
400
230
300
160
200
80
100
1,2-2,0
400
600
300
360
200
300
100
130
2,0-3,5
500
830
360
430
250
400
110
160
3,5-5,0
660
1160
500
600
330
560
150
210
5,0-7,5
1000
1500
660
830
500
660
200
250
7,5-10
1300
2000
830
1160
560
1000
230
300
10,0-15,0
1800
2300
1160
1600
660
1160
300
330
4.5.
Рельефные печатные платы
В РЭС для подвижных объектов получают распространение рельефные пе чатные платы (РП), получившие свое название из-за рельефной формы провод ников, имеющих в сечении форму трапеции (рис ме изоляционного основания платы.
64
4.4,
а) и формируемых в объё
Диэлектрическое основ ани е печатной rшаты
П еч атный пр оводник
IEJI б
а
Рис
4.4. 3леменгы рельефной rшаты : а - печатный проводник; б - отверстие Такая конструкция печатного проводника существенно повышает надёж ность ШIат в эксплуатации и стойкость к перепайкам (до
50
перепаек) за счёт
высокой прочности сцеШIения слоя меди с основанием. В таких ШIатах метал
лизированные монтажные отверстия имеют форму сдвоенной воронки без ци линдрической части (рис
что позволяет отказаться от контактных ШIо
4.4, 6),
щадок.
Дорожк.и РП в
2-3
раза меньше по ширине по сравнению с обычным пе
чатным про водником при одном том же сечении по меди. Огсутствие контакт
ных ШIощадок И малая ширина проводников позволяют изготавливать рельеф ные дв ухсторонние платыI (РДП) повышенной плотности монтажа, эквивалент ные 5-14-слойным МПП, и размещать четыре проводника между отверстиями диаме"l}ЮМ
0,8
мм и межцентровым расстоянием
2,5
мм.
Ортогональное расположение проводников на сторонах ДПП позволяет
формировать пере ходные отверстия в любой точке пересечения трасс, что уко рачивает
электрические
связи ,
снижает
у ровень
помех
и
паразитные
связи.
Проектирование таких ШIат осуществляют с помощью САПР на базе пакетов прикладных программ САПР
«RELEF»
и др.
[3].
Достоинства РП:
•
возможность осуществления сверл"Высокой плотности монтажа ИМС и
• • •
высокий класс точности
ЭРЭ;
(4 или 5);
возможность использования технологии поверхносПlОГО монтажа;
сравнительно низкая трудо емкость про ектирования з а счёт применения
простого алгоритма трассировк.и;
• •
высокая эксплуатационная надёжность ;
более низкая стоимость лучших по параметрам, чем стеклотекстолит,
полимерных материалов основания (например эпоксидная ШIастмасса);
•
отсутствие экологически вредных технологических процессов нанесе
ния рис унка и др.
4.6.
Материалы оснований печатных плат
в качестве материалов оснований ПП используют:
•
65
керамику;
•
фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, тексто
лит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.);
•
металлические пластины.
При выборе материала основания ПП обращают внимание на следующие обстоятельства:
• • • •
предполагаемые мв (вибрации, удары и т.д.); класс точности ПП (расстояние между проводниками); условия эксплуатации; стоимость и др.
Выбор материала основания ПП рекомендуется осуществлять в соответ ствии с ост
4.010.022-85.
Некоторые марки материалов, используемые в качестве оснований одно
и двухсторонних печатных плат, приводятся в табл.
4.5. Таблица
4.5
Некоторые материалы основания дЛЯ ОПП и ДПП Материал ГФ
Марка
Толщина, мм
ГФ-1-35
1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 0,5; 1,0; 1,5 2,0; 2,5 - 3,0
ГФ-1-35Г
ГФ с гальваностойкой фольгой
ГФ-2-35Г ГФ-1-50Г ГФ-2-50Г
СФ
СФ-1-35 СФ-2-35
СФ с гальваностойкой фольгой
СФ-1-50 СФ-2-50 СТФ-1-35
Стеклотекстолит теплостойкий
фольгированный с гальваностойкой фольгой
СТФ-2-35 СТФ-1-18 СТФ-2-18
0,08; 0,1; 0,13; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,5; 0,8; 1; 1,5; 2; 2,5; 3
Диэлектрическое основание платы иредставляет собой обычно бумажную (гетинаксы) или текстильную (текстолиты) основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой. Преимущество гетинаксов в том, что они легко поддаются механической обработке, что важно при серийном и массовом ироизводстве рэс. Их недоста ток
-
повышенная чувствительность к влажности и нестабпльность размеров
(прогибы и др.). В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропи
танную эпоксидной смолой. Этот материал более качественный, чем гетинакс, но более дорогой и труднообрабатываемый (быстро затупляет острые кромки инструментов
66
-
сверла и т.д.).
Фольгированные диэлектрики
-
электроизоляционные основания, rmаки
рованные (покрытые) обычно медной фольгой с оксидированным гальвано стойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. Они могут
быть односторонними и двусторонними. Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для аддитивного ме тода производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адге зивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.
По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механиче
ские и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, мень шее влагопоглощение. Недостатки стеклотекстолитов
-
худшая механическая
обрабатываемость, более высокая стоимость, существенное различие (прибли зительно в
1О
раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотексто
лита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву метал
лизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.
В качестве материалов основания для МПП также используют различные диэлектрические материалы
-
стеклотекстолит, полиимид, стеклоткань прокла
дочную идр.
Для изготовления ГПП и тк используют фольгированный лавсан, фто роrmаст, полиимид и др. ДПП на металлическом основании с нанесенным на
него электроизоляционным покрытием применяются, когда нужно обеспечить отвод тепла при размещении на плате тепловыделяющих ЭРЭ, полупроводни ковых приборов И ИМС большой мощности. Их другое достоинство
-
большая
механическая прочность.
При повышенных требованиях к стабильности параметров используют керамические платы. На поверхность таких плат наносят проводящие и рези стивные пасты и вжигают их при
4.7.
t = 600 ... 700
ос.
Печатный монтаж и методы его получения
Печатный монтаж может быть реализован на различных материалах и раз личными техническими способами (рис.
4.5).
Технологические способы получения проводников
,/ Травление фольгиро-
Селекгивное осаж-
Вжигание
Напыление в
ванного диэлектрика
дение меди (адди-
паст
вакууме
(субтракгивный метод)
тивный метод)
Химиче-
Комбинирован-
ский
ный позитивный Рис.
67
4.5.
Способы получения проводников
Из субтрактивных методов наибольшее применение нашли химический негативный и комбинированный позитивный . Первый
используется
для
получения
односторонних
печатных
плат,
внутренних слоев многослойных печатных плат и гибких печатных шлейфов .
-
Его достоинство
высокая точность геометрии проводников из-за отсутствия
процессов гальванического осаждения меди .
Вторым методом получают двусторонние печатные платы (ДПП) и мно
гослойные печатные платы (1v1IIП) из фольгированного травящегося диэлек трика. Способность диэлектрика к подтравливанию особенно важна дЛЯ 1v1IIП, где от этого зависит надёжность межслойных соединений. ДПП выполняются
без использования травящегося диэлектрика. Рассмотрим в
качестве примера последовательность основных операций
изготовления ПП химическим негативным методом (рис
1
4.6).
3
2
б
а
в
е
ж
-""'LJ
Рис .
4.6.
3
Основные операции изготовления печатных плат химическим негативным методом:
а
-
заготовка из фольmрованного диэлекгрика; б
рисунка; в
-
травление печатного рисунка; г
обработка монтажных отверстий; е
-
-
-
нанесение фоторезистивного печатного
удаление фоторезиста; Д - механическая
нанесение лаковой (эпоксцдной) маски;
ж
- облуживание контактных площадок; з - пайка выводов ЭРЭ и других элементов; 1 - диэлекгрическое основание печатной платы; 2 - медная фольга; 3 - фоторезист
Технология формирования печатного рисунка обычно осуществляется с использованием процесса фотолитографии и веществ, обладающих специаль ными свойствами
68
-
фоторезистов.
Фоторезисты
-
вещества, устойчивые к агрессивному воздействию кислот
и щелочей, предназначенные для защиты отдельных участков фольги печатной платы и изменяющие свои свойства под воздействием ультрафиолетового излу чения. Технологический процесс получения контактной маски на поверхности
печатной платы с помощью фоторезиста называется фотолитографией. В зависимости от механизма
протекающих в фоторезисте реак ций
фоторезисты
бывают
пози
тивные и негативные. При облу
чении Фоторезист
негативного
фоторезиста
через фотошаблон в нем протекают реакции,
приводящие к потере
фоторезистом растворимости. По сле обработки в соответствующих растворителях
Плата
на
плате
остается
Позитивный
Негативный
рисунок печатной платы, негатив
фоторезист
фоторезист
ный по отношению к фотошабло
Рис.
4.7.
4.8.
ну (рис.
Формирование фоторезистивной маски
4.7).
Односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы
На рис.
4.6
показаны сечения одно- (ОПП) и двухслойных (ДПП) печат
ных плат.
Таблица
4.6
Схемы сечений ОПП и ДПП
Тип платы
ОПП
Вид платы
Схема сечения печатной платы 1
Без металлиза
2
Обозначения
1-
ции отверстий
диэлектрическое
основание;
2-
проводящий ри
сунок;
З 4-
С металлизаци ей отверстий
отверстие;
металлизация от
верстия
ДПП
На диэлектри ческом основа нии
1
2
_
i
3
1 - основание;
4
~~:~водящий ри-
('"
З
~------------~------------------------------~
На металличе ском основании
69
1
2
1 3
4
5
~!M
- отверстие; 4 - контактная пло-
~~~ктроизоляционное покрытие.
ОПП содержат один слой проводящего рисунка и имеют следующие достоинства:
• • •
высокая точность выполнения проводящего рисунка;
отверстия можно использовать и без металлизации; возможность установки ЭРЭ, ПП и ИМС на поверхность платы без
дополнительного изоляционного покрытия;
•
относительно низкая стоимость.
ДПП требует металлизации монтажных и переходных отверстий, что ус ложняет технологию изготовления (два этапа меднения
-
химическое, а затем и
гальваническое).
Для металлизации отверстий могут быть использованы пистоны с после дующей их зенковкой.
Печатные платы с металлизированными отверстиями более надежны в эксплуатации, так как обеспечивается лучшее сцепление навесных ИМС и ЭРЭ с печатными проводниками и с основанием платы.
ДПП на металлическом основании с нанесенным на него электроизоля
ционным покрытием применяются, когда нужно обеспечить отвод тепла при размещении на плате тепловыделяющих ЭРЭ и полупроводниковых приборов большой мощности. МПП имеют много разновидностей. Например, МПП со сквозными ме
таллизированными отверстиями представляют собой чередование проводящих и склеивающих диэлектрических слоев. Применяются для установки элемен
тов, как с планарными, так и со штыревыми выводами. Они обеспечивают бо лее плотный монтаж.
4.9.
Методы конструирования печатных плат
Конструирование печатных плат осуществляют ручным, полуавтомати зированным и автоматизированным методами.
При ручном методе конструирования размещение элементов на печатной плате
и
трассировку
печатных
проводников
осуществляет
непосредственно
конструктор. При использовании данного метода рекомендуется следующий
порядок организации работы. Принципиальная электрическая схема разбивает ся на функционально связанные группы, и про изводится размещение навесных элементов в каждой группе. Группа элементов, имеющая наибольшее количе ство внешних связей, размещается вблизи соединителя (разъёма). Группа эле ментов, имеющая наибольшее количество связей с уже размещенной группой навесных элементов, размещается рядом и т. д. При необходимости произво дится корректировка в размещении отдельных навесных элементов или допус
тимая замена адресов связей.
При размещении элементов на поверхности печатной платы в ряде случа
ев необходимо учитывать ещё ряд ограничений:
•
размещение массивных элементов на поверхности платы при пред
полагаемой эксплуатации изделия в условиях механических воздействий;
70
• раметры
взаимное размещение тепловыделяющих элементов и элементов, па которых
могут
изменяться
при
изменении температуры в
широком
диапазоне;
•
взаимное размещение элементов для предотвращения возникновения
паразитной связи между ними и т.д.
Все эти обстоятельства должны учитываться конструктором на возможно ранней стадии проектирования для исключения переделок при наладке или ис пытаниях изделия.
Полуавтоматизированный
метод
конструпрования
предусматривает,
например, размещение навесных элементов с помощью ЭВМ при ручной трас
сировке печатных проводников. Метод обеспечивает ускорение процесса про ектирования.
Автоматизированный метод конструирования предусматривает коди рование исходных данных, размещение навесных элементов и трассировку пе
чатных проводников с использованием ЭВМ. Проектирование топологии проводящего рисунка печатной платы выпол няется средствами интегрированной САПР
PCAD
версий
4.5
или
8.5
Результа
том этого этапа является интегральный образ печатной платы, который может непосредственно использоваться в «безбумажном» производстве узла, но как конструктивный документ не соответствует требованиям ЕСКД. Довести результат проектирования до состояния конструкторского доку мента можно, выполнив следующую стадию проекта. Переход к этой стадии
требует конверсии данных из формата «электронной» САПР «конструкторской» САПР
AutoCAD.
PCAD
в формат
Конвертированный образ печатного узла
подвергается обработке, в результате которой создаются рабочие конструктор ские документы в соответствии с требованиями ЕСКД
4.10.
[1].
Последовательность процесса конструирования печатных плат
Рекомендуется следующий порядок конструирования плат:
•
изучение технического задания на изделие, в состав которого входит
печатная плата;
• • • • • •
определение условий эксплуатации и группы жесткости;
выбор типа и класса точности; выбор размеров и конфигурации; выбор материала основания; выбор конструктивного покрытия; размещение навесных элементов и трассировка печатных проводни-
ков;
• •
выбор метода маркировки и ее расположения; разработка конструкторской документации.
Условия эксплуатации, хранения и транспортирования определяют на ос
новании требований ТЗ на изделие, в состав которого входит печатная илата.
71
В зависимости от условий эксплуатации по ГОСТ
23752-79
определяют
группу жесткости, предъявляющую соответствующие требования к конструк ции печатной платы, к используемому материалу основания и необходимости применения дополнительной защиты от климатических, механических и других
видов воздействий. Найденную информацию записывают в технических требо ваниях на поле чертежа печатной платы.
4.11.
Конструктивные покрытия
Конструкторские покрытия необходимы для обеспечения стабпльности электрических, механических и других параметров ПП. Покрытия могут быть металлические инеметаллические (табл.
4.7). Таблица
4.7
Металлические покрытия печатных плат Материал по-
Толщина,
крытия
мкм
Сплав Розе
1,5 ... 3 9 ... 15
Сплав олово-
Назначение покрытия Защита от коррозии, обеспечение паяем ости
Защита от коррозии, обеспечение паяем ости
свинец
Серебро Золото и его
6 ... 12 0,5 ... 3,0
Улучшение электрической проводимости Улучшение электрической проводимости, снижение переходного сопротивления, повышение износоустойчивости
сплавы
Палладий
1 ... 1,5
Снижение переходного сопротивления, повышение износоустойчивости контактов переключателей
Никель
Защита от коррозии, повышение износоустойчивости кон-
3 ... 6
тактов переключателей
Медь
25 ... 30
Обеспечение электрических параметров соединения
Неметаллические конструктивные покрытия используются для защиты:
•
печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воз
действия припоя;
• •
элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами;
от влаги при эксплуатации.
Используемые диэлектрические покрытия: эпоксидные смолы, эмали, ок сидные пленки.
4.12.
Выбор и размещение отверстий
Количество типоразмеров любых отверстий на печатной плате следует ог раничивать. Рекомендуется применять не более трех типоразмеров монтажных и переходных отверстий.
Центры отверстий располагают в узлах координатной сетки. Основным шагом координатной сетки принят размер
0,5
мм. Центры монтажных отвер
стий под неформуемые выводы многовыводных элементов, межцентровые рас стояния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать так,
72
чтобы в узле координатной сетки находился центр по крайней мере одиого из монтажных отверстий, а центры отверстий под остальиые выводы располага лись в соответствии с требованиями конструкций у станавлив аемых элементов с
указанием необходимых размеров (рис.
4.8). Неметаллизи р ованные
,.-
l,..
r
ГУ
1 ()
(
()
()
\
I~
Рис .
следует
гать
зоне
в
ДИМЫХ
V
1,...
~
верстия
распола
контактной
случаях ,
Расп оло жение центр ов отверстий
на КООРЩIНапюй сетке ПП
-
рядом с
ней. Диа м етр
4.8.
от
площадки или, в необхо
6\)
r
м онтажные
м онтажного
от
верстия выбирают в пре делах
0,4 ... 3,0
мм, и его
конкретное значенне з авиСИТ ОТ .диаметра вывода навесного э лемента.
Слой металла на пов ерхности печатной платы, сформироваииый в опреде
леииом месте, может вьmолиять функцшо экраиа между элемеитами устройст ва. Этот с лой металла может занимать бо льшую площадь платы, и при группо вой пайке, м ожно
например,
газ овыделеиие
вошюй ПРШ10Я, из
диэ лектрика
вози от-
слаивание слоя металлизации. Чтобы исклю-
Щ1ТЬ этот негативный эффект, экраны вы-
полияют с вырезами, равномерно распределенными по площади экрана (рис. 4.9).
/?/?~
( //
/ /) и
ОбыЩ-{о площадь вырезов должна составлять
ие меиее 50 % от общей площади экраиа .
4.13.
Рис. 4.9. Печатый экран с вырезами
Маркнровка печатных плат
Маркировка, наносимая на печатную плату, подразделяется на основную и дополнительную. Основная маркировка наносится обязательно и должна со держать:
• •
обозначеиие печатной платы или ее условный щифр ; порядковый но мер изменения чертежа, относящийся только к изме
нению проводящего рисунка;
• •
буквеиио-цифро вые обозначение в слоях МIШ. Допоmштельная марЮ1рОВка наносится при необходимости и может
содержать:
• • • контроля;
73
порядковый или заводской номер ПП или партии ПП;
позициоииое обозначеиие навесных элементов; цифровое обозначение первого вывода навесного элемента, точек
•
ооозначение положительного вывода полярного элеМЕНта (знак
«+»)
Основная маркироока может выполняться спосооом, которым ВЬП1ОЛНЯ ется проводящий рисунок
Дополнительная маркироока обычно выполняется красксй
4.14. Межконrак~ные соединения из объёмного провода ЭЛЕКтрические
соединения из объемного провода обладают худшими
массогабаритными и экономическими псказателями по сравнению с печатным монтажом Однако они широко используются в опытном ПРОИЗВОДС113е, для вы
полнения навесных электрических соединений в ие (дrIя соединения коотакт ных площадок ие с внешними выводами), для осуществления длинных или высокочастотных связей и т.Д
Номенклатура объемных проводов
•
одножильные без изоляции (золотые, алюминиевые, медные, медные
луженые);
•
одножильные и многожильные с изоляцией (волокнистой, пластмас-
совой, резиновой, лаковой);
• • •
экранированные;
коаксиальные кабели, многожильные кабели (опрессованные, тканые, клееные, собранные
и увязанные в круглый жгут) Прооода без изоляции используют в оснооном для ЭЛЕКтрических соеди НЕНий ие и микросбсрок Золотая проволока хорошо поддается пайке и rnарке, сооместима практи чески со всеми материалами коотак1НЫХ площадск, дсрогая и прочная
Прооода из алюминия и его сплавов более дешевы, совместимы с алюми ниевыми контактными площадками, но менее прочны в зоне контакта
ДI1я золотых проводоо иmользуется в сварка, а для алюминиевых
-
основном термоко/,Шрессионная
ультразвуковая
Прооода с изоляцией используют для реализации электрических соедине
ний в пределах платы, блока, шкафа наряду с печатным монтажом В ряде случаев монтаж объемными прооодниками экономичнее, чем с псмощью печатных плат (например, если плата большая и наСЫЩЕНная, а мон таж объемным проводом выполняется автомати зированным методом). Электрические соединения объемным прооодом ПОCfJоляют вносить измене ния и облегчают ремонт, но затрудняют воспроиз водимость параметров электрических связей (вол нооого СОПРОТИВЛЕНия, паразитных параметров) Прооода могут быть одножильные и многожиль ные. В первом случае контакт осущеС113ляется на-
круткой (рисА1 О), во втсром
-
пайксй
РисА
1О
Монтаж накрywой
Для осуществлеюrя такого монтажа используют изоmrрованные провода
с медной посеребренной жилой диам:етром производительность монтажа до
174
0,16 ... 0,5
:м:м:. При р)'"'lliой работе
соед.lч, при автоматической
-
до 100О со
ед.lч. Недостатком метода является большой объём контактного узла (необхо димо
4-6
витков на одном штыре), что также ухудшает частотные характери
стики узла. Контактные штыри располагают с шагом ное сечение штырей
0,3
х
0,3
2,5
и
1,25
мм. Минималь
:м:м:.
При монтаже РЭС также широко используются плоские кабели. Они обла дают высокой стабильностью электричесЮIХ парам:етров, хорошим: теплоотво
дом. Разновидности ПЛОСЮIХ кабелей (рис.
(6),
клееные (а), опрессованные
о
о
плетеные (В).
@@©@@©@©@
10000000001
б
а
Рис.
75
4.11):
4.11.
Плоские кабели
о
о о о в
о
о о
5. КОМПОНОВКА РЭС 5.1.
Задачи компоновки
Для ускорения разработки РЭС, повышения надёжности и качества аппа ратуры разрабатывают компоновочные эскизы (чертежи) и определяют числен ные значения компоновочных характеристик.
Компоновка представляет собой размещение элементов РЭС в простран стве или на плоскости. Задача компоновки
-
выбор форм, основных геометри
ческих размеров несущих конструкций (печатных плат, корпусов и т.п.), распо ложение в пространстве, а для печатных плат
-
на плоскости, элементов и со
ставных частей проектируемого РЭУ, определение его массы и основных ком поновочных характеристик.
Имея компоновочный эскиз изделия и электрическую принц=иальную
схему, можно до разработки рабочих чертежей и изготовления макета РЭС оп ределить возможный характер и уровень паразитных связей, оценить тепловые режимы и Т.Д.
5.2.
Оценка компоновочных характеристик РЭУ
Основными конструкторскими параметрами РЭУ, с которыми приходит
ся иметь дело при выполнении компоновочных работ, являются: а) масса; б) габариты; в) полезное использование массы; г) полезное использование объё ма; д) полезное использование площади.
Полезное использование объёма описывают с помощью коэффициента заполнения по объёму
K v, который можно
подсчитать по формуле
(5.1 )
v где
n-
количество элементов в устройстве;
Vi - объём
V-
i-ro
элемента;
общий объём РЭУ (определяется объёмом корпуса).
Теоретически различают коэффициент заполнения по установочным объ ёмам и коэффициент заполнения по физическим объёмам в зависимости от то го, какие объёмы элементов (установочные или физические) выражение
подставляются в
(5.1).
Физический объём
i-ro
элемента VФИЗi -
это такой объём, который равен
объёму вытесненной этим элементом жидкости. Установочный объём
VYCTi
-
это объём, необходимый для установки и
монтажа элемента в устройстве (рис.
76
5.1).
---/
-----------------1 ГL~~~~~~~~~:
I
"'--""'L I
Как правило, всегда спра
Т';'СТ
.
ведливо соотношение
l'
фи.
I I I I
в
7т7Т7Т7Т7Т7Т7Т7Т7Ттr:
инженерной
обычно
I
пользуются
вочными объёмами чения
Vycт . i
справочной
S YCT
Рис .
5.1 . К
практике устано
Зна
VYCT .i .
выбираются литературы
[3],
либо могут быть подсчитаны
пояснению физическоm и
установочного объёма и rmощади
аналитически.
Значения
коэффициентов
заполнения по объёму для некоторых видов РЭУ приведены в табл.
5.1. Таблица
Значения коэффициентов Характеристика РЭУ стационарная
возимая
бортовая
1.
Радиопередающая
0,2
0,4
0,6 . .0,7
2.
Радиоприемная
0,4
0,5
0,7 . .0,8
3.
РЭУ цифровой обработки
0,7
0,7
0,8 . .0,9
0,5
0,6 .. 0,7
информации
4.
5.1
Kv
Категория РЭ У
(функциональное назначение)
из
Источники питания
до
1,0
По аналогии с коэффициентом заполнения по объёму при проектирова нии пользуются коэффициентом заполнения по массе (Км ),
а для печатных
плат и подобных изделий коэффициентом заполнения по площади
(Ks).
Эти ко
эффициенты подсчитывают по формулам
(5.2) n Кs
L S 6nOi
= ""i=""l_ _
(5.3)
S где т
масса
i-ro элемента;
S YCTi -
установочная площадь
-
суммарная масса РЭУ;
М
77
-
i-ro элемента
(см. рис.
5.1);
S -
общая площадь платы, на которой устанавливаются элементы;
n -
количество элементов в РЭУ.
По значениям коэффrщиентов заполнения судят о техническом уровне разработки. Обычно считают, чем ближе коэффrщиент заполнения к единице, тем выше технический уровень разработки, так как в этом случае рациональнее используются материалы конструкции РЭУ. Однако при больших значениях коэффициентов заполнения могут возникнуть проблемы с обеспечением тепло вого режима и электромагнитной совместимости ввиду высокой плотности
упаковки элементами площади печатных плат или объёма РЭУ в целом. При инженерном проектировании для определения ориентировочного
объёма РЭУ или его части вместо коэффициента заполнения по объёму
ше пользоваться коэффrщиентом увеличения объёма
Kv
луч-
11 ~a' представляющим со
бой величину, обратную коэффициенту K~:
1
, v
Е
(5.4)
.. = К
оа
V
Аналогично, для определения площади печатных плат и ориентировочной
оценки массы конструкции РЭУ пользуются соответственно коэффrщиентами
увеличения площади K~ и массы K~ , смысл которых аналогичен коэффициенту К;" но применительно к площади и массе. При выполнении работ по компоновке коэффициенты увеличения выби рают из следующих численных диапазонов
v
А
а) коэффициент Е 6а - от А
S
б) коэффициент
Е 68. - от
в) коэффициент
Е 68. - от
А
j
[3]:
1,2 до 5; 1,5
до
3;
1,1
до
3 ... 5.
Пример. Требуется определить площадь и размеры печатной платы, не обходимые для размещения элементов РЭУ, согласно электрической схеме уст ройства.
Решение.
1.
Пользуясь электрической схемой и, принимая во внимание
условия эксплуатации и другие данные технического задания на проектирова
ние,
выбираем типы и типоразмеры всех
n
элементов РЭУ. При инженерном
проектпровании выбору подлежат лишь пассивные элементы. Активные эле менты (име, полупроводниковые приборы и подобные им элементы) опреде ляют выходные электрические характеристики РЭУ и указываются разработчи ком электрических схем.
2.
По справочным таблицам, например приведённым в
тановочные
площади
элементов
SYCT i
(i
=
1, ... , n).
[3],
находим
ус
Если данные о каком-то
элементе отсутствуют в справочных таблицах, то примерное значение
SYCT i
это
го элемента определяется разработчиком путём расчёта. При этом учитывается площадь проекции элемента на горизонтальную поверхность, необходимые за-
78
зоры
между
соседними
элементами
и
другие
технологические
ограничения.
Практика показывает, что найденные таким способом, но разными JПOдьми, значения
SYCT i
могут отличаться на ±
20%,
что вполне приемлемо для инженер
ных применениЙ.
3.
Подсчитываем значение величины
Пусть значение этой величины равно 60 см
4.
2
Выбираем значение коэффициента увеличения поверхности печатной
платы K~ . Согласно приведённым ранее рекомендациямК~ € (1,5 ... 3). Кон кретные значения Е gii принимают с учётом, частотного диапазона работы РЭУ, мощности тепловых потерь, выделяемой элементами, требований к габаритам и других факторов. Примем
K~ =2. Тогда площадь печатной платы Sпп, необходимая для размещения элемен тов, определится как
,s
n
2
S" =E6aLS6fi6i =2·60=120 см. i=l
5.
Принимая во внимание внутриблочную компоновку, выбираем геомет
рическую форму (квадрат, прямоугольник пли другая форма) и размеры сторон 2
печатной платы, обеспечивающие найденную площадь (120 см ). Следует пом нить, что выбираемые размеры, должны отвечать требованиям ГОСТ, регла ментирующего размеры печатных плат (см. табл. прямо угольника могут быть приняты размеры
5.3.
4.2). Так, 120 х 100 мм.
при форме в виде
Требования к компоновочным решениям
Конструктор должен выбпрать компоновочные решения, которые удов летворяют следующим требованиям:
1)
отсутствие между отдельными элементами, узлами и блоками сущест
венных паразитных электрических и магнитных взаимосвязей, влияющих на технические характеристики изделия;
2)
минимизация влияния тепловых и механических воздействий на изме
нение технических характеристик изделия;
3)
взаимное
расположение
элементов
конструкции,
обеспечивающие
технологичность сборки и монтажа с учётом использования автоматического и полуавтоматического оборудования, легкий доступ к деталям для контроля, ре монта и обслуживания;
79
4)
расположение и конструкция органов управления и настройки, обес-
печивающие максимальные удобства для оператора;
5) 6)
изделия должны удовлетворять требованиям технической эстетики; габариты и масса изделия должны быть минимальными.
В отношении последнего требования следует отметить, что габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и
используемых радиоэлементов. Так, например, переход в телевизионных при
емниках от источников электропитания с трансформаторным входом к им пульсным источникам электро=тания, работающим на повышенных частотах
(20-100
кГц вместо
50
Гц), позволил снизить удельные показатели источника
электропитания по массе и объёму примерно в два раза. Мерой эффективности мероприятий тажа
-
по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность мон
среднее количество ЭРЭ, полупроводниковых приборов, умещающихся
в единице объёма. Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в боль шинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий про цесс конструирования, сводится к нахождению компромиссного оптимального
решения. Для компоновки широко используются САПР. Процесс же трассиров ки печатных плат полностью автоматизирован.
5.4.
Способы выполнения компоновочных работ
в практике инженерного проектирования РЭС используются следующие виды компоновки:
• • • • • • •
аналитическая;
номографическая; аппликационная;
модельная;
графическая; натурная;
с использованием ЭВМ.
При аналитической компоновке
оперпруют численными значениями
различных компоновочных характеристик: геометрическими размерами, объё мом, массой. По известным компоновочным характеристикам элементов вы числяют компоновочные характеристики изделия в целом.
При номографической компоновке используют специально разработан ные номограммы, упрощающие вычисления.
Аналитическая и номографическая компоновки выполняются по переч иям элементов принципиальных схем. Они не обладают наглядностью и не да ют возможность получить пространственные компоновочные эскизы.
