1. предварительная разработка и компоновка конструкции устройства

62

Лекции по Конструированию РЭА

СОДЕРЖАНИЕ

1. Предварительная разработка и компоновка конструкции устройства

2. Разработка конструкции устройства и оценка его качества

2.1. Разработка конструкции ячейки

2.2. Разработка конструкции блока РЭА

2.3. Компоновочный расчет блока РЭА

3. Выбор метода изготовления ПП

3.1. Метод получения проводящего рисунка ПП

3.2. Способ формирования изображения рисунка ПП

4. Электрические параметры печатных плат

5. Нормы и требования по конструированию ПП

5.1. Требования к основным размерам

5.2. Требования к расположению и размерам отверстий

5.3. Требования к размерам и расположению проводников

6. Установка и крепление навесных элементов на ПП

7. Расчет параметров электрических соединений

8. Расчет теплового режима

8.1. Расчет стационарного теплового режима блока при естественном

конвективном теплообмене

8.2. Определение температуры корпуса

8.3. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

8.4. Расчет температуры поверхности элемента

8.5. Расчет радиаторов

8.5.1. Игольчато-штыревые радиаторы

8.5.2. Ребристые радиаторы

9. Конструирование плат цифровых устройств

10. Резисторы

11. Конденсаторы

12. Полупроводниковые приборы

13. Интегральные схемы

14. Коммутационные устройства

1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ РАЗРАБОТКА И КОМПОНОВКА

КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

Проектирование современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) основано на модульном принципе, на базе которого разработаны функционально - модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы конструирования. Основной задачей конструкторского проектирования является реализация схемы изделия в виде набора отдельных конструктивно законченных модулей, узлов или блоков, связанных друг с другом цепями электрической коммутации.

Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей, электрорадиоэлементов (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. 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.

Размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объема с удобным доступом для осмотра, ремонта и замены.

Рассмотрим последовательность выполнения вариантов компоновки блоков РЭА. Выбор варианта конструкции осуществляется исходя из технических требований и условий производства. При компоновке модулей всех уровней необходимо выделить достаточно пространства для межсоединений.

Рис. 1.1 Варианты компоновки блоков РЭА

На рис. 1.1 приведены варианты (а-г) компоновки блоков РЭА разъемного типа. Суммарный объем блока можно представить как объем, занимаемый ячейками V1 и объем, занимаемый элементами электрической коммутации и монтажными соединениями, V2. [4]

Для рассматриваемых вариантов компоновки объемы, занимаемые ячейками и коммутационными элементами, будут:

для вариантов а и б

V1 = LH(B - BK); V2 = LHBK;

для вариантов в и г

V1 = L(H - HK)B; V2 = LHKB;

для вариантов д и е

V1 = (L - LK)HB; V2 = LKHB.

В последних двух вариантах компоновки объем, занимаемый коммутационными элементами, будет наименьшим, а занимаемый ячейками - наибольшим, поэтому эти варианты компоновки наиболее рационально использовать в аппаратуре; Это условие вытекает из кратности сторон блоков РЭА. На практике в большинстве случаев выполняются условия L>H; L>B; H>B. Отсюда:

V1д,е > V1в,г > V1а,б; V2д,е > V2в,г > V2а,б.

Для хорошего перемешивания воздуха внутри блока ячейки должны располагается вертикально, поэтому варианты б и е компоновки на практике не используются.

Число ячеек в вариантах компоновки а и б получается больше, чем в вариантах г и д. Это вытекает из неравенства L/hя > B/hя, где hя - шаг установки ячеек.

В книжных конструкциях блоков число "страниц" (ячеек) обычно бывает небольшим, что обусловлено невозможностью достаточного раскрытия ячеек. Поэтому в книжных конструкциях блоков используют варианты компоновки г и д, а в разъемных конструкциях блоков - варианты компоновки а и б.

На рис. 1.2 представлены варианты компоновки блоков РЭА книжной конструкции. Механическое объединение печатных плат (ПП) между собой и с несущей конструкцией обеспечивается шарнирными узлами 5, позволяющими поворачивать относительно оси раскрытия ПП 1 подобно страницам книги. Возможна вертикальная (варианты а,в) и горизонтальная (вариант б) ориентация плат в блоке.

