Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Основы проектирования электронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

Л.Н.ПАНКОВ, В.Р.АСЛАНЯНЦ, Г.Ф.ДОЛГОВ И ДР.

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Владимир 2007

УДК 621.38

ББК 32.844

Рецензенты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой ИУ-4 Московского государственного

технического университета им. Н.Э. Баумана

В.А.Шахнов

Доктор технических наук,

профессор Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе

А.В.Назаров

Печатается по решению редакционно-издательского совета Владимирского государст-

венного университета.

Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В.

Основы проектирования электронных средств: Учеб. Пособие. / Владим. гос. ун-т. Вла-

димир, 2007г. с.

Изложены общие принципы конструкторского проектирования электронных

средств различного функционального назначения, работающих в различных условиях

эксплуатации. Показывается история развития электронных средств, сложность задач,

решаемых при проектировании, роль конструктора при создании современных элек-

тронных средств. Рассматриваются задачи, решаемые конструктором при проектирова-

нии: обеспечение электромагнитной совместимости, защита от механических воздейст-

вий, влаги, перегрева. Рассмотрены задачи эргодизайна. Показываются возможности

автоматизации процесса проектирования.

Предназначено для студентов по направлениям и специальностям 210200 «Про-

ектирование и технология электронных средств», 200300

«Биомедицинская инже-

нерия», 200402 «Биомедицинская инженерия», 210300 «Радиотехника», 140607

«Электрооборудование автомобилей и тракторов», а также студентам других

специальностей при изучении вопросов теории и практики проектирования

электронных средств.

Табл. Ил. Библиогр.: назв.

УДК 621.38

ББК 32.844

ISBN © Владимирский государственный

университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список использованных сокращений .............................................................. 5

Список использованных обозначений ............................................................. 5

Введение.............................................................................................................. 6

1. История развития конструкций ЭС. Определяющие факторы

развития, методы проектирования и конструирования,

проблемы и противоречия ......................................................................... 8

2. Структура и классы ЭС................................................................................ 11

3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭС ....................................... 14

Общие конструкторские требования.............................................................. 14

3.2.Общие эксплуатационные требования..................................................... 19

4. Общая характеристика процесса проектирования ЭС ............................. 25

4.1. Системный подход к проектированию ЭС. Сущность

системного подхода.................................................................................. 25

4.2. Роль и задачи конструктора при проектировании................................. 29

5. Проектирование несущих конструкций..................................................... 31

5.1. Несущие элементы конструкции ЭС....................................................... 31

5.2. Особенности конструкций деталей, изготавливаемых литьём

под давлением ........................................................................................... 35

5.3. Особенности конструкции штампованных деталей в ЭС..................... 36

5.4. Несущие конструкции. Основы расчёта ................................................. 45

6. Система межсоединений. Проектирование печатного монтажа............. 50

6.1. Разновидности печатных плат ................................................................. 50

6.2. Основные требования к проектированию печатного монтажа,

трассировка и расчёты печатных элементов монтажа.......................... 52

6.3. Особенности конструирования печатных плат с поверхностно-

плоскостным монтажом компонентов ................................................... 53

6.4. Особенности оформления чертежа печатной платы ............................. 57

6.5. Проводные и кабельные линии связи ..................................................... 63

6.6. Волоконно-оптические линии связи ....................................................... 66

7. Основы защиты ЭС от тепловых нагрузок................................................ 72

7.1 Основные факторы и законы охлаждения............................................... 72

7.2 Основы расчёта температуры перегрева.................................................. 75

7.3 Методы интенсификации охлаждения. Элементы локального

охлаждения................................................................................................ 77

7.4 Общие системы охлаждения ..................................................................... 79

7.5. Основы автоматизации выбора способа охлаждения ЭС ..................... 82

8. Основы защиты ЭС от механических воздействий .................................. 88

8.1. Удары и вибрации в ЭС. Конструктивные методы обеспечения......... 88

вибро-, ударопрочности и устойчивости ....................................................... 88

