Разработка устройства охранной системы (стр. 3 )

Коэффициент нагрузки для транзисторов:

, где - рабочее и номинальное значения мощности, транзистора, Вт.

Коэффициенты нагрузки принимают значения от 0,2 до 1,2. Если К„>1, то это форсированный режим, т. е. ускоряется старение элементов, снижается надежность, но уменьшаются габариты изделий. Если К„<1, то это облегченный режим, он приводит к повышению надежности РЭА, но увеличивает её габариты.

Табл. 2.4. Данные для расчета надежности устройства

Тип элементов	Кол-во элементов, n	Номинальная интенсивность отказов *10-6	Коэф. нагрузки, Кн	Температура, °С	Кλ	Поправочный коэффициент,	Действительная интенсивность отказов n***10-6
R, МЛТ 0,25 (К)	1	0,4	0,5	50	2,7	0,45	0,18
R, МЛТ 0,25 (Э)	2	0,4	0,2	50	2,7	0,2	0,16
R, МЛТ 0,25 (Б)	1	0,4	0,3	50	2,7	0,25	0,1
С, КМ-4 (Э)	2	1,4	0,3	50	2,7	0,13	0,364
С, КМ-6 (К)	1	1,4	0,3	50	2,7	0,13	0,182
С, К50-6 (К)	2	2,4	0,3	50	2,7	0,65	3,12
VT, КТ972	1	3	0,8	50	2,7	1,6	4,8
VD, КД510А (Si)	1	2	0,5	50	2,7	0,48	0,96
DD 1.1 – DD1.4	4	0,21	1	50	2,7	1	0,84

("19") Прикидочный расчет

Применяется при проверке требований по надежности; расчете нормативных данных отдельных блоков; определении минимально допустимого уровня надежности элементов; сравнительной оценке различных вариантов изделия на этапах предэскизного и эскизного проектирования. Этот вид расчета позволяет судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности изделия.

(1\ч)

Ориентировочный расчет

Производится на этапе эскизного проектированияпосле разработки принципиальных электрических схем изделий, когда становятся известны количество и типы применяемых элементов. Все элементы данного типа равнонадежны; все элементы работают в нормальном режиме; интенсивность отказов не зависит от времени; все элементы изделия работают одновременно. Этот вид расчета позволяет определить рациональный состав элементов изделия.

Окончательный расчет

Производится на этапе технического проектирования, когда известны условия эксплуатации устройства, окончательный вариант принципиальной электрической схемы, используемые в ней типы элементов, реальные электрические и тепловые режимы работы элементов.. Позволяет определить количественные характеристики надежности с учетом всех воздействующих факторов.

("20")

Рис. 2.1. Графическая часть расчета надежности

2.5. Выбор и описание конструктивного оформления устройства

Структурную схему ЭВМ любого класса и назначения строят из некоторого конечного числа микросхем, осуществляющих те или иные логические функции. Функционально одна группа микросхем может отличаться от другой (в пределах одной ЭВМ), но конструктивно они выполнены в виде определенного по размерам и конфигурации корпуса с выводами. Применение микросхем с различными корпусами в пределах одного устройства ЭВМ нецелесообразно, так как здесь требуется обеспечить их совместимость по электрическим, эксплуатационным и конструктивным параметрам. При использовании интегральных микросхем операции сборки начинают на уровне схем, выполняющих определенные функции. Однако, так же как и при использовании дискретных радиодеталей, применение интегральных микросхем не приводит к изменению основных принципов проектирования, компоновки и конструктивного оформления, согласно которым систему разбивают на менее крупные узлы, являющиеся, в свою очередь, объектами дальнейшего разбиения. Интегральная микросхема при этом является исходным унифицированным конструктивным элементом, унификация которого требует унификации и других конструктивных единиц ЭВМ, так как только в этом случае она будет технологичной в производстве, надежной в работе, удобной в наладке, ремонте и эксплуатации.

В конструкции ЭВМ можно выделить пять уровней.

Уровень 0. На этом уровне находится конструктивно неделимый элемент - интегральная микросхема.

Уровень I. На уровне I неделимые элементы объединяются в схемные сочетания, имеющие более сложный функциональный признак, образуя ячейки, модули, типовые элементы замены. Эти конструктивные единицы не имеют лицевой панели и содержат единицы, десятки, а иногда и сотни микросхем. К первому структурному уровню следует отнести гибридные большие интегральные схемы (БГИС), полученные путем электрического и механического объединения обычных бескорпусных микросхем (и кристаллов полупроводниковых приборов) на общей плате. На этой плате нанесены пассивная часть схемы и контактные площадки.

