Блок обмена сообщениями коммутационной станции

Для применения в разработке используется широко распространенные МПК серий 580, 1810, производимые отечественной промышленностью. Эти комплекты имеют сильно развитые средства поддержки разработки ПО и широкую номенклатуру периферийных и специализированных БИС, Для разработки микропроцессорных узлов также применяются серии 537,

3.2 Анализ элементов на устойчивость к внешним воздействиям

Применяемые в конструкции радиоэлементы должны сохранять работоспособность при воздействии на них внешних дестабилизирующих факторов. Основные справочные данные используемых элементов на устойчивость к внешним воздействиям приведены ниже.

Микросхемы серии 1533 имеют пониженную рабочую температуру среды минус 10 °С, повышенная температура 70 °С. Амплитуда ускорения синусоидальной вибрации - 10g, линейное ускорение - 50g.

Микросхемы типа КР580 сохраняют свою работоспособность при температуре окружающей среды в пределах от минус 10 °С до 70 °С. Относительная влажность среды до 98 %. Воздействие синусоидальной вибрации в пределах 1 - 600 Гц с амплитудой ускорения 10 g. Удар - 75g. Линейное ускорение 25g.

Микросхемы типа КР1810 выдерживают воздействие пониженной температуры среды минус 10 °С, повышенной температуры 70 °С. Амплитуда ускорения синусоидальной вибрации 10g. Линейное ускорение 50g,

Микросхемы типа К170 имеют пониженную температуру окружающей среды минус 10 °С, повышенную температуру 70 °С. Амплитуда ускорения синусоидальной вибрации 10g. Линейное ускорение 500g,

Микросхемы серии КР537 также выдерживают воздействие температуры окружающей среды в пределах от минус 10 °С до 70 °С. Амплитуда ускорения синусоидальной вибрации 10g, Линейное ускорении 50g.

Конденсаторы типа К10-17 сохраняют свою работоспособность при воздействии на них пониженной температуры среды минус 60 °С, повышенной температуры среды 125 °С. Влажность окружающего воздуха не более 98 % при 35 °С. Воздействие синусоидальной вибрации в пределах от 1 до 5000 Гц с амплитудой ускорения 40g. Многократный удар 40g, однократный 150g. Линейное ускорение 500g,

Конденсаторы типа К53-4А имеют диапазон рабочих температур в пределах от минус 60 до 85 °С. Влажность 85 % при 35 °С. Вибрация в диапазоне частот 1...3000 Гц с амплитудой ускорения до 20g. Ударные перегрузки 150g. Линейное ускорение 200g.

Резисторы типа С2-ЗЗН имеют повышенную рабочую температуру 85 °С. Работоспособны при воздействии синусоидальной вибрации в пределах от 1 до 5000 Гц с амплитудой ускорения 30g. Однократный удар l000g, многократный удар 150g. Линейное ускорение 500g.

Набор резисторов HP 1-4-9 имеет пониженную рабочую температуру среды минус 60 °С, повышенную температуру 155 °С. Относительная влажность воздуха при 20 °С не превышает 98 %. Воздействие синусоидальной вибрации с частотой 1 - 2000 Гц с амплитудой ускорения 10g. Воздействие многократного удара 40g., однократного 150g. Линейное ускорение 50g.

Резонатор РК169МА имеет диапазон рабочих температур в пределах от минус 60 °С до 85 °С. Воздействие синусоидальной вибрации 1 - 2000 Гц с амплитудой ускорения 20g. Ударное воздействие 500g. Линейное ускорение 50g.

Пониженная температура окружающей среды для индикатора АЛ3076 составляет минус 60 °С, повышенная 75 °С. Частота вибрации 1 - 2000 Гц с амплитудой ускорения 20g. Линейное ускорение составляет 200g.

Диод типа 2Д522Б сохраняет свою работоспособность в диапазонах температур от минус 60 до плюс 125 °С. Относительная влажность воздуха составляет 98 % при 35 °С. Синусоидальной вибрация частотой от 1 до 600 Гц с амплитудой ускорения 10g. Однократный удар 15g. Линейное ускорение 20g.

Таким образом, проанализировав характеристики элементов на устойчивость к внешним воздействиям и сравнив их с требованиями предъявляемыми к АТС можно сделать вывод о том, что выбранная элементная база удовлетворяет требованиям работоспособности в части воздействия внешних дестабилизирующих факторов.

3.3 Описание материалов конструкции

Для изготовления слоев МПП в качестве основания используется стеклотекстолит, для получения которого применяют стеклянную безщелочную ткань и эпоксифенолоформальдегидный лак. Пропитку стеклоткани лаком производят на вертикальных пропиточных машинах, снабженных сушилкой. Пропитанная и просушенная стеклоткань наматывается на барабан. Затем эта стеклоткань, находящаяся в стадии неполного отвердения, и фольга нарезаются на листы необходимого размера. Склеивание фольги и стеклотекстолита производится на гидравлических прессах. Установлено, что оптимальным режимом термообработки является выдержка заготовок МПП после прессования в камере тепла при 140 °С в течение 2ч. Термообработка заготовок MПП в указанном режиме делает более стабильными характеристики твердости материала и расширяет диапазон его рабочих температур [10].

Таким образом, при выборе материала для изготовления МПП было отдано предпочтение стеклотекстолиту типа СТФ-2-35-0,3. Это теплостойкий стеклотекстолит фольгированный с двух сторон гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм, толщина стеклотекстолита - 0,3 мм. В качестве связующего материала используется ЭД-8.

В конструкцию кассеты входит направляющая изготовленная из полиамида (ПА), который относится к термопластичным материалам. Материалы этой группы обладают легкостью, стойкостью в агрессивных средах, отличными антифрикционными и демпфирующими свойствами, высоким электросопротивлением и малой теплопроводностью, но характеризуются пониженной прочностью, значительной текучестью под нагрузкой и низкой теплостойкостью. Термопласты имеют хорошие литейные свойства, хорошо деформируются в нагретом состоянии, свариваются и хорошо обрабатываются резанием.

