34

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной аппаратуры

Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств

Лабораторный практикум

к изучению дисциплины

Факультет радиоэлектроники

Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста:

654200 - радиотехника

200700 - радиотехника

Факультет информатики и систем управления

Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста:

654600 – информатика и вычислительная техника

220100 – вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Санкт-Петербург

2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 621.396.6:681.3

Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств: Лабораторный практикум к изучению дисциплины. – сПб: сзту, 2004,- 12с.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654200 – «Радиотехника» (специальность 200700 – «Радиотехника» и направлению подготовки дипломированного специалиста 654600 – «Информатика и вычислительная техника» (специальность 220100 – «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»).

Методический сборник содержит учебно-расчетные лабораторные работы по компоновке, надежности, технологичности, оценке теплового режима, оценке виброустойчивости и удароустойчивости узлов электронной аппаратуры и, методические указания к их выполнению. Методически учебно-расчетные лабораторные работы связаны с индивидуальными заданиями контрольных работ по соответствующим дисциплинам.

Рассмотрено на заседании кафедры процессов управления и информационных систем ………………………..2004 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники ……………………..2004 г.

Рецензенты: кафедра конструирования и производства РЭА СЗПИ (зав. кафедрой В.Н.Воронцов, д-р. техн. наук, проф.); В.И.Соколов, д-р. физ.-мат. наук, проф. ФТИ им. А.Ф.Иоффе.

Составители: В.Н.Воронцов, д-р. техн. наук, профессор; Д.К. Шелест д-р. техн. наук, профессор.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

Практическое занятие № 1

КОМПОНОВКА УЗЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

3.1. Выбор конструктивных решений модулей РЭА

Под компоновкой понимается процесс размещения комплектую­щих модулей, ЭРЭ и деталей РЭА на плоскости или в пространст­ве с определением основных геометрических форм и размеров. В зависимости от уровней модульности различают несколько уровней компоновки аппаратуры: микросхем и ЭРЭ на плате, ячеек в бло­ке, блоков в шкафу и т. д.

Процесс компоновки завершается полу­чением компоновочного эскиза. При компоновке должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость и стабильность, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режи­ма, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуата­ции, ремонта. Поэтому процесс компоновки устройства должен со­провождаться проведением соответствующих поверочных расчетов.

Размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объема с удобным доступом для осмотра, ремонта и замены. Замена детали или сборочной единицы не должна при­водить к разборке всей конструкции или ее составных частей. Для устойчивого положения изделия в процессе эксплуатации центр тяжести должен находиться возможно ближе к опорной поверх­ности.

Выбор варианта конструкции осуществляется исходя из технических требований и условий производства. По условиям производства рекомендуется применять однотипные кон­струкции ячеек, элементы несущих конструкций, электрические межсоединения, элементы фиксации и крепления.

При компоновке модулей всех уровней необходимо выделить достаточно пространства для межсоединений.

На рис. 3.1 приведены варианты (а—г) компоновки блоков РЭА разъемного типа. Ячейка таких блоков снабжается, как пра­вило, электрическим вилочным соединителем, при помощи которо­го легко вставляется или удаляется из блока. Основным конструк­тивным элементом блока является каркас 1, на котором фикси­руется монтажная панель 3 с установленными на ней гнездовыми соединителями 4. В зависимости от ориентации монтажной панели относительно лицевой панели 2 и расположения ячеек блока 5 су­ществует четыре разновидности компоновки блока.

Рис. 1.1. Варианты компоновки блоков РЭА разъемной конструкции: 1 — каркас;

2 —лицевая панель; 3 — монтажная панель; 4 — электрический соединитель;

5 — ячейка

Вертикально-поперечное расположение монтажной панели с вертикальной ориентацией ячеек (вариант а) используют при значительной длине ячеек в однорамных стойках и в конструкциях многорамных стоек. Такая компоновка позволяет увеличить коэф­фициент заполнения объема РЭА, имеет высокую плотность. Вертикально-поперечное расположение монтажной панели с горизонтальной ориентацией ячеек (вариант в) используют при значительных габаритах ячеек. В этом случае существенно ухуд­шается тепловой режим блока, поэтому, как правило, в блоке применяется - принудительное воздушное охлаждение.

