Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Задачи изучения курса: знать основные методы конструирования и основные технологические процессы производства РЭС; иметь навыки конструирования ячеек модулей узлов блоков т. структурных модулей РЭС; знать основные способы защиты РЭС от воздействия внешних факторов механических температурных влаги и др. Исследование внутренней компоновки блоков РЭС и конструирование лицевых панелей приборов 2482.

2015-01-08

622.66 KB

49 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Цель курса – изучение основных вопросов конструирования РЭС, методов расчета конструкций РЭС, технологических процессов их производства.

Задачи изучения курса:

- знать основные методы конструирования и основные технологические процессы производства РЭС;

- иметь навыки конструирования ячеек, модулей, узлов, блоков, т.е. структурных модулей РЭС;

- знать основные способы защиты РЭС от воздействия внешних факторов (механических, температурных, влаги и др.)

Лабораторные работы

  1.  Конструирование функционального узла на печатной плате (2707).
  2.  Исследование внутренней компоновки блоков РЭС и конструирование лицевых панелей приборов (2482).
  3.  Допуски и посадки (3001).
  4.  Размерные цепи в системе допусков и посадок (2001).

Общие сведения о конструкциях РЭС и условиях эксплуатации

Классификация РЭС

Под РЭС понимают изделие, в основу функционирования которого положены законы радиотехники и электроники. Конструкции РЭС отличаются разнообразием и сложностью, поэтому классифицируют РЭС по нескольким признакам:

  1.  функциональному назначению: аппаратура радиосвязи и проводной связи, радиолокационная, радиовещательная, телевизионная, вычислительная, медицинская и другая аппаратура.
  2.  функциональному назначению отдельных устройств: пульт станка с ЧПУ, индикатор РЛС.
  3.  частотному диапазону сигналов: низкочастотная аппаратура – до 3 кГц – блоки питания, устройства автоматики; высокочастотная аппаратура – 3 кГц … 300МГц – блок устройства связи, блок усиления связи; СВЧ аппаратура – 300 МГц … 3000ГГц – усилители мощности и т.д.

РЭС принято делить на следующие классы: наземная, корабельная, самолетная, космическая.

Условия эксплуатации РЭС

По существующей классификации различают шесть типов климатических районов и соответственно столько же климатических исполнений РЭС.

  1.  на суше – с умеренным климатов (У), с холодным (ХЛ), с влажным тропическим (ТВ), с сухим тропическим (ТС);
  2.  на море – с умеренно холодным (М), тропическим (ТМ).

Когда изделие предназначено для работы, как во влажном, так и сухом тропическом климате, то такое исполнение обозначают буквой – Т; исполнение, допускающее работу во всех климатических районах суши – О; во всех морских – М; для всех районов суши и моря – В. Конкретное значение температуры и влажности для различных климатических условий и категорий приведены в ГОСТ.

В зависимости от условий эксплуатации РЭС подразделяют на пять категорий:

1 – аппаратура для эксплуатации на открытом воздухе;

2 – в помещениях, где условия по температуре и влажности незначительно отличаются от открытого воздуха, но нет прямого воздействия осадков и солнечной радиации (кузова автомобилей, палатки и т.д.);

3 – в не отапливаемых закрытых помещениях;

4 – в помещениях с повышенной влажностью (трюмы кораблей, подземные помещения).

Холодоустойчивая аппаратура – для работы в арктических и антарктических условиях t = -70ºC … 80ºC. Высотная аппаратура – при подъеме выше 10 км и t = -60ºC. Что негативного вызывает в конструкциях РЭС низкая температура? Изменяются параметры ЭРЭ, опасность разрыва слоев и соединений материалов с различным ТКЛР, изменяются зазоры и натяги, сгущается смазка.

Теплоустойчивая аппаратура.

В тропическом климате  t до 50 … 55ºС. В закрытых помещениях (например, самолете на солнце, на земле t ≈ 70ºC) Обшивка лобовой части крыла при полете со сверхзвуковой скоростью t достигает 150 … 200 ºС. Повышение температуры вызывает увеличение сопротивления проводников, ухудшение органической изоляции, вследствие этого ухудшается добротность контуров. Уменьшается электропрочность диэлектриков.

Влагоустойчивая аппаратура.

Относительная влажность от 65%  до 100% (в тропиках) и 5 … 10 (в пустыни). Понижение температуры сопровождается выделением влаги на поверхности и внутри аппаратуры. Влага проникает внутрь изоляции и вызывает снижение ее сопротивления, растут потери. На металлах может возникать электрохимическая коррозия. На органических материалах – плесневые грибки.

Вибро и ударопрочность аппаратуры.

Аппаратура, расположенная на подвижных объектах подвергается воздействию вибраций, ударов, линейных ускорений.

 

вид

fmax, Гц

вибрация  Smax

удар

автомобильная

80

4q

10q

самолетная

2000

10q

10q

судовая

100

2,5q

12q

При синусоидальных вибрациях перегрузка рассчитывается

                                 

А – амплитуда вибрации, мм

f -  частота, Гц.

Понижение давления воздуха приводит к уменьшению электрической прочности (возможен пробой), ухудшается отвод тепла.

Влияние ионизационного излучения.

Потоки нейтронов и γ – излучения следует учитывать при проектировании РЭС. Менее устойчивы – полупроводниковые, магнитные и органические материалы. Установлены определенные дозы ионизирующего излучения, которое приводит к изменению параметров. Некоторые материалы (Mo, Co, Zn) в результате нейтронного облучения становятся источниками вторичного ионизирующего излучения.

Требования, предъявляемые к конструкциям РЭС.

Конструктивно-технологические требования

Конструктивные требования заключаются в ограничении массы изделия, габаритных размеров, энергопотребления.

При разработки следует стремится к сокращению номенклатуры деталей, максимально использовать стандартные нормализованные изделия.

Оценка качества продукции осуществляется по абсолютным и относительным показателям:

- коэффициент заполнения объема

                             

Vn – полезный объем

V – объем устройства

- технический уровень конструкции по сравнению с существующим оценивается относительными показателями: коэффициентом уменьшения массы Кш; объем Кv; энергопотребления Кэ.

                       

m1 – масса РЭС существующая

m2 – масса РЭС новая конструкция

Проведем некоторые способы и приемы, обеспечивающие высокие показатели конструкциями РЭС.

- комплексная микроминиатюризация -  это широкое применение КМДП структур с ИЦП (интеграция на целой пластине). КМДП – транзистор – комплементарные металл – диэлектрик – полупроводник – это два МДП транзистора изготовленные в одном кристалле полупроводника, один из которых имеет канал с проводимостью n-типа, другой p-типа. Это дает противоположную полярность питающих и управляющих напряжений каждого транзистора. Это предопределяет единый технологический цикл изготовления;

- в конструкциях гибридных интегральных схем – защита элементов единой оболочкой, чаще металлической;

- разработка СБИС в корпусах с количеством выводов 320 штук и более с шагом расположения выводов – 0,5 мм (0,25 мм);

- для снижения теплонагружености при изготовлении печатных плат применять металлические основание; отвод тепла от СБИС – металлическими шинами, а от конструктивов с помощью «тепловых труб»;

- защита от механических воздействий ЭРЭ с помощью вязкоупругих компонентов, а конструктивов – с помощью виброизоляторов;

- применять элементы (ЭРЭ) с поверхностным монтажом;

- заменять в конструктивах электромеханические узлы на электронные;

- для обеспечения высокой надежности – оптимизировать методы структурного резервирования.

Технологические требования

Под технологичностью конструкции понимается совокупность ее свойств обеспечивающих минимальные затраты при производстве, эксплуатации, ремонте с учетом заданных показателей, объема выпуска и условий эксплуатации. Технологичность конструкции понятие относительное. Так, в условиях единичного производства конструкция может быть технологичной, а в условиях массового производства нетехнологичной.

Оценивать технологичность можно количественно и качественно.

Требования к надежности

 Указываются требования к безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности. Унификация и стандартизация ограничивают количество видов деталей и узлов, приводит их применение к единым нормам. Допустимый уровень унификации и стандартизации оценивается коэффициентом унификации и стандартизации:

                               

Еу – количество унифицированных сборочных единиц в изделии

Е – общее количество сборочных единиц в изделии

                           

Ест, Дст – количество стандартизованных сборочных единиц

Требования безопасности

РЭС должны быть спроектированы так, чтобы не создавалось опасность  для оператора (пользователя). Должна  быть обеспечена защита оператора от поражения электрическим током, воздействия высоких температур, рентгеновского или СВЧ излучения и т.д.

Эстетические и эргономические требования

Основой оценки эргономичности изделий являются эргономические показатели. Эстетические показатели определяются методом экспертных оценок (учитываются физические, информационные, психологические, умственные нагрузки на оператора).

Требования к патентной частоте

Устанавливаются путем проведения патентной экспертизы.

Конструктивное построение РЭС

Типовая структура конструкции современных РЭС состоит из элементной базы 1 подуровня и 4 уровней. Структура уровней РЭС регламентирована ГОСТ 26632-85.

