книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры
..pdf2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
шествующих видов излучений наибольшую опасность представляют элек тромагнитные излучения и частицы высоких энергий.
Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до тысячных долей нанометра. Наибо лее значимое воздействие на ЭА оказывают рентгеновское излучение и гам м а-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают зна чительной проникающей и ионизирующей способностью и характеризуются
дозой и мощностью излучения.
Э кспозиционная доза излучения, измеряемая в кулонах на килограмм (Кл/кг), представляет количество излучения, создающее посредством иони зации в одном килограмме воздуха заряд, равный одному кулону.
М ощ ность экспозиционной дозы характеризует интенсивность из лучения и измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Она равна экспозици онной дозе излучения в 1 Кл/кг, переданной в течение 1 с. Ш ирокое хожде ние имеют внесистемные единицы измерения экспозиционной дозы, назы ваемые Рентген, равный 2,58-1 (Г* Кл/кг, и мощность экспозиционной дозы — Рентген в секунду (Р/с).
П оглощ енная доза излучения, зависящая от параметров источника излучения и особенностей облучаемого вещества, измеряется отношением средней энергии, переданной излучением веществу к его массе. Единицей поглощенной дозы является Гр (Дж/кг), равный поглощенной дозе, соответ ствующей энергии в 1 Дж, переданной веществу массой 1 кг.
М ощ ность поглощ енной дозы характеризует интенсивность переда чи энергии излучения веществу и соответствует приращению поглощенной дозы за единицу времени (Гр/с). Допускается применение внесистемных единиц для описания поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы, называемых рад и, соответственно, рад в секунду (рад/с); 1 рад = 0,01 Гр.
Существенное воздействие на конструкцию ЭА оказывают заряжен ные частицы: а-частицы, протоны, Р-частицы и нейтроны, обладающие вы сокой проникающей способностью. Для количественного описания их воз действия применяют физические величины, называемые потоком и плотно стью потока частиц.
Поток ионизирующих частиц характеризуется отношением числа час тиц, прошедших через данную поверхность за все время облучения, и изме ряется в с-1.
Плотность потока ионизирующих частиц определяется потоком час тиц, отнесенному к площади поверхности проникновения излучения, и из меряется в с^м"2.
Облучение частицами может вызвать в веществах обратимые, полуоб ратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают с его пре
42
2.1. Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА
кращением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения, уве личиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения. Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной до зы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.
Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Так, интеграль ный поток нейтронов величиной Ю20 частиц/см2 на свойства большинства ме таллов практически не влияет. Однако следует учитывать, что у большинства металлов при облучении снижается предел текучести в 2— 3 раза, ударная вяз кость уменьшается, удельное сопротивление возрастает на 20...30% . Наи меньшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электро технические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден и др., после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.
Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмо лекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В ре зультате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими, уменьшается их прочность на разрыв.
При облучении резисторов возникают обратимые и необратимые из менения сопротивления, уровень шума увеличивается, параметр влагостой кости уменьшается. Керамические и проволочные резисторы наиболее ус тойчивы к действию облучения. Интегральный поток величиной до Ю20 час тиц/см2 почти не вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к облучению металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры заметно ухудшаются при интегральном потоке свыше 10й час тиц/см2. Так же чувствительны к облучению и композиционные резисторы.
Облучение конденсаторов ухудшает их электрическую прочность, из меняет емкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Причиной этого яв ляются необратимые явления в структуре диэлектрика, механические де формации, ионизация диэлектрика и воздушных промежутков. Наиболее стойкими к облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные конденсаторы. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, по листироловые, лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной радиационной стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее низкой стойкостью, в них разгерметизация и разложение электро лита наступают при низких дозах облучения.
По сравнению с другими типами электрорадиоэлементов наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интеграль ные микросхемы вследствие возникновения в них обратимых и необрати мых явлений. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов из-за постепенного увеличения удельного электросопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки,
43
2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
пробивное напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 1012...1014 нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 104... 107 рад при гамма-облучении.
В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изме няются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них ре зисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирую щие свойства разделительных р-л-переходов, возрастают токи утечки, появля ются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.
