Блок интерфейсных адаптеров

Г1 Г15

Г4 Г11

Г6

Г11 Д1

Г17

Рис. 8.3 Схема результатов вычисления суммарной массы.

Полученное значение площади 2000см², а масса - 1800г. Из конструктивных соображений выберем коэффициент заполнения по объему равным 0,6. По номограмме 3 [14] определяем реальный объем, он равен 5300см³.

По номмограмме 4 [14] получим расчетные габаритные размеры корпуса: длина - 0,24м, ширина - 0,15м, высота - 0,14м. Т.к. конструктивно блок интерфейсных адаптеров предусматривает расширение, то есть подключение, при необходимости, дополнительных интерфейсных адаптеров, то из конструктивных соображений выбираем следующие габаритные размеры корпуса: (0,483х0,295х0,264)м.

Полученные значения габаритных размеров полностью соответствуют заданным в техническом задании.

8.2 Расчет теплового режима

На основании расчетов проведенных в п. 7.1 был выбран тип тип корпуса разрабатываемого блока интерфейсных адаптеров: перфорированный с естественным охлаждением.

Исходными данными для проведения последующего расчета теплового режима является:

K_з- коэффициент заполнения по объему 0,6;

суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 30;

давление окружающей среды, кПа 87;

давление внутри корпуса, кПа 87;

габаритные размеры корпуса, м 483х0,295х0,264;

допустимая температура корпуса наименее

теплостойкого элемента, С 70;

плотность теплового потока, проходящего

через поверхность теплообмена, Вт/м² 56,4.

Расчет проведем для двух случаев:

1. Температура окружающей среды равна (24С) 297 К;

2. Температура окружающей среды равна максимальной рабочей температуре (по УХЛ 4.2 +40С) 313 К.

Методика расчета теплового режима блока РЭС в перфорированном корпусе.

Рассчитывается поверхность корпуса блока:

, (8.1)

где:

L₁, L₂ - горизонтальные размеры корпуса, м;

L₃ - вертикальный размер, м.

Определяется условная поверхность нагретой зоны:

, (8.2)

где:

k_З - коэффициент заполнения корпуса по объему.

Определяется удельная мощность корпуса блока:

, (8.3)

где:

Р - мощность, рассеиваемая в блоке.

Определяется удельная мощность нагретой зоны:

, (8.4)

Находится коэффициент ?₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

(8.5)

Находится коэффициент ?₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

(8.6)

Определяется коэффициент К_Н1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

, (8.7)

где:

Н₁ - давление окружающей среды в Па.

Определяется коэффициент К_Н2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:

, (8.8)

где:

Н₂ - давление внутри корпуса в Па.

Рассчитывается суммарная площадь перфорационных отверстий:

, (8.9)

где:

S_i - площадь i-го перфорационного отверстия.

Рассчитывается коэффициент перфорации:

. (8.10)

Определяется коэффициент, являющийся функцией коэффициента перфорации:

. (8.11)

Рассчитывается перегрев корпуса блока:

. (8.12)

Определяется перегрев нагретой зоны:

. (8.13)

Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

. (8.14)

Определяется удельная мощность элемента:

, (8.15)

где:

Р_ЭЛ - мощность, рассеиваемая элементом, температуру которого требуется определить;

S_ЭЛ - площадь поверхности элемента омываемая воздухом.

Рассчитывается перегрев поверхности элементов:

. (8.16)

Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:

. (8.17)

Определяется температура корпуса блока:

, (8.18)

где:

Т_с - температура среды окружающей блок.

Определяется температура нагретой зоны:

. (8.19)

Определяется температура поверхности элемента:

. (8.20)

Определяется средняя температура воздуха в блоке:

. (8.21)

Определяется температура среды, окружающей элемент:

. (8.22)

Результаты расчета сведены в табл.8.3

Таблица 8.3

Результаты теплового расчета

Коэффициент	Значение коэффициента
	Const	При Тс=297К	При Тс=313К
Sk	0,695	-	-
Sз	0,532	-	-
qk	43,2	-	-
qk	56,4	-	-
И1	5,78	-	-
И2	7,44	-	-
KH1	1,87	-	-
KH2	1,598	-	-
SП	0,01568	-	-
П	0,055	-	-
KП	0,884	-	-
ИК	16,06	-	-
ИЗ	11,8	-	-
ИВ	7,1	-	-
qЭЛ	66,7	-	-
ИЭЛ	12,4	-	-
ИЭС	7,4	-	-
TК	-	40,1	56,06
TЗ	-	35,8	51,8
TЭЛ	-	36,4	52,4
TВ	-	31,1	47,1
TЭС	-	31,4	47,4

Перегрев корпуса менее теплостойкого элемента 12,4?C. Максимально допустимый перегрев элементов 30?C. Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях условиях эксплуатации разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров обеспечивается нормальный режим, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин, таким образом подтверждается правильность выбора типа корпуса (перфорированный) и способа охлаждения (естественный).

8.3 Полный расчет надежности

Надежность есть свойство системы сохранять величины выходных параметров в пределах установленных норм при заданных условиях. Под “заданными условиями” подразумеваются различные факторы, которые могут влиять на выходные параметры системы и выводить их за пределы установленных норм.

Для получения более или менее достоверных расчетных данных о надежности разрабатываемого изделия необходимо располагать аналитическими зависимостями, в наилучшей степени характеризующими взаимосвязи параметров элементов с выходными параметрами изделия, степенью влияния параметров элементов на выходные параметры изделия, то есть “вес” каждого элемента в общей надежности изделия. Нужно знать поведение параметров элементов от действующих на них нагрузок, определяющихся режимом их использования и внешними воздействиями. Кроме того, необходимо иметь сведения о вероятности появления возможных уровней режимов и внешних воздействий, а также степени взаимосвязей и взаимозависимостей элементов.

