Общие сведения о конструкциях РЭС и условиях эксплуатации

Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Цель курса – изучение основных вопросов конструирования РЭС, методов расчета конструкций РЭС, технологических процессов их производства.

Задачи изучения курса:

- знать основные методы конструирования и основные технологические процессы производства РЭС;

- иметь навыки конструирования ячеек, модулей, узлов, блоков, т.е. структурных модулей РЭС;

- знать основные способы защиты РЭС от воздействия внешних факторов (механических, температурных, влаги и др.)

Лабораторные работы

1. Конструирование функционального узла на печатной плате (2707).

2. Исследование внутренней компоновки блоков РЭС и конструирование лицевых панелей приборов (2482).

3. Допуски и посадки (3001).

4. Размерные цепи в системе допусков и посадок (2001).

Общие сведения о конструкциях РЭС и условиях эксплуатации

Классификация РЭС

Под РЭС понимают изделие, в основу функционирования которого положены законы радиотехники и электроники. Конструкции РЭС отличаются разнообразием и сложностью, поэтому классифицируют РЭС по нескольким признакам:

1) функциональному назначению: аппаратура радиосвязи и проводной связи, радиолокационная, радиовещательная, телевизионная, вычислительная, медицинская и другая аппаратура.

2) функциональному назначению отдельных устройств: пульт станка с ЧПУ, индикатор РЛС.

3) частотному диапазону сигналов: низкочастотная аппаратура – до 3 кГц – блоки питания, устройства автоматики; высокочастотная аппаратура – 3 кГц … 300МГц – блок устройства связи, блок усиления связи; СВЧ аппаратура – 300 МГц … 3000ГГц – усилители мощности и т.д.

РЭС принято делить на следующие классы: наземная, корабельная, самолетная, космическая.

Условия эксплуатации РЭС

По существующей классификации различают шесть типов климатических районов и соответственно столько же климатических исполнений РЭС.

1) на суше – с умеренным климатов (У), с холодным (ХЛ), с влажным тропическим (ТВ), с сухим тропическим (ТС);

2) на море – с умеренно холодным (М), тропическим (ТМ).

Когда изделие предназначено для работы, как во влажном, так и сухом тропическом климате, то такое исполнение обозначают буквой – Т; исполнение, допускающее работу во всех климатических районах суши – О; во всех морских – М; для всех районов суши и моря – В. Конкретное значение температуры и влажности для различных климатических условий и категорий приведены в ГОСТ.

В зависимости от условий эксплуатации РЭС подразделяют на пять категорий:

1 – аппаратура для эксплуатации на открытом воздухе;

2 – в помещениях, где условия по температуре и влажности незначительно отличаются от открытого воздуха, но нет прямого воздействия осадков и солнечной радиации (кузова автомобилей, палатки и т.д.);

3 – в не отапливаемых закрытых помещениях;

4 – в помещениях с повышенной влажностью (трюмы кораблей, подземные помещения).

Холодоустойчивая аппаратура – для работы в арктических и антарктических условиях t = -70ºC … 80ºC. Высотная аппаратура – при подъеме выше 10 км и t = -60ºC. Что негативного вызывает в конструкциях РЭС низкая температура? Изменяются параметры ЭРЭ, опасность разрыва слоев и соединений материалов с различным ТКЛР, изменяются зазоры и натяги, сгущается смазка.

Теплоустойчивая аппаратура.

В тропическом климате t до 50 … 55ºС. В закрытых помещениях (например, самолете на солнце, на земле t ≈ 70ºC) Обшивка лобовой части крыла при полете со сверхзвуковой скоростью t достигает 150 … 200 ºС. Повышение температуры вызывает увеличение сопротивления проводников, ухудшение органической изоляции, вследствие этого ухудшается добротность контуров. Уменьшается электропрочность диэлектриков.

Влагоустойчивая аппаратура.