Полиамид стеклонаполненный ПА 610-ДС, сорт 1 ГОСТ 17648-83 представляет собой композицию полиамида с отрезками стекловолокна. Данный материал характеризуется повышенными механическими свойствами и теплостойкостью.

Предел прочности на растяжение а_в = 120...152 МПА, 5= 2,0...2,8 %, КС = 29...60 кДж/м², 137 НВ, температура размягчения 180...200 °С, плотность 1270...1410 кг/м³.

Фиксатор изготовлен из стального листа

Это лист холоднокатаный, нормальная точность (Б), нормальная плоскостность (ПН), с обрезной кромкой (О), толщина 0,8 мм., из стали категории 5 по контролируемым свойствам, качество поверхности по группе II, для нормальной вытяжки (Н), марка стали 10, свойства материала и качество поверхности по ГОСТ 16523-89.

Швеллер изготовлен из стального листа

Лист холоднокатаный, нормальная точность (Б), нормальная плоскостность (ПН), толщина 2,0 мм., из стали категории 5 по контролируемым свойствам, качество поверхности по группе 11, для нормальной вытяжки (Н), марка стали 10, свойства материала и качество поверхности по ГОСТ 16523-89.

Планка также изготовлена из листовой стали

Лист холоднокатаный, нормальная точность (Б), нормальная плоскостность (ПН), толщина 5,0 мм., из стали категории 10 по контролируемым свойствам, качество поверхности по группе II, свойства материала и качество поверхности по ГОСТ 1577-81.

В конструкции применен оловянно-свинцовый припой ПОС-61. Этот припой является легкоплавким, мягким и технологичным. Прочность паянных соединений на сдвиг до 30...40 Мпа.

Клей ВК-9 - многокомпонентная эпоксидная композиция с полиамидами. Клей горячего твердения, предназначен для соединения металлов и неметаллов. Рабочие температуры от минус 60 до 200?С. Прочность на срез до 14 МПа, при 125?С-4,5 МПа.[22]

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ, МЕТОДОВ И ПРИНЦИПОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ

4.1 Анализ существующих принципов конструирования

В настоящее время получили широкое распространение такие принципы конструирования, как моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой, функционально-узловой и модульный [11].

Моносхемньтй принцип конструирования заключается в том, что полная принципиальная схема радиоэлектронного аппарата располагается на одной печатной плате и поэтому выход из строя одного элемента приводит к сбою всей системы. Оперативная замена вышедшего из строя элемента затруднена из-за сложности его обнаружения.

При схемно-узловом принципе конструирования на каждой из печатных плат располагают часть полной принципиальной схемы радиоаппарата, имеющую четко выраженные входные и выходные характеристики,

Каскадно-узловой принцип конструирования заключается в том, что принципиальную схему радиоаппарата делят на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельных функций.

Функционально-узловой принцип конструирования нашел широкое распространение при разработке больших РЭА. Базовым элементом конструкции здесь является ТЭЗ. Имея необходимый набор ТЭЗ, можно построить целый ряд РЭС с различными техническими характеристиками.

При модульном принципе конструирования основные функциональные узлы взаимосвязаны с помощью одного канала. Чтобы установить связь с модулем-приемником, модуль передатчик посылает нужный сигнал вместе с адресом по шине. Сигналы поступают на входы всех подключенных к каналу модулей, но отвечает только запрашиваемый. Применяя этот принцип, можно построить РЭЛ с практически неограниченной сложностью, сохраняя при этом гибкость в ее организации, так как разработчик использует ровно столько модулей, сколько ему требуется. Разработчик может также легко модернизировать конструкцию, меняя или добавляя отдельные модули и получая при этом различные параметры. Именно по этому принципу построена проектируемая ЛТС.

4.2 Общие требования к конструкции АТС

Конструкция обеспечивает размещение оборудования станции в обычных помещениях с высотой потолка не менее 3 м.

Конструкция обеспечивает установку без фальшпола.

Разработанная аппаратура обеспечивает прочность при транспортировании. Аппаратура в упакованном виде обеспечивает устойчивость к перевозке автотранспортом, в закрытых дорожных вагонах, негерметизированных кабинах самолетов и вертолетов, трюмах речного транспорта.

Аппаратура защищена от внешних электромагнитных излучений.

Конструкция типовых элементов замены предусматривает размещение в ней печатной платы, соответствующей международному стандарту с размерами 233,35 х 280 мм и возможностью установки на ней двух соединителей. При этом типовые элементы замены могут заменяться без какого-либо регулирования. ТЭЗы выполнены быстросъемными и их масса не превышает 2,5 кг.

Конструкция исключает наличие жгутового монтажа. Ввод внешних кабелей возможен как сверху стойки, так и снизу без изменения конструктива.

Конструкция оборудования станции, его размеры, композиция, технические формы и выбор окраски удовлетворяют общим требованиям технической эстетики и эргономики. Конструкция оборудования отвечает антропометрическим требованиям.

Для того, чтобы оборудование выдерживало воздействие климатических факторов, соответствующее группе условий эксплуатации, материалы, металлические, неметаллические и неорганические покрытия выбраны но ГОСТ 15150-69 для климатического исполнения УХЛ.

4.3 Описание конструкции шкафа

Шкаф предназначен для размещения в нем блоков электроники и питания, рисунок 2.

Габаритные размеры шкафа:

- высота - 2200 мм;

- ширина - 986 мм;

глубина - 520 мм.

Шкаф конструктивно состоит из каркаса, боковых обшивок, передней и задней дверей. Каркас выполнен в виде верхней и нижней рам, боковых стоек, верхней и нижней обшивок. Рамы выполнены из одного типа трубы прямоугольного сечения.