Поскольку элементы в общем случае могут находиться в рабочем режиме различное время, отличающееся от рабочего времени изделия, это также должно учитываться при расчете надежности. Расчет надежности блока интерфейсных адаптеров выполнен с учетом следующих допущений:

отказы элементов являются случайными и независимыми процессами или событиями;

учет влияния условий эксплуатации производится приблизительно;

параметрические отказы не учитываются;

вероятность безотказной работы элементов от времени изменяется по экспоненциальному закону.

Нам необходимо рассчитать полную надежность блока интерфейсных адаптеров при работе в условиях воздействия повышенных температур.

Исходные данные для расчета надежности блока интерфейсных адаптеров в условиях повышенных температур окружающей Среды приведены в табл.8.4

Таблица 8.4

Исходные данные для расчета надежности при воздействии повышенной температуры окружающей среды

N п/п	Наименование элементов	0i10-6, 1/час	Кол-во элементов	0i10-6, 1/час	kн	1,2	3,4	П(i)	i, час
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	ИМС	0,08	143	11,4	0,7	2,5	2	5	0,6
2	Транзисторы	0,04	3	0,12	0,7	0,9	2	1,8	0,4
3	Диоды	0,02	5	0,1	0,7	1	2	2	0,4
4	Стабилитроны	0,09	1	0,02	0,7	1	2	2	0,4
5	Резисторы постоянные	0,005	199	0,995	0,6	0,9	2	1,8	0,6
6	Резисторы переменные	0,05	1	0,05	0,6	0,9	2	1,8	0,6
7	Конденсаторы керамические	0,005	162	0,81	0,6	0,15	2	0,3	0,5
8	Конденсаторы ниобиевые	0,55	18	9,9	0,5	0,3	2	0,6	0,5
9	Дроссели	0.02	3	0,06	0,4	0,9	2	1,8	0,5
10	Разъемы	2,7	21	56,7	0,5	0,7	2	1,4	0,7
11	Гнездо	0,07	7	0,49	0,4	0,65	2	1,3	0,5
12	Плата печатная	0,02	7	0,14	0,7	0,35	2	0,7	3
13	Шайба	0,075	156	11,7	0,5	0,35	2	0,7	0,4
14	Резонатор кварцевый	0,037	1	0,037	0,5	0,9	2	1,8	0,3
15	Винты	0,001	96	0,096	0,5	0,35	2	0,7	0,4
16	Соединения пайкой	0,04	6280	25,1	0,6	1,1	2	2,2	0,2
17	Несущая конструкция	0,3	1	0,3	0,7	0,35	2	0,7	1

Интенсивность отказов рассчитывается по (8.23)

, (8.23)

где:

_{i 0} - справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;

m - общее число учитываемых эксплуатационных факторов;

_j - поправочный коэффициент, учитывающий j-ый фактор (температуру-₁; коэффициент электрической нагрузки-₂; влажность-₃; механические воздействия-₄; и другие факторы режима и условий работы элементов _k..._p);

n - общее число элементов конструкции.

В наших расчетах используются комбинированные поправочные коэффициенты:

_1,2 - учитывающий одновременно температуру и электрический режим;

_3,4 - учитывающий одновременно кинематические и механические нагрузки.

Для определения поправочных коэффициентов _j, воспользуемся обобщенными таблицами и графиками [21].

Средняя наработка на отказ данного изделия определяется по (8.24)

. (8.24)

Вероятность безотказной работы рассчитывается по (8.25)

. (8.25)

Среднее время восстановления рассчитывается по (8.26)

(8.26)

где:

q_i - вероятность отказа из-за выхода из строя элемента i-ой группы;

k - число групп элементов.

Вероятность восстановления рассчитывается по (8.27)

(8.27)

где:

- заданное время восстановления.

Коэффициент готовности рассчитывается по (8.28)

(8.28)

Коэффициент ремонтопригодности рассчитывается по (8.29)

. (8.29)

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления рассчитывается по (8.30)

. (8.30)

Доверительные границы для наработки на отказ рассчитываются по (8.31)

; (8.31)

где:

n = 10...15 - число отказов достаточных для определения надежности;

= 0,9...0,99 - достоверность определения границ;

;

² - функция, определяемая в зависимости от числа степеней свободы и доверительной вероятности.

Параметры надежности, полученные в результате расчета, сведены в табл.8.5

Таблица 8.5

Результаты расчета надежности

Параметры надежности	Значения
Средняя наработка на отказ	121112,6
Вероятность безотказной работы	0,92
Среднее время восстановления	0,3
Вероятность восстановления	0,99868
Коэффициент готовности	0,9999
Коэффициент ремонтопригодности	0,0001
Вероятность безотказной работы с учетом восстановления	0,98789
Доверительные границы для наработки на отказ	264315,3...462586,5

Как видно из результатов расчета, приведенных в табл.8.5, полученные значения полностью соответствуют заданным в техническом задании.

8.4 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

Все виды РЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭС, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭС. При разработке конструкции РЭС необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность элементов.

Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции достигается усилием конструктивной основы: контроля болтовых соединений, повышение прочности узлов методами заливки и обволакивания. Во всех случаях нельзя допустить образование механической колебательной системы.

8.4.1 Расчет собственных частот колебаний элементов

При расчете частот собственных колебаний конструкцию РЭС условно заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны аналитические зависимости. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема возможно ближе соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы. Так как резонансные частоты вредны для всех радиоэлементов, то при конструировании необходимо хотя бы приближенно определять частоты собственных колебаний элементов [22].

Частоту собственных колебаний резисторов с, закрепленных по способу Б (рис.8.4) можно определить по номограммам [рис.7.7, 22]. Значение собственной частоты резистора f₀ = 7 кГц.