Относительная влажность от 65% до 100% (в тропиках) и 5 … 10 (в пустыни). Понижение температуры сопровождается выделением влаги на поверхности и внутри аппаратуры. Влага проникает внутрь изоляции и вызывает снижение ее сопротивления, растут потери. На металлах может возникать электрохимическая коррозия. На органических материалах – плесневые грибки.

Вибро и ударопрочность аппаратуры.

Аппаратура, расположенная на подвижных объектах подвергается воздействию вибраций, ударов, линейных ускорений.

вид	fmax, Гц	вибрация Smax	удар
автомобильная		4q	10q
самолетная		10q	10q
судовая		2,5q	12q

При синусоидальных вибрациях перегрузка рассчитывается

А – амплитуда вибрации, мм

f - частота, Гц.

Понижение давления воздуха приводит к уменьшению электрической прочности (возможен пробой), ухудшается отвод тепла.

Влияние ионизационного излучения.

Потоки нейтронов и γ – излучения следует учитывать при проектировании РЭС. Менее устойчивы – полупроводниковые, магнитные и органические материалы. Установлены определенные дозы ионизирующего излучения, которое приводит к изменению параметров. Некоторые материалы (Mo, Co, Zn) в результате нейтронного облучения становятся источниками вторичного ионизирующего излучения.

Требования, предъявляемые к конструкциям РЭС.

Конструктивно-технологические требования

Конструктивные требования заключаются в ограничении массы изделия, габаритных размеров, энергопотребления.

При разработки следует стремится к сокращению номенклатуры деталей, максимально использовать стандартные нормализованные изделия.

Оценка качества продукции осуществляется по абсолютным и относительным показателям:

- коэффициент заполнения объема

V_n – полезный объем

V – объем устройства

- технический уровень конструкции по сравнению с существующим оценивается относительными показателями: коэффициентом уменьшения массы К_ш; объем К_v; энергопотребления К_э.

m₁ – масса РЭС существующая

m₂ – масса РЭС новая конструкция

Проведем некоторые способы и приемы, обеспечивающие высокие показатели конструкциями РЭС.

- комплексная микроминиатюризация - это широкое применение КМДП структур с ИЦП (интеграция на целой пластине). КМДП – транзистор – комплементарные металл – диэлектрик – полупроводник – это два МДП транзистора изготовленные в одном кристалле полупроводника, один из которых имеет канал с проводимостью n-типа, другой p-типа. Это дает противоположную полярность питающих и управляющих напряжений каждого транзистора. Это предопределяет единый технологический цикл изготовления;

- в конструкциях гибридных интегральных схем – защита элементов единой оболочкой, чаще металлической;

- разработка СБИС в корпусах с количеством выводов 320 штук и более с шагом расположения выводов – 0,5 мм (0,25 мм);

- для снижения теплонагружености при изготовлении печатных плат применять металлические основание; отвод тепла от СБИС – металлическими шинами, а от конструктивов с помощью «тепловых труб»;

- защита от механических воздействий ЭРЭ с помощью вязкоупругих компонентов, а конструктивов – с помощью виброизоляторов;

- применять элементы (ЭРЭ) с поверхностным монтажом;

- заменять в конструктивах электромеханические узлы на электронные;

- для обеспечения высокой надежности – оптимизировать методы структурного резервирования.

Технологические требования

Под технологичностью конструкции понимается совокупность ее свойств обеспечивающих минимальные затраты при производстве, эксплуатации, ремонте с учетом заданных показателей, объема выпуска и условий эксплуатации. Технологичность конструкции понятие относительное. Так, в условиях единичного производства конструкция может быть технологичной, а в условиях массового производства нетехнологичной.

Оценивать технологичность можно количественно и качественно.