Крепления стоек в каркасе к верхней и нижней рамам осуществляется 16-ю болтами М8.

Передняя и задняя стороны шкафа закрываются дверьми, которые крепятся в шкафу при помощи двух торцовых осей и замка с тягами.

Боковые обшивки к стойкам каркаса крепятся при помощи 4-х винтов М8.

Двери представляют собой глухую по высоте листовую сталь с приваренными угольниками, на которых располагаются контактирующие пружины. При помощи этих пружин осуществляется контакт между боковыми обшивками, передней и задней дверьми.

В шкафу обеспечивается электрический контакт между каркасом, боковыми обшивками, передней и задней дверьми.

Для осуществления естественной конвекции воздуха в верхней и нижней обшивках каркаса и дверях предусмотрены вентиляционные отверстия,

В шкафу предусматривается возможность установки дефлекторных пластин для перераспределения воздушных потоков.

Максимальный вес оборудованного шкафа не более 250 кг.

4.4 Описание конструкции кассеты

Корпус кассеты предназначен для размещения в них блоков электроники и питания.

Габаритные размеры корпуса кассеты:

- ширина - 874,18 мм;

- высота - 265,9 мм;

- глубина - 322 мм.

Корпус кассеты представляет собой сборную конструкцию, состоящую из 2-х стенок и 4-х держателей (2-х передних и 2-х задних) одного типоразмера.

Держатели крепятся к стенкам самонарезающими винтами М4. Внутри корпуса кассеты устанавливаются легкосъемные направляющие на 4 блока, которые крепятся с одной стороны при помощи замковой конструкции, с другой стороны (со стороны панели) - входят в паз изолятора соединителей.

Панель крепится к держателям с внешней стороны при помощи планки, которая вставляется в держатель, и винтов МЗ.

На панели запрессовываются вилки соединителей, на хвосты которых устанавливаются изоляторы для подключения, установки и крепления кабельной перемычки.

Для разводки питания на монтажной стороне панели установлены силовые контакты, на которые одеваются наконечники с проводами питания. По панели питание может быть разведено печатью и отдельными проводами.

Шаг установки блоков, размещенных в корпусе кассеты кратен 20,32 мм.

Панель выполнена толщиной не менее 3 мм,

4.5 Описание конструкции блока

Блок состоит из платы печатного монтажа размером 233,35 х 280 мм, на которую устанавливается пластмассовая лицевая панель и два или один электрический соединитель.

На лицевой панели установлены две защелки, которые служат для закрепления блока в каркасе кассеты.

На панели имеются два уступа, служащие для извлечения блока из каркасов или шкафов с помощью съемника.

Если на лицевой панели устанавливаются органы управления и сигнализации, между держателями устанавливается планка, на которой крепятся элементы сигнализации. Соединители устанавливаются вдоль стороны 233,35 мм и крепятся заклепками. Электрическое соединение с ПП осуществляется пайкой в печать.

4.6 Компоновка шкафа

Оборудование в виде блоков размещено в кассетах в шкафу. Каждая кассета образует функционально и конструктивно законченное устройство. Сочетание блоков и их количество в устройствах может изменятся в зависимости от емкости конкретной станции и ее конфигурации. При этом монтажных и конструктивных изменений не требуется. При необходимости в

шкафу при наличии места могут быть размещены дополнительно устройства без каких-либо конструктивных доработок.

В верхней части шкафа установлен швеллер. На нем размещена панель ввода питания, блоки предохранителей с устройствами сигнализации их перегорания и 2 распределительные колодки. На панели ввода расположены клеммы для подключения питания 60 В. С распределительных колодок напряжение - 60 В подается непосредственно на источник вторичного электропитания, а + 60 в на блоки предохранителей. Блоки предохранителей содержат предохранители и схему сигнализации перегорания предохранителей. Блок состоит из лицевой панели, на которой расположен предохранитель, выключатель, при помощи которого можно отключить подаваемое напряжение + 60 В, и светодиод, сигнализирующий перегорание предохранителя, а также печатной платы, на которой размещены схема сигнализации и клеммы, при помощи которых осуществляется подключение блока к плате ввода и вторичному источнику питания.

На каркасе шкафа вдоль вертикальных стоек расположены корпусные шины. Связи их с устройствами осуществляются при помощи кабельных перемычек с наконечниками на концах.

Каркас также имеет клемму с резьбой М6 для подключения защитного заземления.

Все токопроводящие части с напряжением выше 42 В защищены от случайного прикосновения к ним обслуживающего персонала.

5. ВЫБОР СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОЗАЩИТЫ, ГЕРМЕТИЗАЦИИ, ВИБРОЗАЩИТЫ И ЭКРАНИРОВАНИЯ

5.1 Выбор элементов, для которых необходимо проведение подробного расчета теплового режима

Расчет температуры всех входящих в аппарат элементов представляет собой чрезвычайно трудоемкий, а зачастую и практически трудновыполнимый процесс. В связи с этим встает вопрос: для каких элементов необходимо

рассчитывать температуру, чтобы с заданной достоверностью можно было судить о соответствии теплового режима всего аппарата требованиям технического задания [12].

Проанализировав пункт 3.1 данного курсового проекта сведем данные по максимальной рабочей температуре всех радиоэлементов в таблицу 3.

Таблица 5.1 - Максимальные рабочие температуры элементов.

№ п/ п	Наименование элемента	Количество	Максимальная рабочая температура, °С
1	Диод 2Д522Б	1	120
2	Индикатор единичный АЛ3076	1	75
3	Конденсатор К-1 0-1 7, К53-4А	69	85
4	Микросхема серии К170	2	70
5	Микросхема серии КР537	4	70
6	Микросхема серии КР580	2	70
7	Микросхема серии 1810	2	70
8	Микросхема серии 1533	61	70
9	Набор резисторов HP 1-4-9	1	155
10	Резистор С2-ЗЗН	5	85
11	Резонатор РК169МА	1	85

Таким образом, наименее теплостойким элементом являются микросхемы.

