Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

Расчет первичных и вторичных параметров печатного монтажа для

односторонних печатных плат может быть проведен на основе справоч-

ных формул [35], полученных методом конформных преобразований

(табл. 7.6). При этом система проводников заменяется плоскопарал-

лельной системой бесконечно тонких пластин.

Таблица 7.6

Емкость определяется по формуле

С = 8,%5е

гэф

1 пФ, (7.8)

где ε

rэф

— эффективная диэлектрическая проницаемость изоляцион-

ных материалов; С

— коэффициент, определяющий емкость на еди-

ницу длины рассчитываемой системы проводников; l — длина системы

проводников, м.

При определении ε

rэф

для одно- и двухсторонних плат необходимо

учитывать диэлектрическую проницаемость основания платы ε

госн

= 5,6...6,

лакового покрытия ε

глак

= 4 и воздуха е

= 1. Точный учет

всех составляющих ε

r эф

,., осуществить трудно, но в любом случае ε

гэф

определяется неравенством ε

< ε

эф

< ε

осн

Методика расчета электрической емкости линии связи в печатном

монтаже с помощью формулы (7.8) сводится к следующим этапам:

1. Вычисление модулей k и дополнительных модулей k' полных эл-

липтических интегралов первого рода К, К'. Модуль k определяется

293

геометрическими размерами расчетного сечения, и выражения для оп-

ределения k, К, К' приводятся в справочных таблицах, а дополнитель-

ный модуль k' определяется из соотношения

1' kk −=

2. Определение модулярного угла α= arcsin k: и дополнительного

модулярного угла 90° α' = arcsin k:'.

3. Определение эллиптических интегралов К и К' как функции со-

ответственно модулярного и дополнительного модулярного углов по

таблицам полных эллиптических интегралов первого рода, приведен-

ным, например, в [35].

4. Вычисление C

=f(K,K") по соотношениям, приведенным в

справочных таблицах и связывающим геометрические параметры сече-

ния линии и коэффициент С

В большинстве случаев при вычислении С

приходится вычислять

К /К' или К' /К. Для упрощения расчетов их можно определить по

графику (рис. 7.7) как функцию параметра m. При вычислении пара-

метра m ' по выражениям, приведенным в табл. 7.6, необходимо вычис-

лить ряд вспомогательных коэффициентов t

, по следующим

формулам [35]:

=(expλ

-l)/(expλ

+l), i = 1,2,3; (7.9)

=π(2b + d)/2h; λ

= πd/2h; λ

= π(2a + d)/2h ; (7.10)

[

]

[ ]

hdbShhdSh

hdbaShhaSh

2/)()2/(

2/)2()2/(

ππ

[ ]

hdbShhdSh

hbSh

2/)()2/(

)4/(

ππ

Значения t

,- по вычисленным λ

, можно определить из графика (рис. 7.8).

Для элементов печатного монтажа двухсторонних печатных плат

расчет емкости может быть проведен по формулам, представленным в

табл. 7.7, а эффективная диэлектрическая проницаемость —

по вспо-

могательному графику (рис. 7.9), где п — доля воздушной среды в об-

щем объеме диэлектрической среды линии связи.

В многослойных печатных платах линии связи организуются в виде

несимметричных линий в наружных слоях платы (см. табл. 7.7, п. 2) и

симметричных линий во внутренних слоях платы (рис. 7.10).

294

Рис. 7.7. Отношение К' /К как Рис. 7.8. График зависимости

функции параметра m f,- (А. ,•)

Для симметричных линий коэффициент С

при t = 0 рассчитывает-

ся по формуле С

= 4К/К', а параметр т — по формуле m = th

(πa/2h).

Эффективная диэлектрическая проницаемость равна диэлектриче-

ской проницаемости материала оснований слоев платы.

Платы с тонкопроволочным монтажом (ТПМ) применяют при изго-

товлении малых партий изделий небольших размеров с хорошими вы-

сокочастотными характеристиками печатных плат, т.е. по степени ин-

теграции микроэлектронных устройств они могли бы успешно конкури-

ровать с МПП. Конструкции плат с ТПМ и плат стежкового монтажа

реализуются с помощью автоматизированной укладки изолированного

провода на основании.

