Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Osnovy_proekt_ES_UchPosob_2007
.pdfЛ.Н.ПАНКОВ, В.Р.АСЛАНЯНЦ, Г.Ф.ДОЛГОВ И ДР.
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Владимир 2007
0
УДК 621.38 ББК 32.844
Рецензенты:
Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ИУ-4 Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана
В.А.Шахнов
Доктор технических наук, профессор Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе
А.В.Назаров
Печатается по решению редакционно-издательского совета Владимирского государственного университета.
Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В.
Основы проектирования электронных средств: Учеб. Пособие. / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2007г. с.
Изложены общие принципы конструкторского проектирования электронных средств различного функционального назначения, работающих в различных условиях эксплуатации. Показывается история развития электронных средств, сложность задач, решаемых при проектировании, роль конструктора при создании современных электронных средств. Рассматриваются задачи, решаемые конструктором при проектировании: обеспечение электромагнитной совместимости, защита от механических воздействий, влаги, перегрева. Рассмотрены задачи эргодизайна. Показываются возможности автоматизации процесса проектирования.
Предназначено для студентов по направлениям и специальностям 210200 «Проектирование и технология электронных средств», 200300 «Биомедицинская инже-
нерия», 200402 «Биомедицинская инженерия», 210300 «Радиотехника», 140607 «Электрооборудование автомобилей и тракторов», а также студентам других специальностей при изучении вопросов теории и практики проектирования электронных средств.
Табл. Ил. Библиогр.: |
назв. |
|
УДК 621.38 |
|
ББК 32.844 |
ISBN |
© Владимирский государственный |
|
университет, 2007 |
1
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Список использованных сокращений.............................................................. |
5 |
Список использованных обозначений............................................................. |
5 |
Введение.............................................................................................................. |
6 |
1. История развития конструкций ЭС. Определяющие факторы |
|
развития, методы проектирования и конструирования, |
|
проблемы и противоречия......................................................................... |
8 |
2. Структура и классы ЭС................................................................................ |
11 |
3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭС....................................... |
14 |
Общие конструкторские требования.............................................................. |
14 |
3.2.Общие эксплуатационные требования..................................................... |
19 |
4. Общая характеристика процесса проектирования ЭС............................. |
25 |
4.1. Системный подход к проектированию ЭС. Сущность |
|
системного подхода.................................................................................. |
25 |
4.2. Роль и задачи конструктора при проектировании................................. |
29 |
5. Проектирование несущих конструкций..................................................... |
31 |
5.1. Несущие элементы конструкции ЭС....................................................... |
31 |
5.2. Особенности конструкций деталей, изготавливаемых литьём |
|
под давлением........................................................................................... |
35 |
5.3. Особенности конструкции штампованных деталей в ЭС..................... |
36 |
5.4. Несущие конструкции. Основы расчёта................................................. |
45 |
6. Система межсоединений. Проектирование печатного монтажа............. |
50 |
6.1. Разновидности печатных плат................................................................. |
50 |
6.2. Основные требования к проектированию печатного монтажа, |
|
трассировка и расчёты печатных элементов монтажа.......................... |
52 |
6.3. Особенности конструирования печатных плат с поверхностно- |
|
плоскостным монтажом компонентов ................................................... |
53 |
6.4. Особенности оформления чертежа печатной платы............................. |
57 |
6.5. Проводные и кабельные линии связи ..................................................... |
63 |
6.6. Волоконно-оптические линии связи....................................................... |
66 |
7. Основы защиты ЭС от тепловых нагрузок................................................ |
72 |
7.1 Основные факторы и законы охлаждения............................................... |
72 |
7.2 Основы расчёта температуры перегрева.................................................. |
75 |
7.3 Методы интенсификации охлаждения. Элементы локального |
|
охлаждения................................................................................................ |
77 |
7.4 Общие системы охлаждения..................................................................... |
79 |
7.5. Основы автоматизации выбора способа охлаждения ЭС..................... |
82 |
8. Основы защиты ЭС от механических воздействий.................................. |
88 |
8.1. Удары и вибрации в ЭС. Конструктивные методы обеспечения......... |
88 |
вибро-, ударопрочности и устойчивости....................................................... |
88 |
2
8.2.Частотная отстройка .................................................................................. |
93 |
8.3. Основы расчёта вибропрочности ячеек МЭА с |
|