2.2. Объекты установки ЭА и их характеристики
Характер и интенсивность воздействия климатических, механических и радиационных факторов зависят от тактики использования и объекта, на котором эксплуатируется ЭА. По виду объекта установки ЭА можно разде лить на три большие группы: стационарные, транспортируемые и портатив ные (рис. 2.2). Государственные сандарты классифицируют ЭА в зависимо-
Рис. 2.2. Классификация ЭА по объектам установки
44
2.2. Объекты установки ЗА и их характеристики
сти от условий эксплуатации и вида объекта установки на стационарные, портативные и транспортируемые, а также на группы, разновидности и но мера которых также приведены на рис. 2.2.
Стационарная ЭА — это аппаратура, эксплуатируемая в отапливае мых и неотапливаемых помещениях, бункерах, подвалах, помещениях с по вышенной влажностью, на открытом воздухе, в производственных цехах (ЭА 1- и 2-й групп). Условия эксплуатации и транспортирования такой аппара туры характеризуются весьма широким диапазоном рабочих (-50...+50 °С) и предельных (-50. ..+65 °С) температур, влажностью до 90. ..98 %, вибрацией до 120 Гц при 4...6 g, наличием многократных (до 5 g) и одиночных (до 75 g) ударов, воздействием дождя до 3 мм/мин и соляного тумана с дис персностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м3.
Транспортируемая ЭА — это аппаратура, устанавливаемая и экс плуатируемая на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусе ничном транспорте, на судах различных классов (ЭА 3-, 4- и 5-й групп), на борту самолетов, ракет, космических аппаратов искусственных спутников Земли (бортовая ЭА — 8-я группа). Специфика работы этого вида аппарату ры предопределяет повышенное воздействие механических факторов. Каж дый вид транспорта имеет собственные вибрационные характеристики, при веденные на рис. 2.3. Для предупреждения повреждения такой ЭА необхо димо, чтобы вся она и отдельные ее части имели собственные частоты колебаний вне диапазона частот вибрации того транспортного средства, на котором машина эксплуатируется или перевозится.
На ЭА, установленную на автомобильном транспорте, могут воздей ствовать вибрация частотой до 200 Гц и удары, вызванные неровной доро гой. При движении железнодорожного транспорта возможны внезапные толчки, как следствие изменения скорости движения (при маневрировании возникают удары с ускорением до 40 g). Биение колес о стыки рельсов вы зывают вибрацию с частотой до 400 Гц при ускорении до 2 g. Особо жест ким воздействиям подвергается конструкция ЭА, эксплуатируемая на гусе ничном транспорте (танках, транспортерах, самоходной артиллерии, трак торах). Здесь вследствие «стука» гусениц частота вибраций может доходить до 7000 Гц с амплитудой ±0,025 мм. Удары, вызванные неровной дорогой, отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда в корпус, могут быть большой силы и сопровождаться вибрацией. Кроме того, постоянно воздей ствие акустического шума с уровнем до 150 дБ.
Если ЭА установлена непосредственно на орудийной площадке, то наибольшую опасность для нее представляет ударная волна — главная при чина толчков и вибраций. Величина сообщаемых ударной волной вибраций и ударов зависит от массы и поверхности корпуса ЭА. Чем больше масса и поверхность корпуса ЭА, тем эффект действия ударной волны меньше.
45
2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
Рис. 23. Вибрационные характеристики различных видов транспорта: морского (а), железнодорожного (6), автомобильного (в), авиационного (г):
---------------область постоянных значений;................ |
— область случайных |
значений |
|
ЭА в морском исполнении устанавливаются на больших сравнительно тихоходных кораблях, малых быстроходных судах, подводных лодках, а также орудийных площадках береговой артиллерии. Характерными усло виями работы таких машин является наличие вибраций, ударных нагрузок и агрессивной (морской) атмосферы.
Вибрация на судне вызывается работой винтов, гребного вала, главно го и вспомогательного двигателей и гидродинамическими силами, возни кающими при движении судна по неспокойному морю. Диапазон частот вибраций на кораблях сравнительно невелик и обычно не превышает 25 Гц. Амплитуда вибраций также невелика, величина ее зависит от места распо ложения. Так, на крейсере наибольший уровень вибраций приходится на кормовую часть: частота 0...25 Гц с амплитудой до 25 мм. На более мелких судах, например на сторожевом корабле, больший уровень вибраций харак терен для носовой части: частота до 1000 Гц с амплитудой до 1 мм.