295

Рис. 7.9. Относительный объем Рис. 7.10. Линия связи в печатном

воздушной среды в диэлектрике монтаже внутренних слоев МПП

двухсторонних печатных плат

Расчетная модель линии связи в этих случаях может быть сведена к

системе «проводник над плоскостью», однако точная оценка электро-

физических параметров усложняется из-за наличия вокруг провода ди-

электриков, а также в ряде случаев из-за сложности конфигурации гра-

Рис. 7.11. Линия связи в плате ТПМ (а) и

ее расчетные модели при различных толщинах

адгезионного слоя (б, в, г): 1 —

изоляционное основание; 2 — экранный

слой; 3 — медный монтажный провод в

изоляции; 4 — адгезионный слой; 5 —

защитное покрытие

Рис. 7.12. Значение ε

эф

для

линий ТПМ при ε

rад

=5.

296

ниц раздела этих диэлектриков. Поперечное сечение линии связи в

ТПМ показано на рис. 7.11,а. Для упрощенной модели линии (рис.

7.11,6) расчеты могут быть проведены с использованием графиков

гэф

=f( r/h), представленных на рис. 7.12, на котором кривые 1-3 со-

ответствуют вариантам б, в, и, г, на рис. 7.11 при ε

r ад

=5.

Коэффициент С

рассчитывается по формуле

= 2π/1п(2h/r) при 2h/r>3,

а емкость линии — по формуле (7.8). Волновое сопротивление линий

ТПМ определяется по формуле

Z = 17,08 + 34,83 ln (h /r), 0,01 ≤ r/h ≤ 0,3.

Для двухстороннего стержневого монтажа коэффициент С

рас-

считывается по формуле

= 2π/1п(1,27+h/2r), h/r>2;

диэлектрик линии принимается однородным, и тогда емкость на единицу

длины линии С/l= 17,7πε

/lπ( 1,27+h/2r) пФ/м, индуктивность на единицу

длины линии L/l= |μ ln( 1,27+h /2г )/2π Гн/м, волновое сопротивление

Z = 60 ln (1,27+h/2r)/√ε

ОМ

7.6. Конструирование электрических соединений

Основными методами выполнения электрических соединений явля-

ются следующие: пайка, сварка, накрутка и обжатие, соединение токо-

проводящими клеями, сравнительные характеристики и параметры ко-

торых приведены в табл. 7.8.

Таблица 7.8

Вид

соединения

Переходное

сопротивлени

х10

,Ом

Механическая

прочность,

МПа

Интенсивность

отказов

х10

-9

,1/ч

Тепловое

сопротивле

ние,К/Вт

Сварка 0,01...! 100...500 0,1 ...2,0 0,001

Накрутка 1...2 60... 80 0,2 ... 0,5 0,0005

Пайка 2...3 10...40 1 ... 10 0,002

Обжимка 1...10 20...50 2.. .5

0,0008...0,00

Соединение

токопроводя

щими клеями

1...10 ОМ м*

5...10 10...50 5

* Удельное объемное сопротивление.

297

Таблица 7.9

Окончание табл. 7.9

Примечание. На схемах позициями 5,12 и 14 соответственно

обозначены места коммутационных переходов от ячейки к пакету ячеек,

несущие основания пакета ячеек и одной из них.

Конструкции электрических соединений во многом определяются

элементной базой, диапазоном частот, структурным уровнем сборки и

условиями эксплуатации, а также условиями экономичности и произво-

дительности.

Конструкции всех электрических соединений можно рассматривать

как по структурным уровням аналогично структурным уровням РЭС

[37], так и в последовательности их конструктивно-технологического

ислолнения.

Производство и конструкция РЭС упростятся, если в конструкции

будет использовано минимальное число уровней соединений при мини-

муме различных вариантов конструктивно-технологического исполне-

ния соединений. В табл. 7.9 показаны эскизы четырех схем компоновки

РЭС с рассмотрением их уровней соединений. Основные показатели

конструкций блоков сведены в табл. 7.10.