Рис. 1.2

Варианты компоновки блоков РЭА кассетной конструкции представлены на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Варианты компоновки блоков РЭА кассетной конструкции

Кассеты 2 механически соединяются между собой и с несущей конструкцией блока 4 шарниром 5, позволяющим откидывать и контролировать любую кассету. Возможна вертикальная (варианты а,в) и горизонтальная (вариант б) ориентация кассет в блоке.

Примерное число ячеек или печатных плат Nя в блоке РЭА определяется на этапе функционального разбиения электрической принципиальной схемы. При этом выполняется следующая последовательность операций:

1. Определение примерного числа модулей первого уровня, из которых будет состоять проектируемое изделие. Для этого надо знать суммарную площадь Sсум, занимаемую радиокомпонентами, составляющими электрическую принципиальную схему изделия и устанавливаемыми на печатную плату:

(1.1)

где Sуi - установочная площадь i - го компонента [2];

ks- коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации изделия (ks = 1...3).

Исходя из требований на габаритные размеры изделия, указанных в техническом задании, ориентировочно определяется типоразмер ПП для модулей первого уровня. При этом желательно использовать унифицированный ряд размеров ПП (ОСТ4.010.020 - 83 "Платы печатные. Основные размеры" ): 17075, 170200, 170150 мм..

Рис. 1.4

Разделив суммарную площадь компонентов Sсум на площадь ПП выбранного типоразмера, можно получить число модулей первого уровня. Более точно определить число ячеек в блоке можно на этапе предварительной компоновки, когда будут выбраны варианты конструкции блока и его размеры.

2. Разбиение электрической принципиальной схемы на подсхемы, соответствующие модулям первого уровня. При этом схему представляют ненаправленным мультиграфом, в котором каждому конструктивному элементу (модулю нулевого уровня) ставят в соответствие вершину мультиграфа, а электрическим связям схемы - его ребра [3].

Ширина блока выбирается исходя из ширины ПП (ячейки) Bя и ширины зоны коммутации Bк. Обычно в блоках микроэлектронной аппаратуры Bк = 30...40 мм.. Длина пакета ячеек 1 будет определяться числом ячеек Nяи их высотой Hяi (рис. 1.4):

(1.2)

Длина блока в этом случае

(1.3)

где Lк - 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 двухъярусную конструкцию.

Одной из важнейших задач, решаемой на этапе предварительной компоновки изделия, является выбор типа внутри блочного электрического монтажа. Его тип определяется используемой элементной базой, рабочим диапазоном радиочастот, условиями эксплуатации и вариантом конструкции модуля. В РЭА используют два способа электромонтажа: объемный (жгуты, провода, кабель) и плоский (печатный монтаж) [4].

Основными конструктивными элементами электромонтажа являются:

1. Элементы экранирования;

2. Провода, кабели и материалы для монтажа;

3. Элементы крепления провода, жгута и кабеля;

4. Соединительные элементы электрического монтажа;

6. Монтажные соединения приборов, блоков и узлов РЭА.

Электромонтаж внутри блока можно разделить на две группы:

  • электрические соединения модулей первого уровня (кассет и ячеек) между собой;

  • электрические соединения массива модулей первого уровня с элементами управления, индикации и коммутации, расположенными на каркасе или корпусе блока.

Для электрического соединения массива модулей первого уровня с элементами на корпусе блока используется, как правило, объемный электромонтаж. На конструкцию объемного электромонтажа и решающее влияние оказывает частотный диапазон работы устройства. В блоках, работающих на средних и низких частотах (до 1МГц), монтаж выполняется объемным гибким проводом либо плоским кабелем. Их выбор зависит от силы тока, напряжения, частоты и условий эксплуатации. При проектировании необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

  1. Минимальный внутренний радиус изгиба проводника должен быть не менее диаметра провода с изоляцией.

  2. Провода питания переменного тока следует свивать для уменьшения возможных наводок.