Морской воздух, окружающий ЭА, установленную на корабле, содер жит много различных активных веществ, постоянно влияющих на ее рабо
46
2.2. Объекты установки ЭА и их характеристики
тоспособность. Поэтому ЭА этого класса должны обладать высокой корро зионной стойкостью, плеснестойкостью, водо- и брызгозащищенностью.
Бортовая ЭА устанавливается на самолетах, вертолетах и ракетах раз личного класса, управляемых снарядах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических аппаратах. На самолетах электронная аппаратура на ходится, как правило, в фюзеляже. При этом на нее воздействуют вибраци онные нагрузки частотой до 500 Гц с амплитудой до 10 мм и акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ при частоте 50... 10000 Гц.
Аппаратура, устанавливаемая на борту ракет различных классов и на значения, находится в наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения воздействия вибраций, ударов и ускорений. Вибрации ракет в полете носят очень сложный характер, определяемый совместным воздействием рабо тающего ракетного двигателя и аэродинамических эффектов. Характер виб раций обычно беспорядочный, и поэтому она охватывает широкий диапазон частот. Например, мощные ракетные двигатели, работающие на жидком то пливе, имеют частотный диапазон вибраций в несколько сотен герц. С уменьшением мощности двигателя частота вибраций увеличивается и может доходить до нескольких тысяч герц. Поэтому на вычислительную аппарату ру, установленную, например, на борту ИСЗ, при доставке на орбиту воз действие вибраций происходит на всем диапазоне частот.
Наибольшее воздействие на ЭА оказывают вибрации двигателей малых ракет на твердом топливе, а также больших двигателей на жидком топливе. Частота вибраций составляет 2500 Гц при ускорениях до 20 g. Характер таких вибраций синусоидальный. В момент запуска ракеты и при ее полете на борто вую аппаратуру воздействует акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ. Акустический шум малых ракет максимален в момент старта.
Ускорение, развиваемое двигателем больших ракет на жидком топли ве, обычно не превышает 15 g. Максимальное ускорение ракет, находящих ся на управляемой орбите, не превышает 10 g, а малых ракет на твердом то пливе — 50 g. Атмосферное давление в негерметизированной аппаратуре в процессе движения ракеты изменяется от нормального до практически ну левого значения. Большим изменениям подвергаются окружающая темпера тура, содержание влаги и вредных веществ в атмосфере.
Портативная ЭА (6- и 7-я группы) включает микрокалькуляторы, ЭВМ типа «ноут-бук», специализированные вычислители, находящиеся в распоряже нии геолога, топографа, строителя, солдата и офицера армии и др. Сюда же мож но отнести переносную радиприемную и радиопередающую аппаратуру, неболь шую медицинскую технику и т. д. Небольшие габариты, малая мощность по требления, высокая надежность и сравнительно небольшая стоимость делают этот класс аппаратуры незаменимым для проведения расчетов, не требующих слож ного программирования, осуществления экспериментов и исследований и т. д.
47
2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
Условия работы портативной ЭА должны соответствовать зоне ком форта человека, которая характеризуется температурой окружающей среды 18...24 °С, уровнем акустического шума 70...85 дБ, влажностью 20...90 % и высотой над уровнем моря до 3000 м. Если температура становится меньше -17 °С или выше +43,5 °С, уровень шума достигает 120 дБ, влажность со ставляет меньше 1 %, а высота над уровнем моря больше 6000 м, то счита ется, что такие условия превышают физиологические возможности челове ка, и он может в них существовать единицы или десятки минут.
Физические возможности человека ограничивают максимально допус тимой массой переносимой им аппаратуры. С этой точки зрения портативная аппаратура делится на легкую (до 29 Н для мужчин и до 16 Н для женщин), среднюю (соответственно до 147 Н и 80 Н) и тяжелую (до 390 Н и до 216 Н).
На портативную аппаратуру может воздействовать вибрация частотой до 20 Гц с ускорением до 2 g и удары до 10 g при длительности 5... 10 мс.
Различают и другие виды ЭА, эксплуатируемые, например, в условиях химического производства, в составе системы управления артиллерийского снаряда и др. Для них характерны сверхбольшие значения одного— трех внешних факторов, на устойчивость к которым и проектируется конструк ция такой ЭА. Так, для работы в условиях химического производства глав ным является устойчивость к агрессивной среде, а для артиллерийского сна ряда — удар, ускорение и температура окружающей среды.