Аппликационная компоновка позволяет получить наглядный компоно вочный эскиз. Элементы выполняются в виде аппликаций и размещаются на
заданной плоскости или в объёме.
80
При модельной компоновке используют упрощённые модели ЭРЭ, полу
проводниковых приборов И ИМС, выполненные из бумаги, картона и других материалов, размещаемые затем на плоскости или объёме. При графической компоновке используются упрощенные способы изо бражения элементов. Для наглядности могут выделяться цветом элементы раз личных типов.
При натурной компоновке используются реальные компоненты изделия.
Их размещают на плоскости в необходимом порядке. После достижения удоб ного расположения элементов места их установки фиксируют и выполняют монтажный и компоновочный эскизы.
Наиболее перспективный способ выполнения компоновки РЭС
-
с ис
пользованием ЭВМ. Проектирование объёмных элементов конструкции моду ля РЭС, моделирование их взаимного расположения и взаимодействия при
сборке, разборке и в эксплуатации выполняется средствами САПР объёмного художественного конструирования работающей в
3D Studio или ее развития 3D Studio операционной среде Мicrosoft Windows.
МАХ,
Результатом такого проектирования является комплект конструкторской
документации,
файлы управляющей информации для
автоматизированного
производственного оборудования, а также видеоролик или комплект видов мо дуля, исполненного в материалах, имеющих нужный цвет, фактуру, освещенно го расположенными в окружающем его пространстве источниками света с за
данными свойствами
5.5.
[1].
Компоновка РЭУ и рабочего места оператора с учётом требований эргономики
Удобное рабочее место и удобный инструмент повышают производи тельность работы оператора. Если наблюдается обратное, то повышается утом ляемость человека, растет число ошибок, возможны отказы аппаратуры по вине оператора и травмы самого оператора.
Установлением взаимосвязи
параметров человека
управления) занимается эргономика и ее раздел
-
и машины (пульта
инженерная психология.
Человек, машина и среда рассматриваются в эргономике как сложное функцио нальное целое, в котором ведущая роль принадлежит человеку.
Основные факторы, определяющие эффективность деятельности опера тора, приведены ниже.
1.
Общие факторы:
• • • 2.
компоновка рабочего места; личные качества оператора.
Факторы, определяющие время считывания информации:
•
81
окружающая среда;
тип индикации (цифровой или стрелочный);
• • 3.
количество индикаторов; размещение индикаторов.
Факторы, определяющие распознавание:
• • •
читаемость букв, цифр, знаков; световые характеристики;
цветовой тон и цветовые контрасты.
Факторы, определяющие время работы:
4.
• • •
количество органов управления;
тип органов управления, удобство размещения; совместимость двигательных операций.
Факторы, определяющие время оценки информации:
5.
• •
объём информации; динамика смены информации.
О соответствии спроектированной конструкции эргономическим показа телям качества используют следующие показатели:
•
гигиенические (освещенность, вентилируемость, температура, токсич
ность, шум, вибрация, напряженность электрического и магнитного полей);
•
антропометрические
-
соответствие конструкции изделия размерам и
форме тела человека и его частей (ног и рук), входящих в контакт с изделием;
•
физиологические и психофизиологические (соответствие конструкции
изделия силовым, скоростным, зрительным возможностям человека);
•
психологические (соответствие конструкции изделия возможностям
восприятия и переработки информации, закрепленным и вновь формируемым навыкам человека).
Вопросами реализации требований эргономики художественными сред ствами занимается такая отрасль, как дизайн или техническая эстетика. Ниже рассмотрены некоторые иринципы организации и компоновки ра
бочего места оператора с учётом требований эргономики. Рабочее место
-
зона, оснащенная необходимыми техническими средствами.
Надёжность работы оператора зависит от оптимальных значений гигиениче ских параметров окружающей среды. Эги параметры в общем случае могут быть комфортными, некомфортными и невыносимыми (табл.
5.2). Таблица
Некоторые гигиенические параметры Параметры
Условия комфортные
некомфортные
+ 22 ... + 24 +18 ... +22 40 ... 50 (лаборатория) 80 ... 90 (производствен-
+35 ... +44 -1 120
невыносимые
Темпераryра, ос
Тепло Холод Шум,дЕ
выше
+ 44 -1 130 ... 135 ниже
ный цех) Влажность,
82
%
20 ... 60
10
ниже
10
5.2
Между комфортными инекомфортными у словиям:и существует психоло гическая граmща, а между некомфортными и невыносимыми
-
физиологиче
ская.
Важное значение в организации рабочего места имеет его цветовое оформ ление. С помощью зрения человек получает
80--90 %
всей информации. Цвет
ассоциируется у человека с понятием теJШа и холода, приближения и отдале ния, легкости и тяжести (рис
5.1). Оптимальная яркость фона, при которой
ТеrШ Ьl е
отмечается наибольшая разрешающая способ
ность зрения, составляет примерно 104 IЩ/:МZ . Наибольшей разрешающей способностью по цвету отличаются следующие комбинации при восприятии знаков:
• • • • • •
XOJlOДl lbIe
Рис .
5.2.
синий на белом; черный на желтом;
зеленый на белом; черный на белом; зеленый на красном; красный на желтом .
Реакция глаз характеризуется также полем
Цветовой круг
зрения, остротой зрения, аккомодацией и дру
гими параметрами. Рассмотрим в качестве примера поле зрения (рис.5.3). Органы управления и индикации должны
располагаться в поле зрения обоих глаз. При установке органов управления в паре с индикатором
необходимо управляющее устройство располагать так , чтобы руки оператора не заслоняли индика
тор, т.е . органы управления должны быть распо ложены
ниже
индикатора,
связанного
с
ним,
или
справа от него .
Рис
5.3.
Лицевые панели, например, измерительных
приборов
окрашивают
обычно
Поле з реmrе человека
по ГОРИЗОЮaJIЯМ
сингетическими
эмалями tvШ-12 различных цветов (с ветло-бежевый, дымчатый, серый, серо голубой и др _).
Для внешних установочных элементов рекомендуются цвета: серый, бе лый, черный . НадШlСИ и символы на передних панелях и внешних устройствах
выполняют: черным, белым, красным, желтым, зеленым, синим, но рекоменду ется использовать не более пяти цветов в одном приборе. Надписи должны состоять из терминов, утвержденных соответствующим
ГОСТ ом. Выполняются надписи и символы гравировкой, офсетной печатью JШи сеткографиеЙ. НаДJlliСИ располагаются над элементами IUIи недалеко от них. Заводской номер и год изготовления следует наносить на задней панели в левом верхнем углу.
83
Размещение органов управления и индикации должно производигся по следующим правилам:
• • • • •
по функциям; по важности;
по удобству пользования; по последовательности пользования; по частоте пользования.
При компоновке панели соблюдают следующие правила:
•
зрительный обзор панели должен создаваться основными функцио
нально-конструктивными элементами, не должно быть лишних элементов, над =сей, линий и др.;
•
композиционная упорядоченность требует размещать внешние устано
вочные изделия по четкой системе перпендикуляров и параллелей;
• ственно
органы управления и индикаторы должны быть расположены соответ последовательности пользования:
слева направо
при расположении в
одну линию по горизонтали и сверху вниз при размещен= в одну линию по вертикали.
5.8.
Проектирование лицевых панелей
Компоновку лицевой панели следует начинать с анализа работы операто ра с радиоэлектронным устройством (а=аратом, прибором). Для этого графи чески изображают все элементы панели и устанавливают взаимосвязь между ними и оператором.
Рабочие операции необходимо распределить между правой и левой рукой оператора. Для правой руки выделить органы управления, связанные с наибо лее ответственными и точными операциями. Количество и траектор= рабочих движений должны быть сокращены до минимума. При размещении внешних установочных изделий следует руководство
ваться следующим общим правилом: органы индикации располагают вверху, органы управления
-
в средней части, а органы подключения
-
внизу лицевой
панели.
Наружные размеры конструкций, а также расстояния между установоч
ными изделиями аппаратов и приборов (кнопками, тумблерами, ручками на стройки) должны обеспечивать удобство осуществления переключений и на стройки.
84
6. ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ РЭС ОТ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ
6.1.
Классификация дестабилизирующих факторов
РЭС эксплуатируются в помещениях, на открытом воздухе, на различных
подвижных объектах и т.д. При эксплуатации они подвергаются воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов (рис.
А,
Аф
РЭС l'
(
'-..С ."
6.1).
Вф
, )
.~
Br
Рис.б.l. РЭС при воздействии внешних и внутренних
дестабrшизирующих факторов: Аф
-
функционально обусловленное входное воздействие (входной сигнал); Ад -
внешнее дестабrшизирующее воздействие; ВФ
-
функционально обусловленный ВЫХОДНОЙ паразитное
сигнал; В п - паразитное выходное воздействие (температура , шум и Т.Д.); С ВН внутреннее воздействие РЭС на его же элементы
Классификация дестабилизирующих факторов, воздействующих на аппа ратуру при различных условиях эксплуатации и на различных объектах, пред ставлена на рис
6.2. Дестабилизирующие факторы
Климатические
-
Темпера тура,
:влажность,
I атмосферное
даRЛение, пьmь, солнечное излучение и др.
Механические
г-
Вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы
Биологические
-
Электромагнитные
-
Температурные
Специальные
г-----
J\1икроорганизмы и IUIесневые грибы, насекомые
Электрические, магнитные, электромагнитные
Высокие температуры, низкие температуры, тепловой удар
Ионизирующее излучение, космические
t-- (глубокий вакуум, невесомость, температура)
Рис.
85
6.2.
Классификация дестабrшизирующих факторов
6.2 .
Механич еские воздеИствия
Наиб ол ее уп отр е бительн о й является с ледующ ая КJlасс иф икация меха ни · ческих во здействий
· · · · ·
ви брации; уд ары ;
л иией ные нагрузк и ; акус тическ и е ш умы;
к о мп ласны е в оодеliств ия
В ибрации в свою очеред ь могут Б ЫTh гарlolон ич е ск иlolИ , иегзрмон ич ески · ми , пер и од ич еск и ми, случайн ыми (р ис_
П"р н одиче -
( 3)
Г ар мониче -
cm,
~" ' КЕазнгармо нн ч ески е
Сл о жн ой
ф ОРIIЫ Вн 6раци и
•
•
Y'KO !l OJlOCНbI"
t Случайны"
ШИ Р ОК О!lО1I0 СИЫ ~
Р ис.
6.3. Разнов ид н ост ивибрациli
t
Ударные нагрузки на а=аратуру могут воздействовать не только при ее
эксплуатац= на подвижных объектах, но и при транспортировании, при погру зочно-разгрузочных работах. Линейные нагрузки возникают при разгоне и торможении транспортных средств, изменении направления движения.
Акустические шумы возникают при работе мощных двигателей (особен но реактивных), а также из-за возникающих аэродинамических эффектов при движен= самолетов пли ракет в достаточно плотных слоях атмосферы. Комплексные воздействия
-
это комбинация из первых четырех вышена
званных. Эго, например, может быть одновременное воздействие на а=аратуру вибраций и ударов, вибраций и линейных нагрузок и Т.Д. Подобные воздейст вия наиболее часто встречаются в реальных условиях эксплуатации, но их и наиболее трудно воспроизводить в лабораторных условиях при испытаниях ап паратуры.
6.2.1.
Параметры гармонических вибраций
Гармонические вибрации редко встречаются на подвижных объектах в чистом виде, однако их широко используют при анализе отклика конструкции
на механическое воздействие, при проведении испытаний а=аратуры и, кроме
того, любой сложный периодический колебательный процесс можно предста вить в виде суммы более простых
-
гармонических. Гармонические вибрации
характеризуются амплитудой, периодом колебаний или частотой. Кроме того, для характеристики гармонического вибрационного процесса используются понятия виброскорости И виброускорения. Если гармоническая вибрация описывается выражением.
у = где у
t -
А
-
Asin mt = Asin 2;ф ,
смещение колеблющегося объекта;
амплиту да вибрации; текущее время;
f - йJ / 21Г
- частота,
то виброскорость можно определить как первую производную по време ни от вибросмещения у:
у'= AйJ
cos йJt
= A21if COS 2;ф.
Амплитуда виброскорости
v = А OJ = A2Jif . Виброускорение определяется как первая производная от виброскорости или вторая производная от вибросмещения:
у"
=-
AйJ 2 sin йJt
Aмпmnyдавиброускорения:
87
=-
А (27Z"
j)2 sin 2;ф .
W=Аш
2
=A(27if)2.
В технической литературе и в инженерной практике величину виб роускорения часто выражают в единицах ускорения свободного падения
g(lg
= 9,8м / с ) 2
-
.
Для перехода от одной единицы измерения величины ускорения к другой
можно воспользоваться формулой:
Задача
Конструктивный элемент РЭС колеблется с амплитудой
50 Гц.
0,1
мм на частоте
Определить величину воздействующего на него виброускорения. Решение
j "" 4Af2 = 4·0,1·10-3 (50)2 = 19. Периодические вибрации в виде искаженной синусоцды или другой слож ной формы наиболее часто встречаются на реальных подвижных объектах, где могут эксплуатироваться РЭС. Подобные периодические ироцессы при анализе иредставляют в вцде ряда Фурье: 00
F(t) = а о
+ L (Ьп cos nшt + сп sin nшt), n=1
где а о , Ь n ,Сп - коэффициенты ряда Фурье;
n-
номер гармонической составляющей.
Амплитуда любой гармоники с номером
Графическая рис.
88
6.4.
интериретация
n
оиределяется из выражения
преобразования
Фурье
представлена
на
[.
г\
.L ,-;
w
\
Ifl ,
J
J~
I V
б
а
в
Рис,БА, Представление периодического процесса сложной формы: а
;б
-
-
во временной области ; в
-
в частотной области
Некоторые современные вычислительные комплексы в библиотеке стан дартных про грамм имеют про грамму, с помощью которой можно осуществить
преобразование периодического процесса сложной формы в ряд Фурье,
Исходные данные для расчёта на ЭВМ по такой программе
(T,h"A,)
представлены на рис, б,5,
j
т
Рис, б,5, Подготовка данных для анализа сложного
периодического процесса на ЭВМ Если внешнее воздействие синусоидально, а рассматриваемая линейная система устойчива, то по истечении некоторого промежутка времени свобод
ные колебания системы затухают и остаются только вынужденные колебания, параметры которых вычислить несложно, Однако, если внешняя сила является
случайной, то свободные колебания постоянно возобновляются и движение системы
является
сложной смесью
свободных и
вынужденных колебаний,
Именно такие колебания блоков и элементов РЭС имеют место на подвижных объектах, двигательные установки которых или условия движения создают случайные механические воздействия на борту,
Случайная вибрация в отличие от детерминированной не может быть описана точными математическими соотношениями, Для ее характеристики можно использовать математическое ожидание и дисперсию случайной вели
чины, Однако вибрационные процессы могут иметь одинаковые математиче-
89
ское ожидание и дисперсIПO, но различный характер изменения по оси времени
(различная растянутость вдоль временной оси). Поэтому целесообразнее слу чайную вибрацIПO характеризовать с помощью метода частотного анализа, а не временного. Для этой цели используются такие характеристики, как спектраль
ная плотность мощности колебательного процесса и корреляционная функция, которые взаимосвязаны между собой соотношением Хинчина-Винера.
Для стационарных случайных функций, математические ожидания кото рых сохраняют одно и то же постоянное значение при всех значениях аргумен
та t и корреляционные функции которых зависят только от разности аргумен-
тов
t2
-
t)
= 7") , спектральная функция S(ш)
=-f k(т)соsштd7[. 200
7[0
Корреляционная функция
f s(ш)соsшmш. 00
k(T) =
о
Функцrпo частоты
S (Ш ) называют спектральной случайной функции x(t) , так как при т = О
плотностью мощности
00
k(O) =
f S(ш)dш. о
Поскольку
k(O) есть мощность стационарной случайной функциих(t), то
S(ш) отражает распределение этой мощности по частотам (рис. 6.6).
а.
J
в
z
90
РИС.6.6. Спектральные плотности : а
-
гармонический процесс ; б в
-
-
гармонический процесс плюс случайный ;
узкополосный случайный процесс; г
-
широкополосный случай
ный процесс
6.2.2.
Воспроизведение механических воздействий на испытательных стендах
Соответствующими стандартами предУсмотрены различные виды испыта ний РЭС на механические во здействия. Определены и степени жесткости испы таний, количество которых различно для разных видов. Так, например, для виб раций установлено
14
степеней жесткости, для ударов
и т.д.
- 4
Для воспроизведения вибраций исполь зуются механические, электро динамические , гидравлические , пье з оэлектрические и другие разновидности
вибростендов. Наибольшее распространение при испытаниях РЭС получили электродинамические и механические вибростенды (рис.
6.7). 2 3
а
Рис .
6.7.
б
Конструкции механического (а)
и электродинамического (б) вибростендов:
1-
рабочий стол;
2-
3-
подвижная катушка сигнала возбуждения;
катушка подмагничивания
Ударные испытательные установки могут быть механические (со свобод ным падением рабочего стола и маятниковые копры) , электродинамические и др.
Конструктивное исполнение и принципы действия наиболее упот
ребительных механических установок представлены на рис .
91
6.8.
1
б
а
Рис. а
-
6.8.
Ударные испытательные установки:
со свободным падением рабочего стола; б
-
:кулачкового типа
ДЛЯ воспроизведения многократных ударных процессов;
1-
рабочие столы вибростендов;
2-
про кладка
Линейные нагрузки воспроизводят на центрифугах (вращающихея дис ках), создающих в горизонтальной плоскости радиально-направленные ускоре ния (рис.
6.9).
Рис.
6.9.
Диск центрифуги
Величина возникающего ускорения на расстоянии
R
от центра вращаю
щегося диска определяется выражением
v'
W=-
R'
где
V-
линейная скорость движения объекта испытаний по окружности.
Акустические ШУМЫ воспроизводят в специально оборудованных поме щениях либо в реверберационных камерах (рис.
6.10).
(,(~ О,, н
0,'
(,гм
~'"
O,fн
92
~911
1,111
Рис.
6.10.
Реверберационная камера
OrСУТС1Вие параллельных стенок в подобных камерах позволяет получить в объёме равномерное акустическое поле (искmoчается появление стоячих волн). Источниками акустического шума в испытательных установках могут служить: динамические сирены; статические сирены; мощные электродинамические громкоговорители.
Уровни звуковых давлений акустического шума или тона меняющейся частоты могут достигать при испытаниях РЭС
160 ... 170
дЕ. Уровень звукового
давления оиределяется из выражения
L где Р
РО =
Р
= 201g-,дБ, РО
- звуковое давление шума или тона, Па; 2 * 10-5 Па - звуковое давление порога сльшшмости.
При производстве РЭС возможны следующие вцды испытаний:
обнаружение резонансных частот; виброустойчивость; виброирочность; ударная прочность;
воздействие одиночных ударов;
воздействие линейных (центробежных) нагрузок; воздействие акустических шумов.
Испытаниям разработки
на обнаружение резонансных частот подвергаются новые
конструкций
РЭС.
Дальнейшие
испытания
РЭС оиределяются
условиями эксплуатации,
и на воздействие наиболее тниичных видов нагру
зок
быть
аппаратура
должна
испытана.
Определяющим условием, позво
ляющим выбрать наиболее рациональный метод
испытаний,
является
ин
формация о значениях резонансных частот изделий, полученных расчётным или экспериментальным
путём.
Например,
если собственная частота печат
ной платы превышает верхнюю частоту диапазона воздействующих вибра ций
более
чем
фиксированной
в
1,5
частоте.
раза,
то
Если
применяется резонансные
метод частоты
испытаний не
на
одной
установлены,
то
применяется метод качающейся частоты. Если объект имеет не менее че тырех собственных частот в заданном диапазоне, используется метод случай ной вибрации. Особенности проведения испытаний на механические воздействия этими замечаниями не ограничиваются. Заинтересованному читатеmo следует обра-
93
титься К литературным ИСТОЧJШКам по ВОfIIЮсам испыгaIOIЙ РЭС и испытатель ного оборудования. Т:иnичная структурная схема измерит ельного тракта для оnpeделеюrя па раметров механич есЮIX воздействий представлена на рис.
Рис.
ИП
-
6.11 Структурная
схема измерительного тракта:
измерительный преобразователь; У Ф
-
6. 11 .
фrшьтр-анaшrзатор; РП
-
-
согласуюш;ий усилитель;
реrnстрирующий прибор
в качестве измерительных пре06разователей чаще всего используются пьез оэлектричеСЮfе
акселерометры
(для
измереЮlЯ
параметров вибраций,
ударов и шrnейных нагрузок) и конденсаторные микрофоны (для измерений параметров акустичесЮfХ шумов). Схематично конструкция пьезоэлектриче ского акселерометра npeдставлена на рис.
6.12 .
.................
~~,"~..~.;.:~<.~;.;.~:<.~:~~
Рис.
1-
6. 12.
Пьез оэлектричесю1Й акселерометр
пьезоэлементы;
2-
дополюrrельная масса
При воздействIПI на датчик вибрaцшr у_ реакция ДОПOJшительной массы
на пьез оэлементы
1 будет
2
ПРlffiОДИТЬ к их деформации и к по.явлеЮ1Ю на выходе
датчика перемеюlOГО электрического напряжения И_ . Одна из известных фирм по выпуску элементов подобных измерительных трактов
-
фирма «Брюль и Къер)) (Дания).
6.2.3.
94
Динамичесюrе характеристики конструкций РЭС
Для возможности проведеЮIЯ расчётов констрyкцшr aтrnapaтypy и ее эле
менты необходим:о предельно упростить делей (рис.
-
представить в виде физических мо
6.13.).
н
M~A а
Рис.
fj
б
6.13.
Резистор
(а), печатиая IШата (б), блок aтrnapaтypы (в) и их модешr Для более детапьного анarшза процессов , прагекaIOЩИХ в aтrnapaтype и ее составных элементах при воздействии вибрации, используют более сложные модели. При:мер такой сложной модешr радиоэле:ктроююго aтrnapaTa представ лен на рис.
а.
6.14,
• Рис.
6.14.
б
Сложная модель aтrnapaTa (а) и ДШlам:и:ка переда'Ш
вибраций от места закреIШеЮIЯ аппарата к элементам, закреплеЮlЫМ на печатиой IШате (б) Иногда ДJIя анaшrза мехaюrчесЮIX щх:щессов используют математичеСЮIе
(метод конечных разностей, метод конечных элементов и др.) , анапоговые и элеКТJ.X!мехaюrчеСЮIе модели.
При передаче вибраций по конструкции aтrnapaтypы их аштшrгyда может и ослаблягься и УСIШиваться (рис.
6.14,
б).
Для анапиза вибрацио:нныз щх:щессов необходи:мо ум:еть оцеюrnать ос новные ДШlШllIЧеСЮIе характеристиЮI aтrnapaтypы и ее элементов.
К основным динамическим характеристикам аппаратуры и ее элементов
относят значения собственных (резонансных) частот, собственные формы коле баний, значения коэффициентов динамичности и коэффициентов демпфирова ния.
Значения собственных частот конструктивных элементов аппаратуры (элементов рамных конструкций, пластин и т.д.) определяются по формулам, известным из курса классической механики.
Значения частот собственных колебаний электрорадиоэлементов (ЭРЭ), приводимых к балочным моделям, можно определить аналитически или по но мограммам.
Например,
для
резистора,
модель
которого
представлена
на
рис. 6.13.а резонансная частота определяется выражением:
{" = _1 Jо 2л где Е
-
~192E! m1 3
'
модуль упругости материала выводов;
J =
лd
4
64 -
момент инерции сечения вывода резистора (d -
диаметр вывода резистора); т
-
1-
масса резистора;
длина резистора.
Подобные расчёты удобнее ироизводить по номограммам, разработанным для наиболее употребительных ЭРЭ (резисторов и конденсаторов). Вцд одной из таких номограмм иредставлен на рис.6.15. Зная тип рези
стора и длину его выводов, оиределяют значение собственной частоты. Значение первой собственной частоты печатной платы, закрепленной по углам в четырех точках, можно оиределить, воспользовавшись выражением
где D
Еh
З
= 12(1- у 2 )
цилиндрическая жесткость платы;
" =т- -
т
аЬ
распределенная по площади масса платы
и элементов, размещенных на плате;
hта Ь-
модуль упругости материала платы;
у
коэффициент Пуассона для материала платы.
Е
96
-
толщина платы; масса платы с элементами (МС, ЭРЭ и т.д.); длина платы;
ширина платы;
.t).r" {О
r\.
б
.'1.
lt3
1'1.
2.
MiIТ - ,,о
1'S
i
'''" '1.
О,6 О,~
, ,
'1.
О
О
О,!
Рис.
6.15.
t
\
~
~!
\
'\
Номотрамма ДЛЯ определения значения
fo
резисторов
типа МЛТ в зависимости от суммарной ДЛИНЫ ВЫВОДОВ
Более общее выражение ДЛЯ раСЧёта значения собственных частот пла стин имеет ВИД
К, 2 Ш 10=-2 -,,' па
где ка (табл.
-
т
коэффициент, зависящий от способа закрепления пластины
6.1). Таблица Значения коэффициента Ка ДЛЯ различных способов закрепления сторон rmастин
Ка
Вариант закрепления сторон пласпrnы
!
Ь [:HH~HHHI .................... ...................
15,42 1 + 0,95(;)' + 0,41(;)'
V
9,8\ 1 + 2,з3(;)' + 2,44(;)' 15,42
97
6.1
........... .. ......
15,42(;)'
I
22,37 22,37~
0,1(;)' + 0,41(;)'
Примечание. Обозначения штриховок: жесткое закрепление стороны пластины;
лежит на опоре;
----
сторона
сторона пластины свободна.
в практике проектирования печатных плат РЭС иногда пользуются фор мулой несколько иного вида:
104
10 = km kь Вh2 ' а
где k т
(для гегинакса
kb
коэффициент,
-
- 0,5,
зависящий
для стеклотеКСТОЛl{Га
от
материала
платы
- 0,52);
= ~ коэффициент, зависящий от массы элементов 1+ тз т"
тз, размещенных на поверхности платы, масса которой т n ; В-
коэффициент , з ависящий от соотношения длины сторон
и способа закрепления платы, табл.
6.2;
толщина платы, см;
hа -
длина ruтaTЫ, см.
Таблица
6.2
Значе ния коэффициента В Варианты
а/Ь
закрепления
I ~ . Li
98
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
2,
-
-
86
145
234
3:
40
41
56
84
124
1/
10
19
58
124
217
зз
33
44
76
139
230
3'
. .
.
.....
.. ", .............
,
......
..
..
54
56
69
93
131
1~
54
58
16
11 5
115
2'
для блока, установленног о на виброизолятор ах, значеюrе
10
определяет
ся из выражения
J.
=
2~ ~K; ,
где K'L, - суммарная жестко сть исп ользуемых виброизолятор ов ; т
-
масс а блока. Задача
Блок РЭ С массой
1О
кг установлен на четыIе х равн онагруженных виб
роиз олятор ~ жестк ость каждог о из которых при о севом нагружении с оставля
ет
4 Н/ММ.
ОпредеJПIТЬ значение частотыI с об ственных колеб аний блока в вер
тикальн ом направлении.
Решение
!,"
=
_1_~KZ 2к
=
т
1 ,/-'----'-,..:.:4 *4 ' 10' = 6,4..10. 6,28 10
С о бственные формы коле баний представляют со бой виброрельефы к оле баний к онструк тивных элементов пmа балок и плат на соответств ую щих рез о HaнcHbIX часто тах (ри с .
6.16). I и зо{Е::
--.--__ _ - 11'
;J ~
Ри с. 6.1 6. Конс трукmвный элемент в виде б алки и его три первые соб ствеЮlые формы коле б аний В ажной ДЮIaмиче ской харак тери стикой плат и других конструктивных
элемент ов Ш1паратуры является коэффициент дин амично сти, который пред с тавляет собой отношение ампJПIТУДЫ коле б аний блока ИJПI центра печатой платы к ампJПIтуде к олебаний основания ИJПI точек закрепления платыI: А
)J= A, . Вид зависим ости значения f1 кон структивног о элемента о т частотыI воз
действующей ви брации
99
f
представлен на ри с .
6.17.
1"
!
t:::::~......::::::::::_.J. 1,
Рис .
6 .17.
За вис имость з нач ения f1 от час тоты вибрации
Из привед енных кривых ВИДН О, что
Jl мо жет приним ать з наче ние ка к
больш е, так и меньше единицы , т.е. ко нстру ктивный эл еменг IШИ блок а ппара туры в зав исимос ти от частоты воз му щающей СlUIЫ мо жет ка к У СШIИвать , так и
ослаблять вибрацшо . Гра фик изменения j.i
в за вис имости от час тоты н азыва:юг амШIИТУДНО
частотно й хара ктеристико й к о нс тру кт ивн о го элемента . Эта кривая в дальн е й
ш ем будет ис пользо вана для обосн ова ния и оценки э ффективности р азличных сп ос о бов виброзащиты. Коэ ффициент д ина мичност и ДЛЯ люб ого з начения текуще й частоты
f
может быть определен п о фо рмуле
I + (" )' a'
А
,, - - -
lf
-
~-
А,
(1-0 ' )'
+(~) 'a" lf
где о
- ло гари фмичес кий д екр емент затухания к олебаlШЙ;
а =.1... _коэ ффициент расстройки по частоте.
J.
10- значе ние собс твенной ча стоты. Зад ача
О предел ить а мплитуду
коле баний центра печатной
rmаты на
частоте
f = 100 Гц, если амплитуда точек за крепления rmаты А о = 1 мм, значение ее собственной ч а стоты
10 = 200 Гц,
туха ния кол еба ний rmаты
а з начение лога риф мичес ко го де кр емента за
8 = 0, 1. Реш е ние
1. О пр еделяем з нач ение
коэффициента ра сстро йк и п о ча стоте :
a=L= 100 = 0 5. 10
100
200
'
1+(8 )'а 2 I---"'л'----;;--- "" 1мм. О-а2)' +(8 )'а 2 л
Из получеmюго результата следует, что при таком соотношеюrn частот
(f= 100
10= 200
Гц и
вибрацию (~"
1).
При проведеюш
особеmю в
Гц) rumта прaкrичесЮI не УСЮПIВает воздействующую расчётОВ
ДШПl1.пrчесЮIX
области резонансной частarы, необходимо
ГЛОЩaIOщие свойства при коле6aJПIЯX. коэффициента рис.