Из приведенного видно, что конструкции РЭС отличаются иерархической структурой, т.е. последовательным объединением более простых электронных узлов в более сложные. Следует отметить, что каждому структурному уровню соответствует своя базовая несущая конструкция (БНК). Несущей конструкцией называют механическую основу для закрепления составных частей изделия. Габаритные размеры у БНК стандартизованы. В ряде случаев БНК выполняют функции по герметизации изделий, экранированию, теплоотводу, художественному оформлению изделий. Низшие уровни 0 и 1 – универсальны, а высшие уровни 2 и 3 – специализированы. Структурное дробление позволяет проводить параллельное конструирование и изготовление, и повышает ремонтопригодность.

Если рассмотреть приведенную структурную схему, то видно, что элементная база является основой конструкции. Конструкция же начинается с функционального узла (ФУ).

ФУ – это первичное структурное образование. Различают три вида ФУ:

Отметим, что структура конструкции современных РЭС имеет две параллельные ветви снизу вверх по печатному и гибридно-интегральному исполнению узлов.

Первый уровень состоит из модулей.

а) Модуль – это законченная конструкция, состоящая из элементов и имеющая стандартные размеры, нормированные для данной системы. Первоначально технология изготовления модулей была разработана для монтажа дискретных элементов.

1 – установка деталей

2 – заливка синтетической смолой

3 – химическое омеднение

4 – травление меди

б) Затем была разработана технология изготовления колончатых модулей, где наряду с дискретными компонентами (пассивными и активными) монтировались интегральные микросхемы. В колончатых модулях элементы устанавливаются вплотную, как и в первом случаи, но электромонтаж осуществляется с помощью печатных плат, которые могут иметь один или несколько коммутационных слоев (рисунок 1)

в) Аналогично колончатому модулю изготовляют этажерочные модули монтажа ИМ (рисунок 2). В этой конструкции ИМ склеиваются с помощью соединительных слоев через изолирующий слой и объединяются в электрическую схему проводниками – перемычками и заливаются синтетической смолой.

  

г) Пример модуля с несущей рамкой (для установки ПП) 

1 – место установки ПП

2 – каркас (рамка)

3 – разъем

4 – ловители

5 – место крепления ПП

Второй уровень состоит из блоков (моноблоков).

Блок – это законченная конструкция, состоящая из сборочных единиц, радиоэлементов, органов управления и монтажа, установленных на общем шасси и имеющая размеры из нормального ряда.

Субблок – блок без панели с органом управления.

Третий уровень состоит из стоек, шкафов, стеллажей и пультов.

Стойка – это законченная конструкция, состоящая из двух или более блоков, а также крупногабаритных элементов соединенных между собой.

Шкаф – это разновидность стойки в сочетании с блоками, у которых отсутствуют лицевые панели управления. Корпус шкафа имеет на лицевой поверхности сплошные дверцы.

Стеллаж – это несколько стоек.

Пульт – это устройство с блоками, узлами, имеющими органы управления, контроля и индикации.

Основы конструирования РЭС

Основные определения

Конструкция РЭС – это пространственно организационная совокупность элементов, между которыми существуют электрические, механические, магнитные, тепловые и другие связи. При этом совокупность должна удовлетворять требованиям:

- реализация электрической схемы;

- обеспечение устойчивости параметров и характеристик к внешним воздействиям;

- возможность высокоэффективного изготовления.

Конструирование – процесс выбора структуры пространственных и энергетических связей в совокупности элементов, составляющих конструкцию.

Технология – совокупность способов, процессов обработки и оборудования, используемых при изготовлении элементов и сборке конструкции.

Виды изделий

Изделие – это любой предмет или набор предметов, которые изготовляются на производстве. Изделия различаются по видам:

  1.  Деталь – это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций.
  2.  Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии изготовителе с помощью сборочных единиц.

Жизненный цикл РЭС

Выглядит следующим образом:

а) Исследование – выявляются потребности, определяются возможности достижения требуемых параметров, патентная чистота, формирование задания на проектирование.

б) Проектирование – разработка конструкторской и текстовой документации.

в) Производство – совокупность процессов по изготовлению изделия.

г) Эксплуатация

д) Модернизация или утилизация

Методы конструирования

Особенность конструирования РЭС в сложности функциональных связей. Различают связи: геометрические, кинематические, физические (электрические, магнитные).

По видам связи различают методы конструирования:

По степени автоматизации – эвристический  и автоматизированный метод.

Геометрический метод – этим методам решаются задачи получения точных связей. Достоинства: высокая точность, правильная геометрия. Характер взаимосвязи деталей не зависит от погрешностей изготовления. Недостатки: ограничены возможности при больших нагрузках и деформациях.

Машиностроительный метод – использует основные положения геометрического метода с расширением возможностей в нагружении конструкции, учитывается износоустойчивость, допуски и посадки, механическая прочность изделий. Метод позволяет воспроизвести объем конструкции, вырисовывается третье измерение.

Топологический метод – графическое представление взаимного расположения элементов конструкции и электрических цепей. Используются основные положения теории графов, позволяет путем преобразования графа найти оптимальную трассировку, взаимное расположение базовых элементов, размещение ЭРЭ и микросхем.

Методы анализа вариантов конструкции:

  1.  Эвристический метод – основан на интуиции, применяется в случаях, когда деятельность невозможно формализовать.
  2.  Логически - расчетные методы – основаны на использовании формализованных процессов с применением ЭВМ. Дает возможность сравнивать результаты при конструировании.  

Методы генерации идей:

- Метод ассоциаций – основан на преобразовании ранее известных знаний для новых условий (книга – книжная конструкция узла).

- Метод инверсии – рассмотрение задач с противоположных позиций (например – не уменьшая плотность упаковки – улучшить теплообмен).

- Метод мозгового штурма – основан на творческом сотрудничестве специалистов.

Организация процесса конструирования РЭС.

В создании РЭС участвуют различные организации: заказчик, исполнитель, субподрядчик.

Заказчик формирует технические требования (ТТ) и производит приемку изделий.

Исполнитель на основании ТТ разрабатывает техническое задание и исполняет работу.

Субподрядчик – решает для исполнителя частные вопросы.

Основой для разработки изделия и последующей поставки его в производство является техническое задание (ТЗ). Разработку РЭС проводят обычно в две стадии: проектную и рабочую. Если прибор сложный и не имеет аналогов, проектная часть включает в себя два этапа: НИР – научно-исследовательские работы и ОКР – опытно – конструкторские работы.

Основные этапы НИР:

- патентный поиск;

- изготовление макетов;

- теоретические и экспериментальные исследования;

- обработка результатов;

- приемка НИР.

Как правило, по результату НИР корректируются или составляется заново ТЗ на ОКР.

Этапы ОКР:

- техническое предложение;

- эскизный проект;

- технический проект;

- разработка технической документации.

Содержание основных стадий оговорены в  ГОСТ 2.118-93; ГОСТ 2.119-93 и ГОСТ 2.120-93.

Техническое предложение – обосновывается принципиальная возможность создания РЭС по ТЗ.

Эскизный проект – разработка конструкторских документов по проработанным конструкторско-технологическим решениям; разработка структурной схемы, электрической и кинематической схемы.

Технический проект – разработка конструкторской документации, содержащей окончательное техническое решение. Технический проект является завершающей стадией проектирования и является основой для рабочего проектирования.

Рабочее проектирование состоит из трех этапов:

- стадия опытного образца;

- стадия установочной серии;

- стадия серийного производства.

На стадии опытного образца разрабатывается вся документация для изготовления образца на опытном производстве предприятия разработчика. После проведения заводских испытаний корректируется документация и ей присваивается литера «01». На стадии установочной серии изготавливают серию изделий на предприятии, предназначенном для серийного производства.  После этой стадии и проведения необходимой коррекции документации присваивается литера «А». Далее – серийное производство.

Виды конструкторской документации и ее комплектность.

КД подразделяется на проектные и рабочие; на графические и текстовые.

В состав рабочей документации входят следующие виды КД, которым присвоены шифры:

- чертежи деталей (шифра нет);

- сборочный чертеж (СБ);

- габаритный чертеж (ГЧ);

- монтажный чертеж (МЧ);

- схемы (шифр зависит от вида и типа схемы):

   1) Э1 – электрическая структурная;

   2) Э2 – электрическая функциональная;

   3) Э3 – электрическая принципиальная;

   4) Э4 – электрическая соединительная и т.д.

- спецификация (шифра нет);

- ведомость спецификации (ВС);

- технические условия (ВП);

- эксплуатационные документы;

- ремонтные условия.

Из перечисленных обязательными являются чертежи деталей, сборочные чертежи.

Различают три варианта комплектности КД на изделие:

- основной КД;

- основной комплект КД;

- полный комплект КД.

Для деталей основным конструкторским документом являются чертежи детали. Для сборочной единицы – спецификация.

В основной комплект входят документы, составленные на изделие в целом.

Полный комплект содержит кроме основного комплекта основные комплекты на все его составные части.

Схемы как конструкторские документы.

Схемой называется графическая КД, содержащая условные изображения частей изделия и связей между ними. Схемы обозначаются шифром из двух знаков: буквы и цифры.

Виды схемы

Обозначение

Типы схемы

Обозначение

электрическая

Э

структурная

1

гидравлическая

Г

функциональная

2

пневмоническая

П

принципиальная

3

кинематическая

К

соединительная

4

оптическая

О

электрического

подключения

5

комбинированная

С

электрическая

общая

6

электрическая

расположенная

7

Наименование КД в зависимости от способов выполнения.

