стандартизация при модульном конструировании

Ускорение разработки и производства аппаратуры, увеличение ее се­рийности, снижение стоимости можно достигнуть унификацией, нормали­зацией и стандартизацией основных параметров и типоразмеров печатных плат, блоков, приборных корпусов, стоек, широким применением модульно­го принципа конструирования.

В основе стандартизации модулей и их несущих конструкций лежат ти­повые функции, свойственные многим электронным системам. Для использования при проектировании модульного принципа конструирования разработа­ны ведомственные нормали и государственные стандарты, устанавливающие термины, определения, системы типовых конструкций модульных систем.

Конструкционная система должна представлять много­уровневое семейство модулей с оптимальным составом набора, обеспечи­вающим функциональную полноту при построении аппаратуры определен­ного назначения. Все модули системы должны быть совместимы между со­бой по конструктивным, электрическим и эксплуатационным параметрам.

Базовый принцип. Базовым называется принцип конструирования, при котором частные конструктивные решения реализуются на основе стандартных конструкций модулей или конструкционных систем модулей (базовых конструкций), раз­решенных к применению в аппаратуре определенного класса, назначения и объектов установки.

При разработке базовых конструкций должны учитываться особенно­сти современных и будущих разработок. При этом част­ные конструктивные решения обобщаются, а основные свойства и парамет­ры закладываются в конструкции, которые стандартизуются, поставляются и рекомендуются для широкого применения.

Базовые конструкции не должны быть полностью конструктивно за­вершенными, необходимо предусматривать возможность их изменения для создания модификаций аппаратур­ных решений. Иерархическое построение базовых конструкций с гибкой структурой и числом уровней не более четырех является вполне достаточ­ным для разработки РЭА любой сложности.

Каждый из элементов конструктивной иерархии характеризуется длиной L, высотой H и глубиной (ши­риной) B. В зависимости от назначения того или иного типа систем соотношение размеров определенных ее конструктивных частей может быть различным. Однако эти соотношения должны подчиняться определенным правилам и закономерностям, ко­торые устанавливают соответствующие технические регламенты на определенный класс аппаратуры.

В конструкционных системах любого типа электронной аппаратуры основные размеры L, Н, В базо­вых конструкций устанавливаются соответ­ствующими единому модулю. В каждом направлении развития размеров по координатам x(L), у(Н), z(B) указанный модуль равен 2,5 мм. Он уста­навливается в соответствии с шагом координатной сетки пе­чатных плат и выводов элементов на печатной плате и пе­редней панели по x(L), шагом выводов элементов и соедини­телей на функциональной печатной плате и на кроссплате по у(Н) и z(B).

Единый размерный модуль обеспечивает компоновку раз­личных изделий конструкционной системы как в про­странстве, например в трех различных плоскостях комплект­ного корпуса или блока, так и на плоскости - на поверхности одноплатного изделия. Для каждого уровня базовых конструкций устанавливаются ряды размеров по L, Н, В, каждый из которых взаимосвязан с рядами размеров других уровней с целью обеспечения конструктивной совместимости. Каж­дый последующий член ряда образуется приращением к пре­дыдущему принятого значения модуля.

Для конкретного проектирования базовых конструкций из отдельных членов рядов составляются опти­мальные типоразмеры, среди которых выделяются предпочти­тельные. Главным исходным требованием при выборе типо­размера является плотность компоновки, определяемая отно­шением числа активных элементов и корпусов ИС к площади (объему) изделия. Типоразмеры являются рабочим средством достижения сквозной совместимости изделий системы. На­пример, типоразмеры плат образовываются с учетом стандарт­ной установки их в соответствующий корпус, а типоразмеры корпусов, в свою очередь, устанавливаются с учетом осуще­ствления взаимоприменений.