характеристик конструкций,
дrrnaмwrn:ости
в
УЩIТывать их по
Вmrя:mrе этих свойств на значеюrе
диапазоне
частот
нагЛЯДНО
ВИДНО
из
6.17. Наиболее
свойств
часто
в rrnженерной практике ДЛЯ оценки поглощaIOЩИХ
конструктивных
элементов
используется логарифмичесlG1Й декре
мент затухaшrя колебaJШЙ. Его значеюrе достаТО1ffiО Щ:ЮСТО может быть опре делено экспериментально даже ДЛЯ конструктивного элемента,
состоящего из
комбrrnaцшr разНО}XJДНЫХ материалов, например WfОГОСЛОЙНОЙ печапюй IUШ ты.
ЕсШI имеется зarnrсь свободных затухающих колебaJШЙ меХaJlliЧеской систе:мы (рис.
6.18),
то значеюrе логарифwrческого декремента затухают коле
бaJШЙ определяется из выражеюrя А
o=ln-'-. Ai +1 т
,
v
~~A v
V Рис.
6.18.
Зaшrсь свободных затухающих колебaJШЙ
При учёте нескольЮ1Х периодов колебaJШЙ т, например
"
n:
~ .!.1п -.:i.. n
А;+м
ЕсШI имеется aм:rшиrудно-частотная характеристика СА ЧХ) механической системы в областисобствеmюйчастоты
101
fo
(рис.
6.19), то
o~"I1!
/О'
где А! - ширина поло сы частот на уровне
0,707
от максимального
значения амплитуды.
i ---
,, , j' ~
, I
Рис.
6.19 . АМПШl1удно-частотная
характеристика
Задача
Определить значение логарифмического декремента затуханий ДЛЯ пе чатной платы , соБС1Венная частота которой тот на уровне
0,707
составляет
20
fo = 200
Гц, а ширина поло сы час
Гц. Решение
д~лl1! ~314~~0314. f, ' 200 ' 6.2.4.
Реакция КОНС1рукций РЭ С на механические воздейcrвия
При воздействии на радиоэлектронную аппаратуру вибраций, ударов , л и нейных нагрузок и акустических шумов возможн о возникновение нарушений
ее функционир о вания , которые можно классифицировать следующим образом (рис.
6.20) . Восстанавливаемые отказы фун кционирования аппаратуры , к которым
относят искажение ил и появление в полезном сигнале большого уровня ш умов и
паразитную
модуляцию
полезного
сигнала,
воз никают из-за тензорезистив
ных эф фектов , пьезоэле ктрических и элеК1ро магнитных явлений в э ле ме нтах Р ЭС, обладающих способностью к проявле нию подобных эффектов при знако переменных деформаци о нных нагрузках . К подобн ым элементам аппараrypы можно отнести тонкопленочные ре зисгоры
на
п одло жках
микросхем,
сегнетокерамические
конденсаторы,
полу
провод никовые приборы и даже обычные проводники , колеблющиеся в маг НИ11IЫХ полях .
102
Невосстанавш-шаемые
обрывы
и
поломки,
01Казы,
окончательно
к
которым
выводят
приводят различного
аrшараryру
из
рода
С1роя,
и
ее
фушщионирование не возобновляется после прекращения воздействия виб рaцш-I.
Примераlllli такого рода
дорожек
печа1НОГО
монгажа
MOryT
вибрирующей
сварных и КТIeeBЫx соедниений, ров
01Казов обрывы
быть,
rшюы,
например,
разрывы
разрушение
паяных,
выводов резисторов , конденсато
и т.д.
НарушеlШЯ функционирования аппаратуры
J. J.
J.
Восстанав.rшваемые
Невосстанавливаемые
J.
J.
J.
Рис.
J.
Электриче-
Паразитная
скиешумы
МОдУляция
J.
J.
Обрьmы
ПQJIомка
6.20. Классификация нарушений фушщионирования arшараryры
Разновиднос1Н механических процессов , возникающих в элементах кон
С1рУ}ЩИЙ радиоэлек1рОНИОЙ аппараryры при воздействии вибрaцш-I, представ лены на рис.
6.21.
Рис.
6.21.
Возможные виды реaкцIШ КОНС1рУК1Ивного элемента
arшараryры на вибрацию При воздействни на КОНС1рУК1Ивный элемент arшараryры вибрaцш-I мало го уровня возникает его ДИfШlllliческая упругая деформация Е, которую можно оценить 01Ношением велиЧllliЫ удпниения или укорочения элемента
исходной ДШlНе
!Jl
к его
1.
При увеличенни уровня вибрациониой нагрузЮ1 возможно появление в КОНС1рУК1Нвном элементе из меТaJша rшаС1Нческих деформаций, которые при водят к возникновению остаточных механических напряжений а .
При
больших
уровнях
КОНС1рУК1Нвного элемента
вибрациониой нагрузЮ1 возможно разрушение
после некоторого количества циКТIОВ
(N,)
измене
ния нагрузЮ1, обусловлениой вибрацией. Определение количества циклов из-
103
менеJШЯ нагрузЮ1 до разрушеJШЯ Nц производится для метаmюв по mпшя:м: ВеШIера.
В общем виде JППIШ:[ ВеШIера, ИШI кривые усталости металлов, представ ляют собой графичеСЮ1е зависимости 1fiIсла циклов изменеJШЯ нагрузЮ1 до раз рушеJШЯ (рис.
(Nц )
от
вешrrпrnы
перемеmюго
мехaюrческого
напряжеJШЯ
(J
6.22).
L~~~IJ, Рис.
6.22.
Лrппш ВеШIера для стamr
(1)
и цветных метaJШОВ
(2)
Ход JППIШ:[ ВеШIера для стaшr парrumельно оси Nц для малых значеJПIЙ
мехaюrчесЮIX напряжеJПIЙ физичесЮI означает то, что в таком случае конст руктивный элемент практичесюr выДерiIШТ бесконе1ffiое 1fiIСЛО цИКЛОВ измене JШЯ нагрузюr (Nц=W). Кроме
мехaшrческой
ветви
peaкцmr
элементов
РЭС на меxaшrче
сюrе воздействия существует и электрическая ветвь, обусловлеюmя: меха JШЧес:юn.ш (рис.
щх:щессами
-
деqюрмацией
и
меxaшrчес:юn.ш
напряжеmrm.ш
6.23). Эта ветвь peaкцmr определяет устойrrnвость РЭС к мехaшrчесЮIМ воздей
ствиям и должна yrпrrываться при проекrиpоваюш чувствительной ашшратуры,
с помощью которой осуществляется преобразОВaJПIе сигналов малого уровня. Под устойrrnвостью aшmратуры пшrnмают ее нормальное функциоmrpо ВaJПIе при мехaюrчесЮIX воздействиях. ЕсШI РЭС не обладает достаТО1ffiОЙ ус тойrrnвостью, то В ее выходном сигнале могут появиться составляющие, не
предусмотреJlliыIe функциональным назначеюrем. Возможно появлеmrе и шу мового напряжеJШЯ достаТО1ffiО высокого уровня. Наиболее ТIППfIlliЬThПI ПРIfIПI Jffi1..lli нарушеJШЯ устойrrnвости раБотыI РЭС при мехaюrчесЮIX воздействиях яв ляются следующие:
1.Изменеmrе значеЮIЯ переходного сопротивлеJШЯ в контактных гpyтrnax разъёмов, реле, герконов и т.д.
2.Изменеmrе rmраметJ.ЮВ rmссивных элементов РЭС (тонкоrшено1fiJых ре зисторов, катушек rrnдyкrивности, некоторых ТIПIОВ конденсаторов). 3.Изменеmrе параметров активных элементов РЭС
-
ИМС и пп.
4.появлеюrе шумовых напряжеJПIЙ в щ:юводJПIКaX, колебшощихся в маг юпных полях.
s.появлеюrе шумовых напряжеJПIЙ в кабелях за счёт возmrкaющих элек тричесЮIX зарядов на деqюршrpуе:мых при мехaюrчесЮIX воздействиях высоко качествеJlliых диэлектриках.
104
5
Е
Рис.
6.23.
Реакция активных и пассивных элементов РЭС на механические воздействия:
и
fJ
-
;\R ;\L ;\,.С
появление напряжения шумов;
ров пассивных элементов РЭС;
Ri"U() -
R'
---Т' с
-
изменение парамет-
нестабильность переходных сопротивле ний
Основные виды откликов элементов РЭС на механические воздействия и
возможные защитные мероприятия представлены в табл.
6.3.
Таблица
6.3
Основные виды реакции элементов РЭС на механические воздействия Элементы РЭС
Возможный
Возможный
Защитные
механический от-
элекrрический
мероприятия
клик
отклик
Резисторы
Исключение ре-
зонансных колебаний.
и конденсаторы:
а) дискретные
Разрушение мест
пайки, обрывы выводов
б) пленочные
ременные
105
на участках подложек с
зоэффект
минимальной деформа-
Поворот оси ро-
значения емкости
Изменение
циеЙ. Стопорение оси контргайкаМИ,гровер-
шайбами, нитроклеем
тора и смещение пластин
КПЕ
Размещение элементов
Трещины в пленке
в) пе-
Разрыв электрической цепи, тен-
Изменение
или лаком
Поворот оси резистора
значения сопротив-
Дополнительное
ления
ПП,ИМС
крепление компаундом.
Пьезоэффект, Обрывы выводов,
тензоэффект
Размещение элементов на участках плат
разрушение мест паЙки.
с минимальной де фор-
Деформация и растрес-
мацией
кивание подложек ИМС Определенная Реле,
ориентация контактных
Переменное
разъёмы, переключатели, гер-
Взаимное перемещение контактных
коны
групп относительно
значение переходного
вектора воздействую-
сопротивления
щих вибраций
элементов
Вязка в жгуты, дополнительные точки
Виброшумы за
Проводаи
кабели Перемещения в
пространстве, де форма-
креплеНИЯ,использова-
счёт электромагнит-
ние антивибрационного
ной индукции и ка-
кабеля, например, типа
бельного эффекта
АВК-6
цИЯ и обрывы, особенно в местах пайки
6.2.5.
Защита конструкций РЭС от вибраций
ПРОЧНОСТЬ к воздействIПO механических факторов
-
это способность
изделий выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных в стандартах, после воздействия механических факторов.
УСТОЙЧИВОСТЬ к воздействIПO механических факторов - это способ ность изделий выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных в стандартах, во время воздействия механических факто ров.
К изделиям, предназначенным для функционирования в условиях воздей ствия механических нагрузок, предъявляют требования по прочности и устой чивости. К изделиям, не предназначенным для функционирования в условиях воздействия механических нагрузок, иредъявляют требования только по ироч ности.
Как следует из приведенных выше оиределений для прочности и устой
чивости, обеспечение устойчивости является более сложной технической зада чей, чем обеспечение прочности. Способы защиты конструкций РЭС от вибраций удобно классифициро вать и наглядно представить, если использовать зависимость коэффициента ди намичности fL
от частоты
[.
С использованием этой зависимости способы
виброзащиты можно подразделить на три разновидности (рис.
106
6.24).
r
j'
i
f о
+"
~t
\~ \,' t
О
:1-.
У<{
-"-" 1
:1-" :1-, JI
i ~
:l- t
-
О
:1-, :J-" В
&'
а
Н
-f
Рис.6.24. Способы виброзащиты: а
б
увеJlliЧение жесткости конструктивных элементов (увеJlliЧеlШе
-
10);
ИСПОЛЬЗОВaIше конструктивных элементов с увеJlliЧеmюй степенью
демпфироваmщ в На рис.
6.24
-
использоваlП!е виброизоляторов
представлено соотношеlШе собствеmюй резонансной часто
ты заIЦИIЦаемого конструктивного элемента !о относительно диапазона частот
воздействующих вибраций от
j;
до
j;.
Как следует из приведенного рисунка,
ВЫВОД резонансной частоты 1 0 элемента за пределы д;иапазона частот воздейст
вующих вибраций в более высокочастотную область позволяет в Щ1апазоне частот воздействующих вибраций обеспечить значеlП!е КОЭффIЩиента дина мwпюсти fl::;' 1. Это означает, что резонансного возбуждения колебани::й: защи щаемого элемента происходить не будет. Подобное смещение значеlП!Я
10
в
более высокочастотную область можно обеспещпь увеШlчеlШем жесткости конструктивных элементов.
Примеры конструктивного исполнеmrя элементов аппаратуры, обладаю щих повышеmюй жесткостью, представлены на рис.
f"
о
ггд а
Рис. а
-
6.25.
-
в
Конструктивные решеmrя, позволяющие увеличить жесткость:
применеlП!е ДОПОЛlП!тельных точек или площадок крепления с помо
щью клея; б в
6.25.
-
применеlШе допошштельных точек креплеlШЯ;
применеlП!е отбортовок и профилирования (для пластин из металла); г
На рис.
6.24,
-
применеlП!е ребер жесткости
б показано изменеlП!е хода зависимости 11 от
f
при исполь
зоваlШИ конструктивных элементов, обладающих повышеmюй степенью демп фироваmrя (пунктирная кривая). Большую степень демпфироваmrя колебаlПГЙ можно обеспеЩ1ТЬ, например, используя платы с вибропоглощающим покрыти
ем, слоистые конструlЩИИ ШIбо используя заШIВКУ поверхности платы с эле-
107
ментами демпфирующими материалами. на рис.
6.26 представлены подобные
конструктивные решеllliЯ .
..·...... _... . ..... .. _.,' ·.·.·.·.·.·.· ·.·~N.·.·.~.··~
а.
Рис. а
6.26.
демпфироваllliыe конструкции:
с вибропоглощающим покрытием
-
в
-
2;
б
-
с вибропоглощающим слоем
с вибропоглощающим зашIво"lffiыIM материалом
2;
2
Применение демпфирующих покрытий и слоистых конструкций позволя ет снизить значения КОЭффIЩИентов д;mIамwпюсти таких конструктивных эле ментов, как печатные rшаты с нескольких десятков ДО нескольких ещ-ппщ, при
чем в области их резонансных колебаний. К недостаткам этого способа виброзаЩИThI следует отнести ухудшение ремонтоспособности РЭС, зависимость характеристик ПОIqJЫТИЙ: и зашшок от температуры, возникновение больших внутренних напряжений в компаунде ЩJИ его ПОШlмеризащщ изменеlШе свойств покрыти:й И заШfВОК С течеlШем
времеIШ. Кроме ТОГО, веШPППIа рассеЯllliЯ энергlШ механических колебаний: пQ Шlмерными материалаШf зависит от чаСТОThI, ампmnyды и формы колебани::й:, состава компонентов, вида напряжеmюго СОСТОЯНИЯ. Эти обстоятельства ус ложняют аналитическую оценку эффективности виброзаЩИThI, и в данном слу чае рациональнее использовать экспериментальные мето,ЦЫ определеllliЯ коэф
фициента механических потерь ~ через логарифмический декремент затухаllliЯ колебаний
5
~= J[
или через механическую добротность
1 Q
~=-.
Некоторые экспериментальные метод;ы определеllliЯ логарифмического декремента затухаllliЯ колебаний конструкции изложены в п.
6.2.3
данного по
собия. Наиболее эффективным способом виброзащиты является виброизоляция, так как только в этом случае удается получить значеllliЯ коэффициента дина мичности f.'
< 1
в диапазоне частот воздействующих вибраций (см. рис.
6.24).
Подобный способ виброзащиты может быть использован как для блоков, так и для отдельных, чувствительных к вибрациям элементов аппаратуры. Виброизо ляция обеспеЩ1вается тем, что между заIЦИIЦаемым аrшаратом или его элемен
том и вибрирующей поверхностью устанавшшаются специальные элементы
-
виброизолятары. Некоторые схемы монтажа блоков на виброизоляторах пред-
108
ставлены на рис.
6.27.
,
Рис.
6.27.
Схемы монтажа блоков aJПIаратуры на виБJХШЗОЛяrорах
Установка блоков на виброизоляrорах обеспе'ШВает значеюrе их собст венных частот
fo '" 10 ... 25
Гц. В этом случае, на1ffiНая с частar
lllшается эффекrnвная зaщпrа блока
ar
вибраций
(J.1< 1)
30-40
Гц, обеспе
и чем вьшrе частота
воздействующей вибрацIШ, тем эффекrnвнее виброзащита. Используемые в настоящее время виБJХШЗОЛЯТОРЫ можно подраздеШIТЬ на
4
основные разновидности:
1) резиномеТШIШIчесющ 2) пружинные с воздушным де:wтфщ:ювaюrем; 3) пружинные с фрикционным деwтфщ:ювaюrем; 4) цельнометапличесюrе. В рис.
качестве
6.28
при:мера KOHCтpyкru:BHOГO исполнеюrя виБJхшзолятора на
показан вид пружинного виброизолятора с воздушным де:wтфпрова
юrем. Деwтфпрование колебaIOIЙ в данной конструКЦIШ обеспе'ШВается движе
ЮIем воздуха через неБОJIЪшое агверстие в резиновом баплОJIIШКе
Рис.
2.
6.28. ВиБJХШЗОЛяrор пружин:ны:й с возду:ш::ны:м деwтфпрованием: 1 - пружина; 2 - резшювый баплоJIIШК с отверстием; 3 - элемент :креIШеЮIЯ.
Оценку эффективности виброизоляции в первом приближеюш можно осуществить следующим образом: 1.0пределяют значеюrе собственной резонансной частоты блока на виб J.Юизоляторах:
109
где K"L, - суммарная жесткость системы виброизоляции; т - масса блока.
2.
Определяют значения амплитуды вынужденных колебаний блока либо
значения коэффициента динамичности блока на виброизоляторах в диапазоне частот воздействующих вибраций:
1 или
где
4, -
f fo 3.
JL
=
l-(~J
2 '
амплитуда колебаний основания в месте монтажа блока; текущее значение частоты вибрации; собственная резонансная частота блока на виброизоляторах.
По известным значениям амплитуды колебаний блока и частоты виб
рации определяют значение возникающего ускорения и сравнивают его с до пустимым:
Оценку осуществить приведена
та
ляторов,
эффективности с
помощью на
данные
рые обеспечивают
рис. о
виброизоляции
ЭВМ.
6.29.
которых
Блок-схема
Она
позволяет
введены
по
такой
алгоритма из
в память
методике
можно
подобного
расчё
совокупности ЭВМ,
выбрать
виброизо те, кото
необходимую степень виброизоляции по величине ам
плитуды колебаний блока. В данной блок-схеме может быть использован и
другой
ние.
110
критерий оценки
эффективности
виброизоляции
-
виброускоре
...."" ВВОд
Разновиднос т ь мОрока OJIК'l'opo
l·1
ОбраClоткз ПО операТОР1
А
д.
Печать реЗ1JI Ъ'1'8ТОВ
'Ко н ец
Нет
Защита не
06'еспеч.ивае'l'OII
Рис.
6.29.
Блок- схема алгоритма выбора виброизоляrоров с помощью эвм
6.2.6.
Защита РЭС от ударов , линейных нагруз ок и акустических шумов
Реакция эле ментов и б лок ов РЭС на уд арные на грузки определяется не только величиной амплитуды ускорения в оздействующего ударного импульса, но и соотношением дл ите льности уд арного импульса и период а собственных
колебаний объекта (рис.
6.30).
Большая величина отклика будет набmoдаться у
конструктивных элементов , полупериод собственных колебаний которых срав ним или меньше длительности ударного импульса . ДРУПIМИ словами, чем ко роче ударный процесс (меньше Т"и), тем меньшее числ о конструктивных эле
ментов РЭС в максимальной степени будет
111
pearnpoBaTb
на такое воздействие.
Эгот вывод позволяет рекомендовать к использованию системы виброи золяции для защиты блоков РЭС и от ударных нагрузок, так как установка бло ков на виброизоляторы привоЩ1Т к увеШfЧению значения Т (значеЮ1е
10
блока
на виброизоляторах мало) . При проектировании подобных систем виброизоля ЦЮf следует иметь в виду то обстоятельство, что установка блока на сmnпком <<МЯГЮ1е» , низкочастотные виброизоляторы может привести при ударной на грузке к их деформации до упора И к потере эффективности такой защигы. По этому для защиты от ударных нагрузок рекомендуется использовать более же СТЮ1е, высокочастотные виброизоляторы, обеспеtfi1вающие при номш-шльной их нагрузке значения собствеlffiыIx частот систем виброизоляции в пределах
25... 30 Гц.
,. I
--~---,~--~~ 't""j.. Т
Рис.
6.30.
Реакциа конструктивного элемента ИЛИ блока РЭС
при различных соотношения:х длительности ударного и~шульса
Те
и периода собственных колебаЮfЙ объекта т Оценигь эффективность защиты блока на виброизоляторах от ударных нагрузок можно по следующей упрощеmюй методике , в соответствии с кото
рой последовательно определяются динамичеСЮ'lе харакгерист:ики и параметры блока:
1.
Частота собственных колебанш~[ блока:
'" о где
K'L
= ~Kz т
'
~ суммарная жесткость виброизоляторов ;
т ~ масса блока.
2.
Условная частота воздействующего ударного процесса л:
Ш
..
=-,
где т ~ дшrrельность ударного импульса.
3.
ОпюшеЮ1е частот Ш у=-.
Ша
112
4.
Коэффициент передачи удара (для полусинусоидального ударного им
пульса): К д =
,
5.
2у
r
1т
-1
cos-. 2у
Ускорение блока в момент удара:
Jmax =
6.
2
1if!i . К 6Й·
Максимальное значение смещения блока при ударе: Jm~
шО
2
3ащrпа от линейных наrpузок, которые характеризуются воздействием на РЭС
и
ее
элементы инерционных СIш, изменяющихея с течением времени
достаточно медленно, сводrпся к увеличеюпо прочностных свойств КОНСТРУК тивных элементов и их жесткости. Эти мероприяпщ которые можно оцеюпь методами технической механики при воздействии на объекты статических СIШ, предотвращают разрушение КОНСТРУКЦИЙ и недопустимые отклонения их час тей от статического положения, что может привести к коротким замыканиям, соприкосновеJПIЯМ элементов и Т.Д.
3ащrпа РЭС от акустических шумов обеспечивается КОНСТРУКЦИОННЫМ
демпфированием (вибропоглощающие покрьпия и слоистые конструкции для печатных rшат) и использованием звукоизолирующих перегородок.
6.2.7.
3ащига РЭС при транспортировании
РЭС должны доставляться с завода-изготовrпеля к потребrпелю непо врежденными при транспортировании. Во время транспортирования и при про ведении поrpузочно-разrpузочных работ возможны ударные и вибрационные
воздействия. Для защrпы от подобных воздействий, климатических факторов, а также для сохранения товарного вида используется упаковка РЭС и их элемен тов.
Наиболее употребrпельное конструктивное исполнение упаковки вклю чает достаточно жесткий внешний контейнер из картона JUIИ дерева и упако вочные прокладки между стенками контейнера и упаковываемым изделием
(рис.
6.31).
Рис.
1-
113
упаковываемое
6.31. Упаковка РЭС: изделие; 2 - прокладка; 3 -
внешний контейнер
В качестве материала для изготовления упаковочных прокладок исполь
зуется пенополистирол, гофрированный картон, пенополиуретан, войлок и др. Основное требование к упаковочным материалам
-
малая жесткость rши, дру
гими словами, возможность относrпельно легкого деформирования под наrpуз кой. Деформирование прокладки при ударе «растяrnваеп) ударный процесс по времени и снижает уровень ударной наrpузки, действующей на упакованный
аппарат (рис.
6.32).
, J
J'
i
о
-J,
-
_ <, 2-
/
\
t
~OC.... 't. Рис.
1-
6.32.
Ударные импульсы:
для аппарата без упаковки;
2-
для аппарата в упаковке
Потенциальная энергия изделия в упаковке массой т, поднятого на высоту
h:
При ударе из-за смятия rши деформации упаковки упакованное изделие проходrп так называемый путь торможения
z.
Если счrпать сrшу F
постоян
ной, то работа торможения
Wдioi
=
F ·1.
Приравняв эту работу к потенциальной энерrnи, получим
F
Отношение
h
-
~(~)mg
показывает, насколько «увеличивается вес» упаковочной
Z
единицы за счёт удара. Для снижения уровня дrrnамических наrpузок на изде
лие это отношение уменьшают за счёт увеличения Z, т.к. h фиксировано. Кон струкция упаковки это и обеспечивает. Если же упругость тары недостаточна,
то в упаковке предусматривают дополнrпельные демпфирующие элементы. В качестве примера на рис. онного приемника.
114
6.33
представлен варианг упаковки телевизи
;.' ~ .....А--- !
-§-~ :~'.
','
;"t.IJIIII "'"1UШ"'-;;;;mn""iJПm.",,;1'f ;.~
Рис.
1-
аппарат;
6.33.
Вариант выполнеllliЯ упаковки:
упаковочная npокладка;
2-
Как видно из рис.
C=:::J!I ~:'~
6.33,
3-
картонная коробка
упаковочные прокладки MOryT быть не СIUюшны
Шf по всем граням издеJШЯ, а, наЩJимер, состоящими из двух профилирован ных накладок из пенопоШlСТИРОла,
охватывающих только две
ваемого аrшарата. Остальные граlШ аrшарата
вреждеIШЙ выступающими частями прокладок
граlШ упаковы
1 заIЦИIЦены от возможных 2. Перед упаковкой аппарат
по
мо
жет допоmштельно помещаться в пакет из ПOJшэтиленовой пленки. Од;на из метоД;ИК расчёта необход;имой веJllilПШЫ жесткости материала упаковки изложена в стандарте ФРГ
[8].
Поясним суть этой методики на конкретном npимере. Задача
дано: прибор массой
70
кг должен быть упакован так, чтобы максималь
ное значеlШе возникающего ускорения не превышало высоте падения
h
=
0,4
8g
при преЩIOлагаемой
м.
ОпредеШlТЬ необход;и:мую жесткость упаковоЩ-{ого материала, веШP-ППIY
максимального ускореllliЯ и собственную частоту прибора упаковке. Решение Для решеllliЯ задачи используются две номограммы (рис.
6.34, 6.35).
tО~~-~~~l.~~~~-4
5
W414, V--{1"14-1'-f,IIf-j~'-Н
2 ~'-Мrq.-А,ЧА-~--1----t--1
i rРис.
6.34.
t
III
Z
5 JO
20 .fO
too
toa
j ,~ . ~
Номограмма для определеllliЯ собственной частоты прибора в упаковке
115
500
5 Рис.
10 20
50
too
m,,,r
2lЮ 500 {ОСО
Номограмма для определеJШЯ жесткости упаковЮ1:
6.35.
т - масса прибора, кг;
10 - собствеюшя частота прибора в упаковке, Гц;
К -жесткость материала упаковЮ1, Н/см
Используя рис.
6.34
по задmшым значеюrям ускореJШЯ
лагаемой высоты падеJШЯ (h = Используя
(10
рис.
6.35,
0,4 м), по
находим:
найдеююй
10
= 4Ад;
веJПIIПlliе
= 4Ад) и задашюму значеюпо массы прибора (т =
мую
для
защиты
прибора
веJПIIППIY
(j
=
и предпо
8g)
.5 =10i1i. собствеююй
частоты
70i!d) находим необходи
жесткости
материала
упаковЮ1:
K~480H/ /,,,, .
6.2.8.
Методы расчёта конструкций с использовaюrем ЭВМ
ЭВМ используются для проведеюrя оцено1ffiых расчётов конструкций
РЭС при мехaшrчесЮIX воздействиях, например, для расчёта систем виброизо ЛЯЦillI. Вместе с тем есть методы расчётов, реamrзация которых без ЭВМ даже
для решеюrя простеЙIШIX задач громоздка, а для расчётОВ сложных объектов вообще невозможна. К таким методам относят метод конечных элементов (МКЭ) и метод KoHe1ffiых разностей (МКР). Метод KoHe1ffiыIx элементов широко используется в подсистемах ПРО1ffiО стных расчётов совремеюIых САПР в
авиациоюю-косшrческой, судострои
тельной, строительной и других отраслях промьшшеююсти. Суть этого метода
состоит в разбиеюrn расчётной модешr KOHCTPyкцmr на конечные элементы, связшшые в отдельных узловых точках. Затем формируются матрицы жестко стей [К], масс [М] и демпфировaJШЯ [С] дЛЯ отдельных KoHe1ffiых элементов
модeшr и модешr в целом, общий вектор СlliIЫ {Р}. Математическая модель ди нawrческой системыI может быть пред ставлена системой диффереJщиaтIьных уравнеЮIЙ второго порядка, которые в матриrrn:ой форме имеют вид
[М ]{о ' }+ [С]{о} + [к ]{о} ~ {Р}. В результате решеЮIЯ получеююй системыI уравнеЮIЙ определяют собст-
116
венные частоты и ФОР:МЫ колебаний конструкции, а также значения перемеще нияузлов
5.
При решении стапrческих задач вьшrеприведешюе уравнение упрощается и в общем случае имеет вид
[КХб} = {Р}. ПРlI},i[еюпельно же к КОНСТРУЮJДЯN[ РЭС, где также в отдельных случаях возюrкает необходимость в проведении ПРОLffiОСТНЫХ расчётов, в большей сте пени адаппrрован метод коне"'lliЫХ разностей, т.к. с его помощью можно решать и другие задачи, пrШILffiые для РЭС, например теrшообменные. для реaшrзации метода конеLШЫХ разностей необходимо иметь матемапr
ческую модель
-
дифференциальное уравнеюrе, описывающее процессы, про
текающие в конструкции. Суть метода состоит в зarnrси исходного дифферен
циального уравнеюrя в разностной форме и в решении его. В качестве ПРlI},i[ера рассмотрим функцию у = лх) (рис.
• Е
6.36).
, ,
•
•
-• Е
,
•
:J. т- 2
Рис.
6.36.
т-1
m
т.[
m.~
Функция, зависящая от одной переменной
Первая производная для этой функции в разностной q:юрме: Уm+l
-
Уm
Вторая производная и производные более высокого порядка:
У m + 2 - 2Уm+l дх'
117
+ Уm .
Для функщш W, зависящей от двух перемеlПlЫХ х иу:
(~~) (
где л
т,"
4 WJ dd 4 у
т,n
1- (Wm ,n+2 =24
-4Wт,п +l +6Wт,n -4Wт,n -l +Wт,n -2 }
- шаг разбиения по осям х и у,
Покажем применение метода коие"lffiыIx разностей к прямоугольной пла СТШlе.