Вертикально-продольное рас­положение монтажной панели (вариант а, где в качестве лицевой используют боковую стенку каркаса) применяют в бло­ках, имеющих значительную глубину.

Рис. 1.2. Варианты компоновки блоков РЭА книжной конструк­ции: 1 — печатная

плата с элементами; 2 — кожух; 3—коммутационная ПП; 4— задняя панель;

5 — шарнирный узел

На рис. 3.2 представлены варианты компоновки блоков РЭА книжной конструкции. Механическое объединение ПП между собой и с несущей конструкцией обеспечивается шарнирными узлами 5, позволяющими поворачивать относительно оси раскрытия ПП 1 подобно страницам книги.

В рабочем состоянии ПП стягиваются в пакет стяжными винтами. Возможна вертикальная (вариан­ты а, в) и горизонтальная (вариант б) ориентации плат в блоке. Блок по направляющим устанавливается в стойку или монтажное устройство.

Межсоединения выполняются объемными проводника­ми, печатными жгутами, фиксированным паяным соединением. Проводники и жгуты подпаиваются к ПП со стороны подвески плат к коммутационной плате 3, осуществляющей межсоединения ПП 1 согласно электрической принципиальной схеме блока. На задней панели 4 устанавливается внешний соединитель. Конструк­ция блока позволяет конструировать в рабочем режиме любой электронный узел после удаления стяжных винтов.

Варианты компоновки блоков ЭА кассетной конструкции представлены на рис. 3.3. Кассеты 2 механически соединяются между собой и с несущей конструкцией блока 4 шарниром 5, поз­воляющим откидывать и контролировать любую кассету. В режиме контроля предусматривается фиксация кассеты в откинутом со­стоянии. В рабочем состоянии кассеты объединяются в пакет и крепятся к несущей конструкции стяжными винтами. Межсоедине­ния выполняются объемными проводниками, жгутами, фиксируе­мыми соединениями, соединителями.

Рис. 1.3. Варианты компоновки блока РЭА кассетной конструкции: 1—-кожух;

2—кассета; 3—откинутая кассета; 4—несущая конструкция

При разработке, монтажной схемы блока нужно предусмотреть подвижность монтажа искус­ственным увеличением его длины для обеспечения откинутого со­стояния кассеты. Возможна вертикальная (варианты а, в) и гори­зонтальная (вариант б) ориентация кассет в блоке.

Примерное число ячеек или ПП Nя в блоке РЭА определяется на этапе функционального разбиения электрической принципиаль­ной схемы. На этом же этапе ориентировочно опреде­ляются площадь ячейки и ее габариты.

Рис. 1.4. Конструктивные зоны блока разъемной конструкции

Ширина блока выбирается исходя из ширины ПП (ячейки) В я и ширины зоны коммутации Вк. Обычно в блоках микроэлектрон­ной аппаратуры Вк = 30 ... 40 мм. Длина пакета ячеек 1 будет определяться числом ячеек N и их высотой H я , (рис. 3.4):

Длина блока в этом случае

где — длина зоны межблочной коммутации 3; Ly — длина зоны передней панели 4. Длина блока определяется его типом и обычно не может быть изменена, поэтому, если число ячеек оказывается больше того числа, которое может уместиться в размере Lя блока, следует переходить на двухярусную конструкцию.

Спецификой компоновки ячеек с применением микросхем и микросборок явилось разделение печатной платы модуля на соответствующие конструктивные зоны рис. 1.1, при этом компоновка элементов ячейки (за исключением разъема) регламентировалась только монтажной зоной S монт. Технологическая зона, состоящая из четырех краевых полей вокруг монтажной зоны, предназначается для крепления печатной платы в технологической остнастке при сборке, монтаже и контроле ячейки, а также для крепления несущей конструкции (рамки), установки разъема с выводами и лицевой панели с контрольными гнездами.

