Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

9.2.2. Расчет по постоянному току

Согласно закону Ома падение напряжения на печатном проводнике

Uп = ρIl/hф bп )

где ρ - удельное сопротивление проводника, Ом ∙мм2/м; hф- толщина фольги, мм; bп — ширина проводника, мм; l- длина проводника, м; I— ток, протекающий в проводнике, А.

Для медной катаной фольги ρ= 0,017 Ом • мм2 /м ; для проводников,

полученных электрохимическим наращиванием, ρ = 0,05 Ом • мм2 /м Допустимое падение напряжения на сигнальных проводниках цифровых РЭС не должно превышать уровня статической помехоустойчивости U интегральных микросхем, на проводниках (шинах) питания и, земли — не более 1...2% от номинального

напряжения питания U п .

Таким образом, требуемая площадь поперечного сечения

Расчеты по формуле (9.4) показывают, что в большинстве практических случаев требуемая ширина сигнального проводника оказывается меньше предельной технологической ширины. Так, например, при толщине фольги 35 мкм, статической помехоустойчивости микросхем 0,4...0,5 В, токе в проводнике 0,1 А и длине проводника 0,6 м требуемая ширина проводника составляет 0,075 мм. Это значение в два раза меньше ширины проводника печатных плат даже четвертого класса точности. Поэтому на практике основное внимание уделяется шинам питания и земли, поскольку при большом числе микросхем на плате токи, протекающие по шинам, могут быть значительными. При выполнении расчета микросхемы и активные радиоэлементы моделируют источниками тока. Расчет по формуле (9.5) производится для максимального значения потребляемого от источника электропитания тока (принцип наихудшего случая).

После определения требуемой площади поперечного сечения шин питания и земли рассчитывается количество контактов соединителя,необходимых для подключения к плате источника питания и земли.

При косвенном сочленении число контактов соединителя n к = S п з / ( π d в h ф ) ,

где d B — диаметр вывода соединителя.

341

В случае прямого сочленения количество контактов соединителя

nп = Sп.з./Sк.п.

где Sк.п — площадь контактирования контактной пары соединителя.

Расчетные значения требуемой площади поперечного сечения проводников печатной платы позволяют оценить плотности протекающих токов. Согласно требованиям к электрическим параметрам печатных плат (ГОСТ 23751-79) плотность электрического тока не должна превышать 20-106А/м2 для односторонних, двухсторонних и наружных

слоев многослойных печатных плат и 1,5- 106 А/м 2— для внутренних слоев многослойных печатных плат.

9.3. Конструирование несущих конструкций блоков РЭС

Внешнее оформление РЭС определяется несущими конструкциями высших структурных уровней: блоков, моноблоков, стоек, пультов и т.д. Под несущей конструкцией понимается элемент или совокупность элементов конструкции, предназначенных для размещения составных частей РЭС и обеспечения их устойчивости к воздействиям в заданных условиях эксплуатации: влаги, вибрации, ударов, тепла, радиации,электромагнитных полей и т.д. Несущая конструкция обеспечивает необходимое положение радиоэлементов и узлов в пространстве, связи между ними, защиту от дестабилизирующих факторов условий эксплуатации, условия техники безопасности.

Кроме печатных, монтажных, коммутационных плат к несущим конструкциям относят рамки, каркасы, шасси и кожуха блоков, стеллажи, стойки, шкафы и ряд других деталей аналогичного назначения. В процессе разработки конструкторской документации на корпуса РЭС конструктора интересует выполнение не только перечисленных выше качеств, но и сроки, трудоемкость выполнения предполагаемого объема работ. В связи с этим в практике конструирования таких видов радиоустройств широко применяются различные виды конструктивной преемс7венности: типизация, агрегатирование, нормализация, унификация, стандартизация. Различные формы конструктивной преемственности позволяют значительно увеличить число однотипных применяемых деталей, узлов, сборочных единиц, что резко сокращает затраты на их изготовление и разработку конструкторской документации. Уровень стандартизации и унификации разрабатываемой РЭС характеризуется рядом коэффициентов-стандартизации, унификации, повторяемости.

342

Например, коэффициент стандартизации рассчитывается по формуле

где NСТг, МСТ- общее количество и количество стандартных сборочных единиц в изделии; N0, М0 — общее количество и количество

стандартных изделий, не вошедших в сборочные единицы. Коэффициент повторяемости имеет вид

KП = (1-Np)/N0,

где NР — количество наименований типоразмеров сборочных единиц

изделия и его деталей.