Дифференциальное уравнение, описывающее поведение пластины, имеет вид
4
d w dx 4
+2[
4
d w dx 2 с!У 2
J+ d w
Р, (х,у)
4
с!У
=
4
D'
где Р, (х, у) - сила, действующая на пластину;
D - цилиндрическая жесткость пластины (см, п,
6.2.3),
Так как ранее быШl найдены значеllliЯ производ;ных, то окончательный: вид уравнения в разностной форме для точки (рис,
6.37):
D4 [20Wm' n -8{W А V m+1,n +Wm_1,n +Wm,n+l +Wm,n-l)+
+ 2(Wm + 1,n+l +Wm- 1,n+l +Wm+ 1,n-l +Wm-1 ,n-l)+ + W m+2,n +Wm- 2,n +Wm,n+2
w
Z,
т-2
т -! A~
+ Wт,n-J = (Pz)m,n' m.!
П/tl
У.
А>
n-~
n-l ~
n
<>
"
т ,О
q
Рис,
118
6.37,
Система координат и расчётные точки
Представим условно это выражение в виде вычислительного шаблона (рис.
6.38). При анализе поведения пластин под нагрузкой возможны различные ва
рианты закрепления ее сторон (различные варианты граничных условий). Особенности вариантов закрепления сторон пластин учитываются введе
нием фиктивных точек за пределами их коюура (рис.
6.39).
Точка т,
n
L'lX~L'lY~A
Рис.
6.38.
Вычислительный шаблон
1.. W.. -"n ~ -'vI,,,,,," .............
m1n
fL-- -=r:.;:;;:::""--1} W"'H,n J>'J..
И
а
Рис.
6.39.
Учёт граничных условий при различных вариантах закрепления сторон пластин:
а
-
сторона пластины жестко защемлена; б
-
сторона пластины
находится на опоре
Рассмотрим реализацию метода конечных разностей на конкретном при мере.
Задача Квадратная плата с жестким защемлением сторон длиной а подвергается действию статической нагрузкиР о . Найти прогибы платы от действия нагрузки. Решение
Производим разбиение платы с шагом А
119
а
="4
(рис.
6.40).
.J;
!}
3
l
~
3
7г
%
~
1-
J
2
3
2.
3
?i '? ~
/,--
~
z
?; р
'/'1""/~
I
'" I
~
j'
I
I
г -------
•
а
I
I
Рис. Как следует из
(wl' W 2 ' wз ),
6.40. Плата с расчётными точками 1,2,3 рис. 6.40, достаточно найти прогибы платы
в трех точках
а для остальных точек с теми же номе рами прогибы будут одинако
вы .
Совместив центр вычислительного шаблона с точкой
дующее распределение коэффициентов (рис.
1,
получим сле
6.41) и уравнение Р.а
4
20~-32W2 +8wз =~О--
256D
Рис .
6.41.
Распределение коэффициентов для точки
Совместив центр шаблона с точкой
2
(рис.
6.42),
1
получаем второе урав
нение:
@ --
РИС.6.42. Распределение коэффициентов для точки Для точки
120
3 (рис. 6.43)
получаем третье уравнение:
2
2w]
Ро а
-16w2 + 24wз
4
=-:-"-с-=-
256D
@-, I
@ Рис. В
итоге
6.43.
получаем
Распределение коэффициентов для точки систему
трех
уравнений
с
тремя
3
неизвестными
Wp W Z ' w з :
20w] - 32w2
Ро а
+ 8w з
- 8w, + 26,v2 -16wз
4
= ---"--
256D 4
= - 'о' - -
Ра
256D
2w] -16w2 + 24w
з
Ро а
=
4
256D
Решая даниую систему уравнеиий, получим:
w]
w2 w
з
=
=
0,485
4
256D
О 324 Ро а
,
4
256D'
,
=
Ро а
О 221 Ро а
4
256D
,
Такая относительная простота использования rvtКP ДЛЯ решения практи ческих задач исчезает при анализе объёмных элементов КОНСТРУКЦИЙ, испыты вающих действия ДШIaмических СИЛ. Подобные з адачи являются наиболее ти пичными
при проектировании РЭС, предназначениых для эксплуатации
на
подвижных объектах. Используемые в этом случае уравиения теории упругости (уравнения Ламэ) имеют вид
2 2 2 2 2 2 d u ( d U d U d V d W d U (..1. + 2,и)-+,и -++(..1. +,и - - + - - =рdy 2 dx 2 dxdy dxdz dt 2 dx 2
J
{
J
и Т.Д. ПО остальным двум координатам,
где И, V , W -соответствующие перемещения в напраRЛениях Х, у , р
121
-
IUIОТНОСТЬ материала;
z;
А, и fL - коэффициенты Ламэ. Вторая производная по времени в правой части уравнения Ламэ в конеч ных разностях имеет вцд
d u _ [и(! +т)- 2u + И(! - ,)1/ dt 2 1,2' 2
где т
-
шаг по времени.
Более сложный вцд исходных дифференциальных уравнений, большее число узлов, появление еще одной переменной
-
времени, резко усложняет вы
числительный процесс. Кроме того, при решении практических задач необхо димо осуществить осреднение механических характеристик объекта, учесть по тери энергии на внутреннее трение, граничные условия и т.д.
6.2.9.
Общие рекомендации по защите РЭС от механических воздействий
Работа конструктора по обеспеченшо нормального функционирования РЭС в условиях воздействия вибраций начинается с сопоставления допустимых параметров вибраций для пассивных элементов аппаратуры (резисторы, кон денсаторы и др.), транзисторы и микросхемы с требованиями технического за дания на проектирование аппарата.
Если применяемые элементы удовлетворяют требованиям технического задания, то задача состоит в устранении резонансных колебаний конструктив ных элементов (обеспечение режима, когда fL"
1).
Если же используемые элементы не удовлетворяют требованиям техни ческого задания или возможны резонансные колебания конструктивных эле ментов аппарата, то следует применять виброизоляцию (обеспечение режима
< 1) с
(fL
последующей оценкой ее эффективности.
Такой же подход при проектировании РЭС рекомендуется применять и для других видов механических воздействий
-
ударов, линейных нагрузок, аку
стических шумов.
Приведем пример оценочного расчёта РЭС с учётом механических воз действий.
Задача
Блок массой
6
кг установлен на четырех виброизоляторах (нижний мон
таж), жесткость каждого из которых
k= 2 Н/мм. Внутри блока параллельно его
основанию жестко по контуру закреплена печатная плата из стеклотекстолита
(р
= 2 ·103 еШ i 3 ;km =0,52; 5 =0,06).
Размеры платы
ИМС, размещенных на поверхности платы,
тотный диапазон воздействующей на блок
fa = 80
200 . 100 . 1 мм. Масса ЭРЭ и составляет 60 г. Амплитуда и час вибрации: 4, = 1О мм; [, = 40 Гц;
Гц. Определить возможность использования в составе конструкции эле
мента, размещенного на поверхности платы, если его собственная частота [,у =
122
2 кГц,
а допустимая величина вибрационной нагрузки
Jdfi = 10g.
Решение ли
1. Посгавленную (рис. 6.44).
задачу предсгавим в виде следующей физической моде
.JIIIIIIIII'
6.44. Модель
Рис.
2.
по условию задачи
Определим динамические характеристики составляющих модель эле-
ментов:
а) собсгвенная часгота блока на виброизоляторах
+:
.=_I_~KL, 2л т
=_1_
~ ",58А6' , ,
6,28 V~
Jla
б) соБС1Венная частота печатной платы
..
_ k,- k aBhl0
Ji i! -
4
0,52·0,6·234·0,1·104
а2
183Ао;
20 2
в) соБС1Венная частcrrа элемента
!'} 3.
=
2 еАо (по условию задачи).
Определим аWIЛИ1УДУ колебаний блока на границах диапазона часгот
воздейсгвующих вибраций:
"'=11-""'1' гд,а=;'. а
Аа ; =
JiQ
,--"":-,=,""::':-,,,, "" 10 0,22 1-(1'..-),
1_(40),
J;.,; А,;д =
мм;
5,8
0,05
мм.
Эти величины амrшитуд являются базовыми для оценки динамического
состояния печатной платы.
4.
Определим амплитуды колебаний цеН1ра платы на границах диапазона
частот воздействующих вибраций:
в общем случае
123
но так как в нашем случае значение
fo
платы в несколько раз превышает
значение частот воздействующих вибраций и ввиду малости
5,
можно принять
,u,,1. Тогда
Ад! = Ада
5.
JL . Ам = JL . А аа
=
0,22 мм;
=
0,05 мм.
Определим величину вибрационной нагрузки в центре платы на грани
цах диапазона частот воздействующих вибраций:
j = 4Af2;
il ia=
=
4·0,22 ·10-3402 = 1,4 g;
4·0,05 ·10-3·802 = 1,28 g.
Сравниваем полученные значения вибрационной нагрузки с допустимой условиям задачи идоп =
1О g)
и делаем вывод о возможности использования эле
мента в составе данной конструкции.
6.3.
Тепловой режим конструкций РЭС
Тепловой режим РЭС характеризуется совокупностью температур всех его элементов. Основные тенденции эволюции современных РЭС в микроэлек тронном исполнении:
-
увеличение сложности и уменьшение габаритов; повышение требований к стабильности параметров Т.
Эти тенденции противоречивы, так как первая увеличивает напряжен
ность теплового режима, а для выполнения второй надо его облегчать. В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭС могут подвер
гаться воздействию положительныIx и отрицательных температур, обусловлен ных влиянием окружающей среды, объекта установки и тепловыделением са мого РЭС. Например, на наземных подвижных объектах диапазон изменения
температуры, где могут быть установленыI РЭС -60 ... +60 ОС. Само РЭС являет ся источником теплоты, так как его КПД менее 100 % (например, для усилителя на транзисторах 50 ... 60 %). Если эту энергию не рассеивать в элементах конст рукции пли окружающем пространстве, то повышается температура РЭС, на
рушается его нормальный режим функционирования или наступает отказ. Тем пература влияет на многие параметры материалов, ЭРЭ, полупроводниковых
приборов, ИМС.
6.3.1.
Разновидности теплоотвода
-
теплопроводность,
тепловое излучение, теплопередача конвекцией
124
Все эти разновидности используются в конструкциях РЭС для отвода те пла от нагретых элементов к холодным и в окружающую среду.
Теплопроводность имеет место при передаче тепла внутри одного эле мента или к другому элементу, находящемуся с ним в контакте. Этот процесс теплопередачи определяется законом Фурье, по которому мощность теплового потока, передаваемая в виде тепла, находится из выражения
р='з"(т. 1 1 -т.2 ).S
Т,
Т
где А - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м·К;
'т
- длина пути теплового потока, м;
Т1 , Т2 - соответственно температуры нагретого и холодного тела, К;
ST - теплопроводящая площадь, м Тепловое излучение
-
2
передача тепловой энергии в виде электромагнит
ных колебаний. При попадании на другое тело энергия разогревает его, пре вращаясь снова в тепловую.
Мощность теплового потока передаваемого излучением определяется за
коном Стефана-Больцмана и в общем виде определяется соотношением:
Р =А(Тu -T).S л
л
н
и,
где Ал - коэф. передачи тепла излучения, вт/м 2 ·к; Ти , ТН
-
соответственно температура излучающей и нагреваемой
поверхности, К;
Su - площадь излучающей поверхности, м
2
Значение коэффициента Ал зависит от степени черноты излучающей по верхности. Лучистая энергия не только поглощается поверхностью, но и отра жается ею. Степень поглощения или отражения зависит от состояния поверхно сти.
Рекомендации при конструировании РЭС:
-
теплопроводящие пути выполнять короткими;
-
в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по возможно большей
площади;
-
соединяемые теплопроводящие элементы должны быть сжаты между
собой, например с помощью винтовых соединений;
-
теплоотводящие материалы должны иметь большие значения коэффи
циента теплопроводности.
Отвод тепла с использованием теплопроводности широко используется в конструкциях РЭС при монтаже мощных транзисторов, диодов, ИМС и других элементов. Они креиятся на специальных элементах, называемых радиаторами, или теплоотводящих шинах, от которых тепло, в свою очередь, передается на
корпус РЭС и далее
-
в окружающую среду.
Отвод тепла излучением также широко используется в конструкциях РЭС. Так, например, в целях защиты теплочувствительных элементов от пере-
125
грева устанавливают теплопоглощающие или теплоотражающие экраны. Пер вый имеет матовую, оксидированную поверхность черного цвета или окрашен
ную эмалевыми или масляными красками. Второй имеет глянцевую поверх ность светлых тонов, зеркальную или полированную.
Теплопередача конвенпией происходит в среде воздуха, газа или жидко сти,
соприкасающейся
с нагретыми поверхностями
элементов
конструкции
РЭС. Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона:
где А> - коэффициент теплопередачи конвекцией, вт/м2 х; ТН
-
температура нагретого тела, К;
Те
-
температура окружающей среды, К;
SK - площадь тепловыделяющей поверхности, м
2
Различают конвекцию свободную (естественную) и принудительную. Для обеспечения заданного температурного режима модулей РЭС используются системы охлаждения, различающиеся:
-
по способу организации системы (индивидуальная, групповая); по роду хладагента (воздух, жидкость);
по способу движения хладагента (естественное, принудительное); по виду теплового контакта (с прижимными устройствами, с резьбовым
соединением);
-
по виду материала теплоотвода (металл, керамика); по конструктивному исполнению теплоотвода (односторонний, двух-
сторонний, объёмный);
-
по способу передачи теплоты в окружающую среду (без промежуточно
го теплоносителя и с ним).
6.3.2.
Способы охлаждения РЭС
Подавляющее большинство РЭС (свыше
90 %)
в настоящее время проек
тируются с использованием воздушного охлаждения. Воздушное охлаждение
может быть естественным или принудительным (рис
D --ч b~~~
dL~J~ Рис. а
-
6.45.
8 _-
с
Способы организации воздушного охлаждения:
естественное воздушное охлаждение; б с
126
1
I
б
а
6.45).
-
-
естественная вентпляция;
принудительная вентиляция
Принудительная вентиляция может быть вытяжной (рис.
6.45,
с), приточ
ной или приточно-вытяжной. Эти разновидности вентиляции различаются ме стом установки вентиляторов и их количеством.
Обычно в блоках с малой тепловой нагрузкой при естественном воздуш ном охлаждении или естественной вентиляции температура среды внутренних
объёмов не превышает окружаюшую более чем на 30 ОС. В более теплонагру женных блоках используют принудительную вентиляцию (см. рис. 6.45,с). При необходимости отбора тепла от особо тепловыделяющих элементов, микросбо рок, модулей может быть использовано циркуляционное жидкостное охлажде ние (рис. ем
6.46).
Мощность тепловыделения модулей с жидкостным охлаждени
существенно
зависит
от
скорости
прокачки
жидкости
и
повышается
с
ее
увеличением.
1
з
4
Рис.
1-
модуль РЭС;
6.46. Жидкостное охлаждение модуля РЭС: 2 - слой теплопроводной пасты; 3 - корпус охладителя; 4 - каналы для прокачки жидкости
Еще большей эффективностью теплоотвода характеризуются жидкостно испарительные системы охлаждения. В таких системах охлаждение
осуществ
ляется за счёт циркуляции охлаждающей жидкости через радиаторы и рубаш ки, образованные в корпусах рэс. Однако такие системы характеризуются
большой сложностью и стоимостью. Для охлаждения РЭС на печатных платах с использованием микросборок и микросхем в герметизпруемых корпусах применяются кондуктивные тепло
стоки в виде теплопроводных шин (рис.
Рис
1-
6.47.
корпус;
Герметичный корпус РЭС с кондуктивными теплостоками:
2-
печатная плата;
5-
127
6.47).
3-
микросборкп;
тепловые разъёмы
4-
шины теплостоков;
Для повышения эффективности теплоотвода корпус
1
выполняют ореб
ренным. Кондуктивные теплостоки выполняют из алюминиевых шин мальная толщина которых естественном
в
2-3
оmи
мм. Пр именение кондуктивных теплостоков при
0,5
воздушном
4,
охлаждении
позволяет снизить перегрев элементов
раза.
В качестве теплостоков при малой мощности тепловых потерь может
быть использована и медная фольга печатных плат. Для уменьшения теплового сопротивления корпуса микросхем и микросборок приклеивают к теплостокам. Дальнейшая передача тепла от теплостоков к корпусу может осуществляться
через тепловые разъёмы
5.
В зарубежных и отечественных разработках приме
няются в основном конструкции тепловых разъёмов с клиновыми зажимами,
позволяющими достаточно просто про изводить смену ячеек (рис.
6.48).
Теплосток
Печатная плата
Рис.
6.48.
Тепловой разъём с клиновым зажимом
При выполнении модулей первого и нулевого уровней на бескорпусной элементной базе их герметизация может быть выполнена заливкой теплопро водным компаундом. В качестве таких компаундов рекомендованы компаунды марок К-5, ТФК-5, КТЭ-2, КТЭ-4. ДЛЯ охлаждения отдельных теплонагруженных элементов РЭС (микро
схем, транзисторов, диодов и т.д.) наиболее простой и достаточно эффективный способ
-
использование радиаторов. Для систем воздушного охлаждения наи
более распространение получили следующие разновидности радиаторов: пла стинчатые, ребристые, игольчато-штыревые и др. (рис.
6.49).
7
t:::===/
а Рис.
6.49.
Конструктивные разновидности радиаторов: а
6.3.3.
128
б
-
пластинчатые; б
-
ребристые.
Тепловые трубки и термоэлектрические охладители
Для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов РЭС могут ис
пользоваться и так называемые тепловые трубки, характеризующиеся просто той конструкции (рис.
6.50). ~Q ++
Рис. Они
имеют
~+~+~+~+~
6.50.
,
Тепловая трубка
герметичный вакуумированый объём. Внутренняя поверх
ность трубки покрыта слоем капиллярно-пористого материала. Часть внутрен него объёма заполнена насыщенным паром рабочей жидкости (ацетон, спирт и др.).
Теплопередача в тепловой трубке происходит за счёт поглощения тепла в результате парообразования
в нагревающейся части трубки. Нагретый пар
конденсируется в охлаждаемой части трубки и отдает теило стенкам. Пополне ние рабочей жидкости в испарительной части трубки происходит за счёт посто янного конденсата и передачи рабочей жидкости ка=ллярно-пористым мате риалам из охлаждающейся части трубки к нагреваемой. Для увеличения теплоотводящей способности таких трубок используется оребрение охлаждаемой части трубки. В особых случаях могут быть использованы термоэлектрические охлади тели на основе эффекта Пелетье. Суть эффекта состоит в том, что ири ирохож ден= постоянного тока в цепи с двумя различными материалами на одном кон
тактном спае тепло поглощается, а на другом
-
выделяется. Их достоинства
-
длительный срок службы, бесшумность работы, обратимость процесса охлаж дения при изменении полярности источника питания, а недостатки
-
большие
масса и габаритные размеры, необходим источник питания.
6.3.4.
Оценочный выбор способов охлаждения РЭС
Блоки РЭС второго или третьего уровня иредставляют собой сложную систему элементов с множеством внутренних источников теплоты. Точное ана
литическое описание таких объектов невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности тепловых источников, теплофизиче ских свойств материалов, их сложной геометрии и т.д. В связи С этими обстоя тельствами на практике используются:
1)
ориентировочный выбор способа охлаждения на ранней стадии про
ектирования РЭС;
129
2)
приближенные методы анализа и расчёта теплового режима модуля
РЭС.
Выбор способа охлаждения РЭС на ранней стадии проектирования целе сообразно выполнить с помощью специальных графиков, характеризующих об ласти (рис.
целесообразного
применения
различных
способов
охлаждения
6.51). 123456789
g,Bm/cM Рис.
6.51.
Способы конвективного охлаждения в зависимости
от плотности теплового потока
Различают два типа областей (см. рис.
1.
2
(g) и
перегрева (ЬТ)
6.51):
Области, в которых можно рекомендовать пр именение определенно-
го способа охлаждения.
2.
Области, в которых можно применять (по выбору) два или даже три
способа охлаждения. Области первого типа не заштрихованы и относятся к следующим спосо бам охлаждения:
5-
1-
естественное воздушное;
принудительное жцдкостное;
9-
4 -
принудительное воздушное;
принудительное испарительное.
Области второго типа заштрихованы: воздушное;
3-
2-
естественное и принудительное
принудительно воздушное и жидкостное;
жцдкостное и естественное испарительное;
7 -
принудительное и естественное испарительное;
6 -
принудительное
принудительное жидкостное,
8 -
естественное и принуди
тельное испарительное.
Основным показателем, определяющим область целесообразного приме нения способа охлаждения, принимается значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена: р
g=S'
(6.1)
n
где Р
-
суммарная мощность, рассеиваемая РЭС с поверхности теплооб-
мена;
Sn -
поверхность теплообмена РЭС.
ДЛЯ блока прямоугольной формы
Sn =2[L ·L2 +(L +LJ.LJK, j
j
где Кз - коэффициент заполнения объёма блока РЭС.
130
(6.2)
~V
к
= L,.-'
(6.2)
;~l V
"
V; - объём i - го компонента РЭС; n - число компонентов; V - общий объём РЭС; L 1 ,L2 ,L з - размеры сторон корпуса РЭС.
где
Вторым показателем является минимально допустимый пере грев компо
нентов в блоке РЭС:
l1Te = где Тт;П
Тт;П
- Те,
(6.3)
допустимая температура поверхности наименее теп-
-
лостойкого элемента;
Те
-
температура окружающей среды.
Для естественного охлаждения Те = Те та.х, т.е. соответствует максималь ной температуре окружающей среды. Для принудительного охлаждения Те = Твх
,
т.е. соответствует температуре охлаждающего воздуха (или жидкости), ис
пользуемого в системе охлаждения РЭС.
6.4.
Защита конструкций РЭС от воздействия влаги
6.4.1.
Источники и пути проникновения влаги
Конструкции РЭС подвергаются воздействию влаги в процессе производ ства, хранения и эксплуатации.
Источники влаги: ков;
3)
Материалы
1)
Окружающая среда;
конструкций;
2)
Внутренняя среда гермобло
4)Технологические
жидкости (травители,
моющие средства и др.). Окружающая среда. Максимально возможное содержание влаги в воздухе зависит от температуры и давления. При понижении температуры влажного воздуха
ниже
уровня,
соответствующего
максимально
возможному
содержа
нию влаги (точке росы), избыток влаги выпадает в виде конденсата (росы). Внутренняя среда гермоблоков. Причины наличия влаги:
-
проникновение ее через микропоры из внешней среды;
невозможность полной осушки (без влагопоглотителя); наличие влаги в материалах конструкции.
Материалы конструкции. Особо интенсивные источники влаги
-
поли
мерные материалы (стеклотекстолит, гетинакс, клей, покрытия и т.д.). Они В процессе производства и хранения поглощают влагу из воздуха, а при нагреве в процессе эксплуатации выделяют ее.
Технологические жидкости вающие действие влаги.
131
-
это источники влаги и загрязнений, усили
6.4.2.
Взаимодействие влаги с материалами конструкций
Поглощение влаги
обусловлено тем, что некоторые материалы имеют
поры, размеры которых значительно превышают размеры молекул влаги воды
-
3·10-10 м: полимеры - 10-9 м; керамика - 10-5 м. С металлами влага вступает в химическое взаимодействие, вызывающее коррозию. Действие влаги усиливается при контакте с сильно различающимися электрохимическими потенциалами, а также в местах сварных швов. Воздейст вие влаги на материалы и компоненты может привести к постепенным или вне
запным отказам рэс.
Увлажнение органических материалов приводит к следующим эффектам:
-
увеличивается
(tg" ); - уменьшаются
диэлектрическая
проницаемость
среды
и
потери
объёмное сопротивление, электрическая и механическая
прочность;
-
изменяются геометрические размеры и формы; изменяются свойства смазок.
Возможные последствия:
-
увеличение емкости конденсаторов и уменьшение добротности
контуров;
-
снижение пробивного напряжения диэлектриков; нарушение паяных
и сварных швов;
расслоение диэлектриков;
разрушение защитных покрытий и т.д.
6.4.3.
Способы влагозащиты рэс
Средства защиты рэс от влаги приведеныI на рис.
6.52.
Монолитные оболочки составляют единое целое с защищаемым узлом. Полые оболочки не имеют контакта с защищаемыми компонентами
-
ис-
ключен тепловой контакт и химическое взаимодействие оболочки и компонен тов. Они более надежны, но имеют больпше габариты, массу и стоимость.
6.4.4.
Покрытия для защиты от коррозии
Для защиты от коррозии несущих корпусных узлов из металлов и спла вов применяют монолитные металлические покрытия. Они наносятся чаще все го гальваническим способом. Толщина покрытий
-
единицы
-
десятки микро
метров.
В ряде случаев защитное покрытие для стали делают многослойным, на пример:
-
132
6 ... 1О мкм; слой никеля 3 ... 6 мкм (высокая твердость); слой хрома 0,5 мкм (гцдрофобность). слой меди
Средства защиты от влаги
I Полые оболочки
Монолитные
оболочки
Пленки
Толстостенные
Ограниченно-
Разъёмные с про-
оболочки
разъёмные
кладками
Опрессовка,
Паяные,
Металлическими,
пропитка,
сварные
пластиковыми,
Неразъёмные
обволакивание,
резиновыми
заливка
Рис.
6.52.
Средства защиты РЭС от влаги
Различают два вида покрытия
-
катодное и анодное.
Если электродный потенциал металла покрытия более положительный, чем основного металла, то покрытие называют катодным, а если наоборот
-
анодным. Катодные покрытия защищают основной металл лишь механически, изолируя его от внешней среды, а анодные
-
и электрохимически. Продукты
разрушения заполняют поры, и процесс разрушения замедляется.
Таблица
6.4
Электрохимические потенциалы металлов (для водной среды) Металл
Электрохимический потенциал, мВ
Серебро
+194 +140 + 118 -169 -175 -283 -350 -574 -823
Медь Никель Алюминий Олово Свинец Сталь Кадмий Цинк
в конструкторской документации на изделие указывается материал по крытия, его толщина, последовательность нанесения слоев. Например, медно никелево-хромовое покрытие, служащее защитой от коррозии и декоративной
133
отделкой, обозначается М24Н12Х (толщина меди ма
-
до
24 мкм,
никеля
- 12 мкм, хро
1 мкм).
Металлические несущие конструкции защищают от влаги и с помощью лакокрасочных покрытий. Такие покрытия вследствие химической инертности
обладают лучшими антикоррозийными свойствами, чем металлические, но ме ханическая прочность и влагостойкость их меньше.
6.4.5.
Влагозащитные монолитные оболочки
Пленочные монолитные оболочки имеют толщину
0,2 ... 20
МКМ. Требова
ния к материалам защитных пленок:
-
хорошие влагозащитные свойства;
возможность работы в диапазоне температур (близость ТКЛР-пленки и
защищаемого элемента, эластичность);
-
хорошая адгезия к защищаемому компоненту;
Толстостенные монолитные оболочки могут выполнять и функцию не сущей конструкции для внешних выводов (рис.
Рис.
6.53.
6.53).
Монолитный полимерный корпус ие
Технологические процессы получения оболочек
-
проиитка, заливка, об
волакивание и опрессовка. Используемые для этой цели материалы
-
пропи
точные лаки, пенопласт, компаунды, пресс-материалы.
6.4.6.
Влагозащитные полые оболочки
Полые влагозащитные оболочки применяют для защиты компонентов и узлов рэе (ие, микросборок), в качестве дополнительной защиты от влаги на земных рэе на корпусированных элементах, для бортовых рэе на бес корпус ных элементах, для аппаратуры диапазона евч.
Применение полых оболочек позволяет:
-
исключить механический контакт оболочек с защищаемым изделием;
-
улучшить теплоотвод (при использовании оболочек, теплопроводность
устранить химическое взаимодействие оболочки с защищаемым изде-
лием;
которых выше теплопроводности полимеров);
-
повысить надёжность влагозащиты;
обеспечить электромагнитное экранирование (при использовании ме-
таллической оболочки или из металлизированной керамики);
-
134
ослабить паразитные связи при замене полимера воздухом.
Разновидности полых влагозащитных оболочек: 1.Полимерные полые оболочки. Состоят из пластмассового основания и приклеиваемой
достаток
-
пластмассовой
крышки.
Их достоинство
-
дешевизна, а не
слабая степень защиты. Применяются для наземных РЭС, работаю
щих в отапливаемых помещениях.
2.Полые неразъёмные металлополимерные
оболочки. Они характеризу
ются высокой эксплутационной надёжностью и используются в качестве кор
пусов некоторых разновидностей интегральных схем (рис.
Рис.
6.54.
6.54).
Корпус ИС на основе металлополимерной оболочки
Из-за низкой теплопроводности полимерных материалов для улучшения
отвода тепла в подобных конструкциях корпусов ИС используют теплопрово дящиешины.
3.Полые неразъёмные металлокерамические и металлостеклянные обо лочки (рис.
6.55).
Они также характеризуются высокой надёжностью, но и вы
сокой стоимостью из-за использования дорогих и дефицитных материалов (мо либден, палладий, золото, ковар).
Рис.
6.55.
Конструкция металлостеклянного корпуса
Для обеспечения нормального функционирования подобных корпусов в широком диапазоне температур необходимо обеспечивать согласованные гер метичные металлостеклянные спаи. Для стекла таким материалом для образо вания согласованного спая является, например, ковар.
4.0граниченно-разъёмные полые оболочки. Они представляют собой со ставной металлический корпус с паяным или сварным швом (рис.
6.56).
1
2 Рис.6.56. Сварной шов:
135
1-
корпус;
2-
крышка.
Сварка осуществляется по вершине кромок При необходимости сварной шов можно удалить точением или фрезерованием с последующей повторной сваркой.
6.4.7.
Влагозащита с использованием герметизирующих прокладок
Использование прокладок упрощает герметизацию и разгерметизацию
блока, что удобно как на этапе производства (при регулировке и настройке), так
и
на
няющих
эксплуатации (при
прокладок можно
металлы из
этапе
ремонте). В качестве материала уплот
использовать
полимеры (резина,
пластмасса)
и
(медь, алюминий, свинец). Достоинствами уплотняющих прокладок
пластмассы
являются
средах, а недостатком
лические
-
их
низкая
стоимость
и стойкость
в
агрессивных
относительно низкая температурная стойкость. Метал
прокладки работоспособны в более широком диапазоне температур
(-250 ... +150 ОС). Пример конструктивного исполнения уплотняющей проклад ки для корпуса РЭС показан на рис. 6.57.
1 2
Рис.
6.57.
Конструктивное исполнение уплотнения с помощью проклад ки:
1-
корпус блока;
2-
крышка;
3-
прокладка.