Рис. 8.4. Схема крепления резисторов.

При расчете частоты собственных колебаний микросхемы ее представляют в виде консольной конструкции (рис. 8.5).

Рис.8.5 Эквивалентная схема микросхемы.

В этом случае расчет собственной частоты колебаний микросхемы можно произвести по (8.32)

, (8.32)

где:

Е - модуль упругости материала балки, Н/м². В нашем случае Е = 0,710¹¹ Н/м²;

М - сосредоточенная масса. В нашем случае М = 3г.

I - момент инерции балки, м⁴. Момент инерции для выводов микросхемы рассчитывается по (8.33)

, (8.33)

где:

D - диаметр вывода ИМС. D = 0,5 мм.

м⁴.

m - приведенная погонная масса. В нашем случае m = 0,015 г/мм.

Подставляя значения в (8.33), получим

кГц.

Так как полученные значения частот собственных колебаний резистора и ИМС на много больше верхней частоты воздействующих вибраций (150 Гц), то можно сделать вывод о том, что элементы не будут усиливать колебания (коэффициент динамичности в этом случае равен 1).

8.4.2 Расчет собственной частоты печатной платы

Применительно к печатной плате используется следующая формула для расчета собственной частоты:

Гц, (8.34)

где:

K_m - коэффициент, учитывающий материал, из которого выполнена плата;

K_b - коэффициент, учитывающий наличие ЭРЭ;

В - коэффициент, зависящий от варианта закрепления пластины и соотношения сторон ;

h - толщина пластины.

, (8.35)

где:

Е - модуль упругости материала, из которого выполнена плата;

- плотность материала, из которого выполнена плата;

Е_S - модуль упругости для стали;

_S - плотность стали.

, (8.36)

где:

m_Э - масса элементов;

m_n - масса платы.

Печатная плата адаптера АРЛС выполнена из стеклотекстолита. Его плотность равна: = 2 г/см³. Коэффициент, учитывающий материал K_m = 0,74. Размеры платы (240х160х1,5)мм. Масса элементов - 87г.

По (8.37) определяем массу платы:

, (8.37)

Подставляя значения в (8.37), находим:

г.

Подставляя данные в (8.36), получим:

.

Значение коэффициента В для способа закрепления платы, представленного на рис. 8.6, равно 93.



Рис. 8.6. Способ закрепления платы.

Подставляя значения в (8.34), получим значение собственной частоты платы адаптера АРЛС.

Гц.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию:

, (8.35)

где:

- безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций, 35.

b - размер короткой стороны платы, 160мм.

n_bmax - вибрационные перегрузки в единицах g, 3...10.

Гц.

Условие (8.35) выполняется: , таким образом, плата будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций.

8.4.3 Расчет и выбор упаковочных виброизоляторов

Защита РЭС от механических воздействий при транспортировке является довольно сложной задачей, поскольку трудно учитывать случайные толчки, удары, определяемые профилем дороги, колебания отдельных частей транспортных средств и т.п. РЭС, размещаемые в кузове автомобиля, испытывают преимущественно вертикальные, а перевозимые по железной дороге - пространственные колебания (при трогании, торможении и движения состава амплитуда колебаний примерно одинакова по всем трем координатным осям) [23].

Защита РЭС при их транспортировании в упаковочной таре осуществляется с помощью упаковочных виброизоляционных прокладок из различных материалов, пружин или стандартных виброизоляторов. При использовании упаковочных виброизоляционных прокладок необходимо осуществлять выбор их оптимальных геометрических размеров, так как, например, при недостаточной толщине прокладки возможно повреждение упакованного РЭС при воздействии удара, а выбор толщины прокладки больше необходимой для обеспечения защиты приведет к удорожанию упаковки из-за перерасхода виброизоляционного материала.

В настоящее время для изготовления прокладок, используемых в упаковочной таре, применяется гофрированный картон, пенополистирол, пенополиуретан и др. [ 20 ].

К характеристикам прокладок, определяющим эффективность защиты аппаратуры, относят их механические свойства, геометрические параметры (толщину и площадь), а также показатели ползучести материалов прокладок под нагрузкой с течением времени [24].

В качестве материала прокладки выбираем пенополиуретан ППУ-ЭМ-1.

Определение оптимальных размеров прокладок можно выполнить по методике [20]. Исходными данными при расчете являются:

величина максимального ударного ускорения, м/с² (g) 147 (15);

предполагаемая высота падения в РЭС в упаковке, мм 500;

масса РЭС, кг 5;

геометрические размеры РЭС, м 0,483х0,295х0,264;

Упаковочные прокладки располагают снизу РЭС, а если необходимо, то сверху и с боковых сторон (рис.8.7).

Рис.8.7. Расположение прокладок при проектировании упаковки: 1- упаковываемый аппарат; 2 - прокладка; 3 - внешний контейнер.

Для расчета упаковочных прокладок используют номограммы [рис.6.23,20], разработанные для различных материалов.

Расчет оптимальных размеров прокладок производится по номограммам в следующей последовательности [20].

Определяется толщина прокладки Т.

Определяется требуемая площадь прокладки S. В нашем случае S = 900см². Находим площадь опорной грани упаковываемого изделия S_о.г. S_о.г = 1424,85см². Так как расчетное значение площади лежит в пределах S_о.гS0,5S_о.г, то изготавливаем четыре одинаковые прокладки, общая площадь которых равна S, поместив их по углам опорной грани.

Полученное значение толщины прокладки Т=90мм.

После определения размеров прокладок проверяем возможность местного выпучивания прокладки. Она осуществляется проверкой неравенства

. (8.36)

Подставляя полученные значения в (8.36), получим

Так как неравенство (8.36) выполняется, то можно сделать вывод о том, что рассчитанные размеры и выбранный материал прокладки обеспечат защиту от транспортируемого изделия механических воздействий.