Уровень II. Этот уровень включает в себя конструктивные единицы, предназначенные для механического и электрического объединения элементов уровня I (панель, субблок, блок). Часто конструктивные единицы уровня II содержат лицевую панель, не имеющую самостоятельного применения.

Уровень III. Уровень III может быть реализован в виде стойки или шкафа, внутренний объем которых заполняется конструктивными единицами уровня II.

Уровень IV. Уровень IV — ЭВМ или система, включающая в свой состав несколько стоек (шкафов), соединенных кабелем.

Типовой элемент замены (ТЭЗ) — конструктивно законченный элемент машины, служащий для электрического объединения ИС и радиокомпонентов, самостоятельный по технологии изготовления и взаимозаменяемый без подгонки и дополнительной настройки с однотипными ТЭЗ машины. Конструктивная законченность и идентичность технологии изготовления вне зависимости от функционального состава и назначения того или иного типа ТЭЗ одной машины предопределяют общие для этих ТЭЗ конструктивные особенности и общие правила их конструирования.

К ТЭЗ стационарных ЭВМ относят ячейку и модуль — элементы первого уровня конструктивной иерархии. Рассмотрим общие правила их конструирования.

ТЭЗ конструктивно законченная единица, которая самостоятельна по технологии производства и служит исходной конструктивной единицей всей машины и взаимозаменяема с однотипными ТЭЗ. Число типов ТЭЗ (их номенклатуру) следует делать как можно меньшим. Это достигается рациональным разбиением функциональной схемы машины на отдельные повторяющиеся участки. В качестве ТЭЗ в рассматриваемом варианте конструктивной иерархии используются ячейки - прямоугольные печатные платы с разъемом (печатным или штыревым) и ручкой, объединяющие до нескольких десятков микросхем. Ячейки монтируют в панели - металлическую конструкцию, имеющую в своем составе ответные части разъемов для ячеек, ответный монтаж, разводку питания и шины заземления. Несколько панелей монтируются в стойке, имеющей дверцы, закрывающие внутренний объем. Кроме панелей в состав стойки могут входить блоки питания, устройства вентиляции, блокировки и т. д. Несколько стоек (шкафов), объединенных электрически с помощью кабелей, образуют ЭВМ.

("21") Недостаток конструкций, применяющих в качестве ТЭЗ ячейки с постоянными габаритными размерами, - наличие неиспользованного объема, так как не все типы ячеек оказываются насыщенными микросхемами. Этого недостатка лишены конструкции, где в качестве ТЭЗ берется модуль -структурная единица уровня I, унифицированная по конструктивным размерам (геометрическим и присоединительным) и имеющая два размера (высоту и ширину) постоянными, а третий размер - изменяющийся от одного типа модуля к другому.

Модуль представляет собой прямоугольную печатную плату, на которой с одной или с обеих сторон в 2-3 ряда. Располагаются микросхемы. Закрепление модуля на субблоке осуществляют с помощью штырей, перпендикулярных плоскости платы модуля и монтируемых или на самом модуле, как показано на рисунке, или на базовой плате субблока. Как правило, контактные штыри (или отверстия под них) на модуле располагаются вдоль длинных его сторон. Длина различных типов модулей кратна шагу размещения корпусов микросхем на печатной плате. Субблок— плоская конструкция, служащая для объединения модулей и имеющая в своем составе раму, базовую плату, разъем и механизм фиксации в стойке (шкафу). Монтаж стойки ЭВМ осуществляют непосредственно из субблоков без промежуточных конструктивных единиц.

Размеры печатных плат. Основные размеры (ПП — высота Н и ширина В — выбираются из печатных плат зоны размеров, приведенной на рис. 2.2. Количество возможных значений размеров Н и В и сочетаний их очень велико. До 100 мм можно применять любые размеры, кратные 2,5 мм, до 350 мм — кратные 5 мм и свыше 350 мм — кратные 10 мм.

Рис.2.2. Зоны параметров печатных плат

Однако наибольший размер должен быть не более 470 мм в любом направлении. Кроме того, устанавливается ограничение на отношение сторон, оно должно быть не более 1:4.

Исходным типоразмером принят Н*В = 100*100 мм. Высота 100 мм соответствует высоте передней панели блока или комплектного корпуса 132,5 мм, причем разность 132,5 — 100 = 32,5 = 2*16,25 мм предназначена для размещения направляющих и средств крепления ПП в корпусе. Далее шаг наращивания высоты ТТЛ ограничивается шагом передних панелей по стандарту 297 МЭК - 44,45 мм. Ширина ПП (глубина по DIN 41494, ч. 2) имеет шаг наращивания 60 мм. Предпочтительными типоразмерами, рекомендуемыми в качестве Европлат, считаются 100X160 мм (тип С) и 233,4X160 мм (тип F).