- оригинал (белок) – на любом материале, для изготовления подмеников;

- подменик – на любом материале, позволяющим многократно воспроизводить копии (в электроном виде, калька);

- дубликаты – копии подмеников для снятия копий;

- копии – для непосредственного использования во всех видах работ.

Обозначение документов

Структура обозначения КД по классификатору ЕСКД устанавливает ГОСТ 2.201-80

Отметим, что все детали в классификаторе собраны в классы 71…76.

Техническая документация

Это маршрутные карты и листы с указанием оборудования, часто и режимов обработки конкретного вида изделий. В этом виде документов описывают все, что требуется для изготовления продукции на конкретном предприятии.

Конструирование и технология изготовления печатных плат (ПП).

ПП появились на западе в начале 50ых годов, у нас – в середине шестидесятых.

ПП – это элемент конструкции, состоящий из диэлектрического основания с нанесенными на ее поверхность плоскими проводниками, в виде участков металлизированного покрытия обеспечивающих соединение электрической цепи.

ПП с размещенными на ней навесными элементами называется печатным узлом.

Основанием ПП может являться диэлектрик – стеклотекстолит, гетинакс, керамика или металлический лист, покрытый диэлектриком. При конструировании ПП необходимо использовать четыре критерии:

- габаритный (а);

- плотность рисунка и толщина проводящего слоя (б);

- число слоев (в);

- материал основания (г).

а) Основные размеры а, b ПП общего назначения выбирают по ГОСТ 10317-92. Платы печатные. Основные размеры.

Причем до 100 мм можно принимать кратные 2,5. До 350 мм – кратные 5, а свыше 350 мм – кратные 10. Наибольший размер не должен превышать 470 мм в любом направлении, а отношение сторон – не более 1:4. Предпочтительным является размер 170×27 мм (170 мм со стороны разъема).

б) В соответствии с ГОСТ 23751-86 для ОПП, ДПП, МПП, ГПП установлено пять классов точности рисунка:

Класс

1

2

3

4

5

номинальная ширина проводника b мм

0,75

0,45

0,25

0,15

0,1

расстояние между проводниками δ мм

0,75

0,45

0,25

0,15

0,1

 

            

Разрешающая способность рисунка – это число полос (линий) равной ширины, которое указывается на 1 мм. В рисунке ПП за линию принимается проводник.

в) По числу слоев различают односторонние ПП (ОПП) – 1, двухсторонние ПП (ДПП) – 2 и многосторонние ПП (МПП) – 3.

          

1 – печатный проводник;

2 – диэлектрическое основание;

3 – монтажное отверстие;

4 – металлизированное отверстие.

МПП применяются, если в качестве навесных компонентов используются интегральные схемы с большим числом выводов и малым шагом (1,25 мм). В этом случае для прокладки большого числа проводников и применяют МПП. Необходимо отметить, что себестоимость МПП значительно выше ОПП.

г) Материал основания и его толщина оказывают влияние на следующие свойства ПП:

- жесткость;

- собственная емкость;

- теплопроводность.

1. Для оснований из диэлектрического материала – стеклотекстолита, гетинакса – приняты следующие толщины основания ПП: (0,1 – 0,2 – 0,4 – гибкие основания) – (0,8 – 1,0 – 1,5 – 2,0 – 3,0 – жесткие основания).

Пример маркировки: СФ - 1(2) - 35(5) – стеклотекстолит фольгированный, одно или двух стороннее фольгирование 35 мкм или 50 мкм толщина слоя меди.

  1.  ПП на основе полиамидной пленки. Полиамид – термостойкое высокомолекулярное соединение ( t = -200 … +400ºC) марки ПИ-40, ПМ. Токопроводящий проводник на пленку наносят методом металлизации. Рисунок проводников получают аддитивным методом.
  2.  керамические основания – используют в основном для многослойных ПП (классическая технология – термовакуумное осаждение проводников, диэлектрика и резистивного слоя – это трехслойные ПП). Материал подложек – ситал СТ50-1 основной размер 48×60 мм и кратные ему; боросиликатные стекла С48-3: для плат высокой мощности – керамика «поликор» - 96% окись Al, сапфир.
  3.  платы на металлическом основании. Применяют медь, алюминий, сталь толщиной 0,5 мм с покрытием из полиамидной пленки δ = 0,15 мм. Применяют в тех случаях, когда требуется, хороший теплоотвод.

Металлическое основание ПП в четыре раза снижает перегрев и допускает 5 ÷ 10 кратное превышение плотности тока по сравнению со стеклотекстолитовым основанием.

Для плат СВЧ устройств материалом диэлектрического основания служит фторопласт.

Расчет элементов ПП

Основные элементы ПП – это проводники, контактные площадки, монтажные и переходные отверстия. Как отмечали размеры проводников, и расстояние между ними определяют класс точности ПП (установлено пять классов точности).

Диаметры монтажных отверстий выбирают из ряда: 0,7 – 0,9 – 1,1 – 1,3 – 1,5 мм; диаметры переходных отверстий: 0,7 – 0,9 – 1,1 мм.

Площадь ПП определяется суммарной установочной площадью ЭРЭ. Это умножается на коэффициент К = 1,5 … 3. Затем к этой площади добавляют площади вспомогательных зон. Размеры этой площади (так называемой краевой) зависит от типа соединителя, формы выводов элементов и направляющих, наличием контрольных гнезд и их количества

Далее  округляется в большую сторону до значения размера ПП по ГОСТ. Максимальные габариты связаны с обеспечением жесткости конструкции.

Электрические характеристики ПП

Электрические параметры ПП зависит от целого ряда факторов. Параметры печатных проводников не оказывают существенного влияния на работу схемы. С увеличением быстродействия схемы все больше значение приобретают вопросы высокочастотной связи между элементами ПП.

В первом случае учитывают при расчетах параметры проводников, такие как сопротивление, емкость, индуктивность, а в другое (при увеличении быстродействия) – взаимоиндукцию и паразитную емкость.

Расчет ПП по постоянному току

Режим постоянного тока в печатном проводнике характеризуется сопротивлением проводника

 

S – поперечное сечение проводника

l – длина, м

- удельное электрическое сопротивление проводника Ом∙мм2/м. Оно зависит от способа изготовления и колеблется от 0,0175 до 0,05 Ом∙мм2/м.

Требуемая площадь поперечного сечения проводника:

                                          

I – ток, А

l – длина проводника, м

Un – допустимое падение напряжения (обычно не выше уровня статической помехоустойчивости интегральных микросхем ≈ 0,4 ÷ 0,5 В).

     Допустимое рабочее напряжение между расположенными рядом печатными проводниками зависит от зазора между ними. Эта зависимость для стеклотекстолита выглядит следующим образом:

Методы изготовления печатных плат

Субтрактивный

(химический)

Аддитивные методы:

а) химическая металлизация;

б) комбинированный (химическая металлизация и гальваническое усиление)

Метод последовательного наращивания:

а) тонкопленочная технология;

б) толстопленочная технология

          Субтрактивный метод (от лат. “отнимание”) – самый распространенный и лучше освоен технологически. Исходный материал – одно- или двухсторонний фольгированный стеклотекстолит. Рисунок печатного проводника наносится на фольгированную основу в виде защитной резистивной пленки, а непокрытые резистом места удаляются с помощью травления.

     Аддитивный метод (от лат. “прибавлять”) – исходный материал - нефольгированный диэлектрик, на поверхность которого наносится рисунок печатной платы.

     Метод последовательного наращивания – это формирование многослойной структуры в непрерывном процессе из чередующихся изоляционных и проводящих слоев. При этом толстопленочная технология – это нанесение паст через трафарет с последующим вжиганием, а тонкопленочная технология – с помощью термовакуумного осаждения.

 

Технология изготовления ПП химическим позитивным методом:

     Технология изготовления ДПП сложнее. Это связано, прежде всего, с получением металлизационных отверстий.

      

     При повышенных МВ (мех. воздействия) отверстия металлизируют для обеспечения механической прочности.

     Многослойные ПП – число слоев от 6-12 до 30 и более. Изготавливают: методом попарного прессования, методом металлизации сквозных отверстий, методом послойного наращивания.

     Гибкие ПП – это эластичный аналог жесткой ПП. ГПП могут быть одно- и двухсторонними. Их изготавливают методом печатного монтажа.

Аддитивная технология:

      

Сборка печатных узлов

     Сборка ПП с электрорадиоэлементами и ИС является первым этапом монтажа узла. В зависимости от конструкции вывода различают три вида сборки:

сборка ЭРЭ со штырьевыми выводами (вывод вставляется в отверстие ПП);

сборка компонентов с планарными выводами, когда они накладываются на контактные площадки ПП;

поверхностный монтаж элементов.

Виды монтажа микросхем и ЭРЭ:

               

Основные технологические операции сборки печатных узлов:

а) установка компонентов  в кассеты и ленты – носители:

                

  

б) непосредственная подача компонентов в зону монтажа из вибробункера:

                

в) формовка вывода:

                

д) фиксация элементов на ПП:

                 

              

е) пайка элементов на ПП: в серийном производстве – пайка погружением, когда ПП с элементами погружается в расплавленный припой или пайка волной припоя:

схема установки пайкой волной припоя:

                      

ж) для ПМИ с припойной пастой:

       1) нанесение припойной пасты с образованием контактных площадок:

                                       

             1 – ракель;

             2 – припойная паста;

             3 – сетчатый трафарет;

             4 – диэлектрическое основание ПП.