Модули нулевого уровня. На низшем нулевом уровне конструктивной иерархии РЭА находятся МС. По функциональному назначению МС делят на логические (цифровые), линейно-импульсные и линейные (ана­логовые). Элементы электрической схемы полупроводниковых МС формируют в объеме или на поверхности полупроводникового материала (подложки). Формирование активных и пассивных элементов схемы про­изводят введением концентраций при­месей в различные части монокристаллической пластины. В зависимости от применяемых активных элементов полу­проводниковые МС подразделяют на схемы с биполярными и униполярными структурами. В гибридных МС пассивную часть схемы выполняют в виде пленок, наносимых на поверхность ди­электрического материала (подложки), а активные элементы, имеющие самостоятельное конструктивное оформление, крепят к поверхности подложки.

Степень интеграции К_и микросхемы определяется числом N содержащихся в ней элементарных схем: К_и = [lgN] + 1, где [lgN - целая часть lgN. Микросхема, содержащая до 10 элементарных схем, имеет первую степень интеграции (малая МС), до 100 схем - вторую (средняя МС), до 1000 схем - третью (БИС), свыше 1000 схем - сверхбольшую МС (СБИС).

Ряд функциональных микросхем, объединенных по виду технологии изготовления, напряжениям источников питания, входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов, конструктивному оформлению и способам монтажа, образуют серию МС. Обычно в серию МС входит такой набор функциональных микросхем, из которых можно построить законченное устройство. Существу­ют также серии специальных микросхем, предназначенных для работы в специфических условиях, или специального назначения.

Корпуса микросхем. По конструктивному оформлению МС делят на корпусные с выводами, корпусные без выводов и бескор­пусные. Корпуса МС служат для защиты помещенных в них полупроводниковых кристаллов, подложек и электрических соединений от внешних воздей­ствий. Корпуса микросхем бывают металлостеклянными, металлокерамическими, металлопластмассовыми, стеклянными, керамическими и пластмас­совыми.

В первых трех разновидностях корпусов крышка выполняется ме­таллической, а основание - стеклянным, керамическим или пластмассо­вым. Металлическая крышка обеспечивает эффективную влагозащиту при хорошем отводе теплоты от кристалла, снижает уровень помех. В пластмассовых и керамических корпусах крышку и основание вы­полняют из однородного материала. На корпус МС наносится маркировка в соответствии с ее условным обозначением и выполняется нумерация вы­водов относительно ключа или метки. По форме тела корпуса и расположению выводов корпуса делят на типы и подтипы.

Для правильной установки МС на плату корпуса имеют ключ, расположенный в зоне первого вывода. Ключ делается визуальным в виде металлизированной метки, выемки или паза в корпусе, выступа на выводе и пр. В поперечном сечении выводы корпусов имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму. Шаг между выво­дами составляет 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 и 2,5 мм.

Каждый тип корпуса имеет достоинства и недостатки. Корпус с планарными выводами для установки и монтажа требует на печатной плате почти вдвое больше площади, чем тех же размеров корпус, но с ортогональ­ным расположением выводов. Однако жесткие штыревые выводы с ортогональной ориента­цией относительно основания позволяют устанавливать микро­схемы на плату без дополнительной поддержки даже при жестких вибрационных и ударных нагрузках. Пластмассовые корпуса дешевы, обеспечивают хорошую защиту от механических воздействий, но хуже других типов корпусов за­щищают от климатических воздействий, перегрева.

Основной недостаток корпусных микросхем и по­строенных на них устройств - большой объем вспомогательных конструктивных элементов: корпусов, выводов, элементов герметизации, и т. п., не несущих функциональной нагрузки. Использование корпусных микросхем приводит к непроизводительно большим затратам полезного объема и массы устройства, уменьшает на один - два порядка плотность компоновки элементов по сравнению с плотностью их размещения в кристалле или на подложке.

Модули первого уровня. При конструировании модулей первого уровня выполняются следую­щие работы:

· Изучение функциональных схем с целью выявления одинаковых по назначению подсхем и унификации их структуры в пределах изделия, что приводит к уменьшению многообразия подсхем и номенклатуры различных типов ТЭЗ.

· Выбор серии микросхем, корпусов микросхем, дискретных радиоэлементов.

