- •Министерство образования российской федерации марийский государственный технический университет
- •Предисловие
- •Введение Терминология электронных средств
- •Тенденции развития конструкций эс
- •1. Структура и классификация электронных средств
- •1.1. Конструкция эс как система
- •1.2. Свойства конструкций эс
- •1.3. Структурные уровни
- •1.4. Классификация электронных средств
- •Контрольные вопросы.
- •2. Факторы, определяющие построение электронных средств
- •2.1. Факторы окружающей среды
- •2.2. Системные факторы, определяющие построение электронных средств
- •2.2.1 Факторы, определяющие компоновку рэа
- •2.3. Факторы взаимодействия в системе «человек-машина»
- •2.3.1. Человеко-машинные системы, их классификация и свойства.
- •2.3.2. Психологические характеристики и параметры человека-оператора
- •2.4 Рабочая зона оператора
- •2.4.1. Формы рабочих зон
- •2.4.2. Размещение органов управления
- •2.4.3. Размещение средств отображения
- •2.4.4. Выбор типа индикаторных приборов
- •2.4.5. Рекомендации по оформлению лицевой панели
- •3. Конструкторское проектирование
- •Характер и вид конструкторских работ и организация творческой работы
- •Характер и вид конструкторских работ
- •3.1.2 Организация творческой работы конструктора
- •Общая методология конструирования эс
- •3.2. Стадии разработки эс
- •3.3. Выбор метода конструирования эс
- •3.4. Конструкторская документация
- •4. Современные и перспективные конструкции электронных средств
- •4.1. Компоновочные схемы фя цифровой мэа III поколения
- •4.2. Компоновочные схемы блоков цифровой мэа III поколения
- •4.3. Компоновочные схемы фя цифровой мэа IV поколения
- •4.4. Компоновочные схемы блоков цифровой мэа IV поколения
- •4.5 Компоновочные схемы приёмоусилительных фя мэа III поколения
- •4.6 Компоновочные схемы приемоусилительных фя мэа IV поколения
- •4.7 Компоновочные схемы блоков приёмоусилительной мэа
- •4.8. Компоновочные схемы модулей свч и афар
- •5. Системы базовых несущих конструкций
- •5.1. Конструкционные системы и иерархическая соподчиненность уровней эс
- •5.2. Основные виды конструкционных систем
- •Размеры полногабаритных настольно-переносных корпусов бнк “Надел-85”
- •5.4. Проблема развития бнк для современных эс
- •6. Унификация конструкций эс
- •6.1. Государственная система стандартизации (гсс)
- •6.2. Единая система конструкторской документации (ескд)
- •6.3. Разновидности стандартизации
- •6.4. Унификация эс
- •7. Тепловые и механические характеристики эс
- •7.1 Тепловой режим блоков мэа
- •7.2 Расчет тепловых режимов мэа
- •7.3. Механические воздействия на мэа
- •7.4 Защита блоков мэа от механических воздействий
- •8. Электромагнитная совместимость эс
- •8.2 Факторы, влияющие на эмс элементов и узлов эс
- •8.3. Наиболее вероятные источники и приемники наводимых напряжений (наводок)
- •8.4. Основные виды паразитных связей
- •8.4.1. Паразитная связь через общее сопротивление
- •8.4.2. Паразитная емкостная связь
- •8.4.3. Паразитная индуктивная связь
- •8.4.4. Паразитная связь через электромагнитное поле и волноводная связь
- •8.5. Экранирование
- •8.5.1. Принципы экранирования электрического поля
- •8.5.2. Принципы экранирования магнитного поля
- •8.6 Фильтрация
- •8.7. Заземление
- •8.8. Виды линий связи и их электрические параметры
- •8.8.1. Волоконно – оптические линии связи (волс)
- •8.9 Конструирование электрического монтажа
- •8.9.1 Классификация электромонтажа эс
- •8.9.2. Требования к электрическому монтажу эс
- •8.9.3. Требования к контактным узлам (разъемным и неразъемным)
- •8.9.4. Конструирование электромонтажа объемным проводом
- •8.9.5. Преимущества печатного, шлейфового и плёночного монтажа
- •8.9.6 Разъемы в эс
- •9. Влагозащита и герметизация
- •9.1. Выбор способа защиты металлических деталей и узлов с учетом требований по электропроводности корпуса изделий
- •9.1.1. Основные свойства некоторых металлических и химических покрытий
- •9.1.2. Лакокрасочные покрытия
- •9.1.3. Выбор защитного покрытия
- •9.2. Герметизация
- •9.2.1. Защита изделий изоляционными материалами
- •9.2.2. Герметизация с помощью герметичных корпусов
- •9.3. Примеры конструкций средств защиты
- •9.4. Выбор способа защиты от взрыво- и пожароопасной среды
- •10. Радиационная стойкость электронных средств
- •10.1. Основные понятия и виды облучения
- •10.2. Влияние облучения на конструкционные материалы
- •Характеристики радиационной стойкости материалов.