8.2.Частотная отстройка .................................................................................. 93

8.3. Основы расчёта вибропрочности ячеек МЭА с

теплоотводящим основанием .................................................................. 95

8.4. Виброизоляция устройств и приборов. Особенности

виброизоляторов....................................................................................... 95

8.5. Динамическое гашение колебаний........................................................ 105

8.6. Демпфирование колебаний .................................................................... 107

8.7. Основы автоматизации выбора способов виброзащиты ЭС .............. 108

9. Влагозащита ЭС ......................................................................................... 115

9.1. Влияние влаги на ЭС и общие методы влагозащиты .......................... 115

9.2. Герметизация ЭС. Основы проектирования......................................... 116

9.3. Расчёт разъёмных соединений герметизации ...................................... 118

9.4. Герметизация электрических соединений и подвижных

элементов гермокорпусов...................................................................... 122

9.5. Основы автоматизации выбора способа влагозащиты ЭС ................. 123

10. Обеспечение стойкости ЭС к электромагнитным и

ионизирующим излучениям .................................................................. 135

10.1. Источники и приёмники помех в ЭС .................................................. 135

10.2. Экранирование электрического поля. Электростатические

экраны ...................................................................................................... 139

10.3. Экранирование магнитного поля. Магнитные экраны...................... 140

10.4. Электромагнитные экраны. Особенности конструкции ................... 143

10.5. Помехи в ЭС через электромонтаж. Особенности

экранирования проводов ЭС ................................................................. 149

10.6. Обеспечение электрической прочности в конструкциях ЭС ........... 163

10.7. Обеспечение стойкости ЭС к ионизирующим излучениям.............. 167

10.8. Основы автоматизации выбора способов электромагнитной

защиты ЭС............................................................................................... 173

11. Особенности проектирования ЭС для различных условий

эксплуатации и функционального назначения.................................... 179

11.1. Особенности условий эксплуатации и проектирования

самолетной аппаратуры ......................................................................... 179

11.2. Особенности условий эксплуатации и проектирования

корабельной аппаратуры ....................................................................... 185

11.3. Особенности условий эксплуатации автомобильной

аппаратуры .............................................................................................. 186

11.4. Особенности условий эксплуатации и проектирования

носимой аппаратуры .............................................................................. 187

11.5. Особенности проектирования ЭС различного

функционального назначения ............................................................... 188

12. Художественное оформление конструкции ЭС.................................... 199

12.1. Основы композиции.............................................................................. 201

12.2. Категории композиции ......................................................................... 202

12.3. Средства композиции ........................................................................... 205

12.4. Особенности внешнего оформления профессиональных и

бытовых ЭС............................................................................................. 212

13. Оценка качества конструкции ................................................................ 221

13.1. Качество и возможность его оценки. .................................................. 221

13.2. Расчет и оценка показателей качества ЭС.......................................... 227

Заключение ..................................................................................................... 235

Литература ...................................................................................................... 236

Список использованных сокращений

АКСС - амортизатор корабельный стальной со страховкой

АПМ - алюминий плакированный медью

ВЧ - высокие частоты

ЛКП - лакокрасочное покрытие

ЛР - линейный регенератор

МП - магнитное поле

НЧ – низкие частоты

ОКТ - общие конструкторские требования

ОЭТ - общие эксплуатационные требования

ПД - полимерный демпфер

ПП – печатная плата

ППУ - пенополиуретан

РЛС – радиолокационная станция

РТУ - радиотехнические устройства

СЭ - силовые элементы

ТКЕ

- температурный коэффициент ёмкости

ТКИ - температурный коэффициент индуктивности

УС - управляющий сигнал

ЭМИ - электромагнитный импульс (излучение)

ЭП - электрическое поле

ЭС - электронные средства

ЭСР - электростатический разряд

Список использованных обозначений

А – амплитуда виброперемещения

ω – круговая частота

λ – интенсивность отказов

η – коэффициент механических потерь

– интенсивность теплового потока

P(t) – вероятность безотказной работы

I – ускорение при механическом воздействии

g – ускорение свободного падения

f – частота

D – цилиндрическая жёсткость

σ – механическое напряжение

β – коэффициентом демпфирования

µ – коэффициент передачи

Введение

Проектирование электронных средств (ЭС) содержит системотехни-

ческое, схемотехническое, конструкторское, технологическое проектиро-

вание, а также изготовление и испытание опытных образцов.