Несущие конструкции, габариты которых стандартизированы (унифицированы), в радиоаппаратостроении носят название базовых несущих конструкций (БНК) [37]. С помощью БНК решаются проблемы, связанные с оптимальным (рациональным) выбором типоразмеров корпуса рассматриваемого класса устройств или комплекта устройств. При этом выбранная базовая конструкция может претерпевать некоторые изменения или доработки для выполнения особых функций. Преимущества применения БНК заключаются в том, что при разработке новых устройств используется уже проверенная конструкция, обеспечивается более высокая преемственность в производстве устройств, ускоряется подготовка производства, сокращается объем конструкторской документации за счет использования элементов конструкции, находящихся в процессе производства.

Существует ряд систем БНК для различных видов РЭС, ЕС ЭВМ,контрольно-измерительной аппаратуры, самолетной, судовой и т.д.[10]. Обычно при создании унифицированных систем БНК для различных классов РЭС стремятся обеспечить широкую вариантность компоновки, что позволяет на основе ограниченного количества базовых элементов получить неограниченное количество компоновочных решений.Это особенно важно для стремительно развивающихся конструкций микроэлектроники. Примером могут служить принципы разработки корпусов интегральных схем, регламентирующие пять классов (или основных типов) согласно ГОСТ 17467-79. Из них 1-, 2-, 4- и 5-й классы имеют вид прямоугольных параллелепипедов, а 3-й класс имеет форму цилиндра. Корпуса типа 1 имеют штырьевые цилиндрические выводы, расположенные на дне корпуса. Корпуса типа 2 имеют выводы, расположенные в боковых сторонах горизонтально, а после формовки при-

343

нимающие вертикальное положение. Корпуса типа 4 имеют планарные выводы, которые могут располагаться по всем четырем сторонам корпуса. Корпуса типа 5 в качестве выводов используют луженые площадки. Конструкции каждого типа отличаются друг от друга количеством выводов, материалом и размерами.

В качестве другого примера БНК можно привести систему корпусов для контрольно-испытательной аппаратуры. Она установлена ГОСТ 20504-74 и регламентирует систему унифицированных конструкций (УТК), предназначенных для применения в технических средствах агрегатированных комплексов приборов. Все УТК делятся на изделия нулевого, первого, второго, третьего порядков. Входимость изделий с оптимальным использованием объема обеспечивается при применении изделий высших и низших порядков. Размеры корпусов устанавливаются, исходя из модуля размером 200 мм и выбираются из следующих рядов:

по высоте Н — 80, 120, 160, 200, 240, 280, 320 мм;

по ширине В — 20, 40, 60, 100, 120, 140, 160,200, 220, 240, 280, 320, 360,420, 480, 540 мм.

Вкачестве основного размера по ширине изделия второго порядка принят размер 480 мм, что соответствует международным стандартам.

Вкачестве примера БНК самолетной аппаратуры можно рассмотреть блоки, предназначенные для установки на стеллажах (рис. 9.3, е), на амортизационных рамах (рис. 9.3, г, д). В соответствии

сГОСТ 17045-71 «Корпуса блоков самолетной радиоэлектронной аппаратуры» различают блоки по длине:

малые (М), короткие (К), средние (С), длинные (Д). Это соответствует ряду размеров (рис. 9.3, б)

L = 250, 319, 420, 497 мм.

По высоте блоки согласно ГОСТ 17045-71 различают двух разновидностей: высокие (В) высотой 194 мм и низкие (Н) высотой 88 мм (рис. 9.3, в). Ширина блока В изменяется дискретно в интервале значений от 57 мм до 390,5 мм согласно рис. 9.3,а.

Отдельное значение ширины блока можно вычислить по формуле

Вп=В0п+(п-1) ,

где В 0 — ширина исходного блока. Обычно это минимальный размер,т.е. В 0 = 57 мм; п — типоразмер корпуса по ширине,

выбирается исходя из ряда чисел п = 1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0;

— зазор между блоками: = 10 мм.

344

Рис. 9.3. Стандартизация корпусов самолетных РЭС: а — по ширине; б — по длине; в — по высоте;

г, д — установка блоков на амортизационной раме; е — установка на стеллаже

Такие правила позволяют унифицировать оснастку для изготовления корпусов и облегчают поиск необходимых размеров для компактного размещения самолетной радиосистемы в отведенном отсеке.