8.5 Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы. Выбор и обоснование методов изготовления печатной платы

8.5.1 Выбор и обоснование методов изготовления печатной платы

Метод изготовления печатной платы выбран на основании ОСТ 4 ГО 054. 043 и ОСТ 4 ГО 054. 058. В соответствии с ними существуют следующие методы: комбинированный (позитивный и негативный), химический, металлизация сквозных отверстий для изготовления многослойных печатных плат.

Исходя из особенностей электрической схемы, элементной базы разрабатываемого устройства и конструктивных характеристик печатных плат, изготавливаемых различными методами, выбираем комбинированный позитивный метод изготовления печатных плат.

Как было отмечено в техническом задании, схема электрическая принципиальная блока интерфейсных адаптеров разделена на семь функциональных блоков. Каждый блок размещен на отдельной печатной плате. Трассировка плат ведется по двум сторонам, что упрощает разводку проводников и позволяет уменьшить размеры печатной платы. Монтажные отверстия должны иметь металлизацию.

При разработке печатной платы следует учитывать следующие рекомендации:

питающие проводники и «земля» должны иметь минимальное сопротивление и длину;

«сигнальные» проводники должны иметь минимальные участки, где они проходят параллельно;

размещение проводников на разных сторонах печатной платы желательно перпендикулярно или под углом 45.

Особые требования при разработке печатных плат предъявляются к контактным площадкам и ширине проводников.

8.5.2 Расчет конструктивно-технологических параметров печатного монтажа

В данном разделе проводится расчет параметров печатного монтажа платы адаптера АРЛС. Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом и имеет 3-й класс точности. Исходными данными являются: толщина фольги 35 мкм, максимальный ток через проводник 423 мА, максимальная длина проводника 0,6 м, допустимое падение напряжения на проводнике 0,2 В, максимальный диаметр выводов микросхем 0,5 мм, размеры платы 160х240 мм², расстояние между выводами микросхемы 2,5 мм.

1.Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

, (8.37)

где:

I_max - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

j_доп - допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовления [ табл. 4.5, 25]. В нашем случае j_доп = 48 А/мм²;

t - толщина проводника, мм.

Подставляя значения в (8.37), получим:

мм.

2.Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

, (8.38)

где:

- удельное объемное сопротивление.

Для нашего случая = 0,0175 Оммм²/м [табл. 4.5, 25];

U_ДОП - допустимое падение напряжения.

Подставляя значения в (8.38), получим:

мм.

3.Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

, (8.39)

где:

d_Э - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

d_н.о - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия [табл. 4.6, 25]. d_н.о = 0,1;

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм.

мм.

4.Рассчитываем диаметр контактных площадок. Минимальный диаметр, мм, контактных площадок для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом способе получения рисунка

, (8.40)

где:

h_ф - толщина фольги;

D_min - минимальный эффективный диаметр площадки:

, (8.41)

где:

b_м - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

d и p - допуски на расположение отверстий и контактных площадок.

d_max - максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

, (8.42)

где:

d - допуск на отверстие.

В нашем случае b_м = 0,035 мм, p = 0,25 мм, d = 0,1 мм, d = 0,05 мм [табл.4.6,25].

Подставляя значение d в (8.42), получим:

мм.

Подставляя значения b_м , p, d, d_max в (8.41), получим:

мм.

Подставляя полученное значение D_1min в (8.40), получим:

мм.

Максимальный диаметр контактной площадки

. (8.43)

мм.

5.Определяем ширину проводников. Минимальная ширина проводников, мм, для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом получении рисунка

, (8.44)

где:

b_1min - минимальная эффективная ширина проводника, b_1min = 0,18 мм для плат 1-, 2-, 3-го класса точности. Подставляя значение b_1min в (8.44), получаем

мм.

Максимальная ширина проводников

. (8.45)

мм

6.Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой

, (8.46)

где:

L₀ - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

l - допуск на расположение проводников. В нашем случае l = 0,05 мм [табл.4.6, 25].

Подставляя значения в (8.46), получим:

 мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками

. (8.47)

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками

. (8.48)

мм

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса точности.

8.6 Расчет электромагнитной совместимости

В данном разделе проводится определение работоспособности устройства сопряжения с АРЛС в условиях воздействия перекрестных помех в линиях связи. Расчет производим по методике [25].

Расчет будем производить для проводников расположенных на одной стороне печатной платы и идущих параллельно (рис.8.8)



Рис. 8.8. Схема расположения проводников на печатной плате:

1 - основание печатной платы; 2 - проводник.

Устройство сопряжения с АРЛС выполнено на двусторонней печатной плате третьего класса точности из стеклотекстолита СФ2-35Г-2,0, покрытой лаком УР-231. Ширина проводников и расстояние между ними равны 1,5 мм. Максимальная длина области связи проводников - 0,14 м. Максимальное напряжение в активной линии составляет 1,7 В на частоте 1 МГц. В схеме использованы микросхемы серии К1533.

В состоянии логической «1» помеха слабо влияет на срабатывание микросхем, поэтому рассмотрим случай, когда на входе микросхемы логический «0». При этом U ^«0»_вх = 0,5 В, I ^«0»_вх = 0,4 мА, U ^«0»_вых = 0,5 В, I ^«0»_вых = 4 мА. Тогда можно определить входное сопротивление по (8.49) и выходное сопротивление по (8.50).

. (8.49)

Ом.

. (8.50)

Ом.

Исходными данными для расчета являются:

Е - напряжение генератора в активной линии связи, В 1,7;

w - круговая частота, МГц 6,28;

R^«0»_вх, Ом 1250;

R ^«0»_вых, Ом 125;

_r - относительная диэлектрическая проницаемость

среды между проводниками 5;

Определяем взаимные емкости С и индуктивности М линий связи по (8.51) и (8.52) соответственно

. (8.51)

пФ.