Таблица 7.10

Характеристики компоновки РЭС Показатели

I II III IV

Число модулей в блоке 14 6 6 5

Удельная масса электрических

соединений, г/ИС

2,75 0,64 1,7 0,16

Объем блока, дм

0,9 0,4 0,7 0,45

Приведенные схемы были использованы при реализации блока на

800 микросхем (ИС) с размерами ячеек по длине и ширине 95x78 мм

[36]. Анализ данных табл. 7.10 позволяет сделать вывод, что схемы II и

IV обеспечивают наименьшие габариты и удельную массу электриче-

ских соединений.

8. ВОПРОСЫ ЭРГОНОМИКИ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ РЭС

8.1. Человекомашинные системы, их классификация и свойства

Термин «эргономика» (греч. ergon — работа, nomos — закон) обоз-

начает науку о взаимодействии человека-оператора с машиной и сре-

дой, объединенных в единую человекомашинную (эргатическую) сис-

тему. Эргономика возникла на стыке технических наук, психологии,

физиологии и гигиены труда. Инженерная психология ставит своей

целью комплексное проектирование внешних и внутренних средств де-

300

ятельности человека-оператора.Художественное конструирование

подразумевает использование основных законов эргономики и

технической эстетики при разработке конструкций. Инженерная

психология и художественное конструирование являются

составными частями эргономики — общего научного направления

многопланового характера.

Важнейший вопрос проектирования человекомашинных систем —

это строго научное разделение функций между оператором и

машиной в будущей системе. Этого не может сделать ни психолог,

ни физиолог,ни гигиенист, поскольку они не знают свойств машин и

требуемых характеристик всей системы. Это обязан сделать

конструктор-разработчик, обладающий знаниями эргономики,

знающий возможности оператора в системе, уровень современной

автоматики и реализующий общие требования на систему.

Убедительным примером необходимости развития этой науки в

области радиотехники и конструирования РЭС является тот факт,

что сравнительный анализ существующих американских ракетных

систем показал, что ошибки человека-оператора составляют 20...53%

всех отказов в системе. Нетрудно уяснить, какую роль играет

человек-оператор в современных системах контроля и производства.

Поэтому изучение возможностей человека-оператора в замкнутой

эргатической системе и согласование его аппарата восприятия с

РЭС для оптимизации основной целевой функции системы

является не «модой», а такой же необходимой задачей, как и само

проектирование технических средств.

В общее понятие «система» входит совокупность элементов,

взаимосвязанные функции которых координированы для

выполнения некоторой общей задачи. Человекомашинная система

(ЧМС) — это система,содержащая качественно разнородные

компоненты — человека и технические средства. Такие системы

чрезвычайно разнообразны и иерархичны. Например, система

«командир корабля (первый пилот) — приборы, органы управления

— самолет» и система «штурман — радист —радиоаппаратура

самолета» находятся во взаимосвязи, но и подчинены

более сложной системе «самолет, выполняющий задание», которую

обслуживают ряд наземных систем и компонентов, являющихся

также эргатическими системами.

В настоящее время системы «человек-машина» в связи с

развитием технических средств все более превращаются из систем

контроля в системы управления, в которых человек-оператор

занимает доминирующее положение. Можно привести несколько

примеров моделирования как человека-оператора в ЧМС, так и

самих систем в целом. Например,для системы управления

предлагается одна схема (рис. 8.1,а), а для системы обнаружения,

контроля — другая схема (рис. 8.1,6). Весьма часто

301

Рис. 8.1. Схематическое

представление ЧМС:

а — системы управления;

б — системы контроля

проводится аналогия между эрратической системой и

сервосистемой.Сервосистема — это тип следящей замкнутой

электромеханической системы, где на выходе воспроизводится

измененная определенным образом входная величина.

Классификация ЧМС может быть проведена по ряду признаков.

По основной целевой функции они делятся на контрольные,

управления,поисковые, восстанавливающие, обучающие системы.

В случае контрольной системы (см. рис. 8.1,6) выходные сигналы

оператора можно вводить в наблюдаемую им систему. Оператор

здесь включен в систему «как бы параллельно ей» (хотя по схеме

рисунка это выглядит последо-

302