Требования к надежности

Указываются требования к безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности. Унификация и стандартизация ограничивают количество видов деталей и узлов, приводит их применение к единым нормам. Допустимый уровень унификации и стандартизации оценивается коэффициентом унификации и стандартизации:

Е_у – количество унифицированных сборочных единиц в изделии

Е – общее количество сборочных единиц в изделии

Е_ст, Д_ст – количество стандартизованных сборочных единиц

Требования безопасности

РЭС должны быть спроектированы так, чтобы не создавалось опасность для оператора (пользователя). Должна быть обеспечена защита оператора от поражения электрическим током, воздействия высоких температур, рентгеновского или СВЧ излучения и т.д.

Эстетические и эргономические требования

Основой оценки эргономичности изделий являются эргономические показатели. Эстетические показатели определяются методом экспертных оценок (учитываются физические, информационные, психологические, умственные нагрузки на оператора).

Требования к патентной частоте

Устанавливаются путем проведения патентной экспертизы.

Конструктивное построение РЭС

Типовая структура конструкции современных РЭС состоит из элементной базы 1 подуровня и 4 уровней. Структура уровней РЭС регламентирована ГОСТ 26632-85.

Из приведенного видно, что конструкции РЭС отличаются иерархической структурой, т.е. последовательным объединением более простых электронных узлов в более сложные. Следует отметить, что каждому структурному уровню соответствует своя базовая несущая конструкция (БНК). Несущей конструкцией называют механическую основу для закрепления составных частей изделия. Габаритные размеры у БНК стандартизованы. В ряде случаев БНК выполняют функции по герметизации изделий, экранированию, теплоотводу, художественному оформлению изделий. Низшие уровни 0 и 1 – универсальны, а высшие уровни 2 и 3 – специализированы. Структурное дробление позволяет проводить параллельное конструирование и изготовление, и повышает ремонтопригодность.

Если рассмотреть приведенную структурную схему, то видно, что элементная база является основой конструкции. Конструкция же начинается с функционального узла (ФУ).

ФУ – это первичное структурное образование. Различают три вида ФУ:

Отметим, что структура конструкции современных РЭС имеет две параллельные ветви снизу вверх по печатному и гибридно-интегральному исполнению узлов.

Первый уровень состоит из модулей.

а) Модуль – это законченная конструкция, состоящая из элементов и имеющая стандартные размеры, нормированные для данной системы. Первоначально технология изготовления модулей была разработана для монтажа дискретных элементов.

1 – установка деталей

2 – заливка синтетической смолой

3 – химическое омеднение

4 – травление меди

б) Затем была разработана технология изготовления колончатых модулей, где наряду с дискретными компонентами (пассивными и активными) монтировались интегральные микросхемы. В колончатых модулях элементы устанавливаются вплотную, как и в первом случаи, но электромонтаж осуществляется с помощью печатных плат, которые могут иметь один или несколько коммутационных слоев (рисунок 1)

в) Аналогично колончатому модулю изготовляют этажерочные модули монтажа ИМ (рисунок 2). В этой конструкции ИМ склеиваются с помощью соединительных слоев через изолирующий слой и объединяются в электрическую схему проводниками – перемычками и заливаются синтетической смолой.

г) Пример модуля с несущей рамкой (для установки ПП)

1 – место установки ПП

2 – каркас (рамка)

3 – разъем

4 – ловители

5 – место крепления ПП

Второй уровень состоит из блоков (моноблоков).

Блок – это законченная конструкция, состоящая из сборочных единиц, радиоэлементов, органов управления и монтажа, установленных на общем шасси и имеющая размеры из нормального ряда.

Субблок – блок без панели с органом управления.

Третий уровень состоит из стоек, шкафов, стеллажей и пультов.

Стойка – это законченная конструкция, состоящая из двух или более блоков, а также крупногабаритных элементов соединенных между собой.

Шкаф – это разновидность стойки в сочетании с блоками, у которых отсутствуют лицевые панели управления. Корпус шкафа имеет на лицевой поверхности сплошные дверцы.

Стеллаж – это несколько стоек.

Пульт – это устройство с блоками, узлами, имеющими органы управления, контроля и индикации.