С течением времени влага может проникать во внутреннюю моблока, а при понижении температуры
-
среду
гер
конденсироваться на компонентах
РЭС и стенках гермоблока. Существует несколько способов, позволяющих сни зить количество влаги в гермокорпусе или предотвратить ее конденсацию:
-
использование материалов с малым влагопоглощением;
предварительная осушка внутренней среды гермоблока в процессе про-
изводства;
-
осушка при эксплуатации с помощью специальных влагопоглотителей
идр.
Наиболее эффективным способом осушки в период эксплуатации являет ся использование влагопоглотителей, а наиболее перспективные вещества для этой цели
136
-
цеолиты, обладающие высокой скоростью поглощения влаги.
6.4.8.
Герметизация соединителей
Внешние электрические связи герметичного блока обеспечиваются с по мощью металлостеклянных гермовводов (рис.
6.58).
2
3
Рис.
1-
оболочка из ковара;
6.58.
Гермоввод:
проводник из ковара;
2-
3-
стеклянный изолятор
Они впаиваются в посадочные места корпуса по оболочке
, 6.59).
тотные соединители опаиваются по периметру
помощью полимерной герметизации (рис.
1
а
1. Высокочас низкочастотные - вводятся с
2
3 Рис.6.59. Вариант герметизации вилки соединителя с помощью уплотнительной про кладки и компаунда:
1-
вилка соединителя;
2-
корпус блока;
46.4.9.
3-
уплотнительной прокладки;
компаунда
Технологичность конструкции влагозащиты
Трудоемкость обеспечения влагозащиты составляет доемкости изготовления рэс.
20 ... 40 %
общей тру
Технологичность влагозащитной конструкции
определяется:
-
выбором наиболее экономичного метода защиты для данных условий
эксплуатации и производства;
-
уровнем типизации и унификации выбранного конструкторского реше-
-
выбором материалов и способов их обработки.
ния;
137
Если РЭС эксплуатируется в отапливаемых помещениях (бытовая аппа ратура, ЭВМ широкого применения), то наиболее экономичной является влаго защита компонентов и узлов с помощью полимерных монолитных оболочек при отсутствии общей герметизации устройства. В случае повышенных требований к герметичности компонентов, интен сификации теплоотвода, обеспечения электромагнитного экранирования целе сообразно использовать более дорогие металлокерамические или металлостек лянные оболочки. Корпус РЭС в этом случае может быть негерметичным. Если в составе РЭС имеются бескорпусные
компоненты (обычно это бортовые
РЭС), то изделие выполняется в виде гермоблока. На выбор влагозащитной конструкции влияние оказывает и объём про из водства. Для единичного или мелкосерийного производства могут быть выбра ны методы, не требующие дорогого оборудования и специального оснащения: обволакивание окунанием или пульверизацией, заливка, пропитка. При массо вом производстве необходимо использовать высокопроизводительные методы: опрессовку полимерами, обработку деталей штамповкой, прессованием, литьем под давлением.
Технологичность влагозащитной конструкции повышается при использо вании типовых конструкций, технологические процессы изготовления которых
хорошо оснащены и отработаны
138
[4].
7. НАДЁЖНОСТЬ РЭА И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ 7.1.
Надёжность как свойство РЭА и элементов
Основные понятия и определения теории надёжности. Теория падёж пости
-
это научная дисциплина, занимающаяся вопросами оценки и обеспе
ченпя надёжности технических изделий.
Основными понятиями теории надёжности являются понятия «надёж
носты> и «отказ». Под падёжпостью понимают свойство изделия сохранять в течение заданного времени в пределах установленных норм значения функцио нальных параметров при определённых условиях (заданных режимах и услови
ях эксплуатации, технического обслуживания, хранения и транспортированпя). Под функциональными здесь понимают такие параметры, которые характери зуют способность изделия выполнять предписанные ему функции. В теории и практике надёжности технических изделий широко пользуют
ся понятием паработка, под которой понимают продолжительность работы из делия, выраженную в часах, циклах переключения или других единиц в зави
симости от вида и функционального назначения изделия. Например, для инте гральной микросхемы наработка выражается в часах, для переключателя циклах переключения, для счетчика бета-излучения
-
-
в
в импульсах и т.д. Если
изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включается только периоды работы, Т.е. периоды использованпя изделия по назначению. Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от
назначения изделия и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные со
четания этих свойств.
Нередко под надёжностью в узком смысле слова, особенно на бытовом уровне, понимают безотказность изделия. С точки зренпя восстанавливаемости
различают восстанавливаемые и
невосстанавливаемые изделия. Восстапавливаемые изделия в случае возник новенпя отказа подвергаются ремонту и далее снова используются по назначе
нию. Невосстапавливаемые изделия не подлежат либо не поддаются ремонту по техническим или экономическим соображенпям. В теории надёжности различают надёжность устройств и надёжность
входящих в него элементов. Устройства обычно являются изделиями восста навливаемыми. Элементы
Многие
понятия
-
и
как правило изделия невосстанавливаемые.
определения
теории
надёжности базируются
таких понятиях, как работоспособность и безотказность Безотказпость
-
на
[11, 13, 14].
свойство изделия непрерывно сохранять работоспособ
ное состояние в течение некоторого времени или наработки. Под работоспо собным состоянием (кратко
-
работоспособностью) понимают состояние изде
лия, при котором оно способно выполнять предписанные ему функции, имея значения выходных параметров в пределах норм, оговоренных в технической документации.
139
Долговечность ние
до наступления
технического
свойство изделия сохранять работоспособное состоя
-
предельного
обслуживания
и
состояния
при
установленной
системе
ремонта. О долговечности как составляющей
надёжности судят по таким понятиям как ресурс и срок службы. Под ресурсом понимают суммарную наработку изделия от начала экс плуатации до перехода в предельное состояние при необходимости с переры вами для технического обслуживания и ремонта. Под предельным состоянием понимают такое состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация
или ремонт невозможны либо нецелесообразны по техническим, экономиче ским и другим соображениям. Как правило, для одного и того же изделия ука зывают несколько критериев наступления предельного состояния. И если «сра
ботаю> хотя бы один критерий, то для изделия уже имеет место предельное со стояние. В технической документации на обычно указывают, что понимают под предельным состоянием. ТИIШЧными критериями предельных состояний РЭА
могут быть: снижение физических и (или) электрических свойств материалов конст
•
рукции до предельно допустимого уровня;
•
механический износ ответственных функциональных узлов до предельно
допустимого уровня;
снижение показателя безотказности, например наработки на отказ ниже
•
допустимого уровня;
• •
превышение уровня текущих или суммарных затрат на ремонт;
другие
признаки,
определяющие
экономическую
нецелесообразность
дальнейшей эксплуатации или ремонта.
Отметим, что для элементов РЭА как изделий невосстанавливаемых отказ
(полная или частичная потеря работоспособности) является критерием наступ ления предельного состояния. Однако для элементов дополнительно могут ука зываться
и
другие
критерии
наступления
предельного
состояния,
например,
превышение интенсивности отказов как показателя безотказности допустимого уровня, появление сквозного отверстия (из-за развития процессов коррозии) в металлическом корпусе элемента.
Под сроком службы понимается не суммарная наработка, а календарная продолжительность от начала эксплуатации изделия до перехода в предельное состояние.
Ремонтопригодность
-
свойство
изделия,
заключающееся в
приспо
собленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем
технического
обслуживания
и ремонта. Для элементов РЭА, изделий
как правило невосстанавливаемых, это свойство не имеет физического смысла и не используется, не рассматривается.
Сохраняемость
-
свойство изделия сохранять в заданных пределах зна
чения параметров в течение и после хранения и (пли) транспортирования. При
нимаются во внимание только параметры, характеризующие способность изде лия выполнять требуемые функции, т.е. функциональные параметры.
140
О сохраняемости как свойстве изделий и составляющей надёжности су
дят по сроку сохраняемости и (или) сроку хранения. Срок сохраняемости в об щем случае может включать две составляющие: срок хранения транспортирования
(tTp).
Во многих случаях
tTp «
txp,
(txp)
и время
поэтому в инженерных
приложениях о сроке сохраняемости, если он не указан, судят с помощью срока хранения.
Под отказом понимают полную или частичную потерю изделием рабо тоспособности вследствие ухода одного или нескольких функциональных па раметров за пределы установленных норм, указанных в технической докумен тации.
Под наработкой до отказа понимают суммарную наработку изделия от момента вступления в работу (эксплуатацпю) до возникновения первого отказа. В настоящее время существуют различные схемы классификацип отказов. Одна из схем, широко используемая в теории и практике надёжности РЭУ,
представленавтабл.7.1
[11]. Таблица
7.1
Классификация отказов РЭУ и их элементов Классификационный признак Характер возникновения отказа
Вид отказа Внезапный Постепенный Постоянный
Время существования отказа
Временный Перемежающийся (временные отказы, следующие один за другим)
Характер проявления отказа
Явный Неявный
Зависимость отказов между
Зависимый
собой
Независимый Конструктивный
Причина возникновения отказа
Производственный Эксплуатационный Деградационный
Внезапный отказ (ранее называемый также мгновенным)
-
это отказ, ха
рактеризующийся скачкообразным изменением значения одного или несколь ких параметров изделия. Этот отказ обычно приводит к полной потере работо способности изделия. Под nOC11U!neHHblM (ранее называемым также параметрическим) понима
ют отказ, возникающий в результате постепенного, обычно непрерывного и монотонного изменения значения одного или нескольких функцпональных па раметров изделия и ухода их за пределы норм, указанных в технической доку ментацип.
141
Четкой границы между внезапным и постепенным отказами провести не удается. В
[12]
дано следующее определение внезапного отказа: это отказ, на
ступление которого не может быть предсказано предварительным контролем или диагностированием.
Сбой (временный отказ)
это самоустраняющийся отказ или однократный
-
отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора, например пе
резагрузкой ЭВМ. Перемежающийся отказ
-
это многократно возникающий самоустра
няющийся отказ одного и того же характера.
Под явным понимают отказ,
обнаруживаемый визуально или штатными
методами и средствами диагностирования при подготовке объекта к примене нию или процессе его применения по назначению.
Под неявным (скрытым) отказом понимают отказ, не обнаруживаемый ви зуально или штатными средствами и методами контроля и диагностирования,
но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.
Независимым называют отказ, не обусловленный другими отказами. Зависимым называют отказ, обусловленный другими отказами. Под конструктивным понимают отказ, возникающий по причине, свя занной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования.
Под nроизводственным понимают отказ, связанный снесовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта.
Под эксплуатационным понимают отказ, возникающий по причине, свя занной с нарушением установленных правил или условий эксплуатации.
Под
деградационным понимают отказ,
обусловленный естественными
процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации.
Распределение числа отказов РЭА в зависимости от ошибок проектирова ния, производства и неверных действий оператора показано на рис.
о
• о
Рис.
142
7.1.
7.1.
Отказы из-за ошибок проектирования
(40 .. 50%)
Отказы из-за ошибок производства
(30 ..40%)
Отказы по вине оператора
Распределение отказов РЭА
(20 .. 30%)
Таблица
7.2
Распределение отказов в зависимости от ошибок проектирования Причина отказа
Примерно число отказов,
Недостатки электрических схем
ДО ЗО
Недостатки механической конструкции
До
Неправильный учёт возможностей оператора
10
эксплуатации, применения и т.п.)
Неправильный выбор электрических режимов
10
работы элементов
75 ... 80%
10
Нет данных
Неправильный выбор элементов (по условиям
Замечено, что примерно в
%
случаев различные причины отказов
дают о себе знать в виде отказа элементов. Это накладывает заметный психоло гический отпечаток на потребителей относительно истинных причин отказов. Математическое описание отказов. По своей физической сущности от казы элементов и устройств являются событиями случайными. Поэтому для ко личественного описания отказов и вообще показателей надёжности пригодны приёмы теории вероятностей
[14].
Анализируя отказы, нетрудно установить, что случайной величиной, опи
сывающей отказы, является время до отказа (в общем случае наработка до отказа). Установлено, что время до отказа, или, что то же самое, время безотказной работы, неплохо описывается следующими законами распределения: а)экспоненциальнь~;
б) законом Вейбулла; в) нормальнь~;
г) логарифмически нормальнь~. Для экспоненциального закона плотность распределения времени до от каза задаётся выражением (рис.7.2)
(7.1) где А
-
параметр распределения (модели).
В теории и практике надёжности РЭУ часто употребляют термин «экспоненциальный закон надёжности»,
w(tJ.
имея
в
виду,
распределено
что
время
до
отказа
по экспоненциальной
модели.
Про водя
t 2: О
тов
или
устройств
и фиксируя
t О Рис.
7.2
Экспоненциальное распределение времени до отказа
дого
испытания
время
экземпляра,
на
до
надёжность
отказа
получим
чений случайной величины
ни
до
отказа.
элемен
ряд
-
каж зна
време
Общепринять~и
приёмами математической статисти-
14З
ки
[11]
(рис.
для времени до отказа можно построить гистограмму распределения
7.3)
и попытаться восстановить вид функции W(t).
w,•
Величины
w(t)
w(t)
определяют
по формуле
w,•
( 7.2) где
N -
общее число испытывае
мых изделий;
t
-
n(М,)
о
число изделий, отказав
ших на интервале времени Рис.7.3. Гистограмма распределения
f'..t, -
ширина
времени до отказа
i-ro
f'..t,;
временного
интервала.
С увеличением количества испытываемых изделий
N
и уменьшением ширины интервалов
все более и более приближается к плотности распределения Характеристика
w(t)
f'..t" w(t).
гистограмма
на практике не находит широкого применения в каче
стве показателя надёжности изделий, однако, без знания этой характеристики трудно определить интересующие нас показатели безотказности.
7.2.
Показатели надёжности РЭА и их элементов
Надёжность является комплексным свойством изделия.
Для описания
различных сторон этого свойства на практике пользуются nоказа11U!ЛЯМU на
дёжносmи, представляющими собой количественные характеристики одного или нескольких свойств, определяющих надёжность изделия.
Используют единичные и комплексные показатели надёжности.
Под единичным понимают такой показатель, который характеризует од но из свойств, составляющих надёжность изделия. Комплексный показатель характеризует несколько свойств из числа, составляющих надёжность изделия:
безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость. Для
количественного
описания
различных
сторон
надёжности
как
свойства обычно используют несколько групп показателей:
• • • • •
показатели безотказности; показатели ремонтопригодности; показатели долговечности; показатели сохраняемости;
комплексные показатели надёжности.
Основные единичные показатели надёжности, используемые в инженер ной практике, приведены на рис.
7.4.
На этом рисунке показатели надёжности
записаны с помощью своих условных обозначений. Пояснение условных обо значений показателей надёжности приведено в табл.
144
7.3.
Надёжность изделий
~
/
...
Ремонто-
Безотказность
Долговечность
пригодность
ТВ
q(tз)
v(Тз)
i5
\,
./
Р(tз)
Сохраняемость
./
Срок службы
Ресурс
'\.
Срок
Срок
сохраняемости
хранения
Q О
Тер
'~"
Ту
::J
Ту
>
о
1) \о
:=
A(t)
GB
t
,
t
(рее) ер
t
(еохр)
У
(хр) ер
(хр) У
J
Показатели
"::J
t
(еохр) ер
t
(ер.ел)
У
У
~
t
(ер.ел) ер
t
(рее)
У
е;
Il(t)
t
t .
tmin
t .
(ер.ел)
mш
t . (хр)
(еохр)
mш
mш
ремонтопри-
'"
mДности
о
с::
То
1...
/
V
1...
.1
v
Показатели
Показатели
долmвечности
сохраняемости
J
Рис.
7.4.
Основные составляющие и показатели надёжности
Таблица
7.3
Пояснения показателей надёжности
Обозначение показателя
Пояснение показателя надёжности
ПоказатеJDI безотказностн Р(tз)
Вероятность безотказной работы за заданное (интересующее) время tз
q(tз)
Вероятность отказа за заданное время tз
Тер
Средняя наработка до отказа. Если наработка выражается временем, то показатель называют средним временем безотказной раБотыI
Ту
A(t)
Гамма-процентная наработка до отказа (обычно, у 2'
90 %)
Интенсивность отказов, в общем случае является функцией времени. Используется в качестве основной справочной характеристики безотказности элементов, причём принимается
A(t) ~ tH в
(указывается конкретное значение
Il(t)
/со ~
const при
наработке, равной
tH
часах)
Параметр потока отказов. Показатель имеет физический смысл только для восстанавливаемых РЭУ. Представляет отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого устройства за достаточно малое время к значению этого времени
То
Средняя наработка на отказ, кратко
-
наработка на отказ. Имеет физиче-
ский смысл только для восстанавливаемых РЭУ. Представляет собой среднее время безотказной раБотыI между двумя соседними отказами одного и того же изделия. От показателя Ту отличается только предлогом «ню>
145
Окончание табл. Обозначение показателя
7.3
Пояснение показателя надёжности Показатели ремоитопригодносПl
ТВ
Среднее время восстановления РЭУ. Представляет математическое ожидание времени восстановления
V(Тз)
Вероятность восстановления РЭУ за заданное время Тз
ту
Гамма-процентное время восстановления (обычно, у?
Gв
90 %)
Средние затраты на восстановление РЭУ. Показывает, сколько в среднем потребуется денежных средств на восстановление работоспособности РЭУ ПоказатеJDI долговечности
tep <рее)
Средний ресурс изделия. Представляет собой математическое ожидание ресурса изделий рассматриваемого типа
t
(рее) у
Гамма-процентный ресурс (обычно у?
tmin
Минимальная наработка. Характеризует peCY~CHыe возможности изделия,
t
(ер.сл) ер
90 %)
считают, что tmin соответствует значению ty(рее при у ~ 99,99 % Средний срок службы изделия. Представляет собой математическое ожидание срока службы изделий рассматриваемого типа
t
(ер.ел)
у
t . (ер.ел) тш
Гамма-процентный срок службы (обычно у?
90 %)
Минимальный срок службы. Считают, что tmin (ер.ел) соответствует гаммапроцентному сроку службы t/ ер . ел ) при у ~ 99,99 % ПоказатеJDI сохраияемосПl
t
(еохр)
n
ер
Средний срок сохраняемости изделия. Представляет собой математическое ожидание срока сохраняемости изделий рассматриваемого типа
t
(еохр)
у
t . (еохр) тш
t
(хр) ер
Гамма-процентный срок сохраняемости (обычно, у?
90 %)
Минимальный срок сохраняемости. Считают, что tmin (еохр) соответствует значению t/ eoxp ) при у ~ 99,99 % Средний срок хранения изделия. Представляет собой математическое ожидание срока хранения изделий рассматриваемого типа
t
(хр) у
t . (хр) тш
Гамма-процентный срок хранения (обычно, у?
90 %)
Минимальный срок хранения. Считают, что tmin (хр) соответствует гаммаxp процентному сроку хранения t/ ) при у ~ 99,99 %
Вероятность безотказной работы. Под вероятностью безотказной рабо ты изделия за время tз понимают вероятность вида
(7.3) где Т - случайное время безотказной работы изделия (время до отказа). Запись «Вер» здесь и далее означает «вероятность».
146
Причём здесь и далее слова «За время tз » означают интервал времени от О до tз включительно.
Безотказная работа изделия и его отказ
-
события противоположные, со
ставляющие полную группу событий. Поэтому для вероятности отказа изде лия за произвольное время
t можно записать (7.4)
q(t) = 1 - P(t). с другой стороны, вероятность отказа можно представить как
q(t) = Рассматривая выражение вероятностей
[ ],
(7.5)
Вер{Т
< t} .
(7.5)
с учётом определений, вводимых в теории
можно придти к выводу, что
(7.6)
q(t) = F(t) , где
F(t) -
функция распределения (интегральный закон) времени до отказа, найденная для времени t.
Графики, функций
P(t), q(t)
ведены на рис.
P(t)
и
q(t)
при
7.5.
Зависимость вероятности безотказной
1
работы от времени называют функцией надёжности.
P(t)
Эта
функция
имеет
три
свойства:
1. P(t =
о
t
т.е. предполагается, что
t
= О изделие работо
способно.
Рис.7.S. Графики функций и
1,
в момент времени
о
P(t)
О) =
2. P(t = (0) =
q(t)
о. Это означает, что при
длительной эксплуатации изделие обяза тельно откажет.
3. P(t) -
не возрастающая функция. В противном случае мы не нашли бы фи
зического объяснения её возрастанию. Если известна функция плотности распределения времени безотказной работы
w(t),
то вероятность безотказной работы изделия за время tз может быть
определена как сп
f
P(t(;) = w(t)dt ,
(7.7)
" а вероятность отказа за время tз
t
J
q(tr;J = w(t)dt.
(7.8)
о
Геометрическая интерпретация выражений
147
(7.7) и (7.8) понятна из рис. 7.6.
w(t)
в случае экспоненциального распределе
ния времени безотказной работы, Т.е. когда
w(t)
s ~ Р(tз )
о
~ lI.е
-
л/
с использованием выражения
, можно по
(7.7)
лучить
(7.9)
t
tз
о
Рис. 7.6. К определению вероятности безотказной раБО"IЫ и вероятности отказа
где А
-
параметр экспоненциального распреде-
ления для рассматриваемого изделия.
Формулой
(7.9)
широко пользуются в инже
нерных расчётах. Она также известна под названием «эксnопепциШlЬПЫЙ закоп
падёжпос11Ш» . По результатам испытаний вероятность безотказной работы за время tз и вероятность отказа за время tз можно определить по формулам
Р( t, ) -_ N n(tз ) -
где
N - n(tc) . , N
( ) _ n(tc) , N
(7.10)
q t, -
количество изделий, поставленных на испытания; количество изделий, отказавших за время испытаний, равное tз .
Интенсивность отказов. Под интенсивностью отказов изделий для вре
t понимают значение условной плотности распределения времени до отка при условии, что до рассматриваемого момента времени t отказов не было. С
мени
за
использованием результатов
испытаний иП11U!псивпость
отказов численно
можно определить как
А* = 1
где
n(!J.ti ) N ftбi ·!J.ti
(7.11 )
n(;\,.ti )
-
количество элементов, отказавших в
;\,.ti
-
ширина
N cp .
- среднее количество элементов, безотказно работавших в
i-ro временного
i-M
временном интервале;
интервала;
i-M времен
ном интервале.
Рассчитанное по формуле
(7.11) значение А *i
относится К любой точке
i-ro
рассматриваемого интервала.
Зависимость интенсивности отказов от времени в технике называется А характеристикой. Типичный вид А-характеристики РЭУ приведен на рис.7.7. На А-характеристике можно четко выделить три области.
1.
Период приработки. Характеризуется повышенным значением интен
сивности отказов (большим числом отказов) из-за грубых дефектов производ ства. На практике обычно стремятся уйти из этой области А (см. рис.
7.7),
орга
низуя в условиях производства термоэлектротренировку, технологический про-
148
гон и т.п. Продолжительность этой области для РЭУ составляет десятки-сотни часов. Оптимальной является длительность технологического прогона, соответ
ствующая окончанию периода приработки (точка В на рис.
2.
ACt) А
,
1 :
2
ты надёжности устройств обычно вы полняют для этого периода. Продолжительность данного
: 3
ляет
наработка
о
жс-
сивности отказов. Инженерные расчё
,,
;,
нормальной
ным постоянством во времени интен
,'
". '
Период
nлуатации. Характеризуется пример-
_.\( . \\В ~ -------,
7.7).
тысячи-десятки тысяч часов.
3.
t
Область старения.
теризуется
РИС.7.7.ТипичныЙ вид л-характеристики РЭУ
периода состав
казов
повышенным числом
ввиду
ставных
Харак-
старения
частей
и
износа
от со
изделия. Эксплуата
ция изделия на этом этапе нецелесообразна. Между характеристиками изделия связь
w(t), P(t)
и
A(t)
существует следующая
[11]:
АС!) = w(!) .
(7.12)
Р(!)
Среднее время безотказной работы. Надёжность однотипных РЭУ или элементов с точки зрения продолжительности их работы до первого отказа можно оценить средним временем безотказной работы, под которым пони мают математическое ожидание времени безотказной работы. В общем случае рассматриваемый показатель называют средней наработкой до отказа, так как он представляет собой математическое ожидание (среднее значение) случайной величины
-
наработки до отказа. Этот показатель может использоваться для
любых изделий: восстанавливаемых иневосстанавливаемых. По результатам испытаний среднее время безотказной работы Тер может быть определено как N
'Lr; ;=1
Т
где
Ti -
время безотказной работы
(7.13)
н'
ер
i-ro экземпляра рассматриваемого вида изделия.
При аналитическом определении Тер пользуются выражением
Т
ер
=
(7.14)
fP(t)dt, О
где
149
P(t) -
вероятность безотказной работы за время
t.
Гамма-процентная наработка до отказа. Под ней понимают наработку, в течение которой отказ в изделии не возникнет с вероятностью у, выраженной
в процентах, т.е. это минимальное значение наработки до отказа, которую бу дут иметь у процентов изделий данного вцда. Например, запись в технической
документации: «90-процентная наработка до отказа составляет не менее означает, что у равной
250 ч,
250
ч»
изделий данного вида в течение суммарной наработки,
90 %
отказ не возникнет.
Наработка на отказ (средняя наработка на отказ). Предположим, что РЭУ (один экземпляр) эксплуатиру-
tз
ется
в
течение
определенного
ка
лендарного периода. Возникающие при
Время
эксплуатации
отказы
устраня
ются, и изделие снова используется
по назначению. Этот процесс про должается до окончания рассматри-
Рис.7.8. Процесс функционирования РЭУ:
t), t2. Т).
tз
-
'З
'2.
интервалы безотказной работы РЭУ; -
интервалы по устранению отказов
ваемого
календарного
периода.
Изобразим процессы функциониро вания и устранения отказов РЭУ на временной оси (рис.7.S).
Тогда наработку на отказ можно определить как
(7.15) где т
-
число отказов РЭУ, возникших за рассмотренный календарный период,
или, что то же самое, число периодов безотказной работы. Показатель То имеет смысл только применительно к восстанавливаемым
устройствам. Его более полно называют средпей паработкой па отказ, что понятно из выражения
(7.15).
Показатели ТО и Тер по своей физической сущности различны, однако в случае экспоненциального распределения времени до отказа они совпадают
по значению и соответствуют примерно
37
Это означает, что примерно
данного вида проработают без отказа
в течении времени
t
37 % РЭУ
%-ой наработке до отказа (у;::
37%).
?:.ТО . Можно также показать, что при экспоненциальном
распределении времени до отказа справедливы соотношения
[11] (7.16)
Вероятность восстановления РЭУ. Под вероятпостью восстаповле пия устройства за заданное время Тз понимают вероятность вида
(7.17) где Т
150
-
случайное время восстановления устройства.
Формулы расчёта значений вероятности
v( тз)
зависят от закона распреде
ления времени восстановления и определяются выражением
W(T)
Тз
V(Т з )= fW(T)dT,
(7.18)
О
где
W(T) -
плотность распределения вре
мени восстановления устройства. о
Тз
Рис.
7.9.
Графическую интерпретацию выра
т
жения
К вопросу об определении
(2.10) можно
понять из рис.
7.9.
Среднее время восстановления.
величины v(Тз)
Под ним понимают математическое ожи
дание времени восстановления работоспособного состояния РЭУ после отказа. Среднее время восстановления определяется по аналогии с показателем То. Пусть за определенный календарный период эксплуатации РЭУ произошло т отказов. На восстановление РЭУ после возникновения
время Ti (см. рис.
7.8).
i-ro
отказа затрачивалось
Тогда среднее время восстановления РЭУ может быть
подсчитано как
(7.19) Значение ТВ показывает, сколько в среднем затрачивается времени на об наружение и устранение одного отказа.
Гамма-процентное время восстановления. Под ним понимают время восстановления, гарантируемое с вероятностью «гамма», выраженной в про
центах. Например, запись в технической документации «95-процентное время
восстановления составляет не более типа в
95
5
ч» означает, что для устройств данного
про центах случаев время восстановления составит не более
5 ч.
Средние затраты на восстановление РЭУ. Этот показатель показывает,
сколько в среднем потребуется денежных средств на восстановление работо способности РЭУ. Гамма-процентный ресурс. Это ресурс, который обеспечивается с веро ятностью у, выраженной в про центах, т.е. по истечении суммарной наработки,
равной значению ресурса t/pec), у гамма процентов изделий данного вида пре дельное состояние ещё не наступит.
При отсутствии в технической документации гамма-процентного ресурса
минимальную наработку tmin, указанную в технической документации, при равнивают к 99,99-процентному ресурсу.
Гамма-процентный срок службы. Это срок службы, который обеспечи вается с вероятностью у, выраженной в про центах, т.е. по истечении суммарно
го календарного времени, равного значению tу(СРСЛ), у гамма процентов изделий данного вида предельное состояние ещё не наступит.
151
При отсутствии в технической документации гамма-процентного срока
службы
минимальный
срок
службы
tmiп(СРСЛ)
приравнивают
к
99,99-
процентному сроку службы. Гамма-процентный срок сохраняемости. Это срок сохраняемости, дос тигаемый изделием с заданной вероятностью у, выраженной в процентах, т.е. срок сохраняемости, который выдержат гамма процентов изделий данного вцда.
При отсутствии в технической документации гамма-процентного срока ~
сохраняемости минимальныи
срок сохраняемости
tmin
(С ОХР)
приравнивают к
99,99-процентному сроку сохраняемости. В технической документации на изделия иногда вместо показателей, опи сывающих
срок
сохраняемости,
приводятся
показатели,
оиисывающие
срок
хранения:
средний срок хранения, гамма-процентный срок хранения, мини
мальный срок хранения. Эти показатели практически совпадают с аналогичными показателями, которые указывают на срок сохраняемости, так как составляющая
транспортпрования обычно невелика по сравнению с временем хранения. Эксплуатационно-техническими показателями, связанными с безотказно стью изделий являются гарантийная наработка и гарантийный срок служ бы. Гарантийная наработка (гарантийный срок службы) это такая суммарная наработка (срок службы) изделия, в течение которой изготовитель обязуется безвозмездно устранять производственные дефекты и возникающие отказы при условии соблюдения правил эксплуатации. Эксплуатационно-техническими показателями, связанными с долговеч
ностью изделий являются назначенный ресурс, назначенный срок службы, ус тановленный ресурс, установленный срок службы. Назначенный ресурс (назначенный срок службы) это такой ресурс (срок службы), при достижении которого изделие снимается с эксплуатации не зависимо от его технического состояния. Эти показатели устанавливают для
устройств, на которые возлагаются ответственные функции. Установленный ресурс (установленный срок службы) это такой ре сурс (срок службы), который гарантируется с вероятностью гамма, равной
100
про центам. Эти показатели имеют физический смысл и используются только для восстанавливаемых устройств.