       2) монтаж ПМИ на контактные площадки:

                        

       3) оплавление припойной пасты инфракрасным или ультрафиолетовым излучением:

                               

     После этого на плату устанавливают электрический соединитель (разъем) и при необходимости плату устанавливают на БНК.

Проектирование ячеек

     Как отмечалось ранее, каждому структурному уровню конструкции РЭА соответствует своя несущая конструкция. БНК предназначена для размещения составных частей конструкции, габариты которой стандартизированы.

     Модули 0 и 1 уровня размещаются на БНК-1 (первого уровня) и выполняются в виде ячеек и кассет.

     Для выбора ячейки из стандартного ряда принята классификация принадлежности ячейки к определенной БНК.

     Чаще всего встречаются обозначения ячеек из трех цифр:

            

     Кроме этого, в ОСТ 4ГО.410.224 – 84 регламентированы основные размеры, условные обозначения и варианты конструкций БНК-1.

    

 Конструкции унифицированных ячеек:

 

     Кодирующий элемент предотвращает ошибочную установку ячеек в блоке. Выполняется в виде индексных гребенок, имеющих 36 вариантов установки.

 

     Ячейка книжной конструкции:

     Плотность монтажа приводит к резкому возрастанию теплонагруженности. В этой связи необходим эффективный теплоотвод от ФЯ. Приведем конструктивные решения, обеспечивающие теплоотвод.

     ФЯ для монтажа МС и бескорпусных микросборок:

а) ячейка с теплоотводящими шинами:

б) ячейка со сплошным теплоотводящим периферийным радиатором:

     Рамки ячеек обычно выполняются из алюминиевых сплавов АМг с высоким коэффициентом теплопроводности.

     В ряде случаев отвод тепла от микросхем и МСБ (мощность порядка единиц Ватт) осуществляют с помощью теплоотводящих шин или металлических оснований.

1 – МСБ;

2 – контактная площадка;

3 – ПП;

4 – металлическое основание.

     Толщины шин 0,4…0,8 мм, металлического основания – 0,4…1 мм. материал теплостоков – алюминий и его сплавы.

     При монтаже на ПП мощных транзисторов, диодов, некоторых типов микросхем, их размещают на специальные радиаторы. В зависимости от типа радиатора диапазон рассеиваемых мощностей составляет от 5 Вт (пластинчатая конструкция) до 400 Вт (игольчато – штырьевые радиаторы).

Конструирование блоков РЭС.

Основные положения

     В структурной схеме конструкций РЭС блок отнесен во второй структурный уровень. Блок объединяет ячейки, ПП, отдельные ЭРЭ и другие изделия. Он может входить в состав стойки, шкафа или иметь самостоятельное применение. Отличительной чертой блока является наличие лицевой панели.

     Основные требования к конструкции блоков:

▪ защита от механических и климатических воздействий;

▪ конструктивная совместимость с другими РЭС;

▪ ремонтопригодность;

▪ обеспечение нормального теплового режима.

     В зависимости от конструктивного исполнения, обеспечивающего полную или частичную защиту от внешних воздействующих факторов, различают герметичные и негерметичные блоки.

     ГОСТы регламентируют основные и габаритные размеры блоков, а также основные размеры и взаимное расположение элементов, входящих в блок. Конструктором, при разработке блока, решаются следующие вопросы: электрической и тепловой совместимости, ремонтопригодности, возможности автоматизации процесса сборки блока, оформление внешнего вида.

О терминах:

     ТЭЗ – типовой элемент замены – это модуль первого уровня, на котором размещен соединитель (для внешней коммутации).

1 – лицевая панель;

2 – плата;

3 – микросхема;

4 – соединитель.

     Объединительная (материнская) плата – плата электроники, на которой вместе с компонентами схемы установлены электрические соединители, в которые можно установить ТЭЗ с недостающими компонентами схемы прибора.

1 – микросхемы;

2 – объединительная плата;

3 – электрический соединитель;

4 – ТЭЗ.

Основные компоновочные схемы блоков:

        

     Компоновочные схемы блоков в виде:

а) параллелепипеда;

б) цилиндра;

в) сферы;

  1 – ТЭЗ;

  2 – монтажная (кросс) – плата.

     При одинаковых физических объемах блоков сферическая форма обеспечивает минимальную длину линий связи.

     Блок стеллажной конструкции с вертикально-продольным и горизонтальным расположением монтажной панели:

1 – каркас;

2 – лицевая панель;

3 – монтажная панель;

4 – соединитель;

5 – ТЭЗ.

а) блок разъемной конструкции:

     Размер зон – 30…60 мм. Ячейки в блоке устанавливаются с зазором для обеспечения лучшего теплообмена.

б) блок книжной конструкции:

в) кассетная конструкция блока:

г) откидная конструкция:

д) конструкция герметичного блока:

     Корпус блоков выполнен из литейного алюминия (АЛ-9). Минимальная толщина стенок – 3 мм.

     Электрическое соединение ячеек с выходными межблочными разъемами типа РП или РСГ осуществляли жгутовым проволочным монтажом, а сейчас – гибким шлейфом – это гибкие полоски из лавсана (ФДЛ) или полиимида (ФДИ) толщиной h=200…300 мкм с печатными проводниками и контактными площадками.

 

     

Вакуумно-плотная герметизация при допустимой величине натекания газа порядка   обеспечивается паяным швом между крышкой и корпусом.

                           

     В зазоре между крышкой и стенками корпуса размещают прокладку из термостойкой резины, которая не позволяет проникать парам припоя и флюса внутрь корпуса. Далее на резину кладут стальную проволоку диаметром 0,8 мм и весь шов пропаивают ПОС-61.

     Для обеспечения пайки алюминиевым сплавом на поверхности предварительно гальваническим способом наносят покрытие HS.М12.0-Bi9 (Bi – висмут) (Ni – 5 мкм, Cu – 12 мкм, Sn-Bi – 9 мкм) или химическое покрытие О-Ви3. Конец проволоки выводят в канавку для того, чтобы при ремонте можно было вырвать ее из шва и снять крышку.

     Полная герметизация достигается применением металлических прокладок (медных) δ=0,3…0,5 мм. При затяжке болтов медная проволока деформируется, заполняя при этом микронеровности, чем и обеспечивается герметизация. “–“ прокладка разового пользования.

     Герметичная конструкция блоков требует герметичных вводов.

Конструкции электрических и механических гермовводов

а) электрический ввод:

     Пайка производится по фольговому контакту печатной вставки.

б) механические вводы:

   ▪ сильфонные вводы вращения:

▪ магнитные вводы:

▪ волновые – на ответственных объектах (космических, атомных):

1 – ведущее звено;

2 – ведомое звено;

3 – тонкая стальная оболочка.

     Отметим, что на этапе конструирования блока закладывается такое свойство, как ремонтопригодность – это доступность к деталям и узлам, наличие контактных и контрольных площадок, удобство в ремонте и эксплуатации.

Конструирование стенок, шкафов, пультов РЭС

     Стойки, шкафы относятся к третьему (высшему) структурному уровню. Габаритные размеры стоек нормализованы. Задача конструктора при конструировании стоек, после выбора из нормального ряда, заключается в компоновке блоков и других элементов, в формировании лицевой панели, конструировании электрических соединений. При необходимости – увеличение жесткости и механической прочности стоек за счет введения дополнительных элементов, например, ребер жесткости, дополнительных профилей.

     

Конструирование электрических соединений

(электромонтажа)

     Электромонтаж – это часть конструкции, предназначенная для получения электрически неразрывных связей.

     Электромонтаж подразделяют на:

- контактный монтаж (контактирование);

- коммутацию между контактами.

     Контактирование подразделяют на 3 вида:

         - неразъемное (пайка, сварка, склеивание);

         - ограниченно – разъемное (накрутка, прижим);

         - разъемное (НЧ и ВЧ разъемы).

     Каждому уровню конструкций РЭА соответствуют определенные способы контактирования.

Например: для подуровня нулевого уровня – пленочная коммутация и неразъемное контактирование. На более высоких уровнях конструкций контактирование – пайкой, сваркой, накруткой, разъемами, а межконтактная коммутация – с помощью объемного монтажа.

     Неразъемное контактное соединение реализуется: пайкой, сваркой, клейкой, накруткой. Достоинства – высокая надежность, низкая стоимость, малые габариты (за исключением накрутки – габариты у накрутки большие).

     Пайка. Процесс пайки хорошо освоен технологически, реализуется групповым способом обработки. Виды пайки:

- пайка волной припоя (разновидности – двойной волной, “омега”-волной);

- пайка в паровой фазе и лазерная пайка – применяется при высокой плотности монтажа с шагом выводов менее 1 мм, а также для ПМИ, не допускающих перегрева с контактными площадками <0,25 мкм;

- ультразвуковая (для пайки алюминиевыми припоями с добавкой цинка или кадмия) и инфракрасная пайка.