· Выбор единого максимально допустимого числа выводов соединителя для всех типов модулей. За основу принимают число внешних связей наиболее повторяющегося узла с учетом цепей пи­тания и нулевого потенциала и до 10 % запаса контактов на возмож­ную модификацию.

· Определение длины и ширины печатной платы. Ширина платы, как правило, кратна или равна длине соединителя с учетом полей установки и закрепления платы в модуле второго уровня. Требования по быстродейст­вию и количество устанавливаемых на плату компонентов влияют на ее длину.

· Собственно конструирование печатных платы.

· Выбор способов защиты модуля от перегрева и внешних воздействий.

Широкое распространение получила плоская компоновка модуля, когда компоненты схемы устанавливают в плоскости платы с одной или двух сто­рон. Для плоской компоновки характерна ма­лая высота установки компонентов по сравнению с длиной и шириной платы. Простота выполнения монтажных работ, легкость доступа к компонентам и монтажу, улучшенный тепловой режим являются основными преимущества­ми плоской компоновки. Если для внешней коммутации модуля вводится со­единитель, то подобную конструкцию называют типовой элемент замены (ТЭЗ) (рис. 8.2.1). На печатную плату устанавливают микросхемы 4 и для исключения влияния на работу микросхем помех по электропитанию - развязывающие конденсаторы 5.

Рис. 8.2.1. 1-лицевая панель, 2-невыпадающий винт, 3-печатная плата, 4-микросхема, 5-развязывающий конденсатор, 6-электрический соединитель (разъем).

Лицевая панель выполняет одновременно несколько функций. На ней располагают элементы индикации и управления, контрольные гнезда, ино­гда электрические соединители, которые взаимодействуют с платой провод­ным монтажом. На панели в резьбовые отверстия помещают невыпадающие винты 2, которыми ТЭЗ жестко фиксируется на несущей конструкции модуля второго уровня, наносится адрес, позволяющий отличить ТЭЗ среди подоб­ных в наборе РЭА, а также предотвратить непра­вильную установку ТЭЗ.

Панель и электрический соедини­тель крепят к печатной плате винтовым или заклепочным соединением. В условиях жестких механических воздействий плату ТЭЗ устанавливают на рамку, что увеличивает жесткость конструкции. При большом числе внешних цепей на ТЭЗ устанавливают несколько соединителей, располагающихся на одной или нескольких сторонах платы.

В блоках транспортируемой аппаратуры печатные платы модулей, как правило, закреплены жестко на несущей конструкции. Модули первого уровня взаимодействуют между собой приборными соединителями печатного монтажа, непосредственной подпайкой проводов к монтаж­ным отверстиям плат, с использованием переходных штырьков и колодок.

Соединители обеспечивают быструю замену мо­дулей и бывают прямого и косвенного сочленения. Вилка соединителя пря­мого сочленения является частью печатной платы с печатными ламелями, розетка соединителя - открытого и закрытого исполнения. В розетках открытого исполне­ния прорезь для установки печатной платы открыта с концов, что позволяет устанавливать в нее различные по ширине платы. Розетки закрытого типа ограничены с концов торцевыми поверхно­стями и служат для установки плат фиксированной ширины. Взаимная ори­ентация модуля и розетки осуществляется перегородкой в розетке и пазом под эту перегородку в концевой части печатной платы. Фиксация модуля в розетке открытого исполнения производится за счет пружинящих контактов розетки, в розетке закрытого исполнения могут быть защелки на торцевых поверхностях соединителя. Расстоя­ние между соседними печатными ламелями выбирается из ряда: 1,25; 2,5;3,75 и 5 мм. Малое омическое сопротивление и высокая износо­стойкость контактной пары ламель - контакт розетки достигается покрытием медных поверхностей ламелей серебром, палладием, золотом, родием. Толщина покрытия варьи­руется в пределах 3-50 мкм.

При конструировании печатных плат необходимо решать задачи:

· выбор проводниковых и изоляционных материалов, формы и раз­меров печатных плат, способов установки компонентов;

· определение ширины, длины и толщины печатных проводников, расстояний между ними, диаметров монтажных и переходных отверстий, размеров контактных площадок;

· трассировка печатного монтажа.