9.4.Выбор материалов корпусов

Внастоящее время существует целый спектр материалов для корпусов РЭС, полученных либо путем незначительных улучшений известных материалов машиностроения и авиации, либо путем их радикальных изменений или создания принципиально новых. Такое разнообразие является следствием необходимости защитить радиоэлектронное устройство от неблагоприятных воздействий окружающей среды,

сохраняя удобство механической обработки, формообразования, соединения частей прибора.

Опытный 'конструктор, которому приходится разрабатывать самые разнообразные корпуса РЭС, производит выбор материалов, основыва-

345

ясь прежде всего на личном опыте и опыте создания аналогичных изделий в прошлом. В случае отсутствия такого опыта выбор марки материала осуществляется на основании расчетов, связанных с соблюдением перечисленных критериев и стоимости. Прежде всего, материалы несущих конструкций следует выбирать с учетом удельной прочности и жесткости или обобщенного коэффициента

[26, 52].

Интуитивно, учитывая удобство перемещения и транспортировки прибора, конструктор стремится обеспечить требуемую прочность при минимальной толщине стенки корпуса, т.е. при максимальном снижении массы. Действуя таким образом, конструктор, может быть, неосознанно выбирает массу прибора в качестве целевой функции, подлежащей минимизации. Количественная оценка качества материала определяется из выражения для удельной прочности при растяжении-сжатии σУД.Р =σв/р ; удельной прочности при изгибе

σуди=σи/р; удельной жесткости ЕУД = Е /р , где σВ — временный предел текучести; ρ —плотность материала, г/см3 ; σ и — допустимое

напряжение изгиба, Па;Е — модуль упругости материала, Па. Обобщенный коэффициент определяется как

Ко6щ=σудЕуд = σ в(и)Е/ρ2

Усредненные показатели для основных материалов корпусов РЭС представлены в табл. 9.6.

таль работает на жесткость (лицевая панель, шасси, крышки), то пользуются Еуя . Как видно из табл. 9.8, Еуд max/Eуд min≈4, а

σуд мах/σ уд min=11.2 т.е. жесткость материалов примерно одинакова. Поэтому целесообразно при выборе материала пользоваться обобщенным коэффициентом Коб , который характеризует способность материала обеспечить высокую прочность при

наименьшей деформации и массе.

Для корпусов РЭС из всего многообразия сталей [53] в основном применяются те, которые обладают высокой пластичностью, пригодны к изготовлению деталей штамповкой, холодной высадкой и хорошо свариваются. В основном это качественные углеродистые стали марок 08 кп, 10 кп, также 15, 20, где цифры характеризуют содержание углерода в сотых долях процента. Большее содержание углерода снижает пластичность и не позволяет штамповать деталь. Если аппаратура используется в агрессивных средах (морском тумане, кислотной, щелочной среде или при повышенной влажности), то необходимо корпуса изготовлять из легированных нержавеющих сталей. С учетом требования хорошей свариваемости и штамповки в холодном состоянии рекомендуется использовать хромо-никелево- титановые стали марки 12Х18Н9Т или их беститановые заменители: 20Х13НГ9, 10Х14АГ15,10Х14Г14НЗ.

Чаще всего корпуса радиоаппаратуры предпочитают изготовлять из алюминиевых сплавов. Малый удельный вес, высокая пластичность и более высокая коррозионная стойкость по сравнению со сталями сделали их более предпочтительными. За счет легирующих добавок и термической обработки алюминиевые сплавы могут обладать повышенными прочностью и коррозионной стойкостью. В зависимости от способа изготовления деталей одинаково широко используются для корпусов РЭС алюминиевые сплавы, деформируемые и литейные. Из деформируемых сплавов детали несущих элементов изготовляются резанием,механической обработкой, методами пластической деформации.

Различают деформируемые сплавы, упрочняемые и неупрочняемые; неупрочняемые — сплавы алюминия с магнием (АМг), марганцем (АМц). Они имеют высокую пластичность, хорошую свариваемость, высокую коррозионную стойкость. Эти сплавы наиболее удобны для получения деталей сваркой. Для корпусов РЭС, испытывающих повышенные механические нагрузки (инерционные воздействия, вибрации, удары), используются дуралюмины, сплавы системы «алюминий - медь -магний» (А1 — Си -Mg). Они упрочняются при термической обработке и позволяют обеспечить хорошее сочетание прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Для РЭС используются Д1, Д16, Д19. При по-

347

вишенных требованиях к пластичности и коррозионной стойкости целесообразно элементы несущих конструкций изготовлять из АД31,АДЗЗ, АВ. Особенно удобны эти материалы для декоративной отделки прибора, лицевых панелей, ручек.