. (8.52)

мГн.

Вычисляем сопротивление изоляции между проводниками

, (8.53)

где:

_кв - удельное поверхностное сопротивление основания печатной платы. Для стеклотекстолита _кв = 510¹⁰ Ом. Подставив данные в (8.53), получим

Ом.

3.Определяем действующее напряжение помехи на сопротивлениях

R ^«0»_вх и R ^«0»_вых

. (8.54)

В.

4. Сравниваем действующее напряжение помехи с помехоустойчивостью микросхемы. Для К1533 U_П = 0,5 В. Следовательно, действие помехи не приведет к нарушению работоспособности платы устройства сопряжения с АРЛС.

9. АНАЛИЗ И УЧЕТ ТРЕБОВАНИЙ ЭРГОНОМИКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭСТЕТИКИ

Максимально допустимые размеры ЛП определяются исходя из горизонтального и вертикального угловых размеров зоны периферичеcкого зрения оператора и требуемого расстояния l до ЛП [26, рис. 2.1]. Максимальная длина ЛП равна

, (9.1)

где:

_гор - горизонтальный угол обзора ЛП.

Максимальная высота

, (9.2)

где:

_верт - вертикальный угол обзора ЛП.

Для зоны периферического зрения оператора принимают _гор = 90, _верт =75. Применительно к разрабатываемому устройству l = 0,8 м при общем числе элементов N_эл = 14. Тогда

м.

м.

Минимально допустимые размеры ЛП определяются из следующих соображений. В соответствии с эргономическими требованиями в поле зрения, ограниченном углом зрения 10, должно размещаться 4...8 элементов ЛП (для расчета принимаем 4 элемента). Тогда площадь зрения S_пз на ЛП, ограниченная указанным углом 10, может быть вычислена по формуле

. (9.3)

м².

При числе элементов N_эл, размещаемых на ЛП, минимальная площадь ЛП, удовлетворяющая эргономическим требованиям, равна

. (9.4)

м².

Фактическую площадь ЛП выбирают, как

, (9.5)

где:

К_ЛП - коэффициент использования площади, обычно равный К_ЛП = 0,4...0,7. Для разрабатываемой панели примем К_ЛП = 0,45. Тогда

м².

Тогда линейные размеры находятся следующим образом.

Один из размеров выбирается из стандартного ряда габаритов, а оставшийся находится по (9.6). Выбираем высоту панели Н = 0,295 м.

, (9.6)

где:

Н - выбранный стандартный размер. Подставляя значение Н в (9.6), получим

м.

Округляем значение до L = 0,485 м.

Полученные значения размеров ЛП соответствуют размерам корпуса блока интерфейсных адаптеров, полученным в результате компоновочного расчета.

10. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ОТ КОРРОЗИИ, ВЛАГИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УДАРА, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

10.1 Защита от коррозии

К мерам защиты от климатических воздействий относятся выбор соответствующих материалов и качество обработки поверхности изделия. 0сновного внимания при этом заслуживает опасность коррозии, под которой понимают распространяющееся от поверхности разрушение твердого тела под действием химических и электрохимических факторов. Защита от коррозии осуществляется путем образования естественных защитных слоев с помощью окраски, химической и электрохимической обработки поверхности и т.д. Защитный слой выбирается в соответствии с классом коррозионной нагрузки, запланированным сроком службы и положением детали в приборе или в пространстве.

Класс коррозионной нагрузки характеризует среднестатистическое состояние атмосферы в месте эксплуатации изделия, определяющее коррозионное воздействие атмосферы на него. Эти классы позволяют выбрать мероприятия, необходимые для защиты от коррозии.

Класс коррозионной нагрузки указывают комбинацией обозначений вида и степени нагрузки. Вид нагрузки определяет специфические загрязнения воздуха, вызывающие коррозию изделия, и обозначается буквой от А до D. Степень нагрузки зависит от климатической зоны, категории установки и содержания примесей и обозначается цифрой от 1 до 5.

Выбор материала и защита поверхности

Выбор материала зависит от требований, связанных с выполнением функции прибора, и от коррозионных свойств. При этом необходимо принимать во внимание пару взаимодействующих материалов. Интенсивность коррозии зависит от разности потенциалов, возникающей в месте касания металлов.

При выборе материалов с учетом их электрохимических потенциалов необходимо руководствоваться следующим:

разность потенциалов двух металлов должна быть малой;

металлы следует покрывать защитными слоями, изолирующими их друг от друга;

площади касания различных металлов должны быть малыми, так как увеличение этих площадей приводит к удалению контактной коррозии.

Нанесение металлического покрытия

Металл, имеющий более положительный потенциал по сравнению с контактирующим с ним металлом, необходимо покрыть защитным металлическим слоем в месте касания и вокруг него. Выбор металла для защитного слоя производится с учетом электрохимических потенциалов, технологии нанесения покрытия, условий коррозионного воздействия, а также класса коррозионной нагрузки; запланированного срока службы; материала и расположения детали; требуемого вида поверхности; способа получения защитного слоя.

Изоляция

Электрический контакт между двумя касающимися металлами может быть предотвращен с помощью использования, например, металлических клеев вместо электрически проводящих соединений или - в случае механически малонагруженных соединений - с помощью окраски.

Защита от воздействия вспомогательных материалов

Вспомогательные материалы, используемые при изготовлении детали, могут оказывать агрессивное воздействие как на эту деталь, так и на другие детали. Особенно активны при этом формальдегид, кислоты, хлориды. Мерами защиты могут быть ограничение воздействия (например, многократная промывка печатных плат от травильного раствора или использование бескислотных флюсов), нанесение защитных покрытий (например, покрытие печатных плат лаком), выбор рациональной конструкции узла (например, отдельное расположение батарей).