Комплексные показатели надёжности. В практике для РЭУ широкого применения используют комплексные показатели надёжности, с помощью ко
торых получают обобщенное представление о таких двух свойствах и состав ляющих надёжности устройств как безотказность и ремонтопригодность. Эти показатели называют эксплуатационными коэффициентами надёжности.
Широко используют следующие коэффициенты:
• • • •
коэффициент готовности, кг; коэффициент оперативной готовности в течение времени tз, Ко г (tз ); коэффициент технического использования, Ки ;
коэффициент простоя (по вине отказов), кл.
Под коэффициентом готовности Кг понимают вероятность того, что РЭУ окажется в работоспособном состоянии в любой произвольный момент
152
времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение РЭУ по назначенIПO не предусматривается.
Количественно коэффициент готовности можно подсчитать по формуле
(7.20)
где t; - время безотказной работы между Т; - время восстановления РЭУ после т
-
(i-1 )-м
i-ro
и
i-M
отказом;
отказа;
количество отказов за рассматриваемый период.
Коэффициент оперативной готовности. Под ним понимают вероят
ность того, что в произвольный момент времени РЭУ окажется в работоспособ ном состоянии и, начиная с этого момента времени, будет работать безотказно в течение времени tз.
Для коэффициента Ког(tз) справедливо выражение
(7.21) где Р(tз )
-
вероятность безотказной работы изделия за время tз .
В литературе прошлых лет коэффициент Ко г (tз ) назывался вероятностью нормального функционирования за время tз и обозначался Р нф(tз). Коэффициент технического использования. Коэффициент Ки харак теризует долю времени нахождения РЭУ в работоспособном состоянии относи тельно общей продолжительности эксплуатации. Количественно коэффициент КИ может быгь подсчитан по формуле
(7.22)
где tп ; - время вынужденного простоя после возникновения
i-ro
отказа.
Время tп ; в общем случае включает время на обнаружение и устранение отказа, регулпровку и настройку РЭУ, время простоя из-за отсутствия запасных
элементов, время на проведение профилактических работ и др. Коэффициент простоя (по вине отказов). Коэффициент Кп характеризует расход времени на различные непроизводственные затраты и определяется как
отношение суммарного времени вынужденных простоев к общему времени безотказной работы и вынужденных простоев за этот же период эксплуатации:
(7.23)
153
В общем случае в суммарное время простоя входят все непроизводствен ные затраты времени, ИСКJПOчая время хранения и нахождения в резерве.
Можно показать, что справедливо выражение Ки =
7.3.
1 -КП .
(7.24)
Надёжность элементов
Интенсивность отказов как основная характеристика безотказности элементов. При расчёте показателей надёжности устройств надо располагать справочными данными о показателях надёжности элементов.
В настоящее время основной справочной характеристикой безотказно сти элементов, приводимой в технических условиях или других технических
документах, является интенсивность отказов
-
Ао. Она принимается постоянной
в течение определённой наработки, также указываемой в технической докумен тации и
соответствует номинальному
электрическому режиму
и нормальным
(лабораторным) условиям эксплуатации, если явно не указано иное. Выбор этой характеристики в качестве основной объясняется следующим. Экспериментально было установлено, что время до отказа элементов хо рошо описывается экспоненциальным законом распределения
w(t) = где А
-
о
ле
-Af
(7.1)
,
параметр экспоненциального рапределения.
В случае экспоненциального распределения вероятность безотказной ра боты за время
t
определяется выражением
(7.9) -
экспоненциальный закон на
дёжности:
Ранее отмечалось, что величины
w(t), P(t) и A(t) связаны соотношением
A(t) = w(t) . P(t) Тогда получим
A(t) =
Ae- Af е
Из выражения
(7.25)
-Af
= А =
const .
(7.25)
видно, что при экспоненциальном распределении
времени до отказа интенсивность отказов постоянна и численно равна парамет
ру А экспоненциального распределения. Поэтому параметр экспоненциального распределения и интенсивность отказов элементов обозначены одной и той же БУКВОЙ-А.
154
Размерность интенсивности отказов: [А] = l/ч = ч- 1 Интенсивность отказов современных элементов занимает диапазон при
мерно
10-10. .. 10-5 l/ч. За рубежом в качестве размерности величины А используют также про
цент на 1000 ч работы, что равносильно введению для А множителя 105 В по следнее время для высоконадёжных элементов радиоэлектроники в качестве
размерности А стали использовать фит: 1 фит = 10-9 l/ч. Коэффициент электрической нагрузки элементов. Реальный уровень
безотказности элементов зависит от коэффициентов электрической нагрузки, характеризующих степень электрической нагруженности элементов
относи
тельно их номинальных или предельных возможностей, указываемых в ТУ
Количественно коэффициент электрической нагрузки (часто говорят, ко эффициент нагрузки) определяют по соотношению
(7.26) где Fраб - электрическая нагрузка элемента в рабочем режиме, т.е. фактическая нагрузка на рассматриваемом схемном элементе;
Fиом -
номинальная или предельная по ТУ электрическая нагрузка элемента,
выполняющего в конструкции функцию схемного элемента. В качестве
F
выбирают такую электрическую характеристику элемента,
которая в наибольшей степени влияет на его надёжность. Характеристики, ис пользуемые в качестве
F
для т=овых элементов РЭС, указаны в табл.
7.4. Таблица
7.4
Выбор электрической характеристики, используемой для определения Кн Группа элементов
1. 2.
Характеристика F
Группа элементов
Характеристика F
Резисторы
Мощность рассеяния
Тиристоры
Средний ток
Конденсаторы
Прикладываемое на-
7. 7.
Трансформаторы
Мощность
9.
Дроссели
Протекающий ток
пряжение
з. Транзисторы,
Мощность рассея-
транзисторные сбор-
ния, напряжение
или ток подмагничи-
ки
4.
вания
Диоды, кроме ста-
Средний прямой ток,
билитронов,диод-
обратное напряже-
ные сборки
ние
5.
Полупроводнико-
Средний прямой ток
10.
Реле
Коммутируемый ток
11.
Соединители
Протекающий ток
вые (п/п) знакосин-
(разъёмы), элементы
тезирующие индика-
коммутации (пере-
торы, оптопары, п/п
ключатели, тумблеры, кнопки и т.п.)
излучатели
6.
Стабилитроны
Ток стабилизации
12.
или рассеиваемая
тивности, кабели,
мощность
шнуры, монтажные
Катушки индук-
провода
155
Плотность тока в про воде
Недопустимо использовать элементы с коэффициентом электрической нагрузки КН >
1 даже хотя
бы по одному из параметров электрического режима.
Считают, что для типовых элементов РЭС оптимальное значение коэффициента нагрузки Кнот ;::
0,2 ... 0,6.
Что касается электрической нагрузки ИМС. ИМС включает определённое
количество элементов, коэффициенты электрической нагрузки которых опре деляются внутренней структурой (электрической схемой) и конструктивно
технологическими особенностями изготовления ИМС. Значения коэффициен тов нагрузки элементов учтены в приводимых справочных данных об интен сивностях отказов ИМС. Причём, эти данные соответствуют условиям усред нённой электрической нагрузки ИМС и температуре окружающей среды
t =25
ОС. В ряде случаев некоторые группы ИМС допускают работу в облегчённых режимах, нежели усреднённые, например использование аналоговых ИМС при понижённом напряжении питания, что повышает их эксплуатационную надёж
ность. Эксплуатационная интенсивность отказов ИМС, используемых в облег чённых режимах, может быть определена с помощью коэффициента Кобл , пред ставляющего отношение рабочей электрической нагрузки к максимально до пустимой. Коэффициент Кобл может рассматриваться как некий аналог коэффи циента нагрузки КН ИМС в целом. Характеристика надёжности типовых элементов. При прочих равных условиях менее надёжными являются элементы, имеющие механические контак
ты (элементы коммутации, переменные и подстроечные резисторы и т.п.), прибо ры квантовой электроники, а также мощные полупроводниковые приборы и при боры СВЧ-диапазона. Надёжность ИМС слабо зависит от степени интеграции, т.е. от числа элементов в ИМС. Объясняется это тем, что значительный вклад в нена дёжность ИМС вносят корпус и межсоединения. При прочих равных условиях
гибридные ИМС менее надёжны по сравненшо с полупроводниковыми из-за наличия в них паяных соединений и навесных компонентов. Цифровые ИМС надёжнее аналоговых. Объясняется это режимом переключения, в котором ра ботают цифровые ИМС. Учёт влияния на надёжность элементов электрического режнма и
условий работы. На практике с целью повышения надёжности РЭУ коэффици енты нагрузки элементов КН выбирают меньше единицы. Условия работы эле ментов, как правило, оказываются более жесткими, нежели нормальные. Воз никает задача пересчёта справочных значений интенсивностей отказов А о на конкретный электрический режим (значения КН ) и условия работы. Интенсивность отказов с учётом эксплуатационных факторов обозначим как Аэ, и будем называть эксплуатационной интенсивностью отказов. В на стоящее время в инженерной практике для её определения используют матема
тическую модель (выражение) вида т
Ау =АоПК;, i=1
156
(7.27)
где к;
- поправочный коэффициент, учитывающий влияние фактора Х;;
m-
количество принятых во внимание факгоров из числа, влияющих на
безотказность элементов. В качестве факторов Х; могут рассматриваться коэффициент нагрузки Кн , температура, степень жесткости условий эксплуатации, харакгер электрическо
го режима, функциональное назначение элемента в схеме, номинальное значе ние параметра элемента и др. ДЛЯ РЭА, работающей в обычных' неспецифиче ских условий, в ряде случаев принимают во внимание три важнейших фактора, влияющих на значение Аэ элемента: коэффициент нагрузки Кн , температуру, и степень жесткости условий эксплуатации. По результатам экспериментальных
исследований получены математические модели и составлены справочные таб лицы для определения поправочного коэффициента, учитывающего совместное влияние температуры и Кн . Его называют коэффициентом режима Кр . Значения коэффициента эксплуатации Кэ , учитывающего степень жесткости условий эксплуатации (кроме температуры), показывают во сколько раз интенсивность отказов элементов в составе РЭУ конкретного класса выше, чем в аппаратуре,
работающей в стационарных лабораторных условиях (табл.
7.5). Таблица
7.5
Значения коэффициента эксплуатации КЭ дЛЯ элементов РЭА
Группа элементов
Интегральные микросхемы
Полупроводниковые приборы (ППП) Конденсаторы, резисторы
Переключатели, предохранители
Стационарная
Стационарная в усло-
Пере-
Подвиж-
Приме-
в лаборатор-
виях цехов промыш-
нос-
ная
няемая
ных условиях
ленных предприятий
ная
(возимая)
на судах
1
2
1,7
1,5
2
1
2
1,5
2,5
2
1
2
2
2,5
2
1
2
2
2,5
2
1
2
1,5
2,5
2
1
2
1,5
2,5
2
1
1,5
1,5
2
1,5
1
2
1,5
2,5
2
1
2
2,0
2,5
2
Индикаторы знакосинтезирующие,
кинескопы, ЭЛТ Соединители, ка-
бели, шнуры, монтажные про вода
Трансформаторы Оптоэлектронные ППП Прочие элементы
7.4.
Расчёт показателей надёжности проектируемых РЭУ
При проектировании РЭУ всегда рассчитывают показатели безотказности и показатели ремонтопригодности (если по техническому заданию РЭУ отно сится к восстанавливаемым изделиям). Основное расчётное соотношение для
157
вероятности безотказной работы устройства получают в предположении, что элементы элеюрической схемы РЭУ с точки зрения надёжности соединены по следовательно. Эта модель надёжности РЭУ иллюстрируется рис.
7.1 О
и означает,
что отказ РЭУ в целом происходит при
1
отказе хотя бы одного из элементов.
N
2
С учётом принятой модели на
дёжности РЭУ вероятность безотказ Рис.
7.10.
Схема (модель) соединения
элементов в РЭУ с точки зрения надёжности:
N-
количество элементов в РЭУ
ной работы устройства Рr.(tз ) за за данное
время
~
находят,
используя
выражение
N Рr.(tз) = Р) (tз)· Р2(t З )···РN(t з ) = ПРi(t з ),
(7.28)
i=1
N рКtз ) -
где
количество элементов в устройстве;
вероятность безотказной работы мени tз,
i-ro
элемента, подсчитанная для вре
i = 1, ... , Н.
Выражение соответствует предположению, что отказы элементов явля ются случайными и независимыми друг от друга.
В случае экспоненциального закона надёжности элементов
Рr.(tз)=е где Iч
-
-л)t
з·е
-л t
2з
(7.29)
параметр экспоненциального распределения для
i-ro
элемента, числен
но равный интенсивности его отказов.
Из выражения
(7.29)
видно, что расчёт показателя безотказности Рr.(tз)
сводится к определению величины
(7.30) называемой суммарной интенсивностью отказов устройства.
Для среднего времени восстановления РЭУ ТВ может быть получено вы ражение
[11] (7.31)
где T i -
среднее время восстановления
i-ro
элемента (значения этих величин
можно найти в справочниках для различных видов элементов и клас
сов аппаратуры).
158
Существующие методы расчёта показателей безотказности и ремонтопри годности РЭУ различаются степенью точности учёта электрического режима и
условий работы элементов в составе устройства. Расчёты подразделяют на пред варительньrе (приближённые или ориентировочные) и окончательные. Прибли жённьrе выполняют на ранних стадиях проектпрования, обычно на стадии эскиз ного проекта (ЭП), окончательньrе
-
на стадии технического проекта (ТП).
На практике используют различные разновидности приближённого расчё та. Простейшая их них описана в
[11].
в этом случае учёт электрического режи
ма, температуры, других параметров окружающей среды и факторов, влияю щих на безотказность элементов, выполняется приближенно с помощью обоб щенного эксплуатационного коэффициента КэОБ . Значение этого коэффициента зависит от вида РЭУ и условий его эксплуатации (табл.
7.6). Таблица
Значения обобщенного эксплуатационного коэффициента К Э . ОБ Вид РЭУ,
[11]
Значение К Э . ОБ
условия эксплуатации
Лабораторные условия
1,0
Помещения с регулируемой
1,1
температурой и влажностью
Космос (на орбите)
1,5
Наземные стационарные условия
2 .. .4,7 (2,5)
Наземные возимые РЭУ
4 ... 7(5,0)
Наземные подвижные
7 ... 15 (7,0)
(переносимые) РЭУ Морские защищенные условия
7 ... 12 (7,6)
Морские незащищенные условия
7 ... 15 (10,0)
Бортовые самолетные РЭУ
5 ... 10 (7,0)
Запуск ракеты
в скобках в табл.
7.6
10 .. .44 (20,0)
7.6
указаны значения, рекомендуемые для использова
ния в расчётах.
Суммарную интенсивность отказов РЭУ с учётом электрического режима и условий эксплуатации определяют как k
А DYO= K уqa) . LAo)n) ,
(7.32)
)~l
где
А о) - среднегрупповое значение интенсивности отказов элементовj-й груп пы, найденное с использованием справочников,j =
1, ... , k;
k -
число сформированных групп однотипных элементов;
n) -
количество элементов вj-й груиие,j =
1, ... , k;
Кэш - обобщенный эксплуатационный коэффициент, выбираемый по табли цам в зависимости от вцда РЭУ и (или) условий его эксплуатации.
159
Другие показатели безотказности подсчитывают по общепринятым фор мулам для экспоненциального распределения времени до отказа РЭУ.
Наработка на отказ
(7.33) Вероятность безотказной работы за заданное время tз
RDYO . ·Ct ) = е - tc;· Лf)"v6 = е -tr;/°o .
(7.34)
с;
Среднее время безотказной работы устройства (средняя наработка до отказа)
(7.35) Гамма-процентная наработка до отказа Ту определяется как
(7.36) Показатели долговечности оценивают один раз на любой стадии опытно конструкторских работ (ОКР), если это указано в договоре на выполнение ОКР. В промьшшенности шпроко используют разновидность приближённого расчёта показателей безотказности и ремонтопригодности, в которой использу ют значения эксплуатационных интенсивностей элементов Аэ при коэффициенте нагрузке КН =
0,4.
Рабочую температуру принимают равной
30
или 35 0 С. При
выполнении уточнённого расчёта значения интенсивностей отказов элементов
определяют для фактических значений параметров электрической нагрузки, ра бочих температур и условий эксплуатации. Для указанной разновидности приближённого расчёта, а также для уточ нённого расчёта показателей безотказности на стадии ТП суммарную интен сивность отказов РЭУ Арэу (параметр потока отказов для ремонтируемых уст
ройств) определяют по формуле N
Л Dv 6""К lli КiiJiiё
LA yi ,
(7.37)
i=l
где
Ком
-
коэффициент, учитывающий наличие амортизации РЭУ;
Кобел - коэффициент качества обслуживания РЭУ; Аэ i
-
эксплуатационная интенсивность отказов
N
-
количество элементов в РЭУ.
Значения коэффициента Ком:
0,85 -
i- го элемента;
при наличии амортизации;
1 -
без
амортизации. Значения коэффициента Кобел выбирают в зависимости от того, бу дет ли выполняться профилактическое техническое обслуживание. Для бытовых РЭУ Кобел =
1.
ДЛЯ РЭУ производственно-технического назначения Кобел =
(в случае, если документацией предусмотрено техническое обслуживание).
160
0,5
в табл.7.7 приводятся математические модели, используемые для опреде ления значений Аэ типовых элементов РЭА. Пояснение величин, входящих в модели, даётся в табл.
7.7. Таблица
7.7
Математические модели определения значений Аэ Номера формул и Группа элементов
Вид математической модели
таблиц для определения составляющих модели
Интегральные микросхемы (усреднён-
ный электрический режим работы) Интегральные микросхемы, работающие в облегчённых электриче-
Ау = АОАК,Е fШЕ ,и, EvE y
Ау = АОАК rf; NE E Ыб' EvE y
(7.38), (7.39), табл.7.10-7.12
(7.38), (7.39), табл.7.10-7.12
ских режимах
Диоды, кроме стабилитронов.
А у = А ОАЕ fJE
Диодные сборки
Лу
Стабилитроны Транзисторы биполярные, транзисторные сборки
Е AJ Е и Е у
= лолЕ fJE у
Ау = А олЕ fJE оЕ Ai Е иЕ у
Конденсаторы неполярные, электро-
= А олЕ fJE у
Ау = А олЕ fJE уЕ N
литические
Резисторы постоянные:
Ау = АОАЕ fJE уЕ R E i Ау = А олЕ ,,Е уЕ R
табл.7. 13,7. 14 табл.
Ау
Переменные проволочные
= АОАЕ fJE уЕ R
Ау = А олЕ ,,Е уЕ R E и
Переменные непроволочные Элементы коммутации (переключа-
тели, 'ТУмблеры, кнопки и т. п. )
Ау = А ОАЕ fJE ЕЕ Е у Ау
Соединители (разъёмы)
= А олЕ f)E ЕЕ Е тЕ у
713. 7.15
(7.43) (7.45), табл. 7.17,7.18 (7.46), табл.7.19-7.21
Ау = АолЕ у
Терморезисторы
7.13
(7.42),
(7.42).
Ау
табл.
табл.7.13-7.16
Ау=АолЕfJЕАiЕу
Оптоэлектронные элементы (свето-
углеродистые
(7.42),
(7.42),
диоды, оптопары и др.)
металлодиэлектрические
(7.42), табл.7.13
Ау = А ОАЕ fJE 6 Е у
Транзисторы полевые Тиристоры
6
-
(7.46),табл.7.19,7.20
(7.46).
табл.7.19-7.22
(7.470,
табл.
7.23
(7.48)-(7.50)
Индикаторы
Ау = АОАЕ fJE у
полупроводниковые
Ау
вакуумные люминесцентные
= АОАЕ ,Е у
(7.43) (7.52)
Ау=АОАЕу
другие, ЭЛТ, кинескопы и т.п.
-
Прочие элементы и компоненты
Дроссели, катушки индуктивности
Реле общего назначения
161
= АолЕ,Е у Ау = АоАЕ f)E у = лолЕ fJE ЕЕ Е F E у Ау
Трансформаторы
Лу
(7.52)-(7.55).
табл.7.25
(7.56) (7.57),
табл.
7.25
Окончание табл.
Ау = AOA.EJty Ау = АОА.Е,Еу
Предохранители Резонаторы пьезоэлектрические Печатные платы со сквозными металлизированными отверстиями
7.7
(7.61) (7.60)
Ау = AaEy[NjEm: + N 2 (Em: + 13)]
-
(как компонент конструкции)
Ау
Соединения пайкой Электрические лампочки
Кабели, шнуры, монтажные про вода
= А,Е у
Ау = АОА.Еу, принимается КЭ
-
=1
Ау = AaK,EyL
Примечание. Коэффициент КЭ выбирается по табл.
-
(7.62)-{7.65).
табл.
7.26
7.5 Таблица
7.8
Пояснения величин, входящих в математические модели
Обозначение Пояснение
составляю-
щей модели Составляющие, входящие в модели ДЛЯ всех ВНДОВ элемеитов
Лог
Интенсивность отказов группы элементов (Лог) данного вида, отвечающая
температуре окружающей среды
+250
С и номинальной электрической на-
грузке, т.е. значению коэффициента электрической нагрузки КН
Кр
= 1
Коэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки (коэффициента Кн ) и температуры корпуса элемента. Представляет собой произведение поправочных коэффициентов, учитывающих коэффициент нагрузки и температуру
К,
Коэффициент, зависящий от температуры корпуса элемента (компонента)
КЭ Коэффициент, зависящий от жесткости условий эксплуатации радиоэлектронного устройства (РЭУ): стационарные в условиях цехов промышленных предприятий, переносная, подвижная РЭУ и т.п.
Составляющие, входящие в модели ДЛЯ интегральиых микросхем (ИМС)
Кси
Коэффициент, учитывающий сложность (степень интеграции)
Ккорп
Коэффициент, учитывающий тип корпуса
КП
Коэффициент, учитывающий напряжение питания дЛЯ КМОП ИМС
Составляющие, входящие в модели ДЛЯ полупроводниковых приборов Кф
Коэффициент, учитывающий функциональный режим работы прибора в электрической схеме
Кдн
Коэффициент, зависящий от значения максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности (или току)
КU
Коэффициент, зависящий от отношения рабочего напряжения к максимально допустимому по ТУ (коэффициента нагрузки по напряжению) Составляющие, входящие в модели ДЛЯ кондеисаторов
КС
162
Коэффициент, зависящий от значения номинальной ёмкости
Окончание табл.
7.8
Обозначение Пояснение
составляю-
щей модели Составляющие, входящие в модели для резисторов
KR
Коэффициент, зависящий от значения номинального сопротивления
КМ
Коэффициент, зависящий от значения номинальной мощности (для металлодиэлектрических резисторов)
КU
Коэффициент, зависящий от отношения значения рабочего напряжения Ираб на резисторе к максимально допустимому напряжению по ТУ (Иту);
и м, = .JPM,R , где Рраб -
рабочая мощность, Вт;
R-
сопротивление, Ом
Составляющие, входящие в модели для коммутациоииых изделий соеДИИИтелей(разъёмов),реле
Ккк
Коэффициент, зависящий от количества задействованных контактов
ККС
Коэффициент, зависящий от количества сочленений-расчленений
tп
Температура перегрева контактов по ТУ при максимальной токовой
KF
Коэффициент, учитывающий число коммутаций в час (для реле)
нагрузке. Используется для выбора коэффициента Ккк
Составляющие, входящие в модели ДЛЯ печатиых плат с металлизироваииыми сквозиыми отверстиями
Аб
Базовая интенсивность отказов, зависит от технологии межсоединений;
Ксл
Коэффициент, учитывающий количество слоёв в плате
Nj
Количество сквозных отверстий, пропаянных способом <шайка волной»
N2
Количество сквозных отверстий, пропаянных ручным способом
Аб = 0,034- 10-9 l/ч (печатный монтаж), Аб = 0,22· 10-9 l/ч (навесной монтаж)
Составляющие, входящие в модели ДЛЯ всех кабелей, проводов, шнуров
L
Длина кабельного изделия в устройстве
Кти
Коэффициент, зависящий от рабочей температуры, материала, конструкции изоляции и оболочки Составляющие, входящие в модели ДЛЯ электрических лампочек
Ан
Интенсивность отказов, соответствующая минимальной продолжительности горения Тмин Составляющие, входящие в модели для соединений пайкой
Аб
Базовая интенсивность отказов: Аб = 0,26· 1О 8 l/ч - ручная пайка; Аб = 0,0138· 10-8 l/ч - пайка волной Составляющие, входящие в модели ДЛЯ шиуров, кабелей, моитажиых проводов
L
Длина кабельного изделия в составе РЭУ, м
Аб
Базовая интенсивность отказов кабельных изделий при температуре
l/ч· м
163
25
ос,
в табл.
7.9
привоДЯтся интенсивности отказов гру= элементов (Лог) РЭА. Эти
ДШПIые составлены по результатам исследований, выполненных lШИ Министер
ства обороны Российской Федерац= совместно с Российским НИИ «Электрон стандарт» (г. с.-Петербург) с использованием материалов предприятий промьни ленности
[15].
Приводимые значения пересчитаны с помощью коэффициента
приёмки Кп , зависящего от степени жесткости требований к контролю качества и правил приёмки элементов. Принято Кп =
2,
что соответствует неполному ком
илексу отбраковочных испытаний без применения элекгротермотренпровки. Таблица
7.9
Интенсивности отказов групп элементов и компонентов РЭА
Лог, х 10
Группа элементов
1. Интегральные микросхемы (име)'! Полупроводниковые цифровые: логические, арифметические, микропроцессоры
и
микропроцессор-
ные комплекты, регистры сдвига и др.;
оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) постоянные запоминающие устройства (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ) ИМС полупроводниковые аналоговые
Гибридные ИМС
2.
0,038 0,092 0,05 0,074 0,088
Полупроводниковые прнборы
Диоды выпрямительные
Столбы (мосты) выпрямительные Диоды импульсные
0,2 0,38 0,068
Варикапы подстроечные
Стабилитроны Транзисторы биполярные кремниевые
0,008 0,12
Транзисторы полевые: кремниевые арсенидогаллевые
Тиристоры кремниевые
Транзисторы СВЧ малой и средней мощности
0,172 0,18 0,38 0,162
Транзисторы СВЧ большой мощности
3.
Оптоэлектронные полупроводниковые прнборы
Диоды излучающие инфракрасного диапазона Оптопары диодные, транзисторные Микросхемы оптоэлектронные
4.
0,08 0,016 0,42
Знакосннтезнрующне ннднкаторы
Индикаторы полупроводниковые: единичные
цифровые одноразрядные цифровые одноразрядные шкальные
1,2 0,38 0,84 0,36
Индикаторы вакуумные люминисцентные:
цифровые многоразрядные буквенно- цифровые одноразрядные Индикаторы вакуумные накаливаемые цифровые Индикаторы жидко кристаллические цифровые многоразрядные
164
1,66 1,38 0,62 1,76
6
l/ч
Окончание табл.
5. керамические, И С: керамические, И>
7.9
КОIЩенсаторы
1600 В 1600 В
0,038 0,06 0,04 0,006 0,38
бумажные и металлобумажные с органическим синтетическим диэлектриком элеюролитические алюминиевые
6.
Резнсторы
Резисторы постоянные непроволочные:
0,01 0,08 0,016
металлодиэлектрические углеРОДИC'Iые терморезисторы
Резисторы переменные:
0,03 0,036
непроволочные проволочные
7.элементыIоммутацнн
Переключатели галетные")
0,04 0,22 0,32 0,11
Тумблеры Кнопки Микропереключатели
8.
Соединнтели (разъёмы):
прямоугольные малогабаритные для печатного
0,01 0,038 0,03
прямоугольные малогабаритные для объёмного монтажа радиочастотные
9.
(l/вкл.)
Прочие элементыI н компоненты
Трансформаторы:
0,155 0,062
питания согласующие, импульсные и др.
Электронно-лучевые трубки: Осциллографические без запоминания Кинескопы монохромные Кинескопы цветные Дроссели
Катушки индуктивности
Реле общего назначения') Пьезоэлектрические приборы (кварцевые резонаторы, датчики, фильтры) Предохранители
Держатели предохранителей Электрические лампочки, в течение Тмин ~
Кабели, шнуры, провода монтажные
420
ч
4):
2,14 (l/M) 18,8 (l/M) 0,9 (l/M)
радиочастотные про вода монтажные низковольтные
шнуры питания (без вилок питания) 1)
2,6 1,2 36,6 0,0028 0,02 0,062 (l/комм.) 0,05 0,02 0,006 156,0
..
..
v
t ~25 ос. Значение интенсивности отказов, приходящееся на одно включение.
нагрузки и температуре окружающей среды 2)
165
v
Значение интенсивности отказов, приведенное к условиям усредненнои электрическои
3)
Значение интенсивности отказов, приходящееся на одно коммутирование.
4)
Базовое значение интенсивности отказов, приходящееся на один метр длины.
Ниже привоДЯтся формулы (математические модели) и таблицы, взятые из работы
[15],
которые могут быть использованы для определения коэффици
ентов, входящих в модели расчёта величин Аэ (см. табл.
7.7).
Интегральные микросхемы. Для определения коэффициента Кси , учи тывающего сложность ИМС, можно воспользоваться математической моделью,
полученной авторами по табличным данным работы
[15]:
s КЙЕ =AN , гдеА,
(7.38)
S-
постоянные коэффициенты модели (табл.
N-
количество элементов в ИМС или бит (для ИМС памяти).
7.10); Таблица
Коэффициеюы моделей
(7.38)
и
(7.39) для различных
А
ГруппаИМС Полупроводниковые
1.
микропроцессоры
и
7.10
групп ИМС
S
В
цифровые (логические, арифметические,
микропроцессорные
комплеКThI,
регистры
0,336
0,288
0,021
0,468
0,168
0,021
0,963
0,128
0,021
сдвига и др.)
2. 3.
Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и программируе-
мые ПЗУ
4.
Перепрограммируемые ПЗУ
1,113
0,128
0,021
5.
Аналоговые ИМС
0,478
0,253
0,023
6.
Гибридные интегральные ИМС
0,796
0,120
0,024
Значения коэффициента К, могут быть получены по выражению К, =ехр[В(tiеб где
В
-
-25)],
(7.39)
константа, зависящая от функционального назначения ИМС
(см. табл. toкp -
7.10);
температура среды, окружающей ИМС, ОС.