теплоотводящим основанием.................................................................. |
95 |
8.4. Виброизоляция устройств и приборов. Особенности |
|
виброизоляторов....................................................................................... |
95 |
8.5. Динамическое гашение колебаний........................................................ |
105 |
8.6. Демпфирование колебаний.................................................................... |
107 |
8.7. Основы автоматизации выбора способов виброзащиты ЭС .............. |
108 |
9. Влагозащита ЭС ......................................................................................... |
115 |
9.1. Влияние влаги на ЭС и общие методы влагозащиты.......................... |
115 |
9.2. Герметизация ЭС. Основы проектирования......................................... |
116 |
9.3. Расчёт разъёмных соединений герметизации ...................................... |
118 |
9.4. Герметизация электрических соединений и подвижных |
|
элементов гермокорпусов...................................................................... |
122 |
9.5. Основы автоматизации выбора способа влагозащиты ЭС................. |
123 |
10. Обеспечение стойкости ЭС к электромагнитным и |
|
ионизирующим излучениям.................................................................. |
135 |
10.1. Источники и приёмники помех в ЭС.................................................. |
135 |
10.2. Экранирование электрического поля. Электростатические |
|
экраны...................................................................................................... |
139 |
10.3. Экранирование магнитного поля. Магнитные экраны...................... |
140 |
10.4. Электромагнитные экраны. Особенности конструкции................... |
143 |
10.5. Помехи в ЭС через электромонтаж. Особенности |
|
экранирования проводов ЭС................................................................. |
149 |
10.6. Обеспечение электрической прочности в конструкциях ЭС ........... |
163 |
10.7. Обеспечение стойкости ЭС к ионизирующим излучениям.............. |
167 |
10.8. Основы автоматизации выбора способов электромагнитной |
|
защиты ЭС............................................................................................... |
173 |
11. Особенности проектирования ЭС для различных условий |
|
эксплуатации и функционального назначения.................................... |
179 |
11.1. Особенности условий эксплуатации и проектирования |
|
самолетной аппаратуры......................................................................... |
179 |
11.2. Особенности условий эксплуатации и проектирования |
|
корабельной аппаратуры ....................................................................... |
185 |
11.3. Особенности условий эксплуатации автомобильной |
|
аппаратуры.............................................................................................. |
186 |
11.4. Особенности условий эксплуатации и проектирования |
|
носимой аппаратуры .............................................................................. |
187 |
11.5. Особенности проектирования ЭС различного |
|
функционального назначения............................................................... |
188 |
12. Художественное оформление конструкции ЭС.................................... |
199 |
3
12.1. Основы композиции.............................................................................. |
201 |
12.2. Категории композиции......................................................................... |
202 |
12.3. Средства композиции ........................................................................... |
205 |
12.4. Особенности внешнего оформления профессиональных и |
|
бытовых ЭС............................................................................................. |
212 |
13. Оценка качества конструкции ................................................................ |
221 |
13.1. Качество и возможность его оценки. .................................................. |
221 |
13.2. Расчет и оценка показателей качества ЭС.......................................... |
227 |
Заключение ..................................................................................................... |
235 |
Литература...................................................................................................... |
236 |
4
Список использованных сокращений
АКСС - амортизатор корабельный стальной со страховкой АПМ - алюминий плакированный медью ВЧ - высокие частоты ЛКП - лакокрасочное покрытие ЛР - линейный регенератор МП - магнитное поле НЧ – низкие частоты
ОКТ - общие конструкторские требования ОЭТ - общие эксплуатационные требования ПД - полимерный демпфер ПП – печатная плата ППУ - пенополиуретан
РЛС – радиолокационная станция РТУ - радиотехнические устройства СЭ - силовые элементы
ТКЕ - температурный коэффициент ёмкости ТКИ - температурный коэффициент индуктивности УС - управляющий сигнал ЭМИ - электромагнитный импульс (излучение) ЭП - электрическое поле ЭС - электронные средства
ЭСР - электростатический разряд
Список использованных обозначений
А – амплитуда виброперемещения ω – круговая частота λ – интенсивность отказов
η – коэффициент механических потерь QК – интенсивность теплового потока P(t) – вероятность безотказной работы
I – ускорение при механическом воздействии g – ускорение свободного падения
f – частота
D – цилиндрическая жёсткость σ – механическое напряжение
β – коэффициентом демпфирования µ – коэффициент передачи
5
Введение
Проектирование электронных средств (ЭС) содержит системотехническое, схемотехническое, конструкторское, технологическое проектирование, а также изготовление и испытание опытных образцов.