5.2 Выбор способа охлаждения на ранней стадии проектирования

Одним из основных вопросов, определяющих эксплуатационную надежность РЭА, является вопрос создания в приборе таких температур, при которых, длительная работа используемых в нем элементов осуществлялась бы в пределах, предусмотренных для них ТУ.

Основная задача обеспечения необходимого теплового режима заключается в создании таких условий, при которых количество тепла, рассеянного в окружающую среду, будет равным мощности тепловыделения аппаратуры. Тогда температура нагретой зоны в приборе перестает нарастать и тепловые параметры при всех прочих равных условиях стабилизируются [12].

При обеспечении необходимого теплового режима РЭА основные трудности связаны с отводом тепла, т.е. охлаждением. Учитывая тип и состояния теплоносителя, а также причину, вызвавшую его движение, способы охлаждения РЭА можно разделить на следующие основные классы: газовое (воздушное), жидкостное, испарительное, а также естественное и принудительное.

Способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭА. Поэтому уже на ранней стадии проектирования, т.е. на стадии технического предложения или эскизного проекта, необходимо выбрать способ охлаждения РЭА, после чего можно приступить к предварительной проработке конструкции. Выбранный способ охлаждения должен обеспечить заданный по ТЗ тепловой режим РЭА, что можно проверить расчетным путем детальной проработки конструкции аппарата либо опытным путем после испытания макета или опытного образца. Следовательно, если на ранней стадии конструирования мы неправильно выберем способ охлаждения, то это обнаружится только на более поздних стадиях конструирования, в результате чего работа будет сведена на нет, а сроки создания РЭА значительно увеличатся. Если к этому добавить, что на ранней стадии конструирования мы располагаем минимальной информацией о конструкции РЭА, то станет очевидным, сколь ответственна и сложна задача выбора способа охлаждения.

Для выбора способа охлаждения прежде всего требуются следующие данные:

- суммарная мощность Р, рассеиваемая в блоке;

- диапазон возможного изменения температуры окружающей

среды T_{c max}, T_{c min};

- пределы изменения давления окружающей среды p_mах , p_min;

- время непрерывной работы t;

- допустимые температуры элементов T_j;

- коэффициент заполнения по объему К₃

Эти исходные данные недостаточны для детального расчета теплового режима, но их можно использовать для предварительной оценки. Выбор способа охлаждения на ранней стадии конструирования часто имеет вероятностный характер, т.е. дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного по ТЗ теплового режима РЭА при выбранном способе охлаждения, а также усилия, которые необходимо затратить при разработке будущей конструкции РЭА с учетом обеспечения теплового режима.

Выбор способа охлаждения можно выполнить с помощью графиков, характеризующих области целесообразного применения различных способов охлаждения [12]. Эти области строятся по результатам обработки статистических данных для реальных конструкций, тепловых расчетов и данных испытания макетов.

Конструкция АТС представляет собой набор шкафов и входящих в них кассет и блоков (см. выше). Таким образом, нам заранее известен применяемый способ охлаждения. Т.к. в конструкции АТС не имеется поверхностей с большими удельными мощностями рассеивания, то применяется естественное воздушное охлаждение с перфорированным кожухом.

5.3 Выбор способов герметизации

Основная цель герметизации - предотвращение воздействия внешних

климатических факторов.

Выбор способа герметизации обуславливается совокупностью требований к конструкции: условиями реализации нормального теплового режима, ремонтопригодностью, элементоемкостью реализуемой схемы, плотностью компоновки, рядом эксплуатационных требований (изменение барометрического давления, механические воздействия, перепады температур) и надежностью [13].

В зависимости от степени чувствительности тех или иных элементов или узлов к воздействию агрессивной среды и от их конструктивных особенностей применяют различные способы герметизации, отличающиеся как методом исполнения, так и сложностью и стоимостью.

Известны способы герметизации с помощью:

- изоляционных материалов;

- непроницаемых для газов оболочек.

Защита изделий изоляционными материалами может производится пропиткой , заливкой, обволакиванием и опрессовкой [11].

Пропитка изделий состоит в заполнении имеющихся в них каналов электроизоляционным материалом. Одновременно с заполнением каналов при пропитке на всех элементах конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищающий их от воздействия агрессивной среды. Одновременно с защитными функциями пропиточный материал повышает электрическую прочность изделия, скрепляет механически его отдельные элементы, во многих случаях улучшает теплопроводность. Пропитку осуществляют погружением изделий в жидкий изоляционный материал. После извлечения изделия материал отвердевает. Процесс отвердения может проходить при нормальной температуре или с внешним подогревом.

При выборе материалов для пропитки необходимо учитывать их нейтральность к элементам пропитываемого изделия, нетоксичность, влаго- и нагревостойкость.

При герметизации заливкой все свободные полости в изделии, в том числе и пространство между элементами и корпусом, заливают электроизоляционным материалом, который после отвердения образует достаточно толстый защитный слой. Так как заливочный материал имеет большую массу, то при отвердении в нем возникают внутренние напряжения, которые в ряде случаев могут отрицательно сказаться на работоспособности аппаратуры. Поэтому для устройств, чувствительных к таким напряжениям, следует применять пластичные электроизоляционные материалы, которые, полемеризуясь, образуют упругую резинообразную массу. Обычно заливка составляет 10-20% общего объема изделия, что существенно увеличивает его массу. Поэтому там, где это необходимо, следует применять пенообразующие материалы, содержащие большое число несоединяющихся воздушных полостей.