Кадмирование и цинкование

Из соображений экономичности для защитных покрытий наиболее часто используют цинк и кадмий. Коррозионная стойкость цинковых и кадмиевых покрытий может быть значительно повышена последующим пассивированием (хроматированием или фосфатированием). Контактным способом наносят серебро, никель, хром и олово, которые могут быть осаждены на основной металл из водных растворов. Вследствие ограничения запасов и постоянно повышающейся стоимости кадмия в электротехнике для покрытий наиболее часто используется цинк. Но полностью заменить кадмий цинком невозможно, так как последний очень чувствителен к коррозионным воздействиям, появляющимся внутри прибора при относительной влажности выше 75-80%. При использовании оцинкованных деталей необходимо, кроме того, предотвращать их длительный контакт с конденсатом при эксплуатации, транспортировке и хранении. В общем случае при выборе защитного покрытия следует учитывать коррозионные свойства отдельных слоев и агрессивных сред, которые могут появиться внутри прибора.

Окраска

Обычно окраску осуществляют в два приема: вначале наносят грунтовый, а затем покровный слой. Грунт предназначен для пассивации защищаемой поверхности, а также для обеспечения надежной связи покровного слоя с основным материалом. Покровный слой состоит из слоев грунтовой краски и лака, причем грунтовая краска предназначена для надежного соединения грунта с покровным слоем, служащим для непосредственной защиты от воздействий окружающей среды, а также для подготовки к нанесению лакового слоя.

Как показывает практика, коррозия деталей из черных металлов, особенно мелких, начинается на кромках, так как слой краски на них недостаточен. Здесь появляется подоплечная коррозия, которая постепенно приводит к отслоению защитного покрытия. Подобный процесс развивается в заклепках, резьбовых и сварных швах. Для предотвращения таких явлений необходима дополнительная защита кромок.

Преждевременное старение и разрушение пластмассовых деталей может наблюдаться при поглощении ими влаги, под действием агрессивных сред и тепловых нагрузок (сопровождающихся размягчением и охрупчиванием материалов), бактерий, термитов, плесени и т.д. Поэтому необходимо изучение свойств этих деталей в экстремальных внешних условиях.

В разрабатываемой конструкции блока интерфейсных адаптеров защита от коррозии предусмотрена выбором материалов (сплав АМг обладает высокой коррозионной стойкостью), цинкованием деталей, изготовленных из сплава Д16.

10.2 3ащита от воздействия влаги

Приборы требуют защиты от влаги для предотвращения от корродирования, которое влечет за собой сокращение срока службы, уменьшение надежности, изменение электрических, и механических параметров, вплоть до отказа. Одним из средств защиты приборов и конструктивных элементов от влаги является герметизация, которая может быть осуществлена только при использовании металлов для герметичных корпусов и неорганических материалов в качестве герметиков. В последнее время по экономическим причинам все более широкое применение находят пластмассы. Однако пластмассы в большей или меньшей степени влагонепроницаемы, что требует их очень тщательного отбора в каждом конкретном случае использования.

Как правило, все материалы, особенно пластмассы, имеют требуемые свойства только при определенных температурах и влажности. При слишком большой влажности пластмассы могут набухать, при слишком сухо атмосфере - охрупчиваться. При падении температуры ниже точки росы, возможно также осаждение воды.

В разрабатываемой конструкции защита от воздействия влаги предусмотрена нанесением анодно-окисных покрытий на металлические детали, а также окраской пластмассовых деталей.

10.3 Защита от электрического удара

Защиту от электрического удара для электронных приборов и устройств подразделяют на защиту от непосредственного касания при нормальной работе и защиту от косвенного касания в случае ошибки.

Электронные приборы и устройства аппаратуры связи, электронные измерительные приборы и бытовые устройства, кроме общих требований к электрическим установкам, должны дополнительно отвечать также и специальным требованиям к их безопасности.

Защита от прямого касания при нормальной работе

Все детали (например, проводники), во время работы, находящиеся под напряжением, должны быть изолированы, экранированы или расположены так, чтобы была предотвращена возможность их касания обслуживающим персоналом. Кожухи и экраны приборов должны быть выполнены так, чтобы их нельзя было снять без использования инструментов.

В электронных приборах все находящиеся под напряжением выводы, касание которых опасно, должны быть соответствующим защищены и расположены на определенном безопасном расстоянии от других токоведущих элементов, касание которых возможно. Защита должна быть гарантирована при касании элементов в любой последовательности. Отверстия в корпусах должны быть выполнены так, чтобы была обеспечена степень защиты, требуемая для данного прибора. Правильность расположения отверстий в электронных бытовых приборах проверяют с помощью испытательных оправок.

Защита от косвенного касания в случае ошибки

Открытые для касания детали электронных приборов и устройств, не находящиеся под напряжением (например, корпуса) должны быть выполнены так, чтобы даже в аварийном случае на этих деталях не могло появиться опасное напряжение. Для всех электротехнических устройств и электронных приборов номинальным напряжением U=1кВ (для переменного тока) и U=1,5кВ (для постоянного тока) необходимое последовательное выполнение требований в соответствии с классом их защиты. Защитные мероприятия не требуются: для приборов с установившемся током короткого замыкания 20 мА; для приборов с батарейным электропитанием и преобразователем напряжения, если выходная мощность преобразователя не превышает 2 Вт при его внутреннем сопротивлении не менее 10 кОм; для элементов приборов, которых можно касаться только при снятии напряжения и в которых приняты меры для предотвращения подачи напряжения на касаемые детали (например, на детали внутри выдвижных блоков); для металлических деталей крепления проводов и кабелей.