Площадь занимаемая электрорадиоэлементами определяется суммой площадей, занимаемых электрорадиоэлементами на плате согласно ОСТ 4ГО .010.030 с учетом площади занимаемой соединительными проводниками

где k – коэффициент учитывающий увеличение площади платы с учетом площади занимаемой соединительными проводниками.

При этом если S _ЭРЭ < S монт , то все электрорадиоэлементы электронной схемы размещаются на одной печатной плате, если S _ЭРЭ > S монт , то определяют количество печатных плат К пп , необходимых для размещения электрорадиоэлементов

Размещение электронной схемы на интегральных схемах на печатной плате предусматривает организацию специальных посадочных мест, размеры которых варьируются с учетом типа корпуса интегральной схемы и среднего числа задействованных выводов. Шаги уcтановки интегральных схем в зависимости от среднего числа задействованных выводов приведены в таблице 1. При этом эскиз печатной платы представлен на рис. .

Разработка конструкции основные этапы:

- изучение технического задания на изделие (печатный узел, блок), в состав которого входит конструируемая плата (п. 1);

- выбор или обоснование типа печатной платы;

выбор или обоснование класса точности;

- выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы;

- выбор материала основания печатной платы;

- размещение навесных элементов на печатной плате;

- трассировка проводников, размещение элементов проводящего рисунка на печатной плате, проверочные рас­четы;

- разработка конструкторской документации (деталиров­ка, сборочный чертеж, слои печатной платы, перечень эле­ментов и т. д.).

На основании требований ТЗ на изделие, в состав кото­рого входит проектируемая печатная плата, определяют ус­ловия эксплуатации, хранения и транспортирования. В зависимости от условий эксплуатации определяют группу жесткости по ОСТ 4.077.000, обусловливающую соот­ветствующие требования к конструкции платы, к исполь­зуемому материалу основания, проводящему рисунку и не­обходимости применения дополнительной защиты от кли­матических, механических и других воздействий.

Рис. 1.5. Эскиз печатной платы

Таблица 1.1.

Шаги уcтановки интегральных схем в зависимости от среднего числа

задействованных выводов

Корпус по ГОСТ 17167-79	Среднее число выводов ИМС, не более	Шаг установи ИМС по осям, мм ИМС по осям, ис. 3.7)
		lx1	ly1
1203.14—5	14	27,5	22,0
1206.14—5	14	29,0	25,0
1207.14—5	14	29,0	39,0
1211.28—5	28	57,5	32,5
2102.14-5	14	27,5	17,5
2130.24—5	24	50.0	25,0
2207.48-5	48	70,0	47,5
3101.8—5	8	12,5	12,5
3103.12—5	12	17,5	17,5
4105.14-5	14	15,0	20,0
4106.16—5	16	17.5	20,0
4138.42—5	42	40,0	37,5

Практическое занятие № 2

ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ РЭС

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для рас­чета надежности необходимо иметь логическую модель безотказ­ной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут нахо­диться в одном из двух состояний: работоспособном или нерабо­тоспособном.

Элемент, при отказе которого отказывает вся систе­ма, считается последовательно соединенным на логической схе­ме надежности. Элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным параллельно.

Расчет надежности РЭС по внезапным отказам.

1. Из анализа логической схемы надежности определяется способ резервирования, используемый в изделии. Если схема со­стоит только из последовательно включенных элементов, то система является нерезервированной. Логические схемы резервиро­ванных систем приведены на рис. 1.

Рис. 2.1. Логические схемы надежности резервированных систем: а—пассивное общее резервирование; б—пассивное раздельное резервирование: в—дроб­ное резервирование; г—активное общее резервирование; д—скользящее резервирование

2. Определяются интенсивности отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия:

(2)

где — номинальная интенсивность отказов; k₁ и k₂—попра­вочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов; kз—поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры; k₄ — поправочный коэф­фициент в зависимости от давления воздуха; — попра­вочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента (Т) и коэффициента нагрузки ( ). Значения номинальных интенсивностей отказов некоторых элементов даны в табл. 1.