ДЛЯ ИМС, работа которых допускается в облегчённых электрических ре жимах, значения коэффициента Кр могут быть рассчитаны с помощью матема тической модели
Kf) =0,1 15ехр(3,lКiаё где Кобл -
) ехр [В(tiеб
-25)],
(7.40)
отношение рабочей электрической нагрузки к максимально допусти мой (электрическая характеристика, принимаемая во внимание, вы
бирается в зависимости от характера облегчённости электрического режима ИМС). Значение toкp должно определяться по выражению
(7.41 )
166
где tрабmах - верхнее значение предельной рабочей температуры РЭУ; 6tз
-
перегрев в нагретой зоне РЭУ (по результатам расчёта теплового режима конструкции РЭУ).
Значения коэффициента Ккарп В зависимости от типа корпуса ИМС приве дены в табл.
7.11.
Значения коэффициента
K v следует выбирать
из табл.
7.12.
Таблица
7.11
Значения коэффициента Ккорп Корпус
Ккорп
Корпус
Ккорп
Все корпуса, кроме пластмассовых (полимерных)
1,0
Пластмассовые (полимерные)
3,0
Таблица Значения коэффициента
Kv в
7.12
зависимости от максимальных значений напряжения питания Значение
Технология
до КМОП
K v для
напряжения источника питания, В
10
> 10 до 12,6
> 12,6 до 15
3,0
10,0
1,0
Прочие виды технологий
1,0
Полупроводниковые приборы. Значения коэффициента Кр могут быть рассчитаны с помощью математической модели
(7.42)
где А, Нг, тм,
L, 6t -
константы модели;
taкp - температура окружающей среды;
КН
-
коэффициент электрической нагрузки (см. табл.
Значения констант, входящих в модель
7.4). (7.42), приведены в табл. 7.13. Таблица
Константы модели
(7.42)
А
Nr
Группа элементов Диоды,
кроме
стабилитронов.
Ди-
одные сборки Стабилитроны Транзисторы
биполярные,
ТМ
L
I1t
44,1025
-2138
448
17,7
150
2,1935
-800
448
14,0
150
5,2
-1162
448
13,8
150
37,2727
-2050
448
9,6
150
кроме
мощных СВЧ. Транзисторные сборки. Полевые транзисторы Тиристоры
Значения коэффициента Кф следует выбирать из табл.
167
7.14.
7.13
Таблица
7.14
Влияние функционального режима работы на коэффициент Кф Группа приборов
Функциональный режим работы
Кф
Диоды выпрямительные, универсальные,
Линейный
импульсные, столбы выпрямительные,
Переключающий
варикапы подстроечные, диодные сборки
Выпрямительный
Транзисторы биполярные, кроме мощных
Линейный
СВЧ. Транзисторные сборки
Переключающий
1,0 0,6 1,5 1,5 0,7 0,7 1,5
Генераторный
Высоковольтные приборы Кремниевые приборы:
Транзисторы полевые
линейный
1,5 0,7 1,0 5,0 7,5
переключающий генераторный СВЧ-диапазона Арсенцдогаллиевые приборы
При выборе коэффиииента КДН следует руководствоваться табл. Значения коэффициента КU приведены в табл.
7.15.
7.16. Таблица
7.15
Значения коэффициента Кдн Группа приборов
Нагрузка Максимально
допус-
тимый по ТУ средний
Диоды, диодные сборки
прямой ток
lпр.ср.mах ту, А Транзисторы
биполярные,
СВЧ.
мощных
кроме
Транзисторные
сборки. Варикапы подстроечные
Максимально тимая
по
ТУ
допусрассеи-
ваемая мощность, Вт
Максимально
допус-
тимый по ТУ средний
Тиристоры
прямой ток
lпр.ср.mах ту, А
Значение нагрузки
Кдн
'::1 >1'::3 > 3':: 10 > 10':: 20
0,6 0,8 1,0 2,0
'::1 >1'::5 > 5 ':: 20 > 20 ':: 50 > 50 > 200
0,5 0,8 1,0 1,3 2,5
'::1 >1'::5 > 5 ':: 25 > 25':: 50
1,0 3,0 6,0 10,0 Таблица
Значения коэффициента КU Коэффициент нагрузки
Группа приборов Диоды,
варикапы
по напряжению кн(и) подстроечные,
диодные сборки!) Транзисторы мощных
сборки. 1)
168
> 0,6
биполярные,
СВЧ.
ОтО до
кроме
Транзисторные
до
расчётаК u
0,6
до1,0
ОтО до
> 0,5
Значение или модель
0,5 1,0
0,7 КU~ 1/[2,11 - 1,11Кн (ИJ]
0,5 КU~ 1/[2,42 - 2,09Кн (ИJ]
Используется коэффициент нагрузки по обратному напряжению.
7.16
Оптоэлектронные элементы (светодиоды, оптопары и др.). Значения
коэффициента Кр для излучающих диодов, оптопар диодных, транзисторных, тиристорных и резисторных могут быть рассчитаны с помощью математиче скоймодели
Е' (I'бftб Jm [Е а ( D=
где Iгrpep, Iгrpepo -
I'бftбО
1
ехр-
k
(7.43)
t10 + 273
средний прямой ток излучателя соответственно в рабочем и номинальном режимах;
Еа - энергия активации процессов деградации (Е а =
0,6
эВ);
k - постоянная Больцмана (k = 8, 625 . 10-5 эВ/град); т - показатель степени, зависящий от свойств кристалла значения от 1 до 2;
и принимающий
tп , tпо - температура р-n перехода соответственно в рабочем и номинальном режимах, ОС.
При работе элемента в импульсном режиме т =
2.
Для других режимов в
зависимости от тииа излучающего материала величина т равна:
1,4 -
для
GaAs; 1,2 -
для
GaP; 1,5 -
для
GaA1As, GaAsP.
Температурар-n перехода определяется по формуле
t, = РftБRь
+ t;
t" = РftБRь
+ 25
ОС,
(7.44)
где Р ер - средняя рассеиваемая мощность, Вт;
RT
тепловое сопротивление, °CIВT;
-
toкp - температура окружающей среды, ОС.
Температурар-n перехода примерно может быть определена как
где tрабmах
-
максимальная рабочая температура РЭУ, ОС.
Значение коэффициента Кр для оптоэлектронных микросхем принято равным единице.
Конденсаторы. Значения коэффициента Кр могут быть рассчитаны с по мощью математической модели
, '[(K-N is JH +1• [(tiОб +273JG] , Т
EfJ=A
где
Н
(7.45)
tOKP -
температура окружающей среды (корпуса элемента), ОС;
КН
коэффициент электрической нагрузки конденсатора по напряжению;
-
А, В, Нт ,
169
ехр В
G, N s, Н -
постоянные коэффициенты (табл.
7.17).
Таблица Постоянные коэффициенты модели
стеклокерамические,
подстро-
ечные с твёрдым диэлектриком
Слюдяные С органическим синтетическим диэлектриком
Бумажные и металлобумажные Оксцдно-электролитические алюминиевые
(7.45)
А
В
НТ
G
Ns
Н
5909·10-7 ,
14,3
398
1
0,3
3
9885-10-8 , 9259·10-3 ,
16
358
1
0,4
3
2,5
358
18
0,4
5
2.5
358
18
0,4
5
4,09
358
5,9
0,55
3
Группа конденсаторов Керамические,
7.17
9583-10-3 , 3,59·10-2
Значения коэффициента КС могут быть подсчитаны по математическим моделям, приведённым в табл.
7.17. Таблица
7.18
Модели для подсчёта коэффициента КС Группа конденсаторов
Модель
Примечание
Керамические и стекло керамические
КС ~ 0,4С 0.12
СвпФ
Слюдяные
КС ~ 0,4С 0.14
СвпФ
Бумажные и металлобумажные
КС ~ с О • 05
СвмкФ
С органическим синтетическим диэлектриком
КС ~ с О • 05
СвмкФ
КС ~ 0,2С 0.23
СвмкФ
Оксидно-электролитические алюминиевые
Резисторы. Значения коэффициента Кр рассчитывают по модели
(7.46)
где
t-
КН
-
температура окружающей среды (корпуса элемента), ОС;
коэффициент электрической нагрузки резистора по мощности;
А, В, Нт ,
G, N s, J, Н -
постоянные коэффициенты (табл.
Постоянные коэффициенты модели
7.19). Таблица
7.19
J
Н
(7.46)
А
В
NT
G
металлодиэлектрические
0,260
0,5078
343
9,278 0,878
углеродистые
0,191
0,651
343
10,46 0,749 0,8
1,295
непроволочные керметные
0,5588 0,445
358
7,3
2,69
2,46
1
проволочные
0,202
343
21,7
0,529
1
0,599
Группа резисторов
Ns
Резисторы постоянные:
1
0,886
Резисторы переменные
170
1,14
Значения коэффициентов
KR , КМ и КU выбирают
из табл.
7.20-7.22 . Таблица
7.20
Значения коэффициента K R Диапазон
Диапазон
сопротивлений
1 KR
Диапазон
1 KR
сопротивлений
11
сопротивлений
11
1 KR
Резисторы постоянные непроволочные: металлодиэлектрические
< 1 кОм
11,0
112' 1 кОм < 100 кОм
1 0,7
112' 100 кОм < 1 МОм
1 2,0
углеродистые
кОм
2' 100
10,5
11
< 100 кОм 2' 1 МОм 12,7
11
< 1 МОм
1 0,7
Резисторы переменные: непроволочные керметные
< 10 Ом 2' 100 Ом
11,6
11
< 100 Ом 2' 330 Ом
11,4
11
< 330 Ом
11,0
11
< 10 кОм 2' 100 кОм
1 0,9
проволочные
2' 1 кОм
11,9
11
< 1 кОм 2' 10 кОм
10,5
Таблица
7.21
Значения коэффициента K R дЛЯ металлодиэлектрических резисторов Мощность, Вт
КМ
Мощность, Вт
КМ
Мощность, Вт
КМ
0,062--{),5
0,7
1-2
1,5
5-10
4,5 Таблица
7.22
Значения коэффициента КU дЛЯ переменных непроволочных резисторов Ираб / Иту
КU
Ираб / Иту
КU
Ираб / Иту
КU
2' 0,1 2' 0,8
1,0
< 0,8 2' 0,9
1,05
< 0,9 2' 1,0
1,2
Элементы коммутации (переключатели, тумблеры, кнопки и т.п.). Значения Кр рассчитывают по модели А
ЕD =
где
рабочая температура, ос
t-
7
t + 273
12
( 398 J exp(1,25K
(7.47)
j ),
(25 :::: t :::: tMaкc );
tMaкc - максимально допустимая по ТУ температура окружающей среды;
КН
-
коэффициент электрической нагрузки по току.
Значения коэффициента ККК выбирают из табл.
7.23. Таблица
7.23
Значения коэффициента Ккк для коммутационных изделий Группа изделий
Количество задействованных контактов
Однополюсные
Тумблеры
Двухполюсные Трёхполюсные Четырёхполюсные
171
Ккк
0,5 1,0 1,5 2,0
Группа изде-
Количество задейст-
лий
вованных контактов
Переключатели кнопочные, движковые
1 2 2'3
Ккк
0,25 1,0 2,0
Соединители (разъёмы). Значения Кр определяют по модели
А
Е
[(1 J 9000
= ехр D
1
-
298 + t,
273 + t,об + t, ехр[-1,8(1-К)
] ,
)]
(7.48)
где tп - температура перегрева контактов по ТУ при максимальной токовой на грузке, по ТУ tп =
10 ... 30 ОС;
toкp - температура окружающей среды, ОС;
КН
-
коэффициент электрической нагрузки по току.
Значения коэффициента, учитывающего влияние на надёжность соедини теля количества задействованных контактов Н, могут быть рассчитаны по мо дели вида
К
ЕЕ
=
exp[O,l(N _1)]°,51064
(7.49)
Значения коэффициента, учитывающего влияние на надёжность соедини теля количества сочленений-расчленений
n, рассчитываются
по модели
ККС = 0,37ехр(0,002n).
(7.50)
Знакосинтезирующие индикаторы. Значения коэффициента Кр для по лупроводниковых индикаторов определяют по модели
(7.43),
точно также как и
для диодов излучающих инфракрасного диапазона. Значения коэффициента К, дЛЯ вакуумных люминесцентных индикаторов с зелёным люминофором могут быть рассчитаны по формуле К, = exp[0,00923(toкp -
25)],
(7.51 )
где toкp - температура окружающей среды, ОС.
ДЛЯ других цветов люминофора К, принимается равным единице. Трансформаторы. Значения коэффициента К, рассчитывают по модели
К, =А (t ехр
где
tM
-
1
+273JG , , 01
(7.52)
температура максимально нагретой точки обмотки трансформатора, ха рактеризуется классом изоляции;
А,
G, ТМ -
постоянные модели (табл.
7.24). Таблица
Значения постоянных модели Максимально
Максимально допусти-
допусти-
мая температура по
ТУ
А
G
ТМ
tшах , ос (класс изоляции)
70 ... 85
172
(А)
7.24
(7.24)
мая температура по ТУ
А
G
ТМ
0,891
14
352
tшах , ос (класс изоляции)
0,81
15,6
329
95 ... 105
(В)
Температуру
tM
определяют как
(7.53) где toкp - температура окружающей среды, ОС; tп -
температура перегрева, ОС.
Значения tп для частоты питающей сети
f
50
=
Гц можно рассчитать по
формуле
+1],
tп = 0,25tпл [3Кн а Дляf>
50 Гц -
(7.54)
по выражению
(7.55) где tпту - максимальная температура перегрева по ТУ, ОС;
КН
коэффициент электрической нагрузки трансформатора по мощности.
-
Для трансформаторов =тания РЭА tшах =
85
ОС; tп.ту ::::
55
ОС.
Дроссели, катушки индуктивности. Значения коэффициента Кр при мерно могут быть рассчитаны с помощью математической модели
1 К и = 1 35 _ 118K n
,
где КН
,
(t""б _ 50)0.0851 ,
1
коэффициент нагрузки (см. табл.
-
ехр
(7.56)
lе
7.4);
toкp - температура окружающей среды, ОС.
Реле. Значения коэффициента Кр рассчитывают по математической моде ли вида
А
Ef)-Aexp _ '
[(K-N i JH + (tiОб + 273JG. , s
гдеА, Нт,
G, N s, Н -
(7.57)
НТ
постоянные коэффициенты (табл.
7.25);
toкp - температура окружающей среды, ОС;
КН
-
коэффициент нагрузки реле по коммутируемому току (КН ~ Iраб / Iтy ). Таблица Значения коэффициентов модели
Максимально допустимая тем-
Вцд
пература по ТУ
нагрузки
До
85
ос включительно
активная
Значения коэффициентов
А
НТ
G
0,1951
352
15,7
0,1919
377
10,4
индуктивная
> 85
ОС до
125
ос
активная индуктивная
173
7.25
(7.57)
Н
Ns 0,8 0,4 0,8 0,4
2 2
Значения коэффициента Кр в зависимости от числа коммутаций реле в час
N
при работе в составе РЭУ могут быть определены как Кр =
0,1
приN <
1, Кр =N110
приN2':
1.
(7.58)
Значения коэффициента Ккк, учитывающего влияние на надёжность реле количества задействованных контактов
ККК =
n: 0,52 + 0,0664n.
(7.59)
Пьезоэлектрические приборы. Усреднённые значения коэффициента К, можно рассчитать по модели
К, =
exp[0,0l7(t - 25)],
(7.60)
где toкp - температура окружающей среды, ос.
Предохранители. Значения коэффициента К, рассчитывают по модели К, = 0,089461toкp -
0,77938,
(7.61)
где toкp - температура окружающей среды, ос.
Кабели, шнуры, монтажные провода. Усреднённое значение коэффи циента К, определяют по математической модели
К,
=
1 exp[457i- 1 l298 tб + 273
JJ,
(7.62)
где tp - рабочая температура, ос. Температура tp складывается из двух составляющих:
(7.63) где toкp - температура окружающей среды;
6tп -
перегрев, обусловленный теряемой в кабеле (проводе) электрической или электромагнитной энергии.
Значения J'.,.tп для шнуров питания и монтажных проводов примерно мо
жет быть найдена как
(7.64) где КН
-
tMaкc
-
коэффициент электрической нагрузки; максимальная рабочая температура шнура, провода, ос.
Коэффициент КН определяют как отношение
КН = j/jмaKc, где
j -
jмaKc
174
-
рабочая плотность тока в проводе, максимально допустимая по ТУ плотность тока.
(7.65)
Плотность TOKajMaкc в случае недостаточности данных может быть приня
та равной 3,5 А/мм
2
Должно выполняться условие
tp
::::
tMaкc . В противном случае величина Кн
должна быть уменьшена. Значения максимальной рабочей температуры tMaкc для кабельных изде лий РЭА шпрокого применения выбираются из табл.
7.26. Таблица
7.26
Максимальная рабочая темперюура кабелей, шнуров, монтажных проводов
Группа кабельного изделия
1.
tMaкc , ос
или
70
0,08; 0,12; 0,14; 0,20; 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5
Монтажные и соединительные низковольтные про-
85
Монтажные и соединительные низковольтные прос
изоляцией
из
хлопчатобумажной
пряжи
шёлка и поливинихлорида
вода с полиэтиленовой (ПЭ) изоляцией
4.
2
70
Монтажные и соединительные низковольтные про-
вода
3.
токопроводящих
ЖИЛ, мм 0,08; 0,12, 0,20; 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5
вода с поливинихлоридной (ПВХ) изоляцией
2.
Суммарное сечение
Значение
Монтажные и соединительные низковольтные про-
100
вода с двухслойной шелковой полиэтиленовой (ПЭ)
0,08; 0,12; 0,20; 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 0,08; 0,12; 0,20; 0,35; 0,5; 0,75; ...
изоляцией
5.
Шнуры питания с ПВХ изоляцией
70
0,35; 0,5; 0,75
6.
Шнуры питания с ПВХ изоляцией в ПВХ оболочке
70
0,5; 0,75; 1,0; 1,5
7.
Шнуры питания гибкие с изоляцией и в оболочке из
100
0,75; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0
кремнийорганической резины
7.
Кабели радиочастотные со сплошной ПЭ изоляцией
85
-
и в ПЭ или ПВХ оболочке
Пример расчёта показателей безотказности РЭУ
7.5.
Рассмотрим уточнённый расчёт показателей безотказности функцио нального модуля, выполненного с использованием печатного монтажа в виде
типового элемента замены (ТЭЗ) на двухслойной печатной плате с металлизи
рованными сквозными отверстиями. ной плате
853,
Общее количество отверстий на печат
из них металлизацию имеют
505
отверстий. Электрическое со
единение ТЭЗ с РЭУ, в составе которого будет функционировать ТЭЗ, осуще ствляется посредством соединителя типа СНП34. РЭУ предназначено для экс плуатации в в составе подвижной (возимой) аппаратуры категории исполне ния УХЛ
3.1
по ГОСТ
ком, составляет
P(tp )
и Ту при у =
tp = 95%.
15150-69. Заданное время работы, указанное заказчи 1000 ч. Интересующие показатели безотказности - ТО,
Предполагаем, что в нашем распоряжении имеются карты электрических
режимов работы элементов ТЭЗа и результаты теплового расчёта РЭУ, в соста ве которого будет функционировать ТЭЗ: перегрев в нагретой зоне J'.,.tз =
175
15
ОС;
средний перегрев воздуха в рэу МВ =
1О
ос.
Считаем, что схемотехническое решение тэз таково, что ИМС работают в усреднённых электрических режимах при функпионировании тэз. Информация об элементах, входящих в тэз, соответствует табл.
7.27.
Таблица
7.27
Элементы и компонеНThI, входящие в ТЭЗ Элемент,
Позиционное
компонент
обозначение
имсl)
DA1
512ПСll
ИМС
DDl
533АГ3
ИМС
DD2-DDl1
533ИК4
ИМС
DD12-DDl7 DD18-DD23 DD24 DD25
533ИР28
Регистр
533ИEl7
Счётчик
541РУ5
ОЗУ
573РФ2
ПЗУ
VDl- VDl2
КД520А
-
VS1
КУ709Г2
Симистор
YТl- yТl2
КТ3130А
-
12
Кн (И)
КТ653А
-
4
кн(и)
С1-С30
КlO-73
-
30
Резисторы
Rl-R52
С2-34
-
52
Резисторы
R53 -R54
С2-23
-
2
XS1
СНПЗ4
-
1
Q1
РКЗ71
-
1
-
-
-
505
-
-
-
505
ИМС ИМС ИМС Диоды импульсные
Тиристор Биполярные транзисторы (БТ) БТсредней
YТl3
мощности
Конденсаторы керамические
Соединитель (розетка) Кварцевый резонатор
мо 2 ) ,
пропаян-
-
yТl6
Тип
Функциональное
Коли-
назначение
чество
Преобразователь частоты
Формирователь импульсов
Комбинированная цифровая ИМС
МО,
пропаянные
Соединения пайкой волной 1) 2)
-
-
1
238
элементов
элементов
2200
6 6 1 1
560 элементов 455 элементов 8192 бит 16384 бит UОб~~ 60 В Кн ( < 0,6
1
348
-
5652 элемента
10
12
ные волной Iручным способом
1
Примечание
Imax.cpTY ~
10
А
Мощность до
Мощность до С
1 Вт,
< 05 , 5 Вт,
< 0,5
- 0,01
мкФ,
U~100 В
Р ном ~
0,125
Вт,
R<1KOM Р ном -
1 Вт,
R<1KOM
135 n
се
[~
контактов,
200
за время tз
1048,576
кГц
-
Сторона
установки
элементов
Дополнительно к МО, пропаянных волной
Корпуса используемых ИМС - пластмассовые. МО - металлизированные отверстия.
Этапы расчёта.
Этап
1.
Пользуясь картами электрических режимов, находим коэффици
енты электрической нагрузки элементов. Считаем, что полученные данные со
ответствуют значениям, указанным в табл.
176
7.27.
Таблица 7.28 Расчёт эксплуатационной безотказности элементов ТЗЗ Позиционное
обозна-
Количе-
СТВО
Кн
Лог (Аб), х 10-6
Значение поправочного коэффициента
Вид математической
модели расчёта Аэ
1/ч
Ккорп
Kv
4,25
1,88
3
1
1,5
35.955
2,66067
1,62
1,99
3
1
1,5
14.5071
0,551298
3,08
1,99
3
1
1,5
27.5814
10,48093
2,08
1,99
3
1
1,5
18.6264
4,246819
1,96
1,99
3
1
1,5
17.5518
4,001810
2,13
1,99
3
1
1,5
19.07415
1,754822
3,33
1,99
3
1
1,5
29.82015
1,4910075
2,5
1,2159
0,9921744
Кр
Кф
К/Щ.
КU
Кс
KR
n;
DA1
1
-
0,074
DDl
1
-
0,038
DD2-DDl1
10
-
0,038
DDl2-DDl7
6
-
0,038
DDl8-DD23
6
-
0,038
DD24
1
-
0,092
DD25
1
-
0,05
EvE y Ау = Аолк,ЕNFi;"бi EvE y Ау = Аолк,ЕNFi;"бi EvE y Ау = Аолк,ЕNFi;"бi EvE y Ау = Аолк,ЕNFi;"бi EvE y Ау = Аолк,ЕNFi;"бi EvE y Ау = Аолк,ЕNFi;"бi EvE y
VD1-VD12
12
0,4
0,068
Ау
VS1
1
0,3
0,38
Ау=АолЕf,ЕЛiЕу
0,182
12
0,2
0,12
Ау
= А олЕrft6 Е Aj ЕuЕ у
0,21
0,7
0,5
4
0,6
0,12
Ау = АолЕrft6Е лi ЕuЕ у
0,47
0,7
0,8
С1-С30
30
0,1
0,038
Ау
= А олЕ ,,Е flE у
0,07
Rl-R52
52
0,1
0,01
Ау
= АолЕ fJE R E i
Еу
0,41
1
R53-R54
2
0,6
0,01
Ау
= АолЕ fJE R E i
Еу
0,84
1
XS1
1
0,2
0,01
Ау = AOJ..EfJEpJ'.EEf.JEy
Q1
1
-
0,05
Ау = АОА.Е,Еу
1
-
348
-
yТl-yТl2
yТlз-yТl6
Печатная rшата
-
Соединения пайкой волной
0,000138
= А олЕrft6 Е Aj ЕuЕ у
х10- 6 1/ч
К,
Кси
чение
Ау = Аолк,ЕNFi;"бi
n}-Эj,
П К, ,
1,93
0,6
0,6
КМ
ККК
ККС
0,7
6
2,5 2,73
1,0374
0,5
2,5 0,091875
0,1323
0,5
2,5 0,329
0,15792
2,5 0,21175
0,241395
0,7
2,5 0,7175
0,3731
1,5
2,5 3,15
0,063
2,5
1,3327875
1,21
2,25
43,08 0,55
133,27875
2,5 3,825
0,19125
7.7
2,5
2,5
0,643875
Ау=АаЕ у
2,5
2,5
0,12006
См. табл.
1,53
Кэ
Этап
Определяем макспмальную температуру элементов ТЭЗ при ра
2.
боте ТЭЗ в составе РЭУ. ДЛЯ учёта влияния температуры на эксплуатационную интенсивность отказов элементов Аэ принято во внпмание верхнее значение пре
дельной рабочей температуры ГОСТ
(+40
ос), соответствующее исполнению УХЛ3.1 по
15150-69.
Предельная рабочая температура tэлшlX теплонагруженных элементов (ИМС, транзисторы, диоды, мощные резисторы) определена как
t эл . тах
= t раб . тах + I1t з = 40 + 15 = 55 ос,
где tрабтах - верхнее значение предельной рабочей температуры I1tз
-
(+40 ос);
перегрев в нагретой зоне блока управления.
Нагретая зона
-
это гпиотетический объём, в котором условно рассеива
ется вся тепловая энергия, выделяемая элементами РЭУ. Значение величины tэлтах для нетеплонагруженных элементов (конденса
торы, слабонагруженные резисторы, соединитель, кварцевый резонатор) под считано как
t эл . тах
= t раб . тах + I1t B = 40 + 10 =50 ос,
где tB - средний перегрев воздуха внутри конструкции РЭУ.
Этап
3.
Пользуемся табл.
7.9.
находпм справочные значения интенсивно
стей отказов элементов ТЭЗ. Полученные данные внесены в табл. Этап
4.
По табл.
7.7
7.27.
выбпраем математическую модель расчёта эксплуа
тационной интенсивности отказов элементов Аэ ТЭЗа. Выбранные модели за писаны в табл. Этап
5.
7.27. Определяем значения поправочных коэффициентов, входящих в
выбранные модели расчёта эксплуатационной интенсивности отказов элемен тов Аэ. Номера формул пли таблиц, используемых для определения поправоч ных коэффициентов, находпм по табл.
7.7
в зависпмости от вцда элементов
ТЭЗ. Напрпмер, для расчёта коэффициентов Кси интегральных микросхем ис пользована модель
(7.38) и табл. 7.10.
Полученные значения поправочных коэффициентов записаны в табл. Этап
6.
7.27.
Для каждого элемента пли группы элементов ТЭЗ находпм про
изведение поправочных коэффициентов и значение суммарной эксплуатацион ной интенсивности отказов Аэ'i., определяемое как k
Ay'i.
=
LAy}n} , }~l
где
k- число сформированных групп однотипных элементов; Аэ} - эксплуатационная интенсивность отказов элементов j-ой группы; n} - количество элементов вj-й группе (см. табл. 7.27). Если в группе один элемент (n) = 1), то для неё Аэ'i. = Аэ. Результаты расчётов этапа внесены в два последних столбца табл.
7.27.
178
Этап
7.
Определяем эксплуатационную интенсивность отказов печатной
платы, используя модель, приведённую в табл. двухсторонних
7.7. Учитывая, печатных плат коэффициент Ксл = 1, получаем
Аэ = 0,034·10-9·2,5[505·1
+ 505(1 + 13)]
=
что для одно- И
0,29155·10-6 l/ч.
Использованная модель распространяется только на соединения (пайки) в металлизированных отверстиях. Пайки на печатной плате не в металлизиро ванных отверстиях должны учитываться отдельно. Печатная плата как компо
нент конструкции ТЭЗ образует отдельную группу, для неё Аэr. = Аэ. Значение за=сываем в последний столбец табл. Этап
8.
7.27.
Определяем общую эксплуатационную интенсивность отказов
соединений пайкой волной для отверстий, где нет металлизации, и результат
заносим в последний столбец табл.
Аэr. =348· АБКЭ = IАб = Этап
9.
7.28:
=0,0138·10-8 1/ч (см. табл. 7.8) 1=
348·0 ,0138·10-8·2 "5 = О 12006·10-6 1 /ч
.
Подсчитываем эксплуатационную интенсивность отказов ТЭЗа
(А тэз ). Для этого просуммируем значения, приведённые в последнем столбце таБЛ.7.28:
Атэз "" 30,473·10-6 1/ч . Этап
10.
В предположении экспоненциального закона надёжности нахо
дим расчётные значения других показателей безотказности: а) наработка на отказ
То = l/А тэз ""
32 815
ч;
б) вероятность безотказной работы за время tp =
1000 ч
р.ОУ<.,.\ Jt ) = е -tб/ТО = О 97' б , , в) гамма-процентная наработка до отказа при у =
Ту = -То 1п(у 1100) =
179
-32
8151пО,95
95%
"" 1683 7.
8.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
8.1. На
всех
этапах
Государственные стандарты
жизненного
цикла
(разработка
-
производство
-
эксплуатация) РЭС сопровождает техническая документация. Состав этой до кументации и ее содержание определяют государственные стандарты. В на
стоящее время имеется большое количество стандартов, которые сгру=ирова ны по направлениям жизненного цикла изделий в следующие комплексы:
ЕСКД
ЕСТД ЕСПД ЕСТПП
ЕСЗКС
единая система конструкторской документац=; единая система технологической документац=; единая система программной документации;
-
единая система технологической подготовки производства;
единая система защиты изделий и материалов от корроз=, ста-
рения и биоповреждений и др. Основная техническую,
задача
стандартизац=
информационную,
-
обеспечить
методическую
единую
нормативно
и организационную
основу
проектирования, производства и эксплуатац= изделий. При этом обеспечива ется использование единой терминологии, взаимообмен документацией между предприятиями без ее переоформления, совершенствование организации про ектных работ, возможность автоматизации разработки технической документа ции с унификацией машинно-ориентированных форм документов, совершенст вование способов учёта, хранения и изменения документации и др.
[3].
Например, государственные стандарты, входящие в ЕСКД устанавлива
ют
взаимосвязанные единые правила и положения по порядку разработки,
оформления и обращения конструкторской документации на изделия. Этим стандартам присваивают обозначения по классификационному принципу. Но мер стандарта составляется из цифры, присвоенной классу стандартов ЕСКД одной цифры после точки, обозначающей классификационную группу стандар тов в соответств= с табл.