Герметизация обволакиванием по технике исполнения аналогична операции пропитки, однако здесь используют вязкие изоляционные материалы, обладающие хорошей адгезией к элементам изделия. Слой материала, образующегося на поверхности деталей, сравнительно толст и надежно защищает их от воздействия агрессивной среды.

Опрессовку деталей и узлов производят в специальных формах термопластичными массами. Однако этот способ герметизации не получил большого распространения.

Защита изделий непроницаемыми для газов оболочками - наиболее совершенный способ защиты узлов и устройств, так как кроме эффективной защиты он может обладать возможностью разгерметизации в производственных условиях и при эксплуатации.

Условия нормальной работы изделий, защищенных вакуумно-плотной герметизацией, зависят не только от качества герметизации, но и от защиты от агрессивных компонентов, входящих в материалы и среду защищаемого объема. Выделение свободных молекул воды и других агрессивных веществ в герметизированном объеме изделия может свести к минимуму эффективность вакуумноплотной герметизации.

При разработке герметичных корпусов следует учитывать условия эксплуатации и прежде всего изменение барометрического давления, внешние механические воздействия и возможные перепады температуры. Вакуумно-плотная герметизация может быть выполнена с неразъемными и разъемными швами: первую используют для защиты малогабаритных узлов и устройств, вторую - для сравнительно больших блоков, требующих профилактической проверки и нуждающихся в смене ее отдельных элементов. Неразъемные герметичные конструкции делают со швами, выполняемыми пайкой, сваркой, клепкой, заливкой, склеиванием или замазкой специальными компаундами.

В разъемных герметичных конструкциях между соединяемыми деталями (корпусом и крышкой) помещают эластичную прокладку, а в герметизированный объем влагопоглотитель. Условие непроницаемости такого герметичного соединения - сохранение во все время его службы контактного давления между прокладкой и соединяемыми поверхностями.

5.4 Обоснование необходимости защиты от механических воздействий

В процессе эксплуатации и транспортировки РЭА подвергается различным видам механических воздействий в виде вибраций (основные параметры: частота вибраций f, и возникающее при этом ускорение g ), ударов (основные параметры: ускорение и длительность) и линейных ускорений.

Вибрации подвержена аппаратура, устанавливаемая на автомобильном и железнодорожном транспорте, в производственных зданиях, на кораблях, самолетах и т.п. Практически диапазон частот вибрации, действующей на аппаратуру, имеет широкий предел. Например, для наземной аппаратура, переносимой или перевозимой на автомашинах, частота достигает 120 Гц при ускорении, действующем на приборы, до 6g. Для самолетной аппаратуры диапазон вибрации находится в пределах 3-3000 Гц при ускорении от 4 до 10g. Работающая в таких условиях РЭС должна обладать вибропрочностью и виброустойчивостыо.

Под вибропрочностью понимают способность аппаратуры противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и при возникающих ускорениях в течение срока службы, а под виброустойчивостью аппаратуры - способность выполнения всех функций в условиях вибрации в заданных диапазонах частот и возникающих при этом ускорений [15].

Во время действия на систему ударного импульса силы движение ее происходит по закону вынужденных колебаний, а после действия - по закону вынужденных колебаний. Формой ударного импульса в простейших случаях может быть полусинусоида, трапеция или прямоугольник с длительностью до половины периода.

Практически удар может произойти в любом направлении, а нарастание и спад его измеряются долями секунды. В результате удара происходят колебания с большой амплитудой, действие которой и может вызвать значительные повреждения в аппаратуре, но благодаря демпфирующей способности упругих элементов они быстро затухают.

Удары могут возникать вследствие падения прибора, столкновения движущихся объектов, приземления самолета или маневрирования вагонов железнодорожного транспорта и т.д. Мгновенно действующие нагрузки при этом достигают l000g. Работающая в таких условиях РЭА должна обладать ударостойкостью, т.е. способностью противостоять разрушающему действию ударов определенного значения и после их воздействия нормально функционировать.

При воздействии на аппаратуру удара самопроизвольно срабатывают подвижные и неуравновешенные вращающиеся части механических систем (реле, муфты, фиксаторы), самоотвинчиваются крепежные детали, нарушается регулировка, ломается несущая конструкция и т.д.

При изменении скорости на прямолинейном участке движения или криволинейном движении установленные на объекте приборы испытывают ускорение, что эквивалентно увеличению массы и при значительной длительности воздействия требует увеличения прочности конструкции. Практически в долях ускорения силы тяжести в этих случаях может достигать 10-12g и более.

Механическое воздействие шумов и акустических ударов вызывают значительные колебания звуковой частоты. Сильный шум вызывает в аппаратуре ряд нежелательных явлений, нарушающих ее нормальное функционирование. Так, возбуждается вибрация управляющих реле, усиливается процесс обгорания контактных пар и т.д. Явления резонансных колебаний в области звуковых частот могут вызвать различные неисправности и поломки в чувствительных элементах РЭА.

Одним из основных и наиболее эффективных методов повышения устойчивости конструкции РЭА, как транспортируемой, так и стационарной, к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок является установка ее на упругие опоры. В качестве таких опор используют резиновые, металлорезиновые или металлопружинные амортизаторы. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот, т.е. поглощении части колебательной энергии.

Амортизаторы подразделяются на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные. У низкочастотных амортизаторов частота собственных колебаний в нагруженном состоянии не превышает 4, для среднечастотных находится в пределах 8-12 и у высокочастотных - в пределах 20-30 Гц.

Низкочастотные амортизаторы виброизолируют частоты возмущающих колебаний, лежащие в диапазоне 5-600, среднечастотные - в диапазоне 15-600 и высокочастотные в диапазоне 35-2000 Гц.