Припои – ПОС-61 (61% Sn (олова)), ПСр – серебросодержащие.

     Сварка – применяется точечная, дуговая, аронно -дуговая (для сварки Al), лазерная и др.

     Клей. Токопроводящий клей – мелкодисперсное серебро + эпоксидная связка. Нетокопроводящий клей КУФО–4М, КРП и др.

     Накрутка. Латунный штырь квадратного сечения, на который накручивается проводник в лаковой изоляции. В результате пластической деформации провода врезаются в грани штыря.

     Ограниченно – разъемное контактирование – обычно осуществляется прижимом эластомерного, упругого и жесткого металлических контактов.

     Разъемное контактирование: различают низкочастотные (до 3 МГц) и высокочастотные (до 10 ГГц).

     Разъем – это совокупность контактных пар. По типу соединителя контактные пары делятся на пары с точечным, многоточечным (гиперболоидным) и линейным контактированием.

а) точечное контактирование:

б) многоточечное контактирование:

в) линейное контактирование:

     В конструкциях РЭС применяются три типа соединителей:

1 – соединители для ПП, ИС, ЭРЭ, трансформаторов;

2 – разъемы для межкассетных, межъячеечных и межблочных соединений;

3 – кабельные и жгутовые разъемы.

     Разъемы 1-ого типа, как правило, имеют контакты с двух сторон ПП (это печатные проводники с покрытием серебра).

Наибольшее число контактов у разъемов этого типа м.б. 296 (для ЭВМ).

     Разъемы 2-ого типа – как пример – с креплением вилок на ПП.

     Розетки приведенных разъемов устанавливаются на шасси блоков, а электрическое соединение их выводов осуществляется методом объемного монтажа.

     Для соединения блоков со стойками и шкафами применяют разъемы, например, типа ГРПМ2. Вилки ставят на блоки, а на задних стенках шкафов – розетки.

     Для получения межблочных соединений применяют малогабаритный разъем РМ1.

  

Число контактов в разъеме РМ равно: 10, 19, 30, 50, 76, 102.

     ВЧ разъемы: диэлектрик, удерживающий гнездо и штырь, должен иметь малые потери в СВЧ диапазоне. Обычно это фторопласт-4 или полистирол. ВЧ разъемы различаются по рабочей частоте и передаваемой мощности.

     Волновое сопротивление соединителя должно быть равно волновому сопротивлению кабеля ( 50 ОМ или 75 Ом; СР-50, СР-75).

 

Монтаж объемными проводами

     Внутриблочный монтаж осуществляют объемными проводами или плоским кабелем.

     При проектировании таких соединений обеспечивают необходимый радиус изгиба проводов, свободный доступ, а провода питания (переменного тока) свивают для уменьшения возможных наводок.

 

Передача электромагнитной энергии по линиям связи

         Передача электромагнитной энергии может происходить:

  1.  по проводнику;
  2.  по диэлектрику;
  3.  по границе раздела сред с различными электрическими свойствами.

     Реализуют эти виды передач следующие линии связи:

1 – металлическая линия в виде кабеля и волновода;

2 – диэлектрическая линия из материала с ε >1 – это диэлектрический волновод и волоконный световод;

3 – метало – диэлектрическая линия – это линия поверхностной волны и полосковая линия.

     В зависимости от частотного диапазона рекомендуется применять следующие виды коммуникаций или линий связи:

Электромагнитные наводки в РЭС

     Подразделяют на внешние и внутренние. Внешние – помехи от мощных радиолокационных станций, индустриальные. Внутренние (паразитные) – возникают от воздействия одних частей РЭА на другие.

     Для проведения анализа наводок следует четко выделять:

1 – источник наводки ИН;

2 – приемник наводки ПН;

3 – паразитную связь между ними ПС.

     ИН могут быть: сеть переменного тока, различные генераторы (ВЧ, импульсные, генераторы разверток), переключающие приборы, коллекторные электродвигатели.

     ПН – все радиоприемники; входные каскады усилителей всех типов; входные трансформаторы УНЧ; устройства с высокой чувствительностью срабатывания (триггеры, мультивибраторы).

Виды паразитных связей

     Между электрическими цепями взаимное влияние может возникнуть через:

1 – электрические поля;

2 – магнитные поля;

3 – электромагнитные поля;

4 – элементы коммутации (провода, волноводы, печатные проводники).

     На малых расстояниях может оказаться, что между ИН и ПН действуют все 4 вида связи. С увеличением расстояния ослабевают и исчезают электрические и магнитные поля, а затем и электромагнитное поле излучения. На больших расстояниях действует только связь по проводам и волноводам.

Виды наводок в конструктивах РЭС

     А – емкостные наводки – происходят из-за того, что в конструкциях РЭС имеются общие точки элементов. Такие соединения позволяют измерять напряжение контрольных точек прибора относительно его корпуса. В таких цепях могут возникать паразитные емкости, которые приводят к наводкам.

Например:

     Величина наводимого напряжения:

,

где  - комплексное сопротивление нагрузки, т.е. приемника наводки;

      - реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора:

     Входное сопротивление ПН может быть чисто активным, т.е.  или чисто емкостным . Из-за этого и природа наводки, величина ее и расчетные формулы будут различными.

     Для количественной оценки наводок введено понятие коэффициента паразитной связи: , который показывает какая часть напряжения источника наводки возникает на ПН.

     Б – индуктивные наводки (индуктивная связь). Вокруг проводников с током существует магнитное поле. По закону электромагнитной индукции в соседних проводниках будет наводиться электрический ток.

     Схема такой индуктивной связи следующая:

– источник переменного напряжения, поэтому в формуле ω – угловая частота.

МП – взаимная индукция между цепями А и В;

Е′ист – наведенная ЭДС, равная:

, где

– полное сопротивление цепи А.

     Ток в цепи В: .

     Наведенное напряжение: , где

– сопротивление цепи нагрузки приемника наводки.

     В – наводки через провод связи. Емкостные и индуктивные (С и L) наводки могут возникать и при отсутствии непосредственной связи через поля между ними (ИН и ПН). Паразитные наводки от ИН к ПН, соединенных между собой проводами, могут передаваться по проводам связи. Провод имеет емкость СП и взаимоиндукцию МП по отношению к ИН и ПН. Величина этой связи определяется как величинами СП1, СП2, МП1, МП2, так и величиной полного сопротивления Z, которое имеет провод относительно корпуса.

     Г – наводки через общее сопротивление. Причиной связи (ПС) – провода, общие для источника наводки и приемника наводки.

, т. к. , то получим ;

и .

Связь через общее сопротивление встречается чаще других видов ПС. Примеры:

  1.  связь через внутреннее сопротивление и соединительные провода источника питания или управления РЭА.

  1.  связь через общее подсоединение к корпусу прибора через лепестки элементов.

     В местах соединения с корпусом возможно появление и протекание блуждающих токов. Чем выше частота, тем больше вероятность появления такой связи.

     3) связь через общую земляную шину. Наводки возможны при подключении к общей шине чувствительных элементов. В результате того, что по шине может протекать большой ток, подключенные радиоэлементы становится приемниками наводок.

     ;  может оказаться значительным несмотря на малое ZH  из-за увеличения тока. Сказанное в полной мере относится и к печатному монтажу (рис. 2).

Конструктивные приемы, обеспечивающие ослабление влияния

магнитной связи в аппаратуре.

  1.  максимально разносить цепи ИН и ПН;
  2.  компоновать по возможности цепи ПН в плоскости, параллельной направлению воздействующего на них помехонесущего магнитного потока.
  3.  Уменьшать площадь петли между проводами от источника наводки к приемнику наводки.

     Конструктивно это выполняется следующим образом:

1 – укладкой изолированного провода на корпус или шасси изделия:

2 – применением отдельного обратного земляного провода (устраняется кондуктивная связь через  общий участок);

  – скручиванием прямого и обратного проводов – происходит взаимная компенсация магнитных полей;

  – малая магнитная связь обеспечивается и применением коаксиального кабеля – провод расположен концентрично внутри оплетки, чем и обеспечивается малое h.

     

     Отметим, что наиболее чувствительны и соответственно к ним предъявляются жесткие требования по искажению передаваемых сигналов, цепи цифровой обработки сигналов. Дело в том, что информация может быть заложена как в кодовую последовательность передаваемых импульсов, так и параметры отдельного импульса.

     Кроме приведенных мер по ослаблению влияния магнитной связи применяют экранирование.

     Экранирование заключается в локализации электромагнитной энергии в определенном пространстве.

     Виды экранирования:

- электростатическое – для подавления электрической составляющей поля помехи;

- магнитное – для подавления магнитной составляющей;

- электромагнитное – для подавления обоих оставляющих.

     Электростатическое экранирование – основано на замыкании электрического экрана (паразитной емкости) на шину с нулевым потенциалом (корпус, “землю”).

     Помещение экрана между точками А и В приводит к замыканию емкостей С1 и С2 на “землю”, а емкость Спар уменьшается до С′пар за счет увеличения длины силовых линий между точками А и В.

.