- •10.3. Влияние ионизирующего облучения на резисторы
- •Изменение номинального сопротивления резисторов (%) при кратковременном воздействии нейтронного облучения.
- •Величины нейтронного потока при котором возникают необратимые изменения в резисторах и короткое замыкание, нейтр/см2
- •10.4. Влияние ионизирующего облучения на конденсаторы
- •Влияние радиации на конденсаторы.
- •10.5. Влияние радиации на полупроводниковые диоды
- •10.6. Влияние радиации на транзисторы
- •10.6.1. Влияние радиации на коэффициент усиления
- •Значения коэффициента к.
- •10.7. Влияние облучения на электровакуумные приборы иинтегральные схемы
- •10.8. Методы конструирования, направленные на уменьшение влияния облучения на характеристики рэа
- •11.Системные критерии технического уровня и качества изделий
- •11.1. Основные сведения о качестве продукции и об управлении качеством эс
- •Единичные показатели качества – показатель качества продукции, относящийся к только к одному из ее свойств.
- •11.2. Требования к конструкциям эс и показатели их качества
- •11.3. Выбор элементной базы и материалов конструкции эс
- •12.Использование информационных технологий при проектировании электронных средств
- •12.1 Содержание и уровень информационных технологий
- •12.3. Особенности автоинтерактивного конструирования средствами малых эвм и арм
- •12.4. Примеры применения стандартных и оригинальных программ в проектировании эс
- •13. Технический дизайн при проектировании эс
- •13.1. Терминология, применяемая в художественном конструировании эс
- •13.2. Стандарты и качество изделий применительно к дизайну
- •Термины общих эргономических показателей качества изделий (по гост 16035 - 70)
- •13.3. Художественные вопросы конструирования эс
- •13.3.1. Композиция
- •13.3.2. Гармоничность и пропорциональность
- •13.3.3. Масштабность
- •13.3.4. Отделка изделия
- •13.3.5. Цветовое решение изделия
- •Заключение
- •Библиографический список Основная
- •Дополнительная
- •Оглавление
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
6.4. Унификация эс
Унификация есть форма типизации конструкции, при которой размеры и параметры избранных типов, полученных путем деления или умножения на целые числа размеров и параметров одного исходного, базового.
Унификация подразумевает создание типовых (модульных) конструкций, размеры сторон которых могут изменяться по метрическому или ритмическому соотношениям, прилагаемым ко всем или только некоторым габаритным размерам.
При метрических соотношениях значение n – го размера , при ритмических соотношениях, где- начальное значение размера (ширины, высоты, глубины),- целое или дробное число, лежащее в основе размерно- параметричесгоко ряда,- величина приращения при метрическом соотношении,- коэффициент прогрессии ритмического соотношения, обычно.
Так, например, для унифицированных корпусов самолётных РЭС при постоянстве высоты блоков, равной 194 мм и четырёх значений длины 250, 319, 420 и 497 мм размеры возможной ширины блоков вычисляется по формуле , где- единственная ширина блока,- зазор между соседними блоками. Откуда ряд этого размера получается равным 57; 90,5; 124; 157мм и т.д.
Контрольные вопросы.
1. Дайте определение “стандартизации”.
2. Цели и задачи стандартизации.
3. Дайте характеристику Государственной системе стандартизации.
4. Какова цель комплексной стандартизации?
5. Назначение ЕСКД.
6. Какие группы стандартов ЕСКД вы знаете?
7. Назовите разновидности стандартизации.
8. Что такое типизация?
9. Что значит типовой технологический процесс изготовления изделия?
10. Дайте определение понятию агрегатирование.
11. Какие области в конструировании охватывает ограничение?
12. Каким образом унификация связана с технологичностью ЭС?
13. Какие вы знаете разновидности образования типоразмеров модулей, корпусов приборов, стоек, шкафов?
7. Тепловые и механические характеристики эс
Рассматриваемые вопросы:
7.1 Тепловой режим блоков МЭА.
7.2 Расчет тепловых режимов МЭА.
7.3 Механические воздействия на МЭА.
7.4 Защита блоков МЭА от механических воздействий.