Таблица 2.1. Интенсивности отказов ЭРЭ

Наименование элемента	1/ч	Наименование элемента	1/ч
Микросхемы со средней сте-­	0,013	—”— силовые	0,025
пенью интеграции		Автотрансформаторы	0,06
Большие интегральные схемы	0,01	Дроссели	0,34
Наборы транзисторов	0,4	Катушки индуктивности	0,02
Транзисторы германиевые:		Обмотки электродвигателя	0,08
до 2 мВт	0,4	Реле	0,25-n
до 20 мВт	0,7	Соединители	0,062-n
до 200 мВт	0,6	Переключатели кнопочные	0.07-n
свыше 200 мВт	1,91	Гнезда	0,01
Транзисторы кремниевые:		Клеммы, зажимы	0,0005
до 150 мВт	0,84	Провода соединительные	0,015
до 1 Вт	0,5	Кабели	0,475
до 4 Вт	0,74	Изоляторы	0,05
Диоды германиевые	0,157	Аккумуляторы	7,2
Диодые кремниевые	0,2	Батареи заряжаемые	1,4
Конденсаторы бумажные	0,05	Электродвигатели асинхронные	8,6
—”— керамические	0,15
—”— слюдяные	0,075	—”— синхронные	0,359
—”— стеклянные	0,06	—”— вентиляторные	2,25
—”— электролити­ческие	0,035	Антенны	0,36
		Волноводы жесткие	1,1
—”— воздушные	0,034	Волноводы гибкие	2,6
переменные		Предохранители	0,5
Резисторы композиционные	0,043	Выводы высокочастотные	2.63
—”— пленочные	0,03	Плата печатной схемы	0,7
—”— проволочные	0,087	Пайка печатного монтажа	0,01
—”— угольные	0,045	Пайка навесного монтажа	0.03
Трансформаторы входные	1,09	Пайка объемного монтажа	0,02
—”— выходные	0,09	Микрофоны динамические	20
—”— звуковой частоты	0.02	Громкоговорители динамические	4
—”— высокочастотные	0.045	Датчики оптические	4.7
Примечание: n — число контактов

В табл. 2.2 —2. 4 приведены попра­вочные коэффициенты .

Таблица 2.2.

Коэффициенты влияния механических воздействий

Условия эксплуатации aппаратуры	Вибрация k1	Ударные нагрузки k2	Суммарные воз­действия
Лабораторные Стационарные (полевые)	1,0 1,04	1,0 1,03	1,0 1,07
Корабельные Автофургонные	1,3 1,35	1 ,05 1,08	1,37 1,46
Железнодорожные	1,4	1,1	1,54
Самолетные /	1,46	1,13	1,65

Таблица 2.3.

Коэффициент влияния влажности

Влажность, %	Температура, oС	Поправочный коэффициент
60...70	20...40	1,0
90...98	20...25	2,0
90...98	30...40	2,5

Таблица 2.4.

Коэффициент влияния атмосферного давления

Давление, кПа	Поправочный коэф­фициент k4	Давление, кПа	Поправочный коэф­фициент k4
0,1...1,3	1,45	32,0...42,0	1.2
1,3...2,4	1.40	42,0...50,0	1,16
2,4...4.4	1,36	50,0...65,0	1,14
4,4...12,0	1,35	65,0...80,0	1,1
12,0...24,0	1,3	80,О...100,0	1.0
24,0...32,0	1,25

Коэффициенты электрической нагрузки k_н определяются по формулам, приведенным в табл. 2.5 в зависимости от типа ра­диоэлемента.

Таблица 2.5.

