Основы конструирования электронных средств (РТФ 6 Семестр Бородин) / Экз / ОКЭС экзамен

Эргономические требования - связаны с антропологическими и чувственными

характеристиками человека-оператора. Эстетические требования - требования к внешнему виду изделия.

Экономические, патентно-правовые требования и требования по стандартизации.

Требования по стандартизации. Стандартизация — это установление и применение

правил с целью упорядочения деятельности специалистов для достижения оптимальной экономичности.

Экономические требования - направлены на уменьшение стоимости ЭС на всех этапах жизненного цикла.

Патентно-правовые требования отражаются в патентном формуляре вновь разрабатываемого изделия, который должен соответствовать ГОСТ «Система разработки и постановки продукции на производство. Патентный формуляр». Требования включают в себя

патентоспособность и патентную чистоту.

30. Основные этапы конструирования печатных плат.

Последовательность конструкторско-технологического проектирования ПП установлена нормативной документацией и включает следующие этапы:

1.Изучение и анализ ТЗ на изделие (печатный узел, модуль 1-го уровня, ЭА), в состав которой входит разрабатываемая ПП:

•анализ назначения и объекта установки ЭА;

•анализ условий эксплуатации и группы жесткости ЭА;

•анализ электрической принципиальной схемы и элементной базы.

2.Выбор типа конструкции блока и варианта конструктивного исполнения модуля 1-го уровня (куда и как будет устанавливаться проектируемое изделие).

3.Выбор компоновочной структуры ячеек ЭА (определяется типом используемой элементной базы и способом ее монтажа).

4.Выбор типа конструкции ПП.

5.Выбор класса точности ПП.

6.Выбор метода изготовления ПП.

7.Выбор материала ПП.

8.Разработка компоновочных эскизов ячейки и выбор габаритных размеров ПП:

•выбор типоразмера ПП;

•компоновка конструкторско-технологических зон на ПП для установки ЭРЭ, элементов электрического соединения, контроля, крепления и фиксации ячеек;

•определение размеров зон размещения ЭРЭ на ПП;

•определение размеров зон размещения элементов электрического соединения;

•определение размеров зон размещения элементов контроля функционирования, ручек и съемников;

•определение размеров зон размещения элементов фиксации ячейки в модулях более высокого конструктивного уровня;

•определение размеров зон размещения дополнительных элементов

крепления ячейки (при требованиях к повышенной механической прочности);

•определение толщины ПП.

•определение числа слоев и толщины МПП.

9.Расчет элементов проводящего рисунка (диаметры монтажных отверстий, ширина

проводников).

10.САПР (размещение и трассировка).

11.Поверочные расчеты.

12.Подготовка разработанного проекта к производству ПП.

31. Паразитные связи на печатной плате. Паразитное сопротивление.

В обоих вариантах размещения печатных проводников (в одном слое или в двух)

изменение напряжения во времени (dV/dt) на одном проводнике может вызвать появление тока во втором. Если второй проводник обладает высоким сопротивлением, то при протекании тока на нём возникает заметное падение напряжения.

Способы избежания: уменьшение длины проводников, уменьшение их ширины. Другой

метод предполагает использование заземлённой дорожки, проложенной между двумя проблемными печатными проводниками. Заземлённый проводник с низким сопротивлением, как, впрочем, и любой другой дополнительный проводник на печатной плате, имеющий низкий импеданс, может послужить экраном для электромагнитных полей, вызывающих наведенные токи.

33. Паразитные связи на печатной плате. Эффект длинной линии.

34. Электрические соединители модулей.

35. Методика ориентировочного расчета надежности ЭС

Ориентировочный расчет производится с целью определения целесообразности дальнейшего проектирования, поскольку сложность расчета невысока, а результаты четко показывают, требует или нет принципиальная схема доработки с точки зрения надежности. При

расчетах принимаются следующие допущения: отказы элементов считают событиями

случайными и независимыми; отказ любого из элементов приводит к отказу аппаратуры; все элементы функционируют в типовых, номинальных режимах; однотипные элементы равнонадежны; вероятности безотказной работы элементов изменяются во времени по экспоненциальному закону, т. е. считают, что интенсивности отказов элементов есть величины постоянные.

Методика проведения ориентировочного расчета следующая:

1.Анализируя принципиальную электрическую схему (Э3) и перечень элементов (ПЭ3),

выявляют группы однотипных элементов (m) и количество элементов в каждой группе (Ni ).

Кроме надежности собственно ЭРЭ, необходимо учитывать надежность самой платы и точек пайки. При расчете количества точек пайки следует учитывать точки сопряжения модуля с внешними цепями. Незадействованные выводы ИМС должны быть припаяны к изолированным контактным площадкам, но с точки зрения надежности они могут не учитываться, т. к. нарушение контакта в такой точке не приводит к отказу модуля.