7.1 Тепловой режим блоков мэа
Под тепловым режимом радиоэлектронного блока понимают пространствено- временное распределение температуры в нём. Тепловой режим зависит от количества рассеиваемой мощности в блоке и считается нормальным,если температуры всех элементов конструкций блока в заданных условиях эксплуатации не превышает предельно-допустимых по ТУ.
Известно, что, как правило, большая часть всей потребляемой радиоаппаратом мощности рассеивается в виде тепла в нём, что может создать опасные перегревы термочувствительных элементов (бескорпусных транзисторов, диодных матриц, ферритовых сердечников и т.п).
Передача тепловой энергии, рассеиваемой в блоке, осушествляется известными тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью. Причем для аппаратуры, работающей в условиях космоса, основными видами передачи тепла являются теплопроводность и излучения. Теплопередача осуществляется от ИС к их основаниям (рамкам, печатным платам ), от них тепло передается корпусу и далее в окружающее пространство.
Передача тепла с помощью конвекции подчиняется законам Ньютона:
Р1 = aк*S*J
где Р1- количество тепла, переносимого газом или жидкостью в единицу времени от одной поверхности блока к другой или в окружающую среду, Вт;
aк- коэффициент конвекции, Вт/м2 0С;
S- площадь поверхности теплоотдачи, м2;
J- величина перегрева поверхностей относительно друг друга или относительно окружающей среды, 0С.
Конвекция бывает естественной и принудительной. В условиях естественной конвекции происходит передача тепла от корпуса блока в окружающую среду. Для этого случая величина aк может достигать порядка 4 Вт/м2 0С. Однако в ряде случаев такой вид передачи не удовлетворяет требованиям нормального теплового режима блока, и тогда применяют принудительное воздушное охлаждение за счет обдува корпуса специальными воздуходувками. Это резко изменяет режим теплоотдачи и увеличивает коэффициент конвекции в несколько десятков раз. Следует иметь в виду, что применение воздуходувок является целесообразным лишь при наличии нормальной или близкой к ней плотности воздуха. В условиях же разряженного пространства их применение бесполезно. В связи с этим рекомендуется применение систем жидкостного охлаждения, эффективность которого по сравнению с воздушным возрастает в 2-4 раза. В зависимости от способа переноса тепла жидкостью различают собственно жидкостные системы охлаждения и системы, использующие принцип переноса тепла за счет испарения и конденсации жидкости. Один из вариантов первого способа представляет собой металлические напаянные трубки, расположенные в основании блока или между ячейками, в которые протекает охлаждающая жидкость (этиловый или метиловый спирт, вода). Система охлаждения, построенная на принципе испарения жидкости фреона, представляет собой «тепловую трубу», один торец которой контактирует с «горячим» блоком, а другой выводится за блок и охлаждается. У горячего торца жидкость испаряется и под давлением и компрессора поступает к холодному торцу, где конденсируется. Далее по капиллярам «тепловой трубы» она вновь возвращается к горячему торцу, т.е. система имеет замкнутый цикл.
Применение систем принудительного охлаждения может увеличить коэффициент конвекции на несколько порядков, однако это вызывает значительное увеличение веса и объёма МЭА, поэтому в каждом конкретном случае необходимо выявить возможности их применения.
В принципе увеличение теплоотдачи конвекцией может быть достигнуто путём увеличения поверхности блока МЭА либо увеличением температурного перегрева. Однако первое противоречит идее микроминитюаризации, а второе ограниченно температурой окружающей среды.
В целом возможности повышения теплоотвода конвекцией в МЭА существенно ограничены.
Количество тепла отводимого от блока с помощью излучения (лучеиспускания ), может быть рассчитано по формуле:
P2 = aк*S*J
где P2- количество тепла переносимого электромагнитными волнами в единицу времени, от одной поверхности к другой или в окружающую среду, Вт;
S- поверхность теплоотдачи, м2;
J- температурный перегрев 0С;
aк- коэффициент лучеиспускания, Вт/м2 0С;
Коэффициент лучеиспускания определяется как:
αк = Εпр*φ*ƒ(t1, t2),
где Eпр- приведенная степень черноты поверхности (принимаемая в МЭА равной 0,8);
φ- коэффициент облучённости (принимаемый равным 1);
ƒ(t1, t2)- значение функции, определяемое по таблице в зависимости от температур изотермических поверхностей тел или среды;
Передача тепла с помощью теплопроводности ( кондукции ) подчинена обобщённому закону Фурье:
P3 = λЅ1J/ℓ,
где P3 – количество тепла, передаваемого кондукцией в единицу времени от одной изотермической поверхности сопрягаемых тел к другой, Вт;
λ – коэффициент теплопроводности тела, определяемый по таблицам физических констант материала, Вт/м 0С;
ℓ* S* V– длина пути теплового потока, м;
S1- площадь поперечного сечения теплового потока, м2.