Между амортизаторами, изолирующими вибрацию, и амортизаторами, изолирующими удары, имеется существенная разница. Если первые (мягкие опоры) призваны изолировать от перегрузки колебательную систему, обеспечив ей собственную частоту ниже частоты вынужденных колебаний, то вторые (жесткие опоры) призваны изолировать систему, обеспечив ей собственную частоту выше частоты вынужденных колебаний.

Однако РЭА может подвергаться одновременно вибрациям и ударам. В этих случаях в условиях сравнительно слабой вибрации и частых ударов используют противоударные амортизаторы. Если же преобладают вибрации со сравнительно редкими ударами, используют виброизолирующие амортизаторы.

Амортизаторы используют также и для звуковой изоляции оснований от шумящих объектов. При этом изоляция звуковых колебаний широкого диапазона частот иногда требует последовательного соединения амортизаторов с различными жестокостями.

5.5 Обоснование необходимости экранирования

При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источниками электромагнитных полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех могут быть также мощные промышленные установки, транспортные коммуникации, двигатели и т.д. Для того чтобы локализовать, где это возможно, действие источника полей или сам приемник помех, используют экранирование [11]. По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирования.

Электростатическое экранирование заключается в шунтировании на корпус большей части паразитной емкости, имеющейся между источником и приемником наводок. В качестве металлического листа, соединенного с корпусом, служат детали шасси, каркасов; обшивки стоек, панелей, субблоков, кассет, специальные листовые металлические прокладки на монтажной стороне плат, блоков, субблоков; экранные сплошные металлические слои н многослойных печатных платах и т.д.

С целью улучшения экранировки особо чувствительных к помехам цепей на обеих сторонах печатных плат сигнальные и заземленные экранные проводники чередуют таким образом, чтобы против сигнальной линии, проходящей с одной стороны платы, всегда располагалась заземленная линия с другой стороны платы. При этом каждая сигнальная линия оказывается окруженной тремя заземленными линиями, в результате чего достигается не только эффективная экранировка сигнальной линии от внешних помех, но и для полезного сигнала обеспечивается подобная волноводу цепь от источника до нагрузки.

Магнитостатические экраны используют для защиты чувствительных цепей, элементов и устройств от постоянного и медленно изменяющегося переменного магнитного поля. В этом случае источник или приемник наводки заключают в сплошной экран, изготовленный из ферромагнитных материалов. Если в такой экран заключен источник наводки, то магнитные силовые линии замыкаются в нем и далее не распространяются. Если в экран заключен приемник наводки, то силовые линии магнитного поля не проникают в полость экрана.

С ростом частоты возрастает роль вихревых токов, происходит вытеснение магнитного поля из толщи экрана, что эквивалентно уменьшению магнитной проницаемости, и экран переходит в электромагнитный режим работы. Магнитный экран одинаково пригоден для защиты от воздействия внешнего магнитного поля и внешнего пространства от магнитного поля, созданного источником внутри экрана.

Качество экранирования постоянных или медленно изменяющихся магнитных полей зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, которое будет тем меньше, чем толще экран и чем меньше в нем стыков и швов, идущих поперек направления линий магнитной индукции.

Электромагнитное экранирование применяют на частотах выше 3000 Гц. Экраны изготавливают из немагнитных и ферромагнитных металлов, что дает одновременное ослабление электрической и магнитной составляющих поля. Суть экранирования сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенах - токи, образующие во внешнем пространстве поля, по напряженности близкие к полю источника, а по направлению - противоположные ему. В результате внутри экрана происходит взаимная компенсация полей, а с снаружи его - вытеснение внешнего поля полями вихревых токов. Кроме того, происходит поглощение поля за счет потерь на джоулеву теплоту и на перемагничивание.

На АТС воздействуют электромагнитные поля в диапазоне частот: 0,15 МГц- 1000МГц.

Поля частот большой напряженности могут быть вызваны находящимися поблизости радиопередающими центрами, передатчиками радиолюбителей, источниками предназначенными для медицинских целей, передатчиками для телефонной связи с подвижными объектами и т.п.

Электрическая составляющая электромагнитных полей максимально может достигать 10 В/М.

Магнитная составляющая электромагнитных полей максимально может достигать 2*10^-3 А/М.

В указанных условиях требования к воздействию электромагнитных полей на оборудование АТС нормируется согласно таблице 5.2.

Таблица 5.2 - нормирование электрической и магнитной составляющих

Категория	Электрическая составляющая Е, В/М	Магнитная составляющая Н, А/М
А	3	8*1 0 3
В	10	27*1 0 3

6. РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЯ

6.1 Компоновочный расчет

Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей, ЭРЭ и деталей на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров. 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.

Блок обмена сообщениями разработан в виде ТЭЗа, что предопределяет его конструктивные особенности. Конструкция типовых элементов замены предусматривает размещение в ней печатной платы, соответствующей международному стандарту с размерами 233,35 х 280 мм. Таким образом, нам необходимо определить разместятся ли элементы БОС на одном ТЭЗе или необходимо разбиение его на несколько ТЭЗ, Для этого рассчитаем установочную площадь элементов блока по формуле:

, (6.1)

где S - полная установочная площадь элементов;

Sycm - площадь установки i-го типоразмера;

п - количество элементов i- го типоразмера;

N - число типоразмеров.

Исходные данные для расчета сведены в таблицу 5.

Сложив установочные площади всех элементов получим 8=21308,4 мм². Площадь печатной платы S=65338 мм² Таким образом, можно сделать вывод о том, что все элементы БОС, с большим запасом, можно скомпоновать на печатной плате заданных размеров.

6.2 Расчет теплового режима

Блок РЭА представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Точное аналитическое температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета. Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности РЭА.

Таблица 6.1 - Данные для компоновочного расчета.