2.Определяют интенсивность отказов каждой группы элементов. Величины

интенсивности отказов стандартных элементов λ0 для расчета берутся из соответствующих

справочников для номинальных режимов работы. Для учета разбросов номиналов элементов и различных режимов работы (рассеиваемая мощность, напряжение и т. п.) задаются минимальная и максимальная интенсивности отказов элементов или усредненное значение.

Если используются данные из настоящего пособия, то минимальное и максимальное значение

следует рассчитывать как

где Ni – количество функциональных элементов в данной группе. 3. Вычисляют интенсивность отказов для всего модуля:

где m – количество групп однотипных ЭРЭ в проектируемом модуле.

4.Определяют среднюю наработку на отказ модуля по формулам:

5.Производят анализ полученных результатов.

Если Tн.мин > Тн , то модуль удовлетворяет требованиям ТЗ с гарантией. Если Tн.мин < Тн < Тн.макс, то модуль удовлетворяет требованиям ТЗ, однако, конкретный результат даст уточненный расчет. Если Tн.макс < Т, то изделие не удовлетворяет ТЗ и необходимо

переработать принципиальную схему, сократить количество элементов или выявить элементы

с наибольшими значениями λ0, и предусмотреть для них облегченный режим

функционирования. Затем расчет производится повторно.

36. Методика уточненного расчета надежности ЭС

Уточненный расчет надежности производится на этапе технического проекта, когда разработана принципиальная схема модуля. Он проводится с целью определения показателей надежности проектируемого модуля в реальных условиях эксплуатации с учетом особенностей

функционирования принципиальной схемы, и позволяет оценить влияние условий применения

элементов и дестабилизирующего влияния окружающей среды на надежность модуля. В общем случае формула расчета надежности в реальных условиях эксплуатации имеет вид

где λа – интенсивность отказа модуля в нормальных условиях эксплуатации;

αмв, αt , αвл, αд – коэффициенты, учитывающие влияние на надежность механических воздействий, температуры, влажности и давления соответственно; Кэн – коэффициент электрической нагрузки, учитывающий особенности функционирования принципиальной схемы с выбранными элементами.

Следует учесть, что влияние внешних факторов на элементы различных классов неодинаково. Достаточно сложно вычислить обобщенный Кэн для всего модуля. Поэтому наиболее точный результат интенсивности отказов модуля дает формула, учитывающая соответствующие коэффициенты для каждого i-го элемента:

Коэффициент электрической нагрузки Кэн рассчитывается на основе моделирования или анализа работы принципиальной схемы. Допускается использование рекомендованных значений, однако это снижает ценность проекта. Наиболее неоднозначно влияет на интенсивность отказов элементов различных типов температура.

37. Методика расчета надежности резервируемых систем

Необходимая надежность сложных систем может быть достигнута только при использовании различных видов резервирования. Резервирование – это одно из основных

средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) объекта при недостаточно надежных элементах.

В соответствие с ГОСТ 27.002-89 резервированием называется применение

дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование — это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В

свою очередь, избыточность — это дополнительные средства и (или) возможности сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.

Существуют разнообразные методы резервирования. Их целесообразно разделять по следующим признакам: вид резервирования, способ соединения элементов, кратность резервирования, способ включения резерва, режим работы резерва, восстанавливаемость резерва.

Структурное резервирование, иногда называемое аппаратурным (элементным, схемным), предусматривает применение резервных элементов структуры объекта. Суть

структурного резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант

объекта вводятся дополнительные элементы. Элементы резервированной системы носят следующие названия. Основной элемент — элемент структуры объекта, необходимый для

выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов. Резервный элемент – элемент объекта, предназначенный для выполнения функций основного элемента, в случае отказа последнего.

Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях.

Резервируемый элемент — основной элемент, на случай отказа которого в объекте

предусмотрен резервный элемент.

Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводится время, заведомо

большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д.

Информационное резервирование — это резервирование с применением избыточности

информации. Примерами информационного резервирования являются многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток

информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой

информации или устранять их.

Функциональное резервирование — резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, функция быстрой остановки водяного энергетического реактора может быть осуществлена вводом в

активную зону стержней аварийной защиты СУЗ или впрыском борного раствора. Или функция

передачи информации в АСУ может выполняться с использованием радиоканалов, телеграфа,

телефона и других средств связи. Поэтому обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т.п.) становятся

малоинформативными и недостаточно пригодными для использования в данном случае.

Наиболее подходящие показатели для оценки функциональной надежности: вероятность

выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции.

