Разукрупнение схемы изделия

Исходя из иерархического принципа построения конструкций ЭС, электрическая схема разукрупняется (разбивается) на конструктивные уровни, каждому из которых соответствует конструктивно-технологическая единица (КТЕ) определенного вида. Количество уровней КТЕ определяется функциональной сложностью проектируемого изделия. Низший уровень КТЕ конструкций блоков на корпусных ИС обычно представлен печатным узлом (функциональной ячейкой, модулем), в конструкциях ЭС на микросборках – бескорпусной микросборкой.

Разукрупнению подвергается та часть схемы блока, которую в результате сортировки решено разместить на печатных платах или на платах микросборок. При этом необходимо руководствоваться общими принципами, среди которых наиболее широко используются:

· функциональная завершенность КТЕ;

· максимальная повторяемость КТЕ в проектируемом изделии или в других изделиях;

· увеличение в пределах технологических и экономических ограничений функциональной сложности КТЕ низших уровней;

· минимальное число внешних выводов у каждой КТЕ;

· конструктивная, технологическая, тепловая и электромагнитная совместимость КТЕ.

Смысловое содержание перечисленных принципов говорит об их тесной взаимосвязи и, в известной мере, о равнозначности. Поэтому при разукрупнении целесообразно отдать приоритет одному из них исходя из требований ТЗ к изделию.

Пример. В ТЗ наиболее часто встречаются два варианта формулировки требований к массогабаритным показателям изделия:

1) оговариваются допустимые значения этих показателей;

2) при заданных массогабаритных показателях конструкции указывается на необходимость использования базовых несущих конструкций (БНК).

В первом случае при решении задачи разукрупнения предпочтение целесообразно отдать принципу функциональной завершенности КТЕ, во втором – принципу конструктивной совместимости КТЕ с базовыми несущими конструкциями.

При решении задачи разукрупнения целесообразно рассмотреть несколько возможных вариантов деления схемы на КТЕ. Каждый из вариантов анализируется с позиций соответствия перечисленным выше принципам и сопровождается расчетом комплексного показателя качества. Методика оценки вариантов разукрупнения приводится в [1.1].

3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ КОНСТРУКЦИИ

Техническое задание в курсовом проекте составляется на базе имеющихся исходных данных: требования задания на проектирование, описание изделия, результаты анализа электрической схемы. При написании ТЗ, как правило, делится на разделы, подразделы, пункты, подпункты и т.д. Это делается для облегчения работы с этим документом в дальнейшем, например, для того чтобы делать ссылки на отдельные требования.

Порядок построения и изложения ТЗ для выполнения ОКР.

1 Наименование и область применения.

Наименование и условное обозначение изделия; краткая характеристика области его применения; общая характеристика объекта, в котором используется изделие.

2 Основание для разработки.

Наименование документа, на основании которого выполняется разработка, дата его утверждения.

3 Цель и задачи разработки.

Макет для научных исследований; макет эскизного проекта; макет технического проекта; опытный образец; прибор для серийного производства; прибор для лабораторной работы; комплект конструкторской документации для использования в учебном процессе; программа выпуска изделий. Организация: предприятие или кафедра. Изготовитель.

4 Источники разработки.

4.1 В курсовом проекте указывается литература, в которой приводится электрическая схема и описание принципа работы.

4.2 Конструкторские аналоги.

Прототип и характеристика изменений и улучшений (в случае их отсутствия, указать, что разрабатывается впервые). Источники с описанием аналогов.

5 Технические (тактико-технические) требования.

5.1 Состав изделия.

Указывается наименование, количество и назначение составных частей изделия, поставляемых потребителю, но не соединяемых на заводе-изготовителе. Одной из таких составных частей является ЗИП (запасное имущество прибора).

5.2 Показатели назначения.

Выполняемые функции. Технические характеристики (параметры) изделия, обеспечивающие выполнение возложенных на него задач (мощность, чувствительность, коэффициент полезного действия, точность, время готовности к работе, время непрерывной или циклической работы и др.). Требования к функциональной, геометрической, электромагнитной, электрической, программной, технологической, метрологической, информационной и другим видам совместимости с другими изделиями. Требования к составу и квалификации обслуживающего персонала.

5.3 Требования к электропитанию.

Приводятся величины напряжения, частоты переменного тока, допустимые колебания напряжения и частоты и др. Указывают максимальную мощность, потребляемую изделием и этап разработки, на котором уточняется ее значение.

Примечание: Требования к электропитанию могут включаться в состав подраздела «Показатели назначения».

5.4 Требования по безотказности.

Приводят требуемые значения, показателей надежности, выбираемые по ГОСТ 27.003-90, в том числе:

- средней наработки на отказ;

- средней наработки на неисправность;

- среднее время восстановления;

и т.п.