Конструирование модулей уровней 2 и 3. К элементам уровней 2 и 3 конструктивной иерархии относятся панели, блоки, субблоки, шкафы, стойки. К ним можно отнести также тумбы, столы, корпуса частичные, комплексные и другие виды конструктивных элемен­тов, характерные для тех или иных конструкционных систем.

Все они должны обеспечивать:

1) требуемую меха­ническую жесткость и прочность;

2) удобство в сборке, наладке и эксплуатации;

3) оперативную замену вышедших из строя кон­структивных элементов;

4) минимальный вес при сохранении тре­буемой жесткости; надежное закрепление конструктивных эле­ментов;

5) максимальное использование унифицированных деталей и их взаимозаменяемость.

При разработке конструкции блоков, субблоков, панелей, стоек, и т. д. следует использовать такие конструк­ционные материалы и покрытия, которые отвечают предъявляе­мым требованиям по условиям эксплуатации.

Модули второго уровня. К модулям второго уровня относятся блоки различных видов, в том числе одноплатные бескаркасные приборы.

Несущей конструкцией одноплатного бескаркасного настольного прибора со встроенным блоком питания обычно является основание. Для придания жесткости в углах конструкции основания задается определен­ная форма и устанавливаются кронштейны для закрепления передней и задней панели, боковых стенок и крышки. Для закрепления модулей в основании прибора могут выполняться выдавки с отверстиями, в которые вставляют резьбовые втулки под винты.

На основание прибора устанавливают блок питания, все дополнительные устройства прибора, и объединительную плату электроники с соединителями для ТЭЗ и другими недостающими компонентами схемы прибора. В зарубежной литературе такую плату называют motherboard—материнской платой.

При конструировании блоков РЭА с достаточно большим количеством ТЭЗ применяют стеллажный, этажерочный и книжный варианты конструкций в форме параллелепипеда в негерметичном и герметичном исполнении.

Рис. 8.2.2. 1-каркас, 2-лицевая панель, 3-монтажная панель, 4-соединитель, 5-ТЭЗ.

Блоки стеллажного типа (рис. 8.2.2) компонуются из ТЭЗ, которые ус­танавливаются в один или несколько рядов перпендикулярно монтажной панели. Основным конструктивным элементом блока является каркас 1 с монтажной панелью и соединителями 4. Относительно лицевой панели монтажная панель может занимать как горизонтальное, так и вертикальное поперечное или продольное положение.

В блоках книжной конструкции механическое объединение печатных плат между собой и с несущей конструкцией обеспечивается шар­нирными узлами, позволяющими поворачивать платы подобно страни­цам книги. Шарнирные узлы могут выполняться совместно с рамкой, индивидуально, на шарнир­ный узел может устанавливаться одна или несколько плат. В рабочем состоянии платы объединяют в пакет стяжными винтами. Электрические соединения вы­полняют объемными проводами или печатными жгутами.

Рис. 8.2.3. 1-кожух, 2-плата, 3-откинутая плата, 4-несущая конструкция, 5-ось шарнира.

В блоках с откидными платами (рис. 8.2.3) платы 2 механически объе­диняют между собой и с несущей конструкцией 4 подвижным соединением на оси 5, позволяющим обеспечивать откидывание любой платы и контроль этой платы в откинутом положении при функционировании блока. В рабочем состоянии платы объединяют в пакет и крепят к не­сущей конструкции. Электрические соединения выполняют объемными проводами, жгутами, соединителями. При разработке электромонтажной схемы блока необходимо предусмотреть подвижность монтажа, например, искусственным увеличением длины жгута для обеспечения откинутого по­ложения платы. Возможны вертикальное и горизонтальное направление от­кидывания плат. В качестве недостатка этого вида компоновки следует от­метить некоторое увеличение длины монтажных проводов.

Рис. 8.2.4. 1-установочная панель, 2-стяжной винт, 3-плата, 4-кожух.