№ п/п	Тип элемента	Кол, n	SУСТ, мм2	SУСТ?n, мм2
1	Генератор ГК 1 -07	1	300	300
2	Диод 2Д522Б	1	25	25
3	Индикатор единичный АЛ307БМ	1	42	42
4	Конденсатор К 10- 17- 16-М 1500	1	33,8	33,8
5	Конденсатор К 1 0- 1 7- 1 6-Н90	63	33,8	2129,4
6	Конденсатор К 1 0- 1 7-26-Н90	1	180	180
7	Конденсатор К53-4А-16В	4	76,5	306
8	Микросхема АВ2	1	78,8	78,8
9	Микросхемы ООТО, 04ТО, 74ТО, 10ТО, 08ТО, 03WO, 32ТО, 90ТО,64МО	18	146,3	2633,4
10	Микросхемы UC2, 85ТО, 55МО, 38МО, 75МО, 61МО, 57NO, 66МО, 75NO	24	150	3600
11	Микросхемы С584, 73DO,45NO, 40QO	20	183,8	3676
12	Микросхемы 09 1 0, С453	3	480	1440
13	Микросхемы 0970, С451, С559,	4	525	2100
14	Розетка соединительная РС-28-7	2	712,5	1425
15	Розетка соединительная РС-40-7	1	1016,5	1016,5
16	Набор резисторов HP 1-4-9	1	67,5	67,5
17	Резистор С2-ЗЗН	5	25	125
18	Резонатор РК169МА	1	230	230
19	Соединитель СНП 221-64	2	950	1900

Исходными данными для расчета теплового режима блока в перфорированном корпусе является:

- мощность, рассеиваемая в блоке P₃, Вт;

- мощность, рассеиваемая рассчитываемыми элементами P_эл, Вт;

- размеры корпуса блока l₁, l₂, l₃, м;

- площадь поверхности элементов S_ЭЛ, м²;

- коэффициент заполнения К₃;

- площадь перфорационных отверстий S_П, м;

- давление окружающей среды H₁, Па;

- температура окружающей среды T_C К.

Последовательность расчета.

Рассчитываются: поверхность корпуса блока по формуле

; (6.2)

условная поверхность нагретой зоны по формуле:

; (6.3)

удельная мощность корпуса блока по выражению:

; (6.4)

удельная мощность нагретой зоны по формуле:

; (6.5)

2. Находятся коэффициенты ж₁ и ж₂ в зависимости от удельной мощности блока корпуса блока и удельной мощности нагретой зоны [12].

3. Находятся коэффициенты, зависящие от атмосферного давления окружающей среды, К_Н1 - К_Н2 = 1,0.

4. Рассчитывается коэффициент перфорации по формуле

; (6.6)

5. Находится коэффициент К_п в зависимости от коэффициента перфорации.

6. Определяется перегрев корпуса блока по формуле

; (6.7)

7. Определяется перегрев нагретой зоны по формуле

; (6.8)

8. Определяется средний перегрев воздуха в блоке

; (6.9)

9. Рассчитываются: удельная мощность элементов по формуле

; (6.10)

перегрев поверхности элементов по формуле

; (6.11)

перегрев окружающей среды у элементов по формуле

; (6.12)

10. Находятся температура корпуса блока по выражению

; (6.13)

температура нагретой зоны по формуле

; (6.14)

температура поверхности элементов по формуле

; (6.15)

средняя температура воздуха в блоке

; (6.16)

температура окружающей среды у элементов

; (6.17)

Расчет теплового режима произведен при помощи ЭВМ. Исходные данные и результаты расчета приведены в приложении.

6.3 Расчет конструктивно-технологических параметров ПП

6.3.1 Выбор и обоснование методов изготовления ПП

Миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры в большой степени зависит от технологии производства печатных плат, особенно многослойных. Многослойные печатные платы, сохраняя свойства обычных ПП, имеют свои особенности: высокая плотность монтажа; однотипность и воспроизводилось электрического взаимодействия между проводниками различных цепей (возможность учета паразитных связей и наводок, применение экранирующих слоев); размещение монтажа в однородной диэлектрической среде; более высокая устойчивость внутренних слоев к климатическим воздействиям; лучшая теплоотдача, меньшее число контактов входа и выхода [10].

Эти особенности МПП обусловили основные области применения: для выполнения соединений между интегральными микроузлами; в аппаратуре, размеры и масса которой должны быть минимальными, а также требуется экранирования большого числа электрических цепей; в аппаратуре, где должна быть обеспечена электрическая стабильность по всему тракту прохождения сигнала.

Требования, предъявляемые к аппаратуре, такие как надежность, малые габаритные размеры и масса, обеспечение теплоотводов, оптимальное резервирование, ремонтопригодность, а также экономичность конструкции, определили появление многочисленных методов изготовления MПП. В настоящее время известно около двухсот конструктивно-технологических способов получения MПП. В лабораторных условиях осуществляются 10-20 методов, а некоторые требования производственного, экономического и конструктивного характера ограничивают число методов, применяемых в промышленности до двух-трех. Широкое распространение получили метод открытых контактных площадок и метод металлизации сквозных отверстий,

В методе открытых контактных площадок межслойные соединения выполняются с помощью пайки выводов компонентов к контактным площадкам любого слоя. В этом способе главным критерием качества является малый сдвиг слоев, для определения максимально допустимого смещения слоев МПП относительно друг друга следует установить технологические критерии сдвига, руководствуясь при этом электрическими, технологическими и конструкционными требованиями. Говоря об электрических параметрах, в первую очередь необходимо иметь в виду обеспечение высокой надежности печатного монтажа, для чего надо избегать пробоев и электрических замыканий между проводниками и контактными площадками ПП. Отдельные слои МПП изготавливаются фотохимическим способом на одностороннем фальгированном диэлектрике. В слоях штампом вырубаются отверстия так, чтобы после их сборки в МПП ко всем контактным площадкам имелся свободный доступ. После сборки в пакет платы совмещаются и спрессовываются. Однако наибольшее распространение получил метод металлизации сквозных отверстий.