Указывают метод подтверждения заданных в ТЗ требований (расчетным методом - на этапе разработки изделия в соответствии с ГОСТ 27.301-95; экспериментальным или расчётно-экспериментальным методом на этапе предварительных и приёмочных испытаний по методике, согласованной с заказчиком).

5.5 Конструктивные требования.

Устанавливают конструктивные требования к создаваемому изделию и составным частям:

- габаритные, установочные, присоединительные размеры;

- масса;

- способы крепления на объекте (при необходимости приводится эскиз установочного места для изделия со всеми необходимыми размерами);

- требования к форме, определяющие устойчивость блока на объекте установки (соотношение высоты блока к размерам основания, расположение центра тяжести);

- требования к размещению органов управления, индикации, средств коммутации (электрических соединителей и др.);

- возможности агрегатирования (объединение с другими объектами);

- требование к покрытиям (цвет, фактура поверхности и др);

- требования к помехозащищенности (например: ….ослабление помехонесущих полей должно быть не менее А=....дБ, в диапазоне частот от....до....Гц), электрической прочности и к электрическому сопротивлению изоляции, допустимое паразитное влияние на другие объекты;

- способы защиты от климатических, механических и других воздействий;

- особенности конструктивного исполнения изделия.

При необходимости уточнения конструктивных требований на последующих этапах ОКР допускается дополнять подраздел фразой "Значения ….. уточняются в процессе разработки изделия на этапе (указывается этап ОКР) и согласовываются с …. (приводится наименование организации, с которой требуется согласование)".

5.6 Требования к уровню унификации и стандартизации.

Требования к использованию стандартных, унифицированных узлов, блоков; показатели уровня унификации и стандартизации.

5.7 Требования к безопасности.

Требования к обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, ремонте.

5.8 Условия эксплуатации (использования).

Условия, при которых должна обеспечиваться работоспособность изделия: допустимое воздействие климатических условий; допустимое воздействие механических нагрузок (вибрационных, ударных и пр.); требования к средствам защиты от вредных испарений, коррозии и т.п.

5.9 Требования к транспортировке и хранению.

Условия транспортировки и виды транспортных средств; необходимость и способы крепления при транспортировке; расстояние транспортировки; скорости передвижения; требования к необходимой защите, от ударов при нагрузке и выгрузке; места хранения; способы хранения в различных условиях.

5.10 Специальные требования.

Особые требования специфичные для данного вида изделия или его применения.

Далее в ТЗ обычно приводятся разделы: «6 Перечень этапов, сроки выполнения, стоимость этапов», «7 Порядок выполнения и приемки этапов ОКР». В КП они не включаются.

Техническое задание нередко имеет приложения. В них приводятся электрические схемы изделия, данные о прототипе, перечни рекомендуемых стандартов и специальной литературы, другие необходимые данные.

Основные требования к тексту технического задания:

- текст ТЗ должен быть кратким, четким и не допускать различных толкований;

- при изложении обязательных требований в тексте должны применяться слова «должен», «следует», «необходимо» и производные от них;

- не допускается использовать в тексте математический знак минус (–) перед отрицательными значениями величин (в этом случае следует писать слово «минус»);

- обозначения и написание единиц физических величин должны соответствовать ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».

Примеры часто встречающихся ошибок приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Неверно	Верно	Комментарий
мм.рт.ст.	мм рт. ст.	точка после единицы измерения не ставится
5В	5 В	между числом и единицей измерения должен быть выполнен пробел

Пример ТЗ на модернизацию конструкции блока приведен в приложении Б.

4 АНАЛИЗ ТЗ

В общем смысле целью анализа технического задания является определение первоначального облика разрабатываемой конструкции, принятие основных решений по способам и средствам выполнения требований ТЗ к ней.

По правилам анализ начинают с проверки достаточности данных и требований, приведенных в ТЗ, для осуществления проектирования изделия. Далее изучаются патенты и другие источники информации, чтобы определить какие наработки имеются в данной области, а также изучается различного рода информация (доклады на конференциях, статьи в периодической печати, каталоги фирм и т.д.), где представлены последние достижения в данной области, а также по существующим аналогам.

При выполнении анализа ТЗ в курсовом проекте необходимо руководствоваться следующими правилами:

1) Ни один из пунктов ТЗ в проекте не должен оставаться без внимания. Сначала выделяют основные требования ТЗ, т.е. те, которые в наибольшей степени могут повлиять на конструкцию изделия, его характеристики. Этим требованиям при анализе уделяется основное внимание. Второстепенные требования ТЗ могут быть учтены позже в процессе конструирования.

2) При изложении в записке анализа ТЗ необходимо писать не общие фразы, взятые из учебников, а излагать соображения по выполнению того или иного требования (или группы требований). При этом желательно делать ссылки на конкретные пункты ТЗ, а также на различные источники информации (статьи, монографии, справочники, Internet-сайты и др.), в том числе и на учебную литературу.