Коэффициенты нагрузки ЭРЭ

Наименование	Контролируемы параметры	Коэффициент	Рекомендуемые значения в режиме
элемента		нагрузки k	импуль-сный	статичес-кий
Микросхемы	Максимальный выходной ток , Iвых.max Входной ток микросхем включенных на выходе, I вхi Число нагруженных входов n		-	-
Транзисторы	Мощность, рассеиваемая на коллекторе, Р к		0,5	0,2
Полупроводни-ковые диоды	Обратное напряжение, U0		0,5	0,2
Конденсаторы	Напряжение на обкладках, U		0,7	0,5
Резисторы	Рассеиваемая мощность , Р		0,6	0,5
Трансформаторы	Ток нагрузки , I н		0,9	0,7
Электрические соединители	Ток , I к		0,8	0,5

Графики для определения поправочных коэффициентов для ряда различных радиоэлементов приведены на рис. 2.

Рис. 2.2. Зависимости : а - для транзисторов; б - для трансформаторов; в - для полупроводниковых диодов; г - для конденсаторов; д - для резисторов

Результаты удобно представлять в виде табл. 2.6.

Таблица 2.6.

Определение интенсивности отказов

№	Наиме-нование элемента	Кол-во эл-тов, шт. Ni	Интен-сивность отказов в нормальном режиме, 1/ч	Коэффи-циент нагруз-ки, kн	Темпера-тура, Тi,оС	Попра-вочный коэффи-циент,	Интенсивность отказов i-го элемента с учетом внешних условий 1/ч	Интенсивность отказов i-го элемента в рабочем режиме 1/ч
1 2 . . . n

3. Рассчитывается вероятность безотказной работы в течение заданной наработки (0, tp). Для нерезервированных систем

(3)

где n — число элементов. При этом интенсивность отказов си­стемы а среднее время наработки до отказа .

Для пассивного общего резервирования (рис. 1,а)

(4)

где k — кратность резервирования.

4. Для ремонтируемой РЭА определяется коэффициент готов­ности, равный вероятности нахождения системы в состоянии ра­ботоспособности при длительной эксплуатации:

- для нерезервированной системы

где - интенсивность восстановления РЭС.

На этом расчет надежности по внезапным отказам заканчи­вается.

Практическое занятие № 3

Технологичность конструкции. РЭС

Основные понятия и определения. ( ГОСТ 14.205-83 )

"Совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности опти­мальных затрат труда, средств, материалов и времени при техни­ческой подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ре­монте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении уста­новленных значений показателей качества и принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта".

Технологичность изделия отражает степень пригодности его к промышленному изготовлению (соответствие конструкции технологическим процессам). Высокий уровень технологичности обеспечивает решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых и материальных затрат, сокращение времени на производство, в том числе и монтажа вне предприятия–изготовителя, технологическое обслуживание и ремонт изделий.

От уровня технологичности конструкции изделия зависят:

- объем и длительность конструкторской подготовки производства и технологической подготовки производства;

- надежность ТП (процент явного и скрытого брака), а следовательно стоимость РЭС в производстве и расходы на эксплуатацию.

Единым критерием технологичности конструкции изделия должна быть ее экономическая целесообразность при заданном качестве и принятых условиях производства, эксплуатации и ремонта.

Основная задача отработки конструкции на техно­логичность заключается в повышении производительности труда при оптимальном снижении затрат труда, средств, материалов и времени на проектирование, подготовку производства, изготовле­ние, техническое обслуживание и ремонт, обеспечении прочих за­данных показателей качества изделия в принятых условиях его производства и эксплуатации.

Оценка технологичности конструкции изделия основана на трех видах показателей:

- базовые показатели технологичности, значения которые регламентированы в обязательном порядке соответствующей ди­рективной документацией на изделие (ТЗ и пр.);

- показатели проектируемой конструкции, достигнутые в про­цессе отработки конструкции на технологичность;

- показатели уровня технологичности конструкции изделия, значения которых регламентированы соответствующей директив­ной документацией, обуславливающей производство (изготовле­ние) изделия (ТУ и др.).

Виды технологичности определяются признаками, характеризующими области проявления свойств технологичности конструкции изделия.