Степень защиты не должна снижаться в результате работы прибора или воздействий со стороны окружающей среды. Так, в электронных приборах резьбовые соединения должны быть дополнительно застопорены с помощью пружинных шайб, а паяные - путем закрутки или загиба концов проводов в отверстиях для пайки, чтобы защита от касания не могла быть снижена при случайном ослаблении этих соединений.

Классы защиты

Классом защиты определяются мероприятия, в результате которых должно быть предотвращено появление опасных в отношении касания напряжений на деталях электротехнических и электронных устройств и приборов, при нормальных условиях, не находящихся под напряжением. При этом различают класс защиты I (защитное заземление, для чего предусматриваются, например, места подключения защитного проводника, соединители (штекеры) с защитным контактом и т.д.), класс защиты II (защитная изоляция) и класс защиты III (защитное пониженное напряжение).

В разрабатываемой конструкции защита от поражения электрическим током предусмотрена защитным заземлением. Каждая функционально-законченная часть блока интерфейсных адаптеров присоединяется к заземляющей вставке.

10.4 Защита от действия внешних электромагнитных полей

Эффективной защитой от воздействия электрических полей является экранирование, которое снижает энергию внешнего электромагнитного поля, а также помехи и влияние прибора на внешнюю среду. Причинами паразитных наводок на прибор являются внешние источники помех, а также образование межкаскадных связей под влиянием электростатических и электромагнитных полей.

В зависимости от типа и частоты поля различают экранирование электрических и магнитных полей высокой и низкой частот. Часть электромагнитной энергии отражается от поверхности экрана, часть проникает в него. В свою очередь, определенная доля энергии, проникшая в экран, отражается от его другой стенки, остальная энергия проходит сквозь экран насквозь. Достигаемое при этом ослабление поля называется экранирующим действием, отношение напряженностей полей за экраном и перед ним - эффективностью экранирования, а выражаемый в децибелах логарифм величины, обратной этому коэффициенту, - затуханием экранирования.

В разрабатываемой конструкции источником электромагнитных полей является блок питания. Конструктивно блок питания выполнен в металлическом корпусе, который одновременно является экраном, что исключает влияние его на элементы схемы. Корпус блока интерфейсных адаптеров выполнен из алюминиевого сплава, что обеспечивает защиту элементов схемы от внешних электромагнитных полей.

10.5 Защита от механических нагрузок

Механические нагрузки, которые испытывают приборы и окружающая среда, обусловлены, в частности, динамическими воздействиями на них в виде колебаний и ударов. Защита от этих нагрузок возможна с помощью демпфирования, изоляции и гашения колебаний с помощью дополнительных масс. Целями мероприятий по защите от воздействия механических нагрузок являются: обеспечение выполнения прибором, испытывающим механические нагрузки, заданной ему функции; повышение точности, надежности и срока службы приборов, защита обслуживающего персонала от шума и вибраций.

При воздействии определенных входных величин на систему прибор-место установки появляющиеся деформации рабочих элементов, напряжения конструктивных элементов или колебания соседних деталей не должны превышать заданных значений.

Снижение колебательных и ударных нагрузок

При проектировании необходим точный расчет их колебаний, который позволяет исключить в последующем работы по снижению колебательных нагрузок. Точный расчет предполагает точное знание параметров колебаний рассматриваемой системы. Различают следующие мероприятия по снижению колебательных и ударных нагрузок:

первичные мероприятия - уменьшение влияния возбуждающих величин путем демпфирования, активной изоляцией или гашения колебаний в месте их возникновения;

вторичные мероприятия - изменение передаточной функции колебательной системы с помощью предотвращения ее резонанса и использования пассивной изоляции.

В принципе, конструктор может снизить механические колебательные и ударные нагрузки на прибор и окружающую среду тремя путями: демпфированием; изоляцией колебательной системы и гашением этих нагрузок. Гашение колебаний применяется в станко - и в крупном приборостроении.

Демпфирование колебаний и ударов

Снижение колебательных и ударных нагрузок путем демпфирования возможно за счет механических или электрических демпферов. В качестве механических демпферов могут использоваться также клапаны, заслонки (дроссели) или сильфоны.

Изоляция колебаний и ударов

Под изоляцией колебаний понимают уменьшение или предотвращение распространения колебаний с помощью изоляторов (упругих элементов).

Для эффективной изоляции частота возбуждения должна значительно отличаться от собственной частоты изолятора, так как в ином случае могут развиваться так называемые частоты пробоя.

Прибор должен быть установлен или подвешен на изоляторах. При этом изоляция колебаний будет эффективной, если собственные частоты изолируемой системы меньше самой низкой гармоники частоты возбуждения.

Конструктивно блок интерфейсных адаптеров предусматривает установку в стойку, поэтому защита от воздействия вибраций и ударных нагрузок предусматривается у стойки в целом

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1 Расчет коэффициента технологичности

Под технологичностью конструкции (ГОСТ 18831-73) понимают совокупность ее свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовления, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями конструкций изделий того же назначения при обеспечении заданных показателей качества.

Устройство сопряжения с АРЛС является составной частью блока интерфейсных адаптеров центрального вычислителя системы технического зрения, который относится к электронным устройствам. Коэффициенты технологичности устройства сопряжения с АРЛС рассчитываются следующим образом.

Коэффициент использования микросхем и микросборок определяется по формуле:

, (1.1)

где Н_МС - общее количество микросхем и микросборок в изделии в

штуках;

Н_ЭРЭ - общее количество ЭРЭ в штуках.

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа определяется по формуле:

, (1.2)

где Н_А.М. - количество монтажных соединений, которые осуществля-

ются механизированным или автоматизированным спосо-

бом;

Н_М - общее количество монтажных соединений.