В последние годы широкое распространение получают типоразмеры Европлат 100X160 и 233,4X160 мм.

Поле печатной платы можно разделить на два участка: основной — для монтажа микросхем, вспомогательный — для монтажа остальных конструктивных элементов. Вспомогательный участок, располагающийся по краям вдоль контура платы, в свою очередь делят на подучастки: а, б, в1 и в2 (рис. 2.3.).

Рис.2.3. Схема разбиения поля ячейки на участки и зоны

Основной участок делится на зоны с помощью координатной сетки. Каждая зона предназначена для расположения одной микросхемы. Шаг координатной сетки по умолчанию устанавливается 2,5 мм. Поэтому шаг установки микросхем кратен 2,5 мм, и в масштабе 2:1 расстояние между корпусами ИМС соответственно должно быть не менее 5 мм. Зазаор между корпусами должен быть больше или равен 1,5 мм. Вспомогательный участок а предназначен для размещения на нем разъемов и, в зависимости от количества контактов, должен быть больше или равен 15-27,5 мм. Вспомогательный участок б предназначен для размещения на нем контактных гнезд, ручек и не должен превышать 10 мм. Участки в1 и в2 предназначены для штампов ОТК и технологической зоны. Занимает от2,5 до 10 мм.

Был выбран модуль с соотношением сторон 1:1. Длина стороны равна 7,5 мм.

2.6. Выбор и описание типа печатной платы

К числу важнейших характеристик материалов печатных плат обычно относят пределы прочности при растяжении и изгибе, максимальное удлинение, прочность сцепления фольги, максимальное удлинение при механических нагрузках или воздействии температуры, стойкость к перегибам, максимальную рабочую температуру, допустимое кратковременное воздействие температуры, влагопоглощение, сопротивление изоляции, электрическую прочность, диэлектрическую проницаемость и потери и др. При анализе характеристик диэлектрических материалов необходимо учитывать также, что ряд прочностных характеристик, коэффициенты термического расширения материалов зависят от геометрических направлений.

2.6.1. Материалы для производства ТЭЗ

Заготовки для жестких печатных плат представляют собой несколько спрессованных слоев стекловолокна (обычно 8 слоев), покрытых медной фольгой. Пространство между слоями заполнено наполнителем. Самый простой способ расположения стеклянных волокон - когда они перпендикулярны друг другу. При различной ориентации волокон в слоях прочностные характеристики материала становятся одинаковыми по всем направлениям. Толщина материала оценивается без учета медной фольги. Толщина фольги одинакова с обеих сторон. Основа – это бумага, стекловолокно, керамика, арамид; наполнитель - фенольная смола, эпоксидная смола, полиэстер, полиимидная смола, бисмалеинимид-триазин, эфир цианата, фторопласт.

Диэлектрическое основание платы представляет собой обычно бумажную (гетинаксы) или текстильную (текстолиты) основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой.

Преимущество гетинаксов заключается в том, что они легко поддаются механической обработке, поэтому возможна организация серийного и массового производства. К недостаткам материалов этого типа относятся повышенная чувствительность к влажности и нестабильность размеров. В настоящее время намечается тенденция к использованию эпоксидной невоспламеняющейся бумаги, которая обладает лучшей стабильностью параметров и более приспособлена к автоматизации.

В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой. Они применяются, в основном, для производства ДПП и МПП. Смеси «эпоксидная смола-стеклоткань» придаются определенные характеристики, зависящие от соотношения используемого кол-ва смолы и скорости проведения процесса отвердения. Заданная толщина диэлектрика достигается путем набора определенного кол-ва листов, а с наружных сторон добавляют листы фольгированной меди, которая предварительно подвергаются оксидированию со стороны, входящей в контакт с материалом. Весь комплект помещается между идеально чистыми полированными плитами гидравлического пресса многоярусного типа, оснащенного системой подогрева.

("22") Табл. 2.6.1. Марки и номенклатура некоторых материалов для изготовления печатной платы

Марка	Диэлектрик и назначение	Толщина
материала	фольги
СФ-1Н-35Г	Стеклотекстолит	0,5-3,0	0,035
СФ-2Н-35Г	0,035
СФ-1Н-50Г	0,05
СФ-2Н-50Г	0,05
СФ-1-35Г	Стеклотекстолит	0,5-3,0	0,035
СФ-2-35Г	0,035
СФ-1-50Г	0,05
СФ-2-50Г	0,05
ФС-1, ФС2	Стеклотекстолит	0,5-3,0	0,018
0,035
0,05
СТНФ-1-18	Стеклотекстолит для ДПП и МПП	0,1-1,0	0,018
СТНФ-2-18	1,5	0,018
СТНФ-1-35	2	0,035
СТНФ-2-35	2,5	0,035
СТФ-1-18	3	0,018
СТФ-2-18		0,018
СТФ-1-35	0,035
СТФ-2-35	0,035
СТПА-5-1	Стеклотекстолит для полуаддитивной технологии	0,15-2,0	0,005
СТПА-5-2
ФТС-2-35А
СТАП-1-5	Стеклотекстолит для ДПП и МПП	0,08-2,0	0,005
СТАП-2-5	0,005
СТАП-2-18	0,018
СТАП-2-35	0,035