     Эффективность экранирования ЭСП не зависит от толщины и металла экрана, т.к. токи весьма малы. Марку металла и толщину выбирают исходя из удобства изготовления (δ=0,4…0,5 мм). Часто экраны выполняются в виде тонкого слоя металлизированного диэлектрика, каркаса катушек индуктивностей. В трансформаторах межобмоточный экран соединяется с землей – обычно материал латунь Л70, Л80, Al+АМЦ.

     Эффективность экранирования:

, где

U, I, E, H – напряжение, ток, напряжение электрического поля и магнитного поля в экранируемой области до введения экрана.

     В технике проводной связи в неперах: В=lnЭ=0,115 А.

     В радиотехнике (экранное затухание) в децибелах: А=20lgЭ=8,7 В.

     Магнитное экранирование – для защиты от постоянных и медленно меняющихся магнитных полей частотой 0…3 кГц. Экраны изготавливают из ферромагнитных материалов (пермолой, сталь, ферриты). Толщина экрана 0,5…1,5 мм.

     Силовые линии магнитного поля помехи Н замыкаются в основном в толще экрана, который должен обладать малым магнитным сопротивлением и лишь частично попадают внутрь экрана. Этот вид экранирования называется магнитным шунтированием. Эффективен на низких частотах и постоянном магнитном поле.

     Основные требования:

▪ магнитная проницаемость материала должна быть высокой (например, применение пермолоя с μ=5000 вместо стали (Fe, Ni) повышает эффективность экранирования в 3…5 раз);

▪ стыки, швы в экране должны размещаться параллельно силовым линиям магнитной индукции;

▪ заземление экрана не влияет на эффективность магнитного экранирования;

▪ увеличение толщины стенки повышает эффективность экранирования, но это увеличивает массогабаритные характеристики.

     Электромагнитное экранирование применяют на частотах f>3 кГц. Экраны изготавливают как из ферромагнитных, так и немагнитных материалов.

     Рассмотрим одну из особенностей этого вида экранирования. С ростом частоты растет величина вихревых токов в материале экрана и наблюдается вытеснение внешнего поля помехи полями вихревых токов.

     

     Глубина проникновения токов наводки в стенку экрана зависит от частоты и определяется поверхностным эффектом (скин-эффектом).

     Величина тока наводки изменяется по сечению стенки в соответствии с экспоненциальным законом:

                                , где                                (1)

– амплитуда тока помехи на расстоянии х от нагруженной стенки;

– то же на поверхности экрана.

                            , где                              (2)

– коэффициент вихревых токов;

– абсолютная магнитная проницаемость, где

            – относительная магнитная проницаемость (– величина безразмерная, характеризует магнитные свойства среды);

            – магнитная постоянная;

– круговая частота, 1/с;

– удельное объемное сопротивление, .   

     Толщина стенки, в которой ток наводки ослабляется, в е раз (е=2,72), т.е. в 1/l ≈0,37 раз толщиной скин-слоя.

     Толщина скин-слоя находится по формуле:

                             ,                                 (3)

(вывод из формулы (1)):

.

     Если материалы экрана магнитные (сталь, пермолой, ферриты), то при μ>>1, ω=2πf (f – в МГц), то формула (3) примет вид:

, мм.

     Для немагнитных материалов: μ=1 (Al, Cu, Mg, Ti) – формула (3) примет вид:

, мм.

     По величине скин-слоя можно определить минимальную толщину t стенки экрана, задаваясь величиной ослабления помехи Кэ (Кэ – коэффициент электромагнитного экранирования).

, мм.

     Коэффициент электромагнитного экранирования представляют в виде суммы 2-х составляющих: Кэо + КП , где

Ко – коэффициент отражения помехи;

КП – коэффициент поглощения помехи.

     Анализ вклада каждой составляющей в суммарный коэффициент выносим на основании графика:

  1.  На частотах до 1 МГц преобладает экранирование за счет отражения, и ↑ 1 МГц резко увеличивается вклад поглощения помехи за счет скин-эффекта.
  2.  Тонкие проводящие пленки толщиной до 0,1 мм обеспечивают высокое ослабление помехи в диапазоне частот до 100 МГц (Кэ =100…200 дБ). Толщина экрана выбирается из условия обеспечения механической прочности конструкции.
  3.  наибольший коэффициент электромагнитного экранирования достигается на материалах с малым волновым сопротивлением (Al, Cu, Au, Ag, бериллий, марганец и т.д.).

     Экранирование корпусов из пластмасс обеспечивается:

- наклеиванием фольги из металла на боковые поверхности;

- нанесением тонких проводящих пленок (4 – 5 мкм) на поверхность корпусов РЭС термовакуумным напылением или химическим осаждением меди.

Фильтрация

     Фильтрация – основное средство ослабления кондуктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного токов РЭС.

     Фильтр электрический – устройство, предназначенное для разделения электрических колебаний различных частот.

     Помехоподавляющий фильтр из спектра поданных на вход электрических колебаний выделяет (пропускает на выход) колебания в заданной области частот (полоса пропускания) и подавляет (ослабляет) все остальные составляющие.

     Сглаживающие фильтры – для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

     Фильтры нижних частот – пропускают колебания с частотой не выше некоторого граничного значения; фильтры верхних частот – пропускают колебания с частотой выше некоторого граничного значения.

     Полосовые фильтры – пропускают колебания в конечном интервале частот.

     Применяются фильтры в РЭС, работающих в условиях “полезный сигнал – помеха” на частотах от долей Гц до сотен МГц.

     Эффективность фильтрации определяется вносимым затуханием фильтра:

где и  – напряжение и ток нагрузки в исходном состоянии;

      и  – напряжение и ток помех на нагрузке в цепи с фильтром.

Помехоподавляющие элементы и фильтры РЭС

▪ Конденсаторы – типа К73-21; К53-1А; К10-44 и т.д. – применяют как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Их основная характеристика – зависимость индекса конденсатора от частоты. Частотный рабочий диапазон – до 1000 МГц.

▪ Индуктивные элементы – конструктивно это дроссели витковые на ферромагнитном сердечнике и безвитковые. Применяются как самостоятельные элементы подавления помех, так и последовательные звенья фильтров помехоподавления.

▪ Фильтры – керамические проходные – построены на основе дисковых многослойных керамических конденсаторов и безвитковых ферромагнитных дросселей. Рабочий частотный диапазон – до 10 ГГц. Габариты: диаметр – 20 мм, длина l – 30 мм.

Особенности конструирования линий связи между

электрорадиоэлементами.

     При разукрупнении схемы электрической РЭС на подсхемы разных уровней сложности выделяют две подгруппы линий – короткие и длинные линии связи.

Электрически “короткой”  называют линию связи, в которой время распространения сигнала много меньше длительности переднего фронта передаваемого импульса, а при непрерывном сигнале не превышает 0,1 полуволны.

, где

, где

        – удельная задержка распространения сигнала в линии, нс/м;

         l – длина линии, м.

     В коротких линиях связи сигнал, отраженный от несогласованной нагрузки, достигает (или возвращается) источника раньше, чем успевает существенно исказится полезный сигнал. Электрические свойства такой линии передачи оцениваются сосредоточенными характеристиками: сопротивлением, индуктивностью, емкостью.

     Известно, что – удельная задержка распространения сигнала в линии – зависит от параметров среды, в которой распространяется волна и определяется зависимостью:

, где

Lл, Сл – погонная индуктивность и емкость проводника линии;

нс/м – удельная задержка распространения волны в вакууме;

εэфф – эффективное значение относительной диэлектрической проницаемости среды, окружающей проводник;

– относительная магнитная проницаемость среды.

     Обычно для электромонтажной линии связи  (среда немагнитная) и тогда:

.

     Если электрическое поле замыкается через однородную среду (коаксиальный кабель), то εэфф = ε, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

     Если проводник расположен на границе диэлектрика и воздуха, то

εэфф = 0,5(ε+1).

     Если учесть, что для большинства применяемых в настоящее время диэлектриков ε=2…6 , то

нс/м.

     Можно отметить, что в какой-то мере понятие “короткой” и “длинной” линии связи относительны. Так, линия связи длиной 1 м для сигналов, имеющих нс будет электрически “длинной”, а для сигналов с нс – электрически короткой. Если же нс, то при l=15…25 мм линия длинная.

     Все линии связи, используемые для соединения ячеек, кассет, панелей в пределах одного блока (конструктивы 1-ого уровня), как правило, могут рассматриваться как короткие.

     Для уменьшения  уменьшают Lл и Сл . Одна из задач конструктора при

проектировании “коротких” линий связи – определение ее допустимой длины исходя из допустимой задержки сигнала.

     Электрически “длинной” называется линия, для которой  , т.е. время распространения сигнала больше, чем длительность фронта передаваемого импульса. В длинной линии сигнал, отраженный от конца линии (несогласованной нагрузки), приходит к ее началу после окончания фронта сигнала и искажает его форму.

     При расчетах “длинную” линию рассматривают как однородную линию с распределенной емкостью и индуктивностью (C0, L0).

     Переходные процессы в таких линиях зависят от характера перепада напряжения на входе линии Uвх, выходного сопротивления генератора сигналов Zг, волнового сопротивления линии Z0, входного сопротивления нагрузки Zн.

     Волновое сопротивление линии можно определить по следующей зависимости:

, где

– диэлектрическая проницаемость среды;

– погонная емкость.

