13.1 Классификация и требования к РЭА.
РЭА устанавливается на различных объектах техники (носителях) и имеет специальные особенности из-за назначения и условий эксплуатации.
По мере развития миниатюризации эти различия стираются, т.е. происходит универсализация РЭА. Универсальная конструкция должна обладать всеми функциями по назначению и соответствовать наиболее жестким условиям эксплуатации.
РЭА различается по четырем категориям из-за продолжительности работы: многократного, однократного, непрерывного и общего применения.
Классы подразделяют РЭА по трем глобальным зонам использования:
- наземная РЭА (суша);
- морская РЭА (океан);
- бортовая РЭА (воздушное и космическое пространство).
Наземная РЭА бывает стационарной (ЭЦВМ), подвижной (передвижные радиостанции, передвижные автопроверочные пульты на аэродромах), носимой (носимые радиостанции) и бытовой. При конструировании наземной РЭА возникает общая задача защиты от вибраций, ударов, пыли в условиях нормального атмосферного давления.
Для стационарных РЭА имеются ограничения (ГОСТ12863-67) на габариты и массу стоек или шкафов, определяемые удобством транспортировки, выгрузки передвижения внутри помещения и т.д.
Носимая РЭА размещается на человеке и должна быть защищена от случайных значительных ударов, неизбежных в полевых условиях.
Подвижная РЭА – это радио и пеленгаторные станции, диспетчерские станции строительных, сельскохозяйственных и транспортных предприятий, включая железнодорожный транспорт, передвижные телевизионные станции, автомобильные приемники и магнитофоны и т.п.
Бытовая РЭА имеет эстетический внешний вид, повышенные акустические данные, эксплуатируются совершенно неквалифицированными людьми, имеет массовое производства, и стоимость ее должна быть минимальной. Для поддержания спроса населения используют:
1) Создание принципиально навой РЭА;
2) Совершенствование ранее выпускаемых изделий;
3) Повышение технологичности с целью уменьшения стоимости.
Комплексная миниатюризация способствует развитию модульного построения бытовых радиоэлектронных систем и переходом на настенное размещение. Проигрыватель, магнитофон, шкалу приемника устанавливают на книжных полках. Акустические излучатели размещают под потолком, плоский телевизор – на стене.
Морская РЭА состоит из трех групп: судовая, корабельная и буйковая. Она отличается тремя особенностями: 1) работает под воздействием наиболее трудных климатических факторов в сочетании с непрерывной вибрацией от двигателей, ударными перегрузками и линейными ускорениями;
1) длительное автономное плавание;
2) акустические, магнитные и радиационные воздействия.
Морская РЭА должна разрабатываться в тропическом варианте.
Судовая РЭА устанавливается на пассажирские и грузовые суда (сухогрузы, наливные, промысловые, буксиры, ледоколы и т.п.), корабельная – на подводные лодки и корабли.
Буйковая РЭА служит навигационным и другим целям и характеризуется: 1) особой продолжительностью необслуживаемой эксплуатации, 2) воздействию сильных ударов.
Бортовая РЭА.
Этот класс включает в себя группы авиационной, космической и ракетной техники бортовой называют РЭА, устанавливаемую на летательных аппаратах.
Все климатические и механические факторы присутствуют при работе бортового РЭА.
Вертолетная и самолетная РЭА характеризуется кратковременностью непрерывной работы, измеряемой часами. В остальное время РЭА находится под контролем обслуживающего персонала. Отсюда возникает требования высокого контроля и ремонтопригодности аппаратуры.
Температура корпуса самолета изменяется от –50 до +150оС, поэтому РЭА, расположенная не в гермоотсеках испытывает тепловые удары.
Разрабатывая конструкции самолетной РЭА, нужно иметь в виду, что заняты не только зрение, слух и руки летчика, но и ограничено место, где могут быть установлены блоки РЭА, а это определяет, что РЭА должна работать автоматически, а информацию передавать летчику дистанционно.
К космической и ракетной РЭА помимо общих требований добавляет еще дополнительные, специфические: 1) особо ограниченные объем и массу из-за необходимо иметь минимальную массу ракеты-носителя;
2) чрезвычайно высокой безотказности;
3) высокой ремонтопригодности в предстартовый период.