2.3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА
Вновь разрабатываемая ЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным, надежностным и эко номическим требованиям. Все эти требования взаимосвязаны, и оптималь ное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу. Кроме того, эти требования должны отвечать рекомендациям соответст вующих государственных стандартов. Например, для средств вычислитель ной техники действуют следующие стандарты.
•Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка и хранение.
•Машины вычислительные, электронные цифровые общего назначе ния. Общие технические требования.
•Средства технические малых электронных вычислительных машин. Общие технические требования.
•Машины вычислительные электронные персональные. Типы, основ ные параметры. Общие технические требования.
И другие.
Все эти требования содержатся в ТЗ на разрабатываемую ЭА.
48
2.3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА
Тактико-технические требования включают, в первую очередь, тре бования к параметром ЭА, характеризующим ее потребительские качества (для ЭВМ — это быстродействие, объем оперативной, постоянной и внеш ней памяти, разрядность команд и данных, языки программирования и др.). Эти требования в основном удовлетворяются на ранних стадиях разработки ЭА, когда определяется состав аппаратуры, ее структура, требования к от дельным устройствам и т. д. Учитывая необходимость работы будущей ЭА в составе управляемой ею системы, необходимо предусмотреть их техническую, программную, информационную и эксплуатационную совместимость.
В конструкции ЭА должны быть предусмотрены меры защиты от воз действия климатических и механических факторов, состав и значения кото рых приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Значения воздействующих факторов на группы ЭА
Внешние факторы |
|
|
Группа ЭА (рис. 2.2) |
|
|
|||
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6/7 |
8 |
Климатические |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пониженная температура, °С |
-10 |
-10 |
-10 |
-10 |
-40 |
5/—40 |
-60 |
|
предельная |
1 степень |
|||||||
|
2 степень |
-50 |
-50 |
-50 |
-50 |
-50 |
5/-50 |
-60 |
рабочая |
1 степень |
5 |
-10 |
-25 |
-10 |
-25 |
5/-10 -40 |
|
|
2 степень |
5 |
-25 |
-10 |
-10 |
-40 |
5/—25 |
-50 |
Повышенная температура, °С |
|
60 |
60 |
60 |
60 |
50/60 |
75 |
|
предельная |
|
55 |
||||||
рабочая |
|
40 |
50 |
50 |
50 |
50 |
40/50 |
60 |
Относительная влажность, % |
86 |
93 |
93 |
93 |
93 |
80/93 |
98 |
|
при температуре, °С |
||||||||
1 степень |
|
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
25 |
2 степень |
|
25 |
40 |
40 |
40 |
40 |
40 |
25 |
время выдержки, ч |
48 |
72 |
72 |
72 |
72 |
36/72 |
48 |
|
Интенсивность дождя, |
|
3 |
3 |
3 |
3 |
- в |
3 |
|
мм/мин |
|
_____ |
||||||
время выдержки, ч |
— |
0,33 |
0,33 |
0,33 |
0,33 |
-/0,33 |
0,33 |
|
Пониженное давление, Па |
6,МО4 6,МО4 6,НО4 6,Ы 04 6,МО4 6.1104 6,1-104 |
|||||||
время выдержки, ч |
2...6 |
2...6 |
2...6 |
2...6 |
2...6 |
2...6 |
2...6 |
|
Глубина погружения |
— |
— |
— |
|
_ |
|
|
|
в воду, м |
|
— |
|
|
||||
время выдержки, ч |
— |
— |
— |
— |
|
|
||
|
|
|
||||||
Поток пыли: |
|
— |
10 |
10 |
— |
10 |
-/10 |
|
скорость потока, м/с |
— |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
время выдержки, ч |
— |
1 |
i |
--- |
1 |
Ч/11 |
|
49
2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
Внешние факторы
Морской туман: температура, °С содержание воды, г/м3 время выдержки, ч
М еханические
Вибрация на одной частоте: частота, Гц
ускорение, g время выдержки, ч
Вибрация в диапазоне частот: частота, Гц
ускорение, g время выдержки, ч
Одиночные удары: длительность, мс число ударов в 1 мин общее число ударов
Удары многократные: длительность, мс число ударов в 1 мин ускорение, g
общее число ударов Линейная перегрузка, g
Окончание табл. 2.2
|
|
Группа ЭА (рис. 2.2) |
|
|
|
||||
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6/7 |
|
7 |
27 |
27 |
|
27 |
27 |
|
27 |
-727 |
|
27 |
2...3 |
2...3 |
2...3 |
2...3 |
2...3 |
|
2...3 |
|||
24 |
48 |
|
48 |
48 |
|
48 |
-/48 |
|
48 |
20 |
20 |
|
20 |
20 |
|
20 |
20 |
|
20 |
2 |
2 |
|
2 |
2 |
|
2 |
2 |
|
2 |
0,5 |
0,5 |
|