Этажерочная компоновка блока (рис. 8.2.4) достигается параллельным объединением между собой плат 3 и установочной панели в единую конст­рукцию стяжными винтами 2. Нужный шаг установки между платами паке­та обеспечивается введением в конструкцию распорных втулок. Несущей конструкцией блока является установочная панель. Возможны вертикальная и горизонтальная установка панели в модуле высшего уровня. На выбор способа ориентации панели влияет конструкция, тепловой режим блока, характер и направление внешних механических воздействий. Меж­платные электрические соединения в блоке осуществляют жгутовым мон­тажом, фиксированным паяным, разъемными соединениями. Внешние со­единители должны устанавливаться на несущей конструкции блока 1. Преимуществом компоновки является простота конструкции, недостатком - низкая ремонтопригодность.

Ориентация и расстояния между платами ТЭЗ зависят от технических требований на аппаратуру, теплового режима, характера и направлений внешних воздействий. Выбор варианта конструкции диктуется производст­венными и техническими требованиями. Производственные условия рекомендуют применять однотипные конструкции ТЭЗ, элементов несущих конструкций, фиксации, крепления, монтажа.

В герметичные корпуса блоков устанавливают один или несколько паке­тов модулей первого уровня, особо чувствительных к влиянию условий эксплуатации. Компактные герметичные блоки могут разме­щаться в любом месте объекта эксплуатации, что является преимуществом подобной компоновки, но при этом возрастают длины электрических соеди­нений между блоками. Необходимо отметить, что в каждом конкретном случае выбор конструк­тивного исполнения блока решается комплексно и с уче­том ограничений, накладываемых объектом эксплуатации.

Модули третьего уровня. Модуль третьего уровня конструктивной иерархии - стойка, шкаф - предназначен для установки и коммутации блоков или рам (объединенных конструктивно блоков) и обеспечения их работоспособности в составе РЭА.

Рис. 8.2.5.

Конструктивной основой любой стойки является каркас, обычно изго­тавливаемый из стального уголкового профиля или труб прямоугольного или квадратного сечений. На рис. 8.2.5 представлен каркас шкафной стойки, который собирается из двух боко­вин 3, нижнего 8 и верхнего 2 оснований каркаса. Боковины и основания сварены из труб и в единую конст­рукцию объединяются болтовым соединением. Для этого в трубы боковин и оснований в местах болтовых соединений помещаются вкладыши, имеющие форму и размеры поперечного сечения отверстий труб. Вкладыши обеспечивают тре­буемую жесткость соединения и предохраняют от сминания трубы при завинчивании болтов деталей каркаса. Чаще всего каркас стойки выполняется цельносварным.

На каркасе закрепляется крышка 1 с вентиляционными отверстиями, два боковых щита 4 и подвешиваются дверцы 10. Для придания жесткости с внутренней стороны поверхности щита и дверцы при­варивается элемент жесткости 5, проходящий по всей высоте дверцы и щита. Щит 4 к бокови­не каркаса 3 закрепляется с внутренней стороны стойки вин­товым соединением. Для этого по периметру боковин 3 каркаса приваривают кронштейны 6, и, напротив, в соответствующих местах щита - скобы с отвер­стиями под резьбу. Щит подтя­гивается к каркасу и фиксируется по всей плоскости боковины 3. Дверцы 10 подвешиваются на петлях к подвескам 7 и имеют кнопку-ручку 9, при нажатии на которую защелка выходит из фиксируемого положения и под действием отжимной пружины свободный край дверцы отхо­дит от каркаса. К использова­нию магнитных защелок нужно подходить осторожно, так как при этом неизбежно появление магнитных полей и возможно их влияние на работающую аппаратуру.

Тенденции развития электроники

На современном этапе развития электроники можно выделить следующие основные тенденции:

-увеличение количества выводов;

-уменьшение минимального шага выводов компонентов в корпусах различных типов;

-переход от расположения выводов по периметру к расположению выводов под корпусом;

-интеграция нескольких компонентов в один корпус.