4) совместного действия вибрационных и линейных нагрузок во время старта.
Дополнительные черты ракетной РЭА:
· разовость использования;
· кратковременность предстартовой проверки и высокая ремонтопригодность в предстартовых условиях;
· работа в условиях быстрого нарастания температуры не обшивке ракеты (до несколько сотен градусов);
· длительная сохраняемость при многолетнем хранении;
· очень высокие ударные нагрузки.
Спутниковые же РЭА обязаны работать длительные промежутки времени без контроля и ремонта при циклических температурных воздействиях.
Таким образом можно заключить, что бортовая РЭА работает в самых сложных усовиях.
13.2. Основные понятия, терминология и критерии для сравнения при конструировании печатных плат (ПП).
Основой любого электронного изделия является ПП. Для рассмотрения вопросов, связанных с конструированием ПП, необходимо оценить место ПП в структуре РЭА. Как известно, структура современной РЭА имеет две параллельные ветви: одна использует печатные платы, другая – интегральные РЭА основанная на ПП состоит из цепи: печатные платы, печатные узлы (ПУ), электронные модули М1, электронные модули М2 (блоки). В указанной цепи могут отсутствовать такие структурные единицы, как модуль и блок, если печатный узел без дополнительной конструктивной аранжировки входит в составные части третьего структурного уровня (пульт, моноблок, стойка, шкаф и т.д.)
Термины для ПП и их элементов по ГОСТ20406-75:
Печатная плата – печатный монтаж и печатные элементы, нанесенные на изолированное основание.
Печатный монтаж – совокупность печатных проводников с помощью которых обеспечивается электрическая связь элементов схемы.
Печатная схема – это печатный монтаж и печатные элементы (R,C,W), нанесенные на изоляционное основание.
Печатный проводник – непрерывная печатная полоса или площадка в печатном монтаже.
Контактная площадка – часть печатного проводника на поверхности платы, в отверстии или в толще основания, используемая для соединения.
Монтажное отверстие – металлизированное или не металлизированное в печатной плате, предназначенное для монтажа выводов электро и радиоэлементов.
Координационная сетка – сетка из взаимно перпендикулярных линий, нанесенных на чертеже ПП, служащая для задания координат отверстий и взаимного расположения проводников. Чертежи ПП выполняются согласно ГОСТ2417-78.
Шаг координационной сетки – расстояние между двумя параллельными линиями на сетке. Согласно ГОСТ10317-79 h=0.5; 0.25; 2,5 и (5) мм.
Узел сетки – точка пересечения двух линий сетки.
Печатный узел (ПУ) – печатная плата со всеми электрическими и механическими подсоединенными к ней навесными элементами.
Модуль первого уровня – конструкция, собранная из печатного узла с базовой несущей конструкцией, т.е. это функционально и конструктивно завершенная часть какого-либо технического решения.
Например: Усилитель мощности, Задающий генератор, триггер и т.д.
Первые попытки применения печатного монтажа у нас в стране были еще в 1940г., но уровень техники не позволил получить простой и экономичный способ изготовления ПП. Только в 1961г. стали “печатать” проводники и некоторые элементы.
Сущность печатного монтажа заключается в нанесении на диэлектрическое основание любым способом требуемый рисунок печатных проводников.
При сборке изделий с печатным монтажом можно легко автоматизировать или механизировать сборочные технологические процессы.
При конструировании ПП используют четыре основных критерия:
Габаритный критерий. Он связан с разбиением электрической схемы блока на функциональные части. Для ЭВМ рекомендуется а.b=150.170.
 
|
| Рис. 13.2 Плотность рисунка ПП. |
Для морской и самолетной РЭА рекомендуется a=60, b=120 (Рис. 13.1).
С увеличением типа размера ухудшается теплоотвод от центра платы. При этом также занижаются ремонтопригодность платы, т.к. отыскать неисправность сложнее, а при агрегатном способе замены ПУ велика стоимость ремонта.