0,5 |
0,5 |
|
0,5 |
0,5 |
|
0,5 |
— |
— |
1...200 |
1...200 |
1...300 |
— |
До 2500 |
|||
— |
— |
|
10 |
5 |
|
2 |
— |
1..13 |
|
— |
— |
|
12 |
4 |
|
12 |
— |
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
— |
15...75 До 500 |
15.. .40 |
— |
15... 150 |
||||
— |
— |
|
15 |
15 |
|
15 |
— |
|
15 |
— |
— |
|
60 |
60 |
|
60 |
— |
|
60 |
— |
— |
5...10 |
5...15 |
5...15 |
— |
2...10 |
|||
|
— |
о |
О |
40... 80 |
о |
О |
— |
40... 80 |
|
— |
Tf |
00 |
Tf |
00 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
— |
|
15 |
15 |
|
25 |
— |
5...15 |
|
— |
— |
12000 |
12000 |
12000 |
— |
6000 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
— |
|
— |
— |
|
— |
— |
о |
00о |
К конструктивно-технологическим требованиям относятся: обес печение функционально-узлового принципа построения конструкции ЭА, технологичность, минимальная номенклатура комплектующих изделий, ре монтопригодность, защита от несанкционированного доступа, удобный дос туп к узлам и элементам, обеспечение безопасной работы оператора.
Функционально-узловой принцип конструирования, применяющийся в ЭА третьего и последующего поколений, заключается в разбиении принци пиальной схемы аппаратуры на такие функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде идентичных конструктивно технологических единиц. Применение этого принципа конструирования по зволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля конструктив ных единиц, упростить их сборку и наладку, организовать их производство на разных предприятиях.
50
2.3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА
Понятие технологичность включает правила и положения, опреде ляемые возможностями предприятия-изготовителя ЭА и влияющих на эф фективность ее производства и эксплуатации. Аппаратура, технологичная для одного предприятия, может оказаться нетехнологичной для другого. Причинами этого могут быть: неравномерный уровень развития предпри ятий, их различие в технической оснащенности, уровне и культуре произ водства.
Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности конструкции ЭА. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее экономичны в условиях производства. Технологичность конструк ции ЭА в существенной степени определяется рациональным выбором ее структуры, которая должна разрабатываться с учетом автономного, раз дельного изготовления и наладки ее основных элементов, узлов, блоков. Конструкция ЭА более технологична, чем меньше регулировочных и дово дочных операций приходится выполнять после ее окончательной сборки. В этом плане идеальная технологичность у ЭА, которая, будучи собранной из отдельных узлов, выполняет заданные функции сразу же после включения электропитания.
В технологичной конструкции должны максимально использоваться унифицированные, нормализованные и стандартные детали и материалы. Необходимость разработки новых материалов с улучшенными свойствами или новых технологических процессов должна быть технически и экономи чески обоснована. В технологичной конструкции максимально используют взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность, инструмен тальная доступность узлов и элементов.
К эксплуатационным требованиям относят простоту управления и обслуживания, предусмотрение различных мер сигнализации опасных ре жимов работы (выход из строя, обрыв заземления, открывание дверей шка фов и т. д.), наличие в комплекте ЭА аппаратуры и инструментов, обеспечи вающих профилактический контроль и наладку конструктивных элементов.
С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обес печения нормальной работы оператора: организация его рабочего места, возможность подхода ко всем устройствам ЭА, безопасная работа при от ладке и ремонте. Важна также такая организация пульта управления ЭА и расположение клавиш на нем, клавиатуре и дисплея (для персонатьных ма шин), которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требованиям инженерной психологии. Внешний вид ЭА должен быть эсте тичным, а органы управления должны быть удобными, доступными и не вызывать напряжения органов чувств у оператора.
Требования по надежности включают конкретные количественные характеристики: вероятность безотказной работы за определенный отрезок
51