8.1,
числа, определяющего порядковый номер стан
дарта в данной группе, и двузначной цифры (после тпре), указывающей год ре гистрации стандарта. Например, обозначение стандарта ЕСКД «ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению» имеет вид: ГОСТ
2.701-84,
- категория нормативно-технического документа (государственный стандарт), 2 - класс (стандарты ЕСКД), 7-классификационная группа стандар тов, 01 - порядковый номер стандарта в группе, 84 - год регистрации стандар т.е. ГОСТ
та.
Таблица
8.1
Классификационные гру=ы стандартов в ЕСКД Шифр
Содержание стандартов в гру=е
группы
О
Общие положения
1
Основные положения
180
Классификация и обозначение изделий в КД
2 3 4
Общие правила вьmолнения чертежей
Правила вьmолнения чертежей изделий машиностроения и приборостроения
Правила обращения КД (учёт, хранение, дублирование, вне-
5
сение изменений)
Правила вьmолнения эксплутационной и ремонтной доку-
6
ментации
Правила вьmолнения схем
7 8
Правила вьmолнения документов строительных, судостроительных и горных дел
Прочие стандарты
9
8.2.
Конструкторские документы
К конструкторским документам относят графические и текстовые доку менты, которые определяют состав и устройство изделия и содержат необхо димые данные для его разработки, изготовления, контроля, приемки, эксплуа тации и ремонта. Документы в зависимости от стадии разработки подразделя ются на проектные и рабочие. К первым относятся техническое предложение, эскизный и технический проекты
[7].
На стадии создания рабочей документации выполняются следующие ра боты:
- разработка
конструкторских документов, предназначенных для изготов
ления и испытания опытного образца;
-
изготовление и испытание опытного образца; корректировка конструкторских документов по результатам испытаний
опытного образца;
-
прием очные испытания опытного образца; корректировка
конструкторской документации по результатам прие-
мочных испытаний опытного образца;
-
изготовление и испытание установочной серии; корректировка конструкторской документации по результатам изготов-
ления и испытания установочной серии;
-
изготовление и испытание головной (контрольной) серии (при необхо
димости). Откорректированная в таком порядке документация используется для ор ганизации серийного производства изделий. Документам технического пред ложения присваивается литера «П»; эскизного проекта
- «3»;
проекта
«О»; серийного (мас
-
«Т»; рабочей документации опытного образца
сового) производства
181
-
«А» или «Б».
-
технического
8.3.
Схемная документация
Схемы разрабатываются на такие изделия, изготовление, описание функ ционирования и эксплуатация которых невозможны без условного изображения состава и взаимодействия их составных частей.
Схема
-
это графический конструкторский документ, на котором показа
ны в вцде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними. Такие документы входят в комплект конструкторской доку
ментации и содержат вместе с другими документами необходимые данные для проектирования, изготовления, сборки, регулировки и эксплуатации изделий. В зависимости от составляющих элементов и связей между ними схемы
подразделяются на вцды, обозначаемые буквами:
3ГКЛ П -
электрические; гидравлические; пневматические; оптические; пневматические и др.
По основному назначению схем их подразделяют на следующие типы,
обозначаемые цифрами:
123-
структурная;
функциональная; прпнципиальная;
4 - соединений; 5 - подключения; 6 -общие; 7 - расположения; 8 - прочие; О - объединенные. Наименование схемы определяется ее видом и типом, например:
- 31; принципиальная - 33.
схема электрическая структурная схема электрическая
Схемы выполняются без соблюдения масштаба,
действительное про
странственное расположения составных частей изделия не учитывается или
учитывается приближенно.
8.4.
Схемы электрические принципиальные
Принциииальная схема определяет полный состав элементов и связи ме
жду ними и дает детальное представление о принципах работы изделия. Она служит исходнь~ документом для разработки других конструкторских доку ментов, в том числе чертежей. Такие схемы также используются при изучении
принципов работы изделий при их наладке, контроле и ремонте. В качестве примера на рис.8.1 представлена принциииальная схема источника пптания.
182
VТ1
КТ815А
r--+ Rl 360 UBbIX
+
VD5 Д8 14Д
_
Рис.8.1. Принципиальная схема источника питания Поз иционные обозначения эле ментов проставляют на схемах рядом с их установленными графическими обозначениями с правой стороны или над ни ми.
При указании около условных графических обозначений номиналов ре з исторов и конденсаторов допускается применять упрощенный способ обозна чения единиц измерений. Например, для резисторов: от О до
999 Ом - без указания единиц из мерения; от 1·103 до 999·103 Ом - В килоомах с обозначением единицы измерения строчной буквой К;
от 1·106 до 999·106 - в мегаомах с обозначением единицы измерения про писной буквой М ;
свыше 1·109 - в гигаомах с обозначением единицы измерения прописной буквой Г. Для конденсатоgов:
от О до 9999·10· 2 Ф - В пикофарадах без указания единицы измерения; от 1·10·8 до 9999·10·6 Ф - В микрофарадах с обозначением единицы изме рения буквами мкФ. Номинальная мощность рассеяния резисторов обозначается условными знаками (рис.8.2). О,12Вт
О,Об2Вт
---1 ///
~
---1
~
~
---1
/
lВт
O,SBT
---1-
//
О,25Вт
---1
~
~ 2Вт
---1
11
~
Рис.8.2. Условные знаки для резисторов соответствующей мощности
Общие требования к выполнению схем устанавливает ГОСТ
2.701-76.
При меры выполнения основных разновидностей схем изложены, например, в справочном пособии
[7].
В качестве при мера на рис.2.3 представлена структур
ная схема источника питания в соответствии с рис.8.1.
ИО,
Парамe'Ipический
ВЫПРЯJ\.1ИТель
Рис.
8.3.
u,ь",
стаБI-Шизатор
Структурная схема источюпш ШIТaIOIЯ
Все сведеЮIЯ об элементах, входящих в состав издешrя: и изображенных на ПРИНЦIПШШIЬной схеме, ЗaJШсывают в перечень элементов, кarорый поме щают на первом листе схемы шш выполняют в виде
самостоятельного доку
мента.
В первом случае перечень ОФОРWIЯЮТ в виде табшщы по определеююй форме над основной надписью, на расстояюш не менее 12:м:м жение перечня: (есШI это необходимо) помещают слева
ar
ar
нее. П}XJдол
основной надrшси,
повторяя заглавную часть табшщы. Во втором случае (самостояrель:ны:й документ) перечень элементов вы ПОШlЯЮТ на листах фор:мата А4 с присвоеюrем пшфра, состоящего из буквы П (перечень) и IШIфра схемы, к кarо}XJЙ офОРМJIЯется перечень, например, пэз перечень элементов к пртщшшапьной электрической схеме.
Пример ОФОРWIeНИЯ перечня: элементов
20 П@ ,
185 110
"1"
обозна чение
Наименование
~I)O~I Кол.
~I гримечание
lГJ ~
Резисторы
R1
C2-ЗЗ- О,25 -221кОм
1
+-l % -Д-В-В-Д
ОЖО .4 67 .17ЗТУ
8.5.
Тексговые документы
К текстовым документам опюсится расчётно-поясюпельная ЗaJШска. В
этом докумете излагаются сведеюrя о результатах ВЬПIошrеююй рабаты по
184
проектироваюпо изделия с приложением (при необходимости) графических до кументов. Пояснительная записка выполняется на листах формата А4. Она в общем случае должна включать следующие разделы:
- введение
с указанием, на основании каких документов разработан про-
ект;
- назначение и область применения проектируемого изделия; - техническая характеристика; - описание и обоснование выбранной конструкции; - расчёты, подтверждающие работоспособность и надёжность
конструк-
ции;
- описание организации работ с применением разрабатываемого - ожидаемые технико-экономические показатели; - уровень нормализованной оценки или унификации. Общие ГОСТ
требования
2.105-95.
к
текстовым
документам
Формы и правила выполнения
8.6.
-
ГОСТ
изделия;
регламентируются
2.106-68.
Комплектность конструкторских документов
Конструкторская документация бывает текстовой
и
графической.
Но
менклатура (перечень) документации, выполняемой на том или ином этапе
проектирования, комплект (табл.
8.2).
Таблица
8.2.
Номенклатура конструкторских документов для различных этапов проектирования РЭС Наименова-
Шифр
Тех-
Эскиз-
Тех-
Рабочая документация на изделия
ние
нич.
ный
нич.
документа
предл.
проект
проект
детали
сбо
ком-
ком-
р.
плексы
плекты
ед.
1 Чертеж де-
2 -
3 -
4 -
5 +
6 (+)
7 -
8 -
9 -
СЕ
-
-
-
-
(+)
-
-
ВО
+
+
(+)
-
-
-
-
ТЧ
-
+
+
+
+
+
-
ГЧ
+
+
+
+
+
+
-
тали
сборочный чертеж
Чертеж общего вида
Теоретическийчертеж
габаритный чертеж
185
мч
-
-
-
-
+
+
-
Схемы
-
Специфика-
СП
+ -
+ -
+ -
-
+ (+)
+ (+)
+ (+)
ВП
-
+
+
-
+
+
+
пз
(+)
(+)
(+)
-
-
-
-
ТУ
-
-
-
+
+
+
+
пм
-
+
+
+
+
+
-
ТЕ
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + -
Монтажный чертеж
ция
Ведомость покупных
изделий
Пояснительная за-
=ска
Технические условия
Программа и методика
испытаний
Табшщы Расчёты
РР
Патентный
ПФ
формуляр Примечание:
(+) -
обязательный документ;
по усмотренIПO разработчика;
«-» -
«+» -
документ составляется
документ не составляется.
Обязательными чертежами рабочей документации являются чертежи де талей и сборочные чертежи. На каждую деталь и сборочную единицу выпол няют отдельный рабочий чертеж с основной над=сью. Рабочий чертеж должен содержать все сведения для изготовителя и контроля изделия:
- графические изображения, полностью отражающие его форму; - необходимые размеры с предельными отклонениями; - указания о шероховатости поверхностей; - технические требования, содержащие различные данные, которые
не-
возможно представить графически. Текстовые технологические требования за=сывают в тех случаях, когда они
являются
единственными
гарантирующими
качество
изделия,
например,
технологIПO склеивания, совместной обработки деталей и т.д.
8.8.
Технические требования и техническая характеристика
Эти данные располагают над основной надписью. На листах формата бо лее А4 допускается размещение текста в две и более колонки. Пункты техниче ских требований и технической характеристики должны иметь самостоятель ную нумерацIПO. Общая шприна колонки должна быть не более
185 мм.
186
Технические требования на чертеже излагают, группируя однородные и
близкие по своему харакгеру требования по возможности в такой последова тельности:
1)
требования, предъявляемые к материалу, заготовке, термической об
работке и к свойствам материала готовой детали (например твердость), указа ние материалов заменителей;
2)
размеры (формовочные и штамповочные уклоны, радиусы и пр.), пре-
дельные отклонения размеров, не указанных на чертеже, и Т.Д.;
3) 4) 5) 6)
требования к качеству поверхностей (отделка, покрытия); зазоры, расположение отдельных элементов конструкции;
требования, предъявляемые к настройке и регулированию изделия; другие требования к качеству изделий, например, бесшумность, виб-
роустойчивость и Т.Д.;
7) условия и методы испытаний; 8) указания о маркировании и клеймении; 9) иравила транспортирования и хранения; 10) особые условия эксплуатации. Техническая характеристика изделия размещается отдельно от техниче
ских требований и имеет самостоятельную нумерацию иунктов. Пример техни ческой характеристики
-
модуль зубчатого зацепления, число зубьев шестерён
ит.д.
На поле чертежа могут размещаться и таблицы. Их размещают на сво бодном поле чертежа справа или ниже изображения изделия. Содержанием таблиц могут быть данные, наиример, о числе витков и диаметре провода обмо ток трансформатора и др.
8.8.
Размеры, допуски и посадки на чертежах
Размерные числа, нанесенные на чертеже, должны однозначно опреде лять размеры изделия и его элементов. Размеры, как правило, проставляют от
баз. Для каждого размера указывают предельные отклонения. Разновцдности баз могут быть следующие:
-
технологическая,
используемая для определения
положения заготовки
или изделия в ироцессе изготовления или ремонта;
-
конструкгорская, используемая для определения положения детали пли
сборочной единицы в изделии;
-
измерительная, оиределяющая относительное положение заготовки или
изделия и средств измерения.
Базами могут служить кромки плоских деталей, торцы круглых деталей, оси симметрии и др.
Установлены два способа нанесения размеров от баз:
- координатный,
когда размеры наносятся от одной, основной базы или от
нескольких баз лесенкой (рис.
187
8.4,
а);
-
цепной, когда размеры наносятся цепочкой, исключая один из размеров
той части детали, которая не подвергается обработке и имеет самый большой допуск на размер (рис
.......
б).
8.4,
....
. ..... о
•
•
•
•
•
..
. . . . . .
.
••. ~~Щ~ •• ·. 1~~~Щ ~ ····. .. . . ......
•• 1:t ••• ••~~ . ·•..• ;€ •. Ч .. .iТ'. .. (;!Т . •
. . . . . . .
,
_
...
.... ... ..
.... .. . ... . ~:":":""'-'-'-'-~,;...j.;.,;':"':":'':'':'':';,.;..j
.... . .. .....
. ..... . .. .. ..... .. . .. .... .. ..... .. . . . . . . ..... ... . . .. . , . . . . .. . . .. . . .. . . . . . .... . .. . . . . ..... ........ ..... . .... _.. ..... . . . . . ......... . ............ ........... ....... ....... . ............ . . . . . ............. .. . . .. .. . . .. ....- .. . ....... . ... ... . . . -.... . . .. .. . ..... . .. .. .... .. ..... ....
'"
б
а
Рис.
8.4.
Способы нанесения размеров от баз
Нанесение размеров в виде замкнутой цепи допускается только в том случае, когда один из них указывается как справочный. Справочный размер от
мечают на чертежах знаком
«*»,
а в технических требованиях записывают:
Этот размер не выполняется по данному черте:ж:у и указывается для большего удобства пользования черте:ж:ом. Понятия о допусках и посадках для различных видов соединений осно вывается на некоторых терминах и определениях (рис.
8.5).
*Размер ДЛЯ справок.
Пол е д оп у с ка 01Верстия
с х Вал
d
Е::
П ол е д оп уска вала
Е::
uu
Рис.
8.5.
Расположение полей допусков отверстия и вала при посадке с зазором
188
Допуск
разность между наибольшим и наименьшим предельными раз
-
мерами. Предельные отклонения линейных размеров на чертежах указывают
одним из трех способов (рис.8.6):
- условными обозначениями полей допусков; - числовыми значениями предельных отклонений; - условными обозначениями полей допусков с указанием
справа в скоб-
ках числовых значений предельныIx отклонений.
00 ~
030(+0.040) - 0.073
030 +0.040
- 0.073
Рис.
8.6.
о о
+
Варианты обозначений на чертежах предельных отклонений линейных размеров
Условное обозначение состоит из буквы, определяющей положение до пуска относительно номинального размера, и цифры, соответствующей номеру квалитета.
Номинальный размер
-
размер, относительно
которого определяются
предельные размеры и который служит также началом отсчёта отклонений. Квалитет (степень точности)
темы. Установлено
19
-
ступень градации значений допусков сис
квалитетов, которые имеют номер
01,
О,
1,2, ... 16, 18.
Они образуют единую шкалу точностей в машино- и приборостроении. Ориен тировочная применяемость квалитетов: квалитеты мерения квалитеты
4 - 12 -
01 - 7
-допуски средств из
допуски размеров в посадках; квалитеты
12 - 17 -
допуски не ответственных размеров (несопрягаемых или в грубых соединени ях). Поля допусков отверстий обозначаются прописными, валов
-
строчными
буквами латинского алфавита. Посадка
-
характер соединения деталей, определяемый величиной полу
чающихся в нем зазоров или натягов (рис.
8.7).
Возможны посадки с зазором, с
натягом и переходные посадки, когда возможно получение как зазоров, так и натягов.
189
L о::
f-О
::r::
Рис.
8.8.
Схема зазора и натяга
Предельные ОТЮIOнения размеров деталей , изображенных на чертеже в сборе (посадки), указывают в виде дроби: в числителе нателе
-
для вала (рис.
для отверстия, в знаме
8.8).
// / / / / / / /
\
-
/ /
/
..... 1///////
1/ ///
50 Н 11 hl1 Рис.
8.8.
50 +0,15 -о ,15
Условное обозначение посадки
Многократно повторяющиеся на чертежах предельные отклонения отно
сительно низкой точности (от 12-го квалитета и грубее) после номинальных размеров допускается не наносить, а оговорить общей записью в технических
требованиях в одном из вариантов:
1.
«Неуказанные предельные отклонения размеров: отверстия
валов-поhI4, остальных-±
2.
12
2
IТ
2
по Н14,
»;
«Неуказанные предельные отклонения размеров
Обозначение ± тому,
IТ
-
±
1Т14
2
».
рекомендуется для симметричных отклонений по-
что оно распространяется на размеры различных элементов,
которые не
относятся к валам и отверстиям (расстояние между осями и т.д.)
В процессе проектирования используется
3
метода выбора допусков и
посадок на детали и сборочные единицы:
190
1.
Метод прецеденгов заключается в том, IfГO В чертежах на детали раз
личных изделий, находящихся в эксrшyатации, находят ОДН01ИIlНые детаШl и по ним определяют допуски на размеры проеК1Ируемой детаШl.
2.
Метод подобия. Используя классификационные материалы, устанавШI
вают аналог проеК1Ируемой д етали и по нему определяют допуски и посадЮ1 на проеюируемое издеШlе.
Общими недостатками методов прецедентов и подобия ЯВЛЯlсугся воз можность применения неправильно установленных допусков и посадок и слож
ность определения признаков для выбора аналогов.
3.
Расчё'rnый метод. Для повышения точнос1И и надёжнос1И детаШl целе
сообразно при проеК1ИрОВанни максимально приБШlЗИТЬ размеры детали к рас чё'rnым значениям. Однако при этом подходе MOryT возникать труднос1И тех нолоrnческого и метрОЛОП1ческого характера. Обработка детали по более точ ному допуску требует более сложного оборудования , дорогого инструмента и
высокой квалификацни рабочего. ТаЮ1М образом, требования к точнос1И и стоимос1И нахопятся в ПРO'IИворечни (рис.
,I
~
4
а
,
з
! I, о
о
бi
8.9).
4
2 1 О
0,005
0.02
2
1
0.05
0.1
..,
Допус к ,
8.9. Зависимость между стоимостью и точностью обработки: 1 - холодное волочение ; 2 - обрабО1Ка на токарном станке; 3 - обрабО1ка и ШJll1фование; 4 - обработка, ШШlфование и ПрИ1Ирка. Рис.
При определении допусков необходимы техническо-экономические расчётъI.
8.9.
Параметры шероховатости и их обозначение на чертежах
Шероховатость
-
одна из основных геометричесЮ1Х характерис1ИК каче
ства поверхносrn деталей, оказывающая ВШlяние на эксrшyтационные показа теШl. Требования к шероховатос1И поверхности должны устанавливаться исхо
дя из фушщионалЫIОГО назначения поверхнос1И для обеспечения заданного ка чества изделий.
191
Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля, полу чаемого путём сечения реальной поверхности плоскостью.
В практике проектирования деталей РЭС наиболее часто используются два параметра шероховатости десяти точкам.
Ra -
- Rz
и
Ra . R z
-
высота неровностей профиля по
среднее арифметическое отклонение профиля. Таблица
8.3
Рекомендации по выбору шероховатости поверхностей Шероховатость
Rz 320 Rz 160
Рекомендации по применению
Очень грубые поверхности, не подвергающиеся ме-
ханической обработке, например поверхности отливок хорошего качества
Rz 80
Грубые, не соприкасающиеся друг с другом поверхности. Отверстия на проход крепежных деталей
Rz 40
Свободные поверхности валов, втулок. Поверхности головок винтов
Rz 20
Поверхности деталей, прилегающие к поверхностям других деталей, не трущиеся и не подвергающиеся износу
Ra 2,5
Прилегающие друг к другу, но не трущиеся поверхности высокого качества
Ra 1,25
Трущиеся поверхности при невысоких требованиях к стабильности зазора
Ra 0,63
Соприкасающиеся поверхности, противостоящие износу
Ra 0,32
Соприкасающиеся и декоративные поверхности осо-
бо высокого качества
Ra 0,16
Притираемые поверхности
Используется три основных способа регламентации конструктором качества поверхности, в том числе шероховатости:
1) 2) 3)
по прототипу (метод прецедентов); расчётный; экспериментальный.
Обозначение шероховатостей поверхностей на чертежах:
V-поверхность, не обрабатываемая по данному чертежу;
VL поверхности, вид обработки которых конструктором не устанавли вается;
V - поверхности, вид обработки которых определен конкретно, напри мер, точение или фрезерование;
192
R a 0,025
\~
V
- поверхности, вид обработки которых является един-
ственным.
Значение параметра шероховатости указывают в обозначении шерохова-
тости для параметра R a - ~R a 0,2 , а для параметра Rz - ~ R z 80 . 8.10.
Сборочные чертежи и их содержание
Сборочный чертеж должен содержать:
-
изображение сборочной единицы, позволяющее осуществить ее сборку
и контроль;
-
размеры , предельные отклонения и другие параметры и требования, ко
торые должны быть выполнены или проконтролированы по сборочному черте жу;
- указания
о выполнении разъёмных соединений, если точность сопряже
ния достигается пригонкой или подбором? и указания о методах и характере сопряжения;
- номера позиций составных частей, входящих в изделие ; - габаритные , установочные, присоединительные и другие
необходимые
справочные размеры;
- техническую характеристику изделия (при надобности); - координаты центра тяжести (при необходимости). Как правило , сборочные чертежи выполняют с упрощениями, например, допускается выполнять изображение одной из нескольких одинаковых частей, а изображения остальных давать упрощенные, в виде внешних очертаний. На
разрезах изображают нерассечёнными составные части, на которые оформлены самостоятельные сборочные чертежи. Типовые, покупные и другие широко применяемые изделия и элементы изображают внешними очертаниями. На сборочных чертежах допускается не показывать:
-
фаски, проточки, углубления, выступы, накатки и другие мелкие эле
менты;
- зазоры между стержнями и отверстиями; - крышки , щиты, кожухи, перегородки и Т.Д.;
если необходимо показать
закрытые или составные части изделия, над изображением делают соответст вующую надпись, например «Крышка не показана» ;
-
надписи на табличках, шкалах и других подобных деталях, изображая
только их контур.
Составным частям изделия присваивают номера позиций и указывают их
в спецификации. На сборочном чертеже номера позиций указывают на изобра жениях составных частей, видимых на основных видах и заменяющих их разре
зах. На выносных полках номера позиций располагают параллельно основной надписи чертежа вне контура изображения и группируют их в колонку или
193
строчку по возможности на одной линии. Проставляют ИХ, как правило, один раз. Иногда допускается указывать повторно номера позиций одинаковых со ставных частей. Шрифт номеров позиций должен быть на
1- 2
номера больше,
чем размер шрифта для размерных чисел на том же чертеже. Допускается делать обшую линию-выноску с вертикальным расположе нием номеров позиций: для группы крепежных деталей (винт, гайка, шайба), относящихся к одному И тому же месту крепления, и для группы деталей с от
четливо выраженной взаимосвязью. На сборочных чертежах указывают сле дующие размеры:
- габаритные - длин, ширина, высота; - монтажные - размеры, определяющие
взаимное
расположение состав-
ных частей сборочной единицы;
-
установочные
-
размеры,
по
которым
изделие
присоединяется
друг
к
другу, или к устройству;
- эксплутационные -
диаметры ироходных отверстий и др.
Габаритные, установочные, ирисоединительные, размеры движущихся частей изделия относятся к сиравочным, и их обозначают звездочкой Спецификация и порядок ее оформления
8.11. Спецификация
-
«*».
документ, оиределяющий состав изделия и всей конст
рукторской документации, относящейся к этому изделию. Ее составляют и
оформляют на отдельных листах формата А4 на каждую сборочную единицу, комплекс и комплект.
В зависимости от состава изделия спецификация может состоять из разделов, которые следует располагать сверху вниз в такой последовательности:
- документация; - комплексное; - сборочные единицы; - детали; - стандартные изделия; - ирочие изделия; - материалы; - комплекты. Наименования разделов записываются в виде заголовков в графе «На именование» строчными буквами (кроме первой прописной) и подчеркивают. Ниже и выше заголовка
-
одна свободная строка.
Пример оформления спецификации: Поз.
Обозначение
Наименование
Кол.
Примеч.
Документация
ИПФС.677 111.008 СБ
Сборочный чертеж
194
Сборочные еДИНИllЫ ИПФС.684145.060
Катушка
1
Петали ИПФС.721641.l34
Втулка
ИПФС.725648.117
Крышка
ИПФС.727453.l01
Ползун
ИПФС.727541.l24
Упор
ИПФС.728488.304
Корпус
ИПФС.801421.ll7
Пружина
1 1 1 1
1 3 Стандартные изделия
Винт М2х6.01.016
6 ГOCТl4703-74
4
Винт М3х10.01.016
7 14703-74 Шайба 3.651
2
6402-70
2
ГОСТ
1 ГОСТ
195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Методология конструирования РЭС продолжает совершенствоваться в
связи с ростом степени интеграции элементной базы и из-за стирания четких границ
между
системотехническим,
схемотехническим,
конструкторским
и
технологическим проектированием. Внедрение РЭС во все сферы человеческой деятельности, встраивание в различные конструкции машин, приборов и обо рудования
порождает
огромное
количество
конструкторско-технологических
решений, что снижает эффективность их использования: замедляет темпы раз работки, производства и внедрения, снижает уровень серийноспособности, по вышает стоимость и т.д.
Решением этой проблемы может быть межвидовая унификация машин, приборов и оборудования, обеспечивающая вариантность по физическим и электрическим параметрам, гармоничное сочетание различных конструктивных
единиц без дополнительных расходов на стыковку, соответствие международ ным стандартам и т.д.
Перечень проблем можно было бы и продолжить, решение которых по требует в ближайшие годы усилий конструкторов, технологов и экономистов.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Автоматизпрованное проектпрование узлов и блоков РЭС средствами
современных САПР
ред. и. Г. Мироненко.
2.
учеб. пособие для вузов
:
-
М.
: Высш.
шк.,
/
и. Г. Мироненко [и др.]; под
2002.
Каленкович, Н. и. Проектирование РЭС с учётом механических воздей
ствий: учеб. пособие по курсу «Конструирование радиоэлектронных средств» для студ. спец. «Проектпрование и производство радиоэлектронных средств»/ Н. и. Каленкович.
3.
-
Мн.
Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппара
туры: учебник для вузов МГТУ им. Н.Э. Баумана,
4.
: БГУИР, 1999. / К. и. 2002.
Билибин [и др.]; под ред. В. А. Шахнова.
Ненашев, АЛ. Конструирование радиоэлектронных средств
для радиотехн. спец. вузов/ А. п. Ненашев.
5.
-
М.
: Высш.
шк.,
:
-
М.
:
учебник
1990.
Основы конструирования изделий радиоэлектроники: учеб. пособие по
курсу «Основы конструпрования изделий радиоэлектроники» для студ. спец.
Э.03.01.00 «Экономика и управление предприятием» дневной и заочной форм обучения /ж. с. Воробьева [и др.]. -Мн.
6.
Пику ль, М.
учебник
/ М.
И.
: БГУИР, 2001.
Конструирование и технология производства ЭМЕ
и. Пикуль, и. М. Русак, Н. А. Цырельчук.
-
Мн.: Выш. шк.,
:
1996.
7. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА : справ. пособие
/
Э. Т. Романычева, А. К. Иванова, А. с. Кумеков.
-
М.
: Радио
и связь,
1984.
196
8.
Стандарт ФРГ
stоJ3dаmрfШlgеп,
9.
- VDINDE 2256, B1att2, Feinwerke1emente, Dampfunger, Januar 1987.
ШИМКОВИЧ, А. А. Конструирование несущих конструкций РЭС и защита
их от дестабилизирующих факторов. Ч.1
:
учеб. пособие по курсу «Конструи
рование радиоэлектронных устройств» для студентов специальности «Проек
тирование и производство радиоэлектронных средств». В
ч. ч.
1/
Варламов, Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры М.
А.А. Шим
: БГУИР, 1999.
КОВИЧ. - Ми.
10. ламов. 11.
2
: Сов.
радио,
1975. - 352
/
Р.г. Вар
с.
Боровиков, С. М. Теоретические основы конструирования, технологии
и надёжности
:
учеб. для
студ. инж.-тех. спец. вузов
/
С. М. Боровиков.
-
Минск: Дизайн ПРО,
1998. - 336 с. 12. European Organization of the Qua1ity Contro1 Glassary. - Вет: EOQC. 1988. - 24 р. 13. Надежность технических систем: справочник 11O.к. Беляев [и др.] ; под ред. и. А. Ушакова - М. : Радио и связь, 1985. - 608 с. 14. Надежность и эффективность в технике: Справочник в 10 т. / Ред. со вет: В. С. Авдуевский (пред.) [и др.]. Т. 2. Математические методы в теории надежности и эффективности; под ред. Б. В. Гнеденко. - М. : Машиностроение, 1987.-280с.
на
15. Справочник «Надёжность электрорадиоизделий» (данные для расчёта 2002 г.) / Разработан по результатам исследований, выполненных 22 ВНИИ
МО совместно с РНИИ «Электронстандарт», ОАО «Стандартэлектро» с ис
пользованием материалов организаций Минобороны и предприятий промыш ленности
//
Научн. руководитель авторского коллектива С. Ф. Прытков.- С.
Петербург: Электронстандарт,
197
2006. - 574
с.
Св. план
2008,
поз.
Учебное издание
Каленкович Николай Иванович Боровиков Сергей Максимович
Ткачук Аркадий Мефодьевич Образцов Николай Сергеевич
РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА
И ОСНОВЫ ЕЁ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Учебно-методическое пособие для студентов специальностей
«Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Проектирование и производство РЭС»
Редактор Корректор Подписано в печать
Формат 60х84
Гарнитура «Тайме».
Печать ризографическая.
Уел. печ. л.
Уч.-изд. л.
Тираж
Заказ
10,0
200
1/16.
экз.
Бумага офсетная.
Издатель и полиграфическое исполнение: Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» ЛИ
N2 0233010056964
от
01.04.2004. ЛП N2 023301013 1666 220013, Минск, п. Бровки, 6
от
30.04.2004.
3