А при использовании нескольких малых ПП вместо одной требуются дополнительные переходные контакты и устройства для перехода и больше крепежной арматуры.
Поэтому чаще нарушают в сторону увеличения типоразмера, особенно для устройств, не подвергающихся тепловому удару: например, телевизору. Но при больших размерах происходит коробление основания и прогиб.
Критерий плотности рисунка и толщины проводника.
t – ширина проводника
s – расстояние между проводниками (Рис. 13.2)
Разрешающей способностью монтажа R называется число проводников, укладывающееся на 1мм:
Геометрические параметры трех классов плотности рисунка ПП.
| Класс | Плотность | Ширина проводника tmin, мм | Расстояние между проводниками smin, мм | Разрешающая способность R, лин/мм | Предельный размер ПП актив, мм |
| Малая | 0,5 | 0,5 | 1,0 | Без ограничен. | |
| Средняя | 0,25 | 0,25 | 2,00 | ||
| Высокая | 0,15 | 0,15 | 3,33 |
Выбранный класс плотности проверяют на плотности тока (допускают jпп=20 А/мм2). Толщина медной фольги для печатных проводников на основании - Dп=10,20,35 мкм. Если j>20 А/мм2, то можно толщину наращивать химическими и гальваническими способами. Плотность тока можно увеличивать при переходе на металлическое основание, что улучшает теплоотвод (jдоп=<20 А/мм2).
Критерий числа слоев. Различают по числу слоев односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП) печатные платы. Выбор числа слоев – это выбор между ОПП, ДПП или МПП для конкретной поставленной задачи. Возможности трассировки растут по ряду ОПП, ДПП к МПП, но растут и трудности изготовления при этом.
Чаще всего используют ДПП, а вместо не уместившихся печатных проводников устанавливают дополнительные прямые отрезки объемных проводов (перемычки).
Выбор варианта в каждой конкретной задаче решает конструктор с точки зрения технологичности конструкции.
Критерий по материалу основания. Выбор толщины основания и материала оказывают основное влияние на жесткость, собственную емкость и теплопроводность ПП. Толщины и материала гостированы: ГОСТ10317-79.
0,1 - 0,2 - 0,4 - 0,8 – 1,0 - 1,5 –2,0 – 3,0 мм, где 0,1;0,2;0,4 – гибкие
0,8;1,0;1,5;2,0;3,0 – жесткие
В основном это листовой фольгированный, с одной или с двух сторон, гетинакс и стеклотекстолит. Листовой металл (алюминиевый сплав или низкоуглеродистая сталь) стали применять относительно недавно. Основание в 0,5 мм с двусторонней накатанной полимерной пленкой в 2.0,5 мм.
13.3 Топологическое конструирование ПП.
Для технологического конструирования ПП необходимо знать:
1) Правило двух минимумов;
2) Нормы на размещение и расчет числа посадочных мест;
3) Нормы при трассировке и библиотеку контактных площадок.
Процесс топологического конструирования слагается из размещения и трассировки. При размещении расставляют навесные элементы на плате, распределяют контакты соединителей по электрической схеме и размещают контрольные гнезда. При трассировке прокладывают линии соединений (проводники) между контактными площадками в соответствии со схемой с учетом геометрический и электрических ограничений. Процесс технологического конструирования является процессом постепенного приближения к результату, размещение и трассировка многократно корректируются в поиске наилучшего решения (Рис. 13.3).
Критерием служит правило двух минимумов: должно быть достигнуты минимум пересечений и минимум длины связей. Минимумы пересечений означают и минимум переходных отверстий. Этот минимум имеет приоритет, т.к. обеспечивает технологичность по минимуму числа слоев и создает важные предпосылки для безотказности.
Минимум длины связей означат максимум связей между соседними элементами, что приводит к минимуму паразитных монтажных емкостей и индуктивностей.
Нормы при размещении элементов.
Выводы навесных элементов подвергаются формовке – операции придания выводам определенной формы и длины. Отформованные выводы как правило, выступают за габариты корпуса элемента. Контур площадки под элемент с отформованными выводами называют посадочным местом. Эти контуры гостированы.