("23") 2.6.2. Типы печатных плат

По конструктивному исполнению печатные платы подразделяют на односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). В зависимости от жесткости материала основания, определяемой его характеристиками и толщиной основания, различают гибкие (ГПП) (толщина до 0,5 мм) и жесткие (толщина свыше 0,5 мм) печатные платы. При рассмотрении конструкций ОПП и ДПП, полученных нанесением проводящего рисунка с одной или двух сторон, следует обратить внимание на то, что необходимые электрические соединения в них выполняются с помощью либо металлизированных отверстий, либо контактных площадок. Иногда для лучшего закрепления металлизации (пистонов) в отверстиях производится их зенковка.

Печатные платы без металлизации отверстий просты по конструкции и дешевы в изготовлении, однако платы с металлизированными отверстиями более надежны в эксплуатации, так как обеспечивается лучший контакт навесных ИМС и ЭРЭ с проводниками платы. Двусторонние печатные платы на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием применяются, когда нужен хороший теплоотвод, т. е. при использовании навесных ЭРЭ большой мощности.

Односторонние печатные платы

Эти платы используются исключительно для одностороннего монтажа элементов в гладкие (неметаллизированные) отверстия. Установка элементов на поверхность практикуется обычно в любительских или макетных конструкциях. Весь электрический монтаж осуществляется на одном слое. Общепринято считать первым (верхним) слоем тот, на котором расположены элементы. При двухстороннем размещении элементов за верхний принимается слой, на котором находится соединитеь или иные устройства свешней коммутации (монтажные элементы, колодки, платы и т. д.).

В односторонних печатных платах для трассировки пересекающихся цепей используются перемычки, выполняемые из проволоки (обычно из медной, лужено одножильной). Они представляют собой элементы конструкции, поэтому показываются на чертежах, записываются в спецификации и т. д. Номенклатура перемычек должна быть минимальной.

Односторонние печатные платы обеспечивают самую большую точность выполнения проводящего рисунка и совмещения его с отверстиями и при этом являются наиболее дешевым классом печатных плат. Надежность печатной платы и механическая прочность крепления элементов также не высока. Во избежание отслоения печатных проводников все элементы следует монтировать без зазоров между корпусом элемента и печатной платой. Для повышения прочности крепления элементов возможно изготовления односторонних печатных плат с металлизацией отверстий, но стоимость печатных плат будет сопоставима с двухсторонними. На нашем производстве применяется именно этот метод изготовления.

Односторонние печатные платы, благодаря их дешевизне, используются преимущественно в бытовой аппаратуре.

Двухсторонние печатные платы

Известны две разновидности двухсторонних ПП (ДПП): без металлизации и с металлизацией сквозных отверстий. Платы без металлизации по многим параметрам соответствуют односторонним платам. Но из-за наличия еще одного слоя (в данном случае - первого) повышается трассировочная способность ПП и в определенной степени плотность компоновки элементов. Серьезная проблема таких плат - обеспечение электрических переходов между слоями, для чего применяются заклепки, проволочные перемычки или пайка выводов элементов с двух сторон ПП. Все это резко усложняет монтаж и в целом повышает стоимость устройства. Платы такой разновидности обычно используются в любительских и макетных устройствах.

Платы с металлизацией переходных отверстий имеют высокую трассировочную способность, обеспечивают высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления. Эти ПП допускают монтаж элементов на поверхности и являются наиболее распространенными в производстве радиоэлектронных устройств.

Многослойные печатные платы состоят из спрессованных слоев, изолированных друг от друга изоляционной основой, например стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой. Они делятся на две группы: с межслойными соединениями, когда соединение слоев осуществляется объемными деталями (штырями, заклепками, перемычками и др.) или с помощью химико-гальванической металлизации; без межслойных соединений. На плате могут быть сквозные и переходные отверстия, обеспечивающие электрическую связь между слоями.

Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы. В первую очередь это относится к минимальной ширине проводников, минимальному зазору между элементами проводящего рисунка (все это выполнено из меди) и к ряду других параметров

2.6.3. Точность печатных плат