В учебном пособии рассматриваются в основном вопросы конструк-

торского проектирования с учетом факторов влияния схемы электриче-

ской, условий эксплуатации и назначения ЭС, условий производства, оп-

ределяющих требования к конструкции.

КОНСТРУКЦИЯ (лат

. constructio) – строение, устройство, взаимное

расположение частей какого-либо предмета, машины, прибора и т.п., опре-

деляющееся его назначением.

Под конструкцией электронного средства понимается совокупность

элементов и деталей с различными физическими свойствами и формами,

находящимися в определенной пространственной, механической, тепло-

вой, электромагнитной и энергетической взаимосвязи. Эта взаимосвязь оп-

ределяется электрическими схемами и

конструкторской документацией и

обеспечивает выполнение электронной аппаратурой заданных функций с

необходимой точностью и надежностью в условиях воздействия на нее

различных факторов: эксплуатационных, производственных, человеческих.

Целью проектирования является разработка такой схемы и конст-

рукции, которые обеспечивают выполнение заданных требований и наи-

лучшие показатели качества. Качество оценивается комплексным показа-

телем, который учитывает функциональные

параметры, определяемые

схемой электрической, конструктивные параметры, экономические пара-

метры, параметры эргономики, эстетики, удобства и безопасности, а также

технологичности производства. Указанные частные показатели качества

взаимосвязаны, противоречивы, а поэтому, при проектировании необхо-

димо найти такие решения, которые обеспечивают оптимальность ком-

плексного показателя качества с учетом важнейших для данного изделия

частных показателей.

При

этом разработчик ЭС должен обладать знаниями по всем вопро-

сам схемотехнического, конструкторского и технологического проектиро-

вания:

• виды и порядок разработки технической документации;

• влияние внешних факторов на работоспособность ЭС;

• методы проектирования и изготовления микроэлектронных из-

делий;

• методы конструирования элементов, узлов и устройств ЭС;

• обеспечение электромагнитной совместимости, механической

прочности, нормальных тепловых режимов и надежности;

• проектирование ЭС с учетом требований эргономики и техни-

ческой эстетики;

• особенности основных технологических процессов изготовле-

ния деталей, а также сборки и монтажа модулей ЭС;

• возможности систем автоматизированного проектирования;

• оценка качества ЭС.

Все эти проблемы представлены вниманию читателей в предлагае-

мой книге.

Пособие написано на основе курса лекций

, читаемых в ВлГУ для

студентов специальностей радиоэлектронного профиля.

1. История развития конструкций ЭС. Определяющие

факторы развития, методы проектирования и конструирова-

ния, проблемы и противоречия

1.1. История развития конструкций ЭС I и II поколения

Конструирование ЭС началось одновременно с изобретением радио.

Общая конструкция аппаратуры беспроволочного телеграфа первые деся-

тилетия не отличалась от телеграфной аппаратуры тех лет. Соединения

осуществлялись с помощью проволоки, клемм и винтов. Основой конст-

рукции служил деревянный ящик, внутри которого на стенках размеща-

лись необходимые

составные части.

С изобретением электронной лампы и увеличением коэффициентов

усиления каскадов возросла роль экранирования. В конце 20-х годов про-

шлого века вместо деревянного появилось металлическое основание (шас-

си), что улучшило экранирование. В начале 30-х годов в телефонии стали

использовать усилители, состоящие из блоков, размещаемых в вертикаль-

ных стойках. Такая конструкция была

первым носителем идеи расчленения

сложной аппаратуры на простые составные части (узлы или модули).