Выводы навесных элементов бывают из проволоки круглого сечения (штыревые выводы) или прямоугольного (планарные выводы). Элементы со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны, с планарными – можно на обоих сторонах платы установить, но технологичность и ремонтопригодность при этом падают.
 |
На площадь ПП оставляют краевое поле.
Рис 13.3 Размещение посадочных мест
элементов на плате.
x=5 мм
y2=2,5 мм
y1= в зависимости от штепсельного разъема
tx,ty – шаг установки по осям
n=nx.ny
nx= 
ny= 
Размер же краевого поля у1 берется в зависимости от применяемого штепсельного разъема (см. таблицу 13.1).
Таблица 13.1 Параметры штепсельных разъемов
| Тип соединения (ШР) | Число контактов | Ответная часть на ПП | Паяльный шов | Y1 [мм] | Соединительные узлы |
| ГРПП 3 | Вилка | В отверстии | 17,5 | УП и узел объектного монтажа | |
| ГРПП 3 | Вилка | Внахлест | 17,5 | УП и узел объектного монтажа | |
| ГРПМ1-ШУ | 62;90 | Вилка или розетка | В отверстии | 22,5 | УП и узел объектного монтажа |
| ГРПП1-ШУ | Вилка или розетка | В отверстии | 27,5 | УП и узел объектного монтажа | |
| ГРПМ1-ГУ | Вилка или розетка | В отверстии | 25,0 | УП и узел объектного монтажа | |
| ГРПМ9-Н | Вилка | Внахлест | 17,5 | УП и УП объектного монтажа | |
| ГРПМ | Вилка | В отверстии | УП и узел объектного монтажа | ||
| РППМ26* | Вилка | В отверстии | 17,5 | УП и узел объектного монтажа | |
| РППММ2 | Вилка | Внахлест | 22,5 | УП и узел объектного монтажа | |
| СНП34* | Розетка | В отверстии | 15,0 | УП и узел объектного монтажа | |
| Кабель гибкий печатный | — | — | В отверстии и внахлест | УП и узел объектного монтажа | |
| Жгут объемный | — | — | В отверстии | УП и узел объектного монтажа |
* - гарантируется стабильность контактных сопротивлений при вибрации.
На УП как правило устанавливается вилка. Соединитель СНП34 устанавливается на УП своей розеткой.
Размеры же корпусов ИС и микросборок определены в ГОСТ17467-79 семью цифрами: первые четыре – шифр типоразмера, затем точка и две цифры – выводов, а после дефиса – порядковый номер модели. Например, 1305.45 имеет размеры посадочного места 29,5 . 19,5 45,0 . 35,01.
Рисунок соединений состоит из графических элементов – проводников и контактных площадок. Его выполняют на поле чертежа, где показана декартова система координат – координатная сетка. Шаг основной – 2,5 мм. Большую сторону платы ориентируют по оси Х. Сторону установки элементов называют СУ, обратную СО. Начало координат - в левом нижнем углу, для СО – в правом нижнем.
Графические элементы, изображаемые на чертеже ПП: соединительные проводники, шины питания, шины заземления, экраны и т.д. Проводник условно изображают одной линией при ширине проводника на чертеже 1 мм и менее, если его ширина более 1 мм, то изображают его двумя линиями со штриховкой. Если проводник имеет вид ломаной линии, то точки перегиба совмещают с узлом координатной сетки.
Топология рисунка для ДПП и МПП необходимо строить с учетом снижения паразитный емкостей и индуктивностей, шины питания и заземления располагать со стороны установки, а сигнальные цепи – с обратной стороны. Причем проводниковые полосы на разных сторонах предпочтительно ориентировать перпендикулярно друг другу.
Навесные элементы имеют планарные или штыревые выводы из круглой проволоки Æ 0.3; 0,4; 0,6 мм. Для штыревых выводов предусматриваются металлизированные отверстия с dотв=dв+0,1.2 (Рис 13.3);
Зазор в металлизированном отверстии необходим для капиллярного проникновения припоя во время пайки, которая повышает прочность соединения.