  3. Провода, подводящие к сменным элементам, должны иметь некоторый запас по длине, допускающий повторную заделку провода.

  4. Провода не должны касаться острых металлических кромок.

  5. Монтажные провода должны обеспечивать свободный доступ к элементам конструкции при изготовлении, осмотре, контроле и ремонте.

  6. Монтажные провода целесообразно свивать в жгут, при этом обеспечивается возможность расчленения монтажных операций на более простые и уменьшается стоимость монтажных работ.

В блоках, работающих на высокой частоте (1...300 МГц), весьма ощутимым становится влияние паразитных емкости и индуктивности элементов электромонтажа. При этом отдельные участки электромонтажа становятся источниками или приемниками радиопомех. С целью устранения паразитных связей между отдельными узлами применяют электромагнитные экраны, а электромонтаж выполняют экранированным или коаксиальным кабелем.

В зависимости от места размещения модуля РЭА и условий его эксплуатации будут воздействовать различные дестабилизирующие факторы [1, табл. 3.1]. Нормальными климатическими условиями являются : t = 25 100С, влажность 45...80 , атмосферное давление H=(8.36 ...10.6)104 Па. Кроме климатических факторов на модуль РЭА воздействуют механические нагрузки, электромагнитные помехи и паразитные наводки. Конструкция модуля должна быть устойчива ко всем дестабилизирующим факторам.

На этапе предварительной разработки конструкции модуля необходимо решить следующие основные вопросы, связанные с защитой от дестабилизирующих факторов:

  • необходимость герметизации корпуса модуля;

  • защита РЭА от воздействия ионизирующего излучения (если оно существует);

  • выбор способа защиты от механических воздействий: вибрации и ударов;

  • выбор способа защиты от действующих электромагнитных помех и паразитных наводок;

  • выбор способа обеспечения нормального теплового режима модуля.

Наиболее радикальным способом защиты элементов РЭА от влаги, пыли, песка, плесневых грибков является герметизация, т.е. обеспечение непроницаемости корпуса модуля для газов и жидкостей. Различают индивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию [5].

  1. Разработка метода и технологии беспроводного геофизического контроля работы продуктивных пластов

    Автореферат диссертации
    Защита состоится «__» 2009 г. в часов в конференц - зале совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 520.020.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» (ОАО НПФ «Геофизика») по адресу: 45 5, г.
  2. Разработка метода комплексного анализа динамики и прочности трубопроводных систем с гасителями колебаний рабочей жидкости

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 28 ноября 2008 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д212.215.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет им.
  3. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре

    Документ
    За последнее время появилось много работ отечественных и за­рубежных авторов, посвященных проектированию и применению микропроцессорных средств в различных отраслях техники, в том числе и в радиоэлектронике.
  4. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» Специальность

    Учебно-методический комплекс
    Учебно-методический комплекс по дисциплине «Металлические конструкции включая сварку» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности 270102 «Промышленное
  5. Учебная программа дисциплины дисциплина “Проектирование радиоэлектронных устройств и систем”

    Программа дисциплины
    В результате изучения курса и на основе предварительно изученных дисциплин студент получает знания и практические навыки проектирования оптимальной конструкции на основе системного подхода в соответствии с задачами повышения эффективности
  6. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре Ушкар

    Документ
    Современный этап развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) характеризуется широким применением методов цифровой обработки сигналов, реализуемых с использованием микропроцес­сорных средств.
  7. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции» Специальность

    Учебно-методический комплекс
    Учебно-методический комплекс по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности 270102 «Промышленное
  8. Нормы технологического проектирования горнодобывающих предприятий с подземным способом разработки (методические рекомендации)

    Документ
    1. Настоящие нормы используются при проектировании вновь строящихся, расширяемых или реконструируемых горнодобывающих предприятий, разрабатывающих подземным способом рудные месторождения черных, цветных, редких и благородных металлов,
  9. Информационных технологий, механики и оптики (1)

    Методические указания
    Грязин Д.Г. Методические указания по преддипломной практике и дипломному проектированию для студентов направления 220400 – Мехатроника и робототехника.

Другие похожие документы..