Сформировалась иерархическая структура конструкции. Внедрение пайки

вместо винтовых соединений упростило конструкцию монтажного соеди-

нения и снизило трудоемкость сборки.

С начала 40-х годов ЭС из помещений выходят в полевые условия. Их

устанавливают на самолетах, в танках, на автомашинах.

От работоспособ-

ности аппаратуры часто зависел исход военных операций. Обеспече6ние

работоспособности и высокой надежности ЭС в трудных условиях экс-

плуатации легло на плечи конструкторов и технологов.

Конструкции 1 поколения ЭС имели простую схему электрическую

принципиальную на дискретных электрорадиоэлементах с электровакуум-

ными приборами в качестве активных элементов. Конструкции выполня-

лись в виде

моноблоков, когда на шасси размещались крупногабаритные

элементы конструкции, а в подвале шасси – электромонтаж навесным про-

водом. Органы управления и отображения информации выносились на пе-

реднюю панель. Конструкция помещалась в кожух.

В дальнейшем схема электрическая принципиальная усложняется. По-

являются устройства широкого функционального разнообразия, которые

могут быть помехочувствительными и помехонесущими. Появился функ-

ционально-узловой метод конструирования, когда схема и конструкция

расчленились на конструктивно обособленные составляющие. Это обеспе-

чило возможность пространственного разнесения и компоновки, кроме то-

го, возможность специализации производства. Изделия специализирован-

ного производства с хорошими функциональными характеристиками уни-

фицировались и получали широкое применение, как модули конструкции.

Появился модульный метод конструирования.

Использование ЭС в различных сферах деятельности человека сущест-

венно усложнило условия эксплуатации. Аппаратура должна быть вибро- и

ударозащищённой, влагозащищённой, теплоустойчивой. Возникла про-

блема охлаждения. Уменьшать габариты плотной компоновкой не пред-

ставлялось возможным

Подвижные объекты требовали минимизации габаритов и массы кон-

струкции. Объекты назначения требовали обеспечить вибро- и ударопроч-

ность, герметичность, влагостойкость. Решить задачу минимизации габа-

ритов плотной компоновкой было нельзя, так как увеличилась отводимая

мощность, и не обеспечивался тепловой режим работы. Поэтому необхо-

димо было уменьшить тепловые потери в конструкции и, прежде

всего от

радиоламп. Тогда стали использовать миниатюрные радиолампы (типа жё-

лудь) с гибкими выводами, которые позволяли уменьшить габариты, но

усложнялась проблема электромонтажа. Появилась необходимость в жёст-

ком компактном электромонтаже, который должен быть высоко техноло-

гичным (т.е. исключать ошибки монтажа и возможность автоматизации).

Был предложен печатный монтаж, появились печатные платы как

элемен-

ты электрического монтажа и элементы конструкции. Печатный монтаж

позволил существенно уменьшить габариты конструкции, однако осталась

проблема теплоотвода. В 1948-49 гг. появились полупроводниковые при-

боры, которые во многих конструкциях заменили радиолампы. Уменьши-

лось энергопотребление и потери. Появилась аппаратура 2-го поколения с

элементной базой из дискретных элементов и полупроводниковых прибо-

ров. Вид

монтажа печатный. Конструктивно законченным узлом явилась

ячейка.

Недостатки конструкций 2-го поколения:

1. В случае сложной схемы электрической принципиальной, содержа-

щей большое количество элементов и проводов соединения, конструкция

получается крупногабаритной.

2. Конструкции предполагали большой объём ручной работы на сборке

и электромонтаже, т.е. были не технологичны.

3. Остро стояла проблема локального охлаждения мощных

транзисто-

ров, когда радиаторы были соизмеримы с несущими конструкциями аппа-

ратуры.