Навесные элементы с планарными выводами (микросхемы) размещают на плате со стороны печатных проводников и крепят их пайкой (Рис. 13.6) в нахлёст на печатные проводники.
 |
Допустимая погрешность совмещения рисунков ПП для круглых и прямоугольных
 |
контактных площадок d £ ± 0,2 мм (Рис. 13.7).
Рис. 13.7 Допустимое смещение контактных площадок.
Наряду с навесными элементами допускается применять навесные перемычки в количестве до 5% от общего числа соединений на ПП.
Топологическое конструирование – самое сложное конструирование. Сложность в большом объеме данных при конструировании и лабиринтное выполнение электрических связей. Снижение трудоемкости возможно двумя путями: 1) применение САПР;2) приме-нение температурного проектирования.
Сложность топологических работ можно ориентировочно оценить заранее по числу интегральных схем (ИС): до 30 ИС – простая технология;
30¸60 – средняя технология;
60 и больше – сложная.
Сложная топология практически вручную не выполнима. При использовании САПР основная трудность приходится на составление программ и подпрограмм.
В САПР используются автоматизированное рабочее место конструктора АРМ-К. при размещении элементов и топологий корректировка размещения производится на экране дисплея, используя световое перо и банк данных элементной базы, их параметров и размеров, а также библиотеку контактных площадок (ГОСТ23751-79), заложенные в память ЭЦВМ, работающей совместно с АРМ.
При рассмотрении топологических работ с САПР – учесть, что каждый размер и проводника и элемента необходимо математически описать. Если этим нельзя воспользоваться для аналогичных случаев в дальнейшем, то эффективность САПР снижается. По этой причине для сложной и средней топологии представляет интерес темплетное моделирование.
Темплетом называют многократно используемый контур (модель) посадочного места компонуемого навесного элемента. Темплет выполняют в масштабе из листового клеющегося материала. Конструктор моделирует устройство, неоднократно переклеивая темплет элемента и соединяемых проводников.
Темплетная модель топографии рисунка ПП состоит из одноцветных темплетов посадочных мест навесных элементов и разноцветных (в зависимости от числа слоев) темплетов проводников.
После проверки и корректировки темплетную модель подвергают репродуцированию для получения фотошаблона.
13.4 Особенности топологического конструирования гибридно-интегральных узлов.
В перспективе с расширяющейся миниатюризацией, наряду с ПП важное место займут новые конструктивные решения на основе крупноформатных гибридно-интегральных узлов или модулей.
Главным их преимуществом является повышенный теплоотвод по металлическому основанию и упрощенная техника герметизации при использовании как бескорпусной элементной базы, так и бескорпусных тонкопленочных микросборок. Традиционная ПП на стеклотекстолитовом основании добросовестно выполняет свои монтажно-соединительные и крепежные функции при условии, что размещаемые на ней элементы герметизированы, и суммарная мощность потерь в элементах на ней имеет единицы Ватт.
Прямое размещение на ПП бескорпусных элементов невозможно, т.к. стеклотекстолитовое основание исключает возможность надежной герметизации. Но выпуск надежных герметичных корпусов для микросборок (в особенности увеличенных габаритов (30x48)) является задачей соизмеримой по сложности с производством самих микросборок.
Основой интегральной платы ПП является стеклоэмаль (ситал) долговременной влагостойкости, рисунок на который выполняется по толстопленочной технологии. На этом же основании выполняются некоторые напыляемые элементы типа W, R и C или L. По специальной технологии пайкой золотыми проволочками крепятся такие бескорпусные элементы как VT и VD. Размещение такой ИП в базовой несущей конструкции модуля с многовыводным соединителем ведет к получению гибридно-интегральных модуля (ГИМ). ГИМ позволяет рассеивать уже десятки Ватт.
13.5 Несущие конструкции высших структурных уровней.
При разработке как и РЭА, так и любого изделия ЭЛА конструктор должен обосновываться системным подходом, т.е. выбор любого варианта должен быть всесторонне обоснован и проверен, исходя из требований производства, эксплуатации и ремонта. Только системный подход позволяет подойти наиболее близко к оптимальному варианту конструкции.