Для корпусов, работающих в условиях криогенных температур,предпочтительно использование ковочных сплавов АК6, АК8 системыА1—Mg—Si. Как следует из табл. 9.6, снижение пластичности — наиболее эффективный путь повышения удельной прочности а и удельной жесткости. Значительного улучшения таких характеристик можно достичь, если использовать сплав 1420 системы А1—Mg—Li , который отличается от сплава Д16 пониженной на 11% плотностью и повышенным на 4% модулем упругости. Коррозионная стойкость такая же, как и у АМг. Применение сплава 1420 вместо Д16 позволяет снизить массу деталей корпуса на 10...15%.

Для изготовления несущих элементов сложной формы используются литейные сплавы. По назначению эти сплавы можно условно разбить на следующие группы:

1 . Сплавы, предназначенные для герметичной РЭС (АЛ2, АЛ4,

АЛ9,В АЛ 8, АЛ9-1, АЛ34(ВАЛ5), АЛ4М, АЛ32.

2.Высокопрочные жаропрочные сплавы (АЛ19, АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛЗЗ(ВАЛП).

3. Коррозионно-стойкие сплавы (АЛ8, АЛ22, АЛ21, АЛ27, АЛ27-1). Корпуса РЭС и их детали относятся к элементам малых размеров.

Качество таких деталей, полученных литьем, будет определяться не столько механической прочностью, сколько технологическими характеристиками: жидкотекучестью, степенью изменения механических свойств, герметичностью, склонностью к образованию пустот, трещин.Поэтому наибольшее распространение получили сплавы первой группы, выполненные на основе А1 - Si, А1

-Si - Mg, так называемые силлумины. Двойной сплав АЛ2 (Al - Si) рекомендуется для литья малогабаритных деталей, так как он не упрочняется термически и склонен к образованию усадочных раковин. Остальные сплавы этой группы относятся к системе Al - Si

-Mg и имеют лучшие литейные свойства. Поэтому крупногабаритные детали РЭС целесообразно отливать из АЛ4, АЛ9. Если необходима повышенная механическая прочность удобно использовать АЛ9-1, содержащий добавку титана. Сплавы АЛ32, ВАЛ8 предназначены для литья под давлением и точного литья.

Коррозионно-стойкие сплавы третьей группы обладают повышенной стойкостью в морской воде, щелочных и азотнокислых средах. Однако невысокий интервал рабочих температур коррозионных свойств(от -60 до +60°С) ограничивает их применение для РЭС. Лишь АЛ24

348

лей, что затрудняет получение жестких конструкций. Несмотря на высокую температуру плавления, титан не обладает жаропрочностью и склонен к ползучести даже при нормальных температурах. Наиболее ценными качествами титана являются высокие прочностные свойства при криогенных температурах и низкий коэффициент линейного расширения. Поэтому титановые сплавы находят применение прежде всего для устройств, работающих в условиях пониженных температур (вплоть до криогенных), и для корпусов микросборок, где требуется спай стекла с металлом. Для этих целей рекомендуется использовать сплавы: ВТ 1-00, ВТ-0, ОТ-4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1.

9.5. Корпуса РЭС из волокнистых композиционных материалов

В конструкциях самолетной и бортовой аппаратуры широкое применение находят полимерные композиционные материалы (КМ) с неметаллической матрицей. По сравнению со сплавами металлов они имеют ряд преимуществ: меньшую массу, повышенные прочность, жесткость и теплостойкость. Из большого числа существующих КМ наиболее перспективными для авиационной аппаратуры являются КМ на основе углеродных волокон, т.е. углепластики. Кроме перечисленных достоинств, они обладают еще рядом преимуществ: коррозионной стойкостью, электропроводностью, малым коэффициентом линейного расширения, высокой демпфирующей способностью и значительно превосходят металлы по вибропрочности. В табл. 9.9 приведены основные характеристики наиболее распространенных углепластиков: КМУ-1Л на основе углеродной ленты; КМУ-1У на основе углеродного жгута; КМУ-1В на основе углеродного жгута, вискоризированного нитевидными кристаллами. Их теплостойкость — до 100°С. Для более высоких температур (до 300°С ) применяются углепластики марок КМУ-2, КМУ-2Л.

350