В учебном пособии рассматриваются в основном вопросы конструкторского проектирования с учетом факторов влияния схемы электрической, условий эксплуатации и назначения ЭС, условий производства, определяющих требования к конструкции.
КОНСТРУКЦИЯ (лат. constructio) – строение, устройство, взаимное расположение частей какого-либо предмета, машины, прибора и т.п., определяющееся его назначением.
Под конструкцией электронного средства понимается совокупность элементов и деталей с различными физическими свойствами и формами, находящимися в определенной пространственной, механической, тепловой, электромагнитной и энергетической взаимосвязи. Эта взаимосвязь определяется электрическими схемами и конструкторской документацией и обеспечивает выполнение электронной аппаратурой заданных функций с необходимой точностью и надежностью в условиях воздействия на нее различных факторов: эксплуатационных, производственных, человеческих.
Целью проектирования является разработка такой схемы и конструкции, которые обеспечивают выполнение заданных требований и наилучшие показатели качества. Качество оценивается комплексным показателем, который учитывает функциональные параметры, определяемые схемой электрической, конструктивные параметры, экономические параметры, параметры эргономики, эстетики, удобства и безопасности, а также технологичности производства. Указанные частные показатели качества взаимосвязаны, противоречивы, а поэтому, при проектировании необходимо найти такие решения, которые обеспечивают оптимальность комплексного показателя качества с учетом важнейших для данного изделия частных показателей.
При этом разработчик ЭС должен обладать знаниями по всем вопросам схемотехнического, конструкторского и технологического проектирования:
•виды и порядок разработки технической документации;
•влияние внешних факторов на работоспособность ЭС;
•методы проектирования и изготовления микроэлектронных изделий;
•методы конструирования элементов, узлов и устройств ЭС;
•обеспечение электромагнитной совместимости, механической прочности, нормальных тепловых режимов и надежности;
6
•проектирование ЭС с учетом требований эргономики и технической эстетики;
•особенности основных технологических процессов изготовления деталей, а также сборки и монтажа модулей ЭС;
•возможности систем автоматизированного проектирования;
•оценка качества ЭС.
Все эти проблемы представлены вниманию читателей в предлагаемой книге.
Пособие написано на основе курса лекций, читаемых в ВлГУ для студентов специальностей радиоэлектронного профиля.
7
1. История развития конструкций ЭС. Определяющие факторы развития, методы проектирования и конструирования, проблемы и противоречия
1.1. История развития конструкций ЭС I и II поколения
Конструирование ЭС началось одновременно с изобретением радио. Общая конструкция аппаратуры беспроволочного телеграфа первые десятилетия не отличалась от телеграфной аппаратуры тех лет. Соединения осуществлялись с помощью проволоки, клемм и винтов. Основой конструкции служил деревянный ящик, внутри которого на стенках размещались необходимые составные части.