     

     Коэффициент отражения длинной линии:

.

     Если – линия называется согласованной и для нее .

     Во всех других случаях, когда  получается несогласованная линия. В таких линиях волна напряжения, достигая нагрузки, отражается в противофазе. Достигнув начала линии при  волна затухает, или, при ,  вновь переотражается (возможен в этом случае и колебательный процесс), искажая форму несущего сигналы. Форма и величина отражённого сигнала зависит от характера нагрузки на конце линии. Входная нагрузка линий связи может быть чисто резистивной или ёмкостной, резистивно – ёмкостной.

     Итак, в несогласованных длинных линиях связи возможно многократное отражение сигнала. В результате чего возрастает время переходного процесса, что приводит к недоиспользованию ряда микросхем по быстродействию.

    Выход – несогласованные линии надо согласовывать. В качестве согласующих элементов используют резисторы или элементарные повторители (диоды Шоттки).

     Есть две схемы: с последовательным включением резистора или с параллельным

Системы заземления в РЭС.

Система заземления – это электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчета в конкретном изделии.

 Назначение системы заземления:

- обеспечение цепей возврата для сигнальной и силовой цепи;

- защита обслуживающего персонала и оборудования от неисправности в цепях питания;

- снятие статических зарядов.

Основные требования к системе заземления:

- минимизация общего импеданса шины «земля»

- отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воздействию магнитных полей.

В конструкциях РЭС требуется как минимум три разделительные цепи заземления :

- для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжения»;

- для силовых цепей с высокими уровнями потребляемой мощности (источники питания, выходные каскады РЭС и т.д.)

- для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации).

Выделим четыре способа заземления электрических цепей в РЭС :

- одноточечная последовательная система.

Наиболее проста в изготовлении.

Наибольший уровень помех при общей последовательно включенной шине «земля». Чем дальше удалена точка заземления от опорной, тем выше ее потенциал. Эту систему не следует применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности, так как мощные функциональные узлы (ФУ) создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на слаботочные ФУ. Слоботочные ФУ следует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

- одноточечная параллельная система заземления.

Исключается паразитная связь через общий импеданс; уменьшается вероятность образования низкочастотного паразитного контура с замыканием на шину «земля». Может эффективно использоваться до частот 1 МГц.

    - многоточечная система заземления.

     Многоточечную систему заземления следует применять для высокочастотных схем  ( МГц). Подключать ФУ следует в точках, ближайших к опорной точке заземления.

- схема с плавающим заземлением.

      Применяется для чувствительных схем. Такая заземляющая система требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), в противном случае она может оказаться малоэффективной.

                           Теплообмен в конструкциях РЭС.

         Влияние теплового режима на работу РЭС. Виды теплообмена.

      

Тепловой режим – это пространственно – временное распределение температуры в пределах конструкции. Общий баланс энергии в РЭС можно представить:

                          Е = Е1+Е2+Е3,                                                                     где Еп – энергия, отбираемая устройством от источника питания;

Е1 – полезная энергия;

Е2 – энергия, рассеиваемая в окружающее пространство;

Е3 – тепловая энергия, вызывающая нагревание деталей и узлов.

Миниатюризация РЭС снижает Е, но в тоже время увеличивается отношение Е3/Е2. Нагрев элементов в настоящее время становится одним из ограничивающих факторов на пути дальнейшего улучшения массогабаритных характеристик РЭС.

 Повышение температуры способствует росту интенсивности отказов ЭРЭ, вызывает ускоренное старение материалов.

       При повышении  Т от 40 до 70С интенсивность отказов увеличивается в 2…6 раз.

       С ростом температуры наблюдается:

- снижение сопротивления изоляции;

- увеличение токов утечки;

- снижение индуктивности магнитных сердечников;

- изменение ёмкости конденсаторов и сопротивления резисторов;

- увеличение тепловых шумов в транзисторах (допустимая температура для германиевых Gr – 85 110С, Si – 125 150 С).

     Температурное поле  - это совокупность численных значений температуры в различных точках конструкции в определённый момент времени.

     Изотермические поверхности  - поверхности, в любых точках имеющие одинаковую температуру.

Теплообмен между нагретыми телами и окружающей средой количественно характеризуется тепловым потоком и его плотностью.

     Тепловой поток – это количество тепла Q, передаваемого от более нагретого тела к менее нагретому в единицу времени:

                                                    (1)

     Плотность теплового потока – это отношение теплового потока к площади изотермической поверхности:

                                                                   (2),

где S – площадь изотермической поверхности.

В общем случае теплообмен осуществляется с помощью трёх видов передачи тепла: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

         Передача тепла теплопроводностью (кондукцией).

     Теплопроводностью называют молекулярный перенос теплоты в сплошной среде обусловленный разностью температур.

      Передача тепла теплопроводностью осуществляется только между телами находящимися в контакте.

       Для планарной конструкции передача теплоты с помощью теплопроводности подчиняется обобщённому закону Фурье и может быть описана линейным уравнением:

                                                      (*)                         

где

Pt – тепловой поток, передаваемый теплопроводностью (кондукцией)Вт;

Kt – коэффициент тепловой проводимости

                                    , [Вт/ м2К];

- коэффициент теплопроводности материала, [Вт/ м*К];

- длина пути теплопотока (в частности, толщина материала, длина

      теплопроводящей шины);

S – площадь поперечного сечения теплового потока, м2.

      Величина, обратная Kt, называется тепловым сопротивлением:

                                ,

а величина

                                    - удельным тепловым сопротивлением.

      Если линейное уравнение (*) преобразовывать с учётом сопротивления R, то будем иметь:

                                  .

      Эта формула аналогична закону Ома   .

      Используя эту аналогию для расчёта теплового сопротивления, можно пользоваться формулами для последовательного и параллельного соединения резисторов. Такой метод удобен в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру. Приведём эквивалентные схемы теплопроводящего тела с неоднородной структурой.

     Для керамических корпусов  R=30…40 К/Вт;

     для пластмассовых корпусов  R=55…60 К/Вт.

      Из этого следует, что для пластмассовых корпусов перепад температур при одной и той же мощности почти в два раза выше. Т.е. удельное тепловое сопротивление характеризует тепловые параметры корпуса ЧС.

      Из линейного уравнения (*) следует, что важнейшим параметром является коэффициент теплопроводности материала  . Для улучшения теплоотвода в конструкциях РЭС применяют материалы с высокой теплопроводностью: медь  =390 Вт/м*К, алюминий   =208 Вт/м*К, поликор, керамика 22С, бериливая керамика, токопроводящий клей ЭТК – 21. (Для справки: слюда     =0,58 Вт/м*К).

      Теплоотводящие конструктивы должны иметь малое контактное тепловое сопротивление (см2К/Вт). Для достижения этого в местах соединений обеспечивают удельные нагрузки до 1000 Н/см2 (это болтовое соединение), шероховатость Rz20, исключают воздушные зазоры (клеем ЭТК – 21), увеличивают площадь теплового контакта.

      Теплоотвод от ЭРЭ на ПП осуществляют с помощью теплоотводящих шин, при этом перегрев снижается на 20%.

                                Конвективный теплообмен.

                              

      Конвекцией называется процесс теплообмена между поверхностью твёрдого тела и газообразной или жидкой средой при естественном или принудительном перемещении среды.

      Количество тепла, переносимого конвекцией от нагретого тела в окружающую среду при свободной конвекции у поверхности тела описывается законом Ньютона:

                            ,     где

Рк – количество тепла (мощность), переносимого в единицу времени Вт

        (Дж/с);

- коэффициент теплоотдачи конвекцией (конвективного теплообмена)

       [Вт/ м2К];

S – площадь теплоотводящей среды (м2);

- температура поверхности и среды [К].

      Сложность расчёта Рк заключается в определении коэффициента . Этот коэффициент является сложной функцией большого числа параметров, влияющих на процесс теплообмена. Так, для естественной конвекции   является функцией от девяти параметров (коэффициента объёмного расширения среды, коэффициента теплопроводности и т.д.)

      На основе экспериментальных данных установлено, что на передачу тепла при естественной конвекции влияют не все девять, а только некоторые параметры. Эти параметры были выявлены и определённым образом формализованы. В результате получили безразмерные критерии. Их вывели, используя теорию подобия, отсюда их названия: критерии подобия.

- Критерий Нуссельта  ,

Он характеризует интенсивность теплообмена на границе среда-поверхность твердого тела;

- Критерий Грасгофа  , где

- ускорение силы тяжести.

Он характеризует относительную эффективность подъёмной силы, вызывающую естественную конвекцию.

-Критерий Прандтля  ,

Он является теплофизической характеристикой теплоносителя.

Для жидких металлов; для газов;  

для жидкостей .

В приведённых зависимостях:

 L- определяющий размер конструкции, м (длина одтекания, высота

       цилиндра и т.д.);

          - коэффициент теплопроводности среды,  Вт/ м*К;

         - коэффициент объёмного расширения среды,  ;

         - коэффициент кинематической вязкости среды,  ;

         - коэффициент температуропроводности, м2

                                            

         V – скорость потока среды (жидкости или газа), м/с.