38. Методика определения геометрических размеров печатных плат.

В общем случае печатная плата содержит пять основных технологических зон:

S1 – зона размещения электрорадиоэлементов

S2 – зона размещения электрического соединителя;

S3 – зона размещения элементов управления, индикации и контроля; S4 – зона размещения элементов крепления и фиксации;

S5 – зона размещения элементов повышения механической прочности. При этом площадь печатной платы (Sпл) будет определяться как сумма площадей указанных зон:

После определения Sпл следует выбрать геометрические размеры платы,

руководствуясь требованиями технического задания и/или предпочтительным рядом размеров

плат.

Определение площади S1. Зона размещения электрорадиоэлементов является основной и определяется по формуле

где Ks – коэффициент заполнения ПП ЭРЭ, определяемый в зависимости от класса ЭС в пределах 0,4...0,85; S i уст – установочная площадь ЭРЭ.

Установочные размеры определяются на основании анализа габаритных размеров элемента, варианта его установки и шага координатной сетки печатной платы.

Для правильного определения установочных размеров должны быть приведены установочные рисунки для каждого элемента в соответствии с ОСТ4 Г0.010.030–81 или ГОСТ

29137–91. При использовании элементов планарного типа используют ОСТ4 Г0.010.220 или РД

107.460000.019-90.

Определение площади S2. Зона размещения электрического соединителя определяется в зависимости от установочных размеров соединителя. В случае, если соединитель не предусмотрен, тогда соединение осуществляется с помощью монтажных проводов и контактных площадок. При этом требуется рассчитать площадь, необходимую для размещения

этих площадок В первом приближении можно считать, что диаметр контактной площадки (D) в три раза больше диаметра отверстия (d), а расстояние между соседними площадками (V) лежит в пределах (0,6…1)*D. Тогда площадь, необходимая для размещения одной площадки

Общую площадь S2 определим как где N – общее число контактных площадок.

Определение площади S3. Площадь зоны размещения элементов управления, индикации и контроля определяется в зависимости от установочных размеров соответствующих элементов, которые должны были быть выявлены при анализе

принципиальной схемы.

Определение площади S4. Площадь зоны размещения элементов крепления и фиксации зависит от их количества и типа. В простейшем случае печатная плата закрепляется

с помощью фиксирующих винтов с шайбами. Тогда площадь зоны S4 с учетом расстояния до

выводов ЭРЭ (1…2 мм) будет определяться как

где N – количество фиксирующих винтов; В – диаметр шайбы.

Определение площади S5. Площадь зоны размещения элементов повышения

механической прочности зависит от геометрических размеров указанных элементов и, как правило, при первоначальном расчете не учитывается, поскольку на данном этапе нельзя сделать вывод о виброустойчивости проектируемой платы в реальных условиях эксплуатации.

После проведения расчетов модуля на вибропрочность при необходимости добавляется

дополнительная площадь для установки усилительного элемента или точки опоры.

Выбор габаритных размеров и ее конфигурации. Габаритные размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10317–79 и ГОСТ Р 53429–2009 при максимальном соотношении сторон 5:1. Рекомендуется разрабатывать ПП простой прямоугольной формы. Конфигурацию, отличную от прямоугольной, следует применять только в технически обоснованных случаях. Типоразмеры ПП могут быть ограничены типовыми несущими конструкциями высших структурных уровней (блок, аппарата, стойки).

Толщина определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от

используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних ПП являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Допуск на толщину ПП устанавливают по соответствующим стандартам или техническими условиями на исходный материал (ГОСТ 26246–89).

Выбор типа плат (одно-, двусторонняя, многослойная и т. д.) зависит от требований к

быстродействию конструируемых ЭС, возможности трассировки в проводящих слоях,

серийности, стоимости, сроков проектирования и изготовления.

39. Методика расчета вибропрочности печатной платы.

В большинстве случаев устойчивость модуля к механическим воздействиям оценивают на основе анализа собственной резонансной частоты колебаний ПП, поскольку вибрации

наиболее негативно влияют на ее механическую прочность. Частоту собственных колебаний равномерно нагруженной ПП определяют по формуле

где a и b – длина и ширина печатной платы; D – цилиндрическая жесткость ПП:

где Е – модуль упругости;

h – толщина ПП; ν – коэффициент Пуассона;

М – масса платы с элементами;

Kα – коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон платы, определяемый по формуле

Для печатной платы, закрепленной в четырех точках:

В случае, когда выполняется неравенство f0>2fвв (где fвв – верхняя воздействующая частота),

можно считать, что вибропрочность обеспечена. В противном случае необходимо принять

меры по повышению жесткости ПП (например, путем введения дополнительных точек

крепления или ребер жесткости).