Сизобретением электронной лампы и увеличением коэффициентов усиления каскадов возросла роль экранирования. В конце 20-х годов прошлого века вместо деревянного появилось металлическое основание (шасси), что улучшило экранирование. В начале 30-х годов в телефонии стали использовать усилители, состоящие из блоков, размещаемых в вертикальных стойках. Такая конструкция была первым носителем идеи расчленения сложной аппаратуры на простые составные части (узлы или модули). Сформировалась иерархическая структура конструкции. Внедрение пайки вместо винтовых соединений упростило конструкцию монтажного соединения и снизило трудоемкость сборки.
Сначала 40-х годов ЭС из помещений выходят в полевые условия. Их устанавливают на самолетах, в танках, на автомашинах. От работоспособности аппаратуры часто зависел исход военных операций. Обеспече6ние работоспособности и высокой надежности ЭС в трудных условиях эксплуатации легло на плечи конструкторов и технологов.
Конструкции 1 поколения ЭС имели простую схему электрическую принципиальную на дискретных электрорадиоэлементах с электровакуумными приборами в качестве активных элементов. Конструкции выполнялись в виде моноблоков, когда на шасси размещались крупногабаритные элементы конструкции, а в подвале шасси – электромонтаж навесным проводом. Органы управления и отображения информации выносились на переднюю панель. Конструкция помещалась в кожух.
В дальнейшем схема электрическая принципиальная усложняется. Появляются устройства широкого функционального разнообразия, которые могут быть помехочувствительными и помехонесущими. Появился функ- ционально-узловой метод конструирования, когда схема и конструкция расчленились на конструктивно обособленные составляющие. Это обеспечило возможность пространственного разнесения и компоновки, кроме того, возможность специализации производства. Изделия специализирован-
8
ного производства с хорошими функциональными характеристиками унифицировались и получали широкое применение, как модули конструкции. Появился модульный метод конструирования.
Использование ЭС в различных сферах деятельности человека существенно усложнило условия эксплуатации. Аппаратура должна быть вибро- и ударозащищённой, влагозащищённой, теплоустойчивой. Возникла проблема охлаждения. Уменьшать габариты плотной компоновкой не представлялось возможным.
Подвижные объекты требовали минимизации габаритов и массы конструкции. Объекты назначения требовали обеспечить вибро- и ударопрочность, герметичность, влагостойкость. Решить задачу минимизации габаритов плотной компоновкой было нельзя, так как увеличилась отводимая мощность, и не обеспечивался тепловой режим работы. Поэтому необходимо было уменьшить тепловые потери в конструкции и, прежде всего от радиоламп. Тогда стали использовать миниатюрные радиолампы (типа жёлудь) с гибкими выводами, которые позволяли уменьшить габариты, но усложнялась проблема электромонтажа. Появилась необходимость в жёстком компактном электромонтаже, который должен быть высоко технологичным (т.е. исключать ошибки монтажа и возможность автоматизации). Был предложен печатный монтаж, появились печатные платы как элементы электрического монтажа и элементы конструкции. Печатный монтаж позволил существенно уменьшить габариты конструкции, однако осталась проблема теплоотвода. В 1948-49 гг. появились полупроводниковые приборы, которые во многих конструкциях заменили радиолампы. Уменьшилось энергопотребление и потери. Появилась аппаратура 2-го поколения с элементной базой из дискретных элементов и полупроводниковых приборов. Вид монтажа печатный. Конструктивно законченным узлом явилась ячейка.
Недостатки конструкций 2-го поколения:
1.В случае сложной схемы электрической принципиальной, содержащей большое количество элементов и проводов соединения, конструкция получается крупногабаритной.
2.Конструкции предполагали большой объём ручной работы на сборке
иэлектромонтаже, т.е. были не технологичны.
3.Остро стояла проблема локального охлаждения мощных транзисторов, когда радиаторы были соизмеримы с несущими конструкциями аппаратуры.
9