3. Коэффициент механизации и автоматизации подготовки ЭРЭ к

монтажу определяется по формуле:

, (1.3)

где Н_М.П.ЭРЭ - количество ЭРЭ в штуках, подготовка которых осуще-

ствляется механизированным или автоматизированным

способом;

Коэффициент механизации контроля и настройки определяется по формуле:

, (1.4)

где Н_М.К.Н. - количество операций контроля и настройки, которые

осуществляются механизированным или автоматизированным способом;

Н_К.Н. - общее количество операций контроля и настройки.

Коэффициент повторяемости ЭРЭ определяется по формуле:

, (1.5)

где Н_Т.ЭРЭ - количество типоразмеров ЭРЭ в изделии, определяемое

габаритными размером ЭРЭ.

Коэффициент применяемости ЭРЭ определяется по формуле:

(1.6)

где Н_{Т.ОР.ЭРЭ} - количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии.



Коэффициент прогрессивности формообразования деталей определяется по формуле:

, (1.7)

где Д_ПР - количество деталей в штуках, которые получены прогрессивными методами формообразования;

Д - общее количество деталей в изделии в штуках.

Расчет комплексного показателя технологичности производится по формуле:

(1.8)

где K_i - частный показатель технологичности;

_i - коэффициент веса, показывающий влияние частного показа-

теля на комплексный.

S - общее количество относительных частных показателей.



Поскольку данное устройство является электронным, то нормативное значение комплексного показателя технологичности составляет 0.5-0.8. Расчетное значение комплексного показателя технологичности составляет 0.75. Исходя из этого можно сделать вывод о достаточной технологичности конструкции.

10.2 Технология изготовления печатной платы

Структура базовых технологических процессов изготовления двусторонних печатных плат состоит из набора типовых технологических операций, для осуществления которых разработаны различные методы выполнения и технологическое оснащение. Выбор содержания операций определяется требованиями, предъявляемыми к готовым ПП, производительностью оборудования, условиями производства и экономической эффективностью процесса [ ].

Входной контроль материалов на предприятии-изготовителе ПП предназначен для обеспечения гарантированного качества получаемой продукции. При его проведении определяется соответствие физико-механических и эксплуатационных свойств материалов требованиям технических условий. Контролю подвергается каждая партия поступающего диэлектрика, фоторезиста. Качество диэлектрических материалов оценивается визуально или путем проведения специальных испытаний. При визуальном осмотре проверяется отсутствие на поверхности фольги и диэлектрика трещин, царапин, проколов и других видимых дефектов. Электроизоляционные и механические свойства контролируются по стандартным методикам. Особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов: штампуемости, короблению, способностью к металлизации и др. Также проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых химических сред на операциях травления, металлизации.

Двусторонние печатные платы (ДПП) изготавливают преимущественно комбинированным позитивным методом. В качестве основания для печатного монтажа используют двусторонний фольгированный стеклотекстолит, на котором формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.

Комбинированный позитивный метод состоит из следующих операций:

получение контура заготовки;

подготовка поверхности заготовки;

нанесение позитивного рисунка схемы;

нанесение защитного слоя лака (эмаль ХСЭ, ХСЛ) для предохранения химически активных растворов при химической металлизации, количество слоев 2-3, нанесение окунанием, поливом или с помощью краскораспылителей, сушка в сушильных печах в течение 20-40 мин при 60-80 С;

сверление отверстий в плате;

химическое меднение отверстий; толщина слоя 1-2 мкм; скорость 20-30 мкм/ч;

гальваническое меднение до толщины 25-30 мкм, удаление защитного слоя лака;

нанесение металлического резиста для защиты проводников и отверстий от травления (гальваническое покрытие сплавами олово-свинец) толщиной 20-25 мкм;

удаление фоторезиста;

травление пробельных мест;

оплавление металлического резиста - необходимо для удаления припоя из покрытий и улучшения паяемости покрытия.

Гальванически нанесенный металлический резист сплав олово-свинец имеет пористую структуру, быстро окисляется, теряет способность к пайке. Для устранения этих недостатков проводят оплавление резиста с помощью ИК излучения в жидкости (глицерине) или газе. В результате покрытие приобретает структуру металлургического сплава и при толщине 8-15 мкм приобретает хорошую паяемость;

контроль платы, маркировка.

При изготовлении заготовок их размеры определяются согласно требованиям чертежа и наличию по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и текстовые элементы. Ширина технологического поля не превышает 10 мм. Получают заготовки различными методами в зависимости от типа производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий. При этом коэффициент использования материала должен быть высоким, а контур не иметь трещин и расслоений. Качество заготовки определяется правильным выбором зазора между пуансоном и матрицей, геометрией рабочих частей штампа, усилием вырубки, а также применением подогрева (60-100 С), который рекомендуется в тех случаях, когда платы имеют сложный наружный контур с резкими выступами и толщину свыше 2 мм.

В качестве инструмента применяют вырубные штампы, рабочие элементы которых изготовлены из инструментальной легированной стали марок X12M, X12Ф1 или металлокерамического твердого сплава марок ВК-15, ВК-20. Стойкость штампов при вырубке заготовок из стеклотекстолита 1,5-2 тыс. ударов.

Подготовка поверхности заготовки включает очистку исходных материалов от оксидов, жировых пятен, смазки и других загрязнений, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества выполнения операции. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными методами и их сочетанием. Для удаления оксидного слоя с поверхности фольги используют механическую очистку абразивными кругами, крацевальными металлическими щетками, щетками из капрона или нейлона, на которые подается абразивная суспензия.

Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений и для увеличения производительности при обработке ПП применяют гидроабразивную обработку или чистку вращающимися щетками из синтетического материала с введенными в его состав абразивными частицами. Образование шероховатой поверхности после механической обработки способствует растеканию флюса и припоя, т.к. риски являются мельчайшими капиллярами.