Основным элементом при функционально-блочном конструировании является блок, который объединяет кассеты, ячейки, печатные платы и другие элементы низших уровней. Отличительной чертой блока является лицевая панель.
В настоящее время промышленностью разработаны и выпускаются типовые ряды блоков для размещения на различных носителях. Так, ГОСТ 17045-71 и ГОСТ 17413-72 предусматривают основные и габаритные размеры самолетной РЭА. ОСТ 4Г0.410.009 регламентирует конструкции и размеры шкафов и шасси блоков наземной РЭА (Рис 13.8).
Эти документы регламентируют внешнее оформление и габариты. А взаимное расположение входящих частей, их электрическая совместимость, обеспечение теплового режима, обеспечения долговечности и надежности при эксплуатации блока на конкретном носителе – взаимная увязка и выполнение всех этих требований остается за конструктором.
 | |||
|
В качестве примера рассмотрим блок реальной конструкции, предназначенной для установки на стеллажах самолета. В соответствии с ГОСТ 17045-71 ‘’корпуса блоков самолетной РЭА‘’ блоки могут быть малые (М), короткие (К), средние (С) и длинные (Д), малые низкие (МН) и короткие низкие (КН). Ширина блока может дискретно меняться в пределах от 57 до 390 мм. Ширина блока (в мм) определяется зависимостью
В1=Вn+(n-1)D,
где В – ширина исходного блока (57 мм);
n – целое число в пределах от 1 до 6;
D - зазор между блоками, D»10 мм.
По высоте блоки делятся на низкие (Н) 88 мм и высокие (В) 194 мм. Таким образом блок обозначенный 2МН, имеет ширину 124 мм, высоту 88 мм и длину 250 мм.
L=250мм=const для всех самолетных блоков.
Выбранный типоразмер может оказаться не обеспечивающим достаточно высоко заполнение блока навесными элементами. Нарушать же функционально-узловой принцип разработки нецелесообразно по условиям эксплуатации и производства. Кроме того, после отступления от этого принципа увеличивается число коммутационных связей, что также не выгодно. Поэтому большинство блоков в современной РЭА имеет разные коэффициенты заполнения объема и с этим недостатком приходится мериться.
Блоки, согласно ГОСТ, должны входить в общую структуру самолетной РЭА.
 |
При выборе конструкции блока с учетом ремонтопригодности необходимо исходить из условий эксплуатации аппаратуры с целью максимального удовлетворения требований по уменьшению времени простоя, простоты и дешевизны ремонта.
Принятое конструктивное решение в сильной степени влияет на ремонтопригодность. Для повышения ремонтопригодности должно быть предусмотрено:
1) доступность всех входящих частей для осмотра и замены без предварительного удаления других частей конструкции;
2) контрольные точки для подсоединения измерительных приборов при проверке работы РЭА;
3) предотвращение неправильного соединения разъемных частей;
4) возможность установки на столе извлеченных частей в любом удобном положении;
5) предотвращение утери крепежа при ремонтных работах;
6) применение быстросъемных фиксаторов вместо резьбовых соединений;
7) сокращение времени вынужденного простоя.
Выполнение п.1 достигается путем исполнения конструкций блоков, доступ к внутренним частям осуществляется за счет: а) раскрытия, б) выдвижения, в) поворота
(Рис. 13.10).
Метод раскрытия широко используется в блоках книжной конструкции и позволяет обеспечить доступ к любой ПП, расположенной на откидной рамке. При использовании конструкции с однопарным шарниром общее число ‘’страниц’’ не превышает четырех, на двойных шарнирах конструкция более ремонтоудобна.
Метод выдвижения предполагает полное или частичное выдвижение частей по направляющим.
Пространственная компоновка блоков – это размещение элементов блока в пространстве. Она труднее, чем компоновка в плоскости. ЭВМ пока такую работу выполнить не может и производится компоновка пространственная только вручную. Ручной процесс компоновки отнимает много времени.
К настоящему времени известно несколько методов пространственной компоновки: модельные (из пенопласта), аппликационные (эскизные), натурные (с использованием реальных конструкций) и т.д.