Особенности тепловых режимов блоков МЭА заключаются в следующем:
в блоках МЭА допустима более высокая удельная мощность рассеивания нежели в блоках РЭА первых “поколений”,
основным видом передачи тепла внутри блоков МЭА является теплопроводность.
Наиболее критичными к локальным перегревам в блоках МЭА являются бескорпусные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, ИС1).
Первая особенность обусловлена уменьшением линейных размером блоков. Допустим, что блок РЭА имеет условную форму куба со стороной L. Тогда, объем его равен L3, а площадь теплоотдачи 6L3. Величина рассеиваемой мощности выразится как:
P = k*S*J,
где k – суммарный коэффициент теплопередачи блока за счёт конвекции и излучения во внешнюю среду, S = 6L2.
С другой стороны, эта же мощность может быть представлена, как P = Pуд*V,
где Руд – удельная мощность рассеивания в блоке, V = L3.
Решая эти два выражения совместно, можно определить, что Руд = 6k*V/L. Откуда видно, что с уменьшением габаритов блока, его удельная мощность возрастает. По этой причине для МЭА допускаются значения удельной мощности порядка 15…20 Вт/дм3 вместо 3… 5 Вт/дм3 для блоков РЭА на дискретных элементах.
Вторая особенность определяется тем фактором, что блоки МЭА имеют высокий коэффициент заполнения объёма и весьма малые внутренние газовые каналы передачи тепла. Поскольку материалы конструкции (алюминиевые, магниевые сплавы, ситалл, поликор и т. п.) имеют высокую либо среднюю теплопроводность и весьма низкое значение относительно степени черноты (порядка сотых –десятых долей единицы), то возможности передачи тепла с помощью кондукции гораздо значительнее, чем с помощью излучения.
Третья особенность вытекает из того факта, что пассивные элементы ГИС, выполненные в тонкопленочном варианте, достаточно термостойки и стабильны (ТК≈3*10-4), а активные бескорпусные элементы практически не защищены от перегревов. Кроме этого, они дополнительно в силу необходимости разделены от теплоотводящей подложки слоем клея, имеющего низкую теплопроводность (0,2Вт/м 0С)
В связи с изложенным рекомендуют при разработке МЭА выбирать объем отдельных её блоков не более 0,5…0,6 дм3, а в случае перегревов, превышающих допустимые, делать оребрение корпусов при внешнем обдуве.
Наибольшей теплопроводностью, как известно, обладают металлы, малой – твёрдые диэлектрики и совсем незначительные – газы. Передача тепла теплопроводностью металлов является основным видом теплоотдачи в МЭА. Кроме этого, при компоновке блоков и ячеек источники тепла (бескорпусные ИС, транзисторы и другие радиоэлементы) располагают на металлических рамках, а теплоотвод от последних осуществляют к основанию или крышке корпуса с помощью стяжных болтов. Для увеличения теплоотдачи применяют материалы с коэффициентом теплопроводности порядка 100…200Вт/м 0С (алюминиевые сплавы, латунь и т.п.). Одним из способов повышения кондуктивной теплоотдачи является метод термоэлектрического охлаждения, основанного на эффекте Пельтье. Конструктивно это осуществляется подбором столбиков термоэлементов между нагретыми ячейками и корпусом блока. Другим способом защиты бескорпусных микросхем от местных перегревов является организация направленного теплоотвода от “горячего” субблока на основание. В этом случае нагретый субблок, например трансформаторный субблок питания, может быть укреплён дном на бобышках основания и изолирован диэлектриком по остольным 5 сторонам.
При компоновке блоков МЭА с целью обеспечения нормального теплового режима существуют некоторые общие рекомендации, а именно:
-более нагретые ячейки и субблоки следует монтировать ближе к основанию-теплоотводу блока,
-для уменьшения локальных перегревов отдельные термочувствительные узлы необходимо выносить на корпус или в ниши блока, а более мощные ИС и транзисторы следует располагать по периферии ячейки, ближе к рамке,
-блоки питания желательно разбивать на несколько отдельных субблоеков (трансформаторных, стабилизаторных и т. п.) для увеличения суммарной поверхности теплоотдачи,
-при наличии внешнего обдува целесообразно оребрнение корпусов, причем ребра должны располагаться вдоль потока воздуха.