Ср- удельная теплоёмкость среды при определённом давлении,    

              ;

     Коэффициент конвективного теплообмена можно выразить из критерия Нуссельта:

                                  ;

а используя критерии подобия процесс конвективного теплообмена можно выразить с помощью критериальных уравнений.

Так, для геометрически подобных тел, у которых так же подобны температурные поля их поверхностей, критериальное уравнение запишется в следующем виде:

 

           , где

коэффициент С и показатель степени n- эмпирические подобранные величины, а индекс m означает, что физические параметры берутся для средней температуры:

  .

Для размерных произведений значения C и n следующие:

№ п/п

С

n

1

<

0.5

0

2

-

1.18

1/8

3

0.54

1/4

4

0.135

1/3

     Переход от одного режима к другому определяется значением числа Рейнольда:

                          ,    где

 

V – скорость движения среды у поверхности тела (м/с);

- кинематическая вязкость среды;

L – определяющий геометрический параметр.

     Количество тепла, передаваемого конвекцией, существенно зависит от режимов движения среды. При малых скоростях движения среды у поверхности твёрдого тела – ламинарный режим, а при высоких скоростях – турбулентный.

      Если  , то это ламинарное течение, если  -турбулентный режим.

Законы теплообмена у поверхности твёрдого тела.

В зависимости от показателя степени  n различают четыре закона теплообмена, которые соответствуют четырём режимам движения среды у поверхности твердого тела.

1. Закон 0 – й степени (n=0) соответствует плёночному режиму, при котором у поверхности тела образуется почти неподвижная плёнка нагретой среды.

      Этот закон имеет место при небольших перепадах температур    

у тел с плавными очертаниями. Интенсивность теплообмена при этом определяется в основном теплопроводностью среды.

              

2. Закон степени 1/8.Этот закон соответствует ламинарному движению среды. Такой режим типичен для среды, омывающей тонкие проводники

  1.  Закон степени ¼.  Этот закон соответствует переходному режиму. Он имеет место у плоских и цилиндрических кожухов аппаратов средних размеров, плоских рёбер радиаторов. Интенсивность теплообмена здесь существенно выше, чем при ламинарном движении.

                                       

  1.    Закон степени 1/3. Данный закон характерен для турбулентного движения среды и наблюдается у поверхности кожухов аппаратов больших размеров и при относительно больших перепадах температуры между поверхностью охлаждённого устройства и средой. Теплообмен протекает интенсивно

                                                                      

                               

              Системы воздушного конвективного теплообмена (естественные и принудительные) применяются в 90% наземных РЭС. На высотах больше 12км -  бортовые РЭС, плотность воздуха низка и применение конвекции ограничено.

                Для интенсификации воздушного охлаждения используют теплообменники с развитой поверхностью – радиаторы. Рассчитывают радиаторы на основе приведённых зависимостей.

                           Основные конструкции радиаторов.


уровень

шкафы, стойки, моноблоки, приборы, пульты

2й уровень

блоки, электронные модули 2го уровня, микросборки

1й уровень

кассеты, модули, электронные модули 1го уровня, модули гибридных интегральных микросхем

БНК -3 –кожухи, монтажные рамы, корпуса пультов

БНК -2 –каркасы, рамы.

БНК -1 – рамки, корпуса микросхем

нулевой уровень

узлы печатные (ячейки), платы интегральные, узлы гибридноинтегральные крупноформатные

подуровень нулевого уровень

микросборки корпусные и бескорпусные

элементная база

ЭРЭ, ЭВЭ, ППП, ИС, коммутационные изделия, волоконнооптические кабели связи

БНК – 0 – подложки платы, ФУ

ФУ

Микросборки МСБ

Печатный узел ПУ

Гибридноинтегральный узел ГИУ

Методы конструирования по видам связи

геометрический метод

ашиностроительный метод

топологический метод

АБВГ

ХХХХХХ

ХХХ

Для РГРТУ - КСЦШ

Код организации разработчика

Код классификационной характеристике

Порядковый регистрационный номер

ХХ

Х

Х

Х

класс

подкласс

группа

подгруппа

~

    Z1

ФУ1

ФУ2

ФУ3

Z2

Z3

i1+i2+i3

i3+i2

i3

A

B

C

i1

Z1

ФУ1

ФУ2

ФУ3

Z2

Z3

i2

i3

A

B

C

ФУ3

ФУ2

ФУ1

L3

L2

L1

R1

R4

R3

ФУ1

ФУ2

ФУ3

Плавающая шина «земля».

Корпусная шина «земля».

20

7

6

5

4

3

2

1

Отношение интенсивности отказов при Т°С и без температуры.

20           40            60          80                  Т°С

Разброс

t1

t2

   1

   2

  3

R1                  R2                   R3

Последовательное включение теплопроводника

     RΣ=R1+R2+R3

t1

      T

t2

1

2

3

Параллельное:

Рамка

Печатная плата

Интегральная схема

Шина для кондуктивного теплостока.



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
339. Материалы радиоэлектронных средств. А.С. Тусов 3.86 MB
  Рассматриваются основные виды материалов радиоэлектронных средств: конструкционные проводниковые контактные магнитные диэлектрические их свойства и области применения. Рецензенты: ВВЕДЕНИЕ Прогресс в любой области техники определяется достижениями в создании и изучении новых материалов. В то же время эффективное использование этих приборов трудно представить без таких материалов как например поликор и брокерит новые легкие сплавы диэлектрики для диапазона СВЧ ферриты и аморфные магнитные сплавы и т. Задача настоящего конспекта...
21251. Методическое обеспечение диагностирования радиоэлектронных средств 4.9 MB
  Анализ методов диагностирования электронных средств Анализ аппаратных средств диагностирования электронных средств. Автоматизированная система диагностирования электронных средств. Требования к системе диагностирования РЭС. Разработка алгоритма функционирования программного комплекса автоматизированного диагностирования РЭС.
5977. Основы конструирования (Курс лекций) 2.26 MB
  Курс лекций нацелен на формирование базовых знаний, необходимых курсантам для успешного последующего изучения многоцелевых гусеничных и колесных машин, их конструкции и рабочих процессов, происходящих в них при обычных и экстремальных условиях
6003. Детали машин и основы конструирования 3.26 MB
  Цель курса - подготовка студентов по расчету и конструированию деталей, сборочных единиц на основе современной науки о сопротивлении деталей машин различным видам нарушений их работоспособности. Предметом изучении служат сборочные единицы и детали общего назначения, используемые в большинстве машин. Методом исследования является анализ физических процессов, и происходящих при работе деталей машин, с последующей экспериментальной проверкой результатов при проведении лабораторных работ.
1179. Разработка технологии средств защиты информации беспроводных сетей 1.6 MB
  Анализ угроз и обеспечения безопасности беспроводной сети стр. Введение Беспроводные сети уже используются практически во всех сферах деятельности. Беспроводные сети должны удовлетворять ряду требований к качеству скорости радиусу приема и защищенности при этом защищенность часто является самым важным фактором. Актуальность обеспечения безопасности беспроводной сети обусловлена тем что если в проводных сетях злоумышленник должен сначала получить физический доступ к кабельной системе или оконечным устройствам то в...
341. Понятие компьютерной технологии разработки программных средств и ее рабочие места 19.9 KB
  Имеются некоторые трудности в выработке строгого определения CSEтехнологии компьютерной технологии разработки ПС. В этом случае CSEтехнология стала принципиально отличаться от ручной традиционной технологии разработки ПС: изменилось не только содержание технологических процессов но и сама их совокупность. Значит самое существенное в компьютерной технологии не выделено.
21180. Экономические основы технологии производства кровельных керамических материалов 40.54 KB
  Виды готовой продукции и области применения. Назначение и области применения готовой продукции. Введение В современном мире в строительстве очень широко применяются керамические материалы и изделия. Это обусловлено большой прочностью значительной долговечностью декоративностью многих видов керамики а также распространенностью в природе сырьевых материалов.
6306. Основы промышленной технологии производства катализаторов методом осаждения контактных масс 20.57 KB
  В зависимости от выпадающего осадка контактные массы условно делятся на: 1. Растворение осаждение фильтрование промывка осадка сушка осадка прокаливание катализатора измельчение сухое формование. Растворение осаждение фильтрование промывка осадка формовка катализатора влажная сушка прокалка. рост кристаллов – это относится к кристаллическим осадкам в случае аморфных: укрупнение гелеобразных частиц при их одновременном образовании.
18573. Правовые основы реализации законодательства в области страхования ГПО владельцев транспортных средств 71.01 KB
  Страхование транспортных - емкое понятие которое включает в себя сложные виды страхования относящиеся к ее различных отраслей и объединенных общим признаком - предоставление залога участников дорожного движения пострадавшим от аварии. В зарубежных странах авто страхование как правило делится на такие виды страхования такие как: страхование самого автомобиля авто-каско; комплексное страхование в том числе страхование транспортных средств считая его багаж водителя и пассажиров авто-комби; страхование грузов; страхование...
6686. Основные принципы конструирования поковок 84.59 KB
  Разработка чертежа поковки. Оформление чертежа поковки и установление технических требований. Разработка чертежа горячей поковки. Разработка чертежа поковки При разработке технологического процесса основными исходными данными являются: чертеж готовок детали с техническими условиями программа выпуска поковок обусловливающая выбор способа штамповки и варианта технологического процесса.
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.