Этот метод является сравнительно простым и широко используется нас в стране и за рубежом. В мировой практике достигнуты определенные успехи в технологии изготовления МПП с применением химико-гальванической металлизации для создания электрических межслойных соединений. Металлизация позволяет повысить плотность монтажа, сократить число контактов, снизить продолжительность производственного цикла. Метод металлизации сквозных отверстий по существу, единственный метод создания конструкций МПП с наиболее оптимальной электрической структурой, обеспечивающий надежную передачу наносекундных импульсов и распределение питания между активными элементами быстродействующих вычислительных машин. Изготовление этим методом MПП имеют: более короткие линии связей; возможность электрического экранирования; улучшение характеристик, связанное с устойчивостью к воздействию окружающей среды в результате расположения всех печатных проводников в массе монолитного диэлектрика; возможность увеличения числа слоев без существенного возрастания стоимости и длительности процесса. Более 80% всех MПП изготавливаются методом металлизации сквозных отверстий. Такие платы могут быть жесткими, гибкими и комбинированными. Сущность метода состоит в следующем. Сначала собирают пакет из отдельных слоев с монтажными схемами на внутренних слоях (выполненными химическим способом или позитивным) и из склеивающихся прокладок. На каждом отдельном слое с проводящим рисунком пробивают базовые (фиксирующие) отверстия, с помощью которых совмещают контактные площадки по вертикали. Число отверстий устанавливается в зависимости от размеров платы. Данная операция проводится на установке совмещения и пробивки фиксирующих отверстий. Аналогичные отверстия пробиваются и в листах прокладочной стеклоткани.

После склеивания прессованием слоев в монолитный пакет проводят сверление - на стенках отверстий вскрывают торцы контактных площадок внутренних слоев. Соединения их друг с другом и с контактными площадками наружного слоя осуществляется в результате металлизации отверстий. Недостаток - необходимость подтравливания диэлектрика, что вызывает опасность загрязнения изоляционного основания продуктами травления. Однако подтравливание диэлектрика в отверстиях МПП позволяет увеличить поверхность фольги в переходном отверстии примерно на 300%. Это повышает надежность межслойного соединения.

Таким образом, вышеуказанные достоинства метода металлизации сквозных отверстий обуславливают его использование при производстве печатной платы.

6.3.2 Расчет параметров печатного монтажа

Последовательность расчета:

1. Исходя из технологических возможностей производства выбирается метод изготовления и класс точности 1111. Для изготовления МИН выбираем химический способ изготовления, класс точности 3.

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

; (6.18)

где J_мах - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках, А;

J_доn - допустимая плотность тока, А/мм² ;

t- толщина проводника, мм.

;

3. Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем по формуле

; (6.19)

где р - удельное объемное сопротивление, ОмМмм² /м;

l - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В.

4. Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

; (6.20)

где d_э - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

Дd_НО - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм.

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ.

5. Определяем наименьший номинальный диаметр контактной площадки по формуле

; (6.21)

где d - диаметр отверстия, мм;

Дd - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм;

Дt_во - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки,

Дt_mp - значение подтравливания диэлектрика в отверстии, для МПП принимается равным 0,03 мм;

b - гарантийный поясок, мм;

Дt_no - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

T_d - допуск расположения осей отверстий, мм.

T_D - допуск расположения центров контактных площадок.

6. Определяем наименьшее номинальное расстояние l между двумя контактными площадками по формуле:

; (6.22)

где D₁, D₂ - диаметры контактных площадок, мм;

п - количество проводников проходящих между контактными площадками;

S, t - наименьшие значения основных размеров для узкого места. Для третьего класса точности S=0,25, t=0,25;

Т₁ - значение допуска расположения печатного проводника, мм.

6.4 Полный расчет надежности

Расчет выполняется на заключительной стадии проектирования, когда имеется (по результатам соответствующих расчетов) точная информация об условиях работы элементов с учетом влияния внешних и внутренних воздействующих факторов (температуры, вибраций, влажности и т.п.) [16].

Расчет выполняется для периода нормальной эксплуатации при следующих основных допущениях:

- отказы случайны и независимы;

- учитываются только внезапные отказы;

-имеет место экспоненциальный закон надежности.

При полном расчете надежности учитываются не только электрической схемы, но и элементы конструкции (монтажные соединения, печатные платы, монтажные проводники, несущие конструкции и т.д.). Кроме того, при полном расчете надежности учет электрического режима и эксплуатационных условий работы элементов должен быть произведен точно.

Исходными данными для полного расчета надежности устройства должны быть следующие:

1. Электрическая принципиальная схема и перечень используемых в конструкции элементов.

2. Значения коэффициентов электрической нагрузки элементов. Если по результатам разработки схемы устройства эти данные отсутствуют, то значения коэффициентов электрических нагрузок должны быть рассчитаны путем сравнения расчетных уровней нагрузок элементов схемы с рабочими характеристиками соответствующих элементов конструкции.

3. Справочные значения интенсивностей отказов элементов.

4. Условия эксплуатации элементов с учетом внешних и внутренних воздействующих факторов.

5. Заданное время работы, t [17].

Последовательность расчета:

1. Принимают решение о том, какие факторы, кроме коэффициента электрической нагрузки, будут учтены.

Используя результаты конструкторских расчетов, определяют значения параметров, описывающих учитываемые факторы, причем эти значения желательно иметь для каждого элемента.

2. Формируются группы однотипных элементов.

Признаками объединения элементов в одну группу в данном расчете является не только функциональное назначение элемента, но и примерное равенство коэффициентов электрической нагрузки и параметров, описывающих другие учитываемые эксплуатационные факторы.

Если для элементов одного и того же функционального назначения значения К_Н?0.05 … 0.1, то такие элементы по коэффициенту электрической