3) В результате анализа должны вырисовываться главные характеристики будущей конструкции, а также сформулированы задачи и проблемы, которые необходимо решить при конструировании изделия.

Пример анализа ТЗ приведен в приложении Б.

5 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ

5.1 Компоновка блока

Компоновка блока – это взаимное расположение его элементов и узлов в пространстве.

Компоновка разрабатываемого блока должна отвечать следующим минимальным требованиям:

1) обеспечивать удобство сборки, электромонтажа и ремонта изделия;

2) учитывать возможные тепловые и электромагнитные взаимодействия

между отдельными элементами и узлами;

3) создавать условия для эффективного охлаждения элементов и узлов конструкции и их защиты от механических воздействий;

4) обеспечивать высокую плотность упаковки конструкции.

Для курсового проекта рекомендуется следующий порядок выполнения компоновки:

1) определяются габаритные размеры печатных узлов блока;

2) выбирается тип компоновки блока (разъемная или неразъемная, книжная, этажерочная и т.п.);

3) выполняется несколько вариантов компоновочных эскизов, производится их анализ, выбирается наилучший вариант.

Окончательный вариант компоновки представляется в пояснительной записке в следующем формате:

- приводится обоснование выбранного варианта компоновки;

- выполняется эскиз компоновки с необходимыми пояснениями и основными размерами.

Рассмотрим решение отдельных задач компоновки блока.

5.1.1 Определение габаритных размеров печатных узлов

Общая площадь платы () складывается из площади краевых полей () и площади для размещения ЭРЭ (): .

Приближенно площадь монтажной зоны , необходимую для одностороннего размещения радиоэлементов, можно определить по формуле:

, (5.1)

где - установочная площадь i-го радиоэлемента;

- коэффициент заполнения по площади;

n – количество радиоэлементов на плате.

Коэффициент заполнения обычно полагают равным 2...2,5.

Если на плате располагаются одновременно радиоэлементы с планарными и штырьковыми выводами, то, по-видимому, более точным будет расчет по формуле:

, (5.2)

где - общая площадь, занимаемая ЭРЭ с планарными выводами;

- общая площадь, занимаемая ЭРЭ со штыревыми выводами;

- коэффициент заполнения площади платы для ЭРЭ с планарными выводами. Выбирается 0,4;

- коэффициент заполнения площади платы для ЭРЭ со штырьковыми выводами. Выбирается 0,6.

Установочные площади ЭРЭ зависят от варианта его установки на плату [2.5, 2.6]. Примеры определения установочных размеров L×B×H для различных видов ЭРЭ приведены на рис. 5.1.

Рис. 5.1 – Определение габаритных установочных размеров ЭРЭ

Данные по установочным площадям и массам РЭ удобно представить в табличной форме (шапка таблицы изображена ниже). Массы радиоэлементов определяются по справочным источникам [3.1 – 3.8].

Таблица 5.1

Наименование и тип ЭРЭ	Кол. n, шт.	Габаритные размеры ЭРЭ, мм	Установоч-ная площадь ,мм²	, мм²	Масса , г	, г
l	b	h

Зона краевого поля предусматривается для вспомогательных целей (размещения разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т. п.) (рис. 5.2).

Рис. 5.2 – Расположение компоновочных зон на плате

Ширина краевого поля – расстояние от края ПП до границы монтажного поля. Она состоит из четырех зон:

x₁ – ширина краевого поля по оси X (как правило, одинакова слева и справа), которая определяется направляющими элементами конструкции, конструкцией выводов устанавливаемых на ПП ЭРЭ, крепежными изделиями и т. д.;

у₁ – ширина краевого поля нижней кромки ПП, предназначенного для установки электрического соединителя или монтажного поля для подсоединения проводов. Размер краевого поля у₁ зависит от типа выбранного соединителя [1.12];

у₂ - ширина краевого поля на верхней кромке ПП, где размещаются: лицевая панель, контрольные гнезда и т.п.

Для штыревых выводов величину x принимают равной 5 мм, для пла-нарных – 2,5 мм. Величина у₂ при отсутствии контрольных гнезд равна 2,5 мм, а при их наличии ~ 12,5 мм. При установке лицевых панелей у₂ уве­личивается примерно на 5-10 мм и зависит от конкретного конструктив­ного исполнения.

При использовании специальных малогабаритных соединителей (например, типа СНП10) и плоских кабелей внешнее соединение может производиться через разъемы, установленные в монтажной зоне (рис. – пока его нет). Однако распайка одиночных проводников и жгутов на ПП должна производиться только в зонах краевого поля.

При вычислении габаритов ПП необходимо учитывать и то, что от края платы до центра крепежного отверстия должно быть не менее 5 мм. Кроме того, крепёжные изделия (шайбы, гайки и т. п.) или их элементы (головки винтов, болтов и т. д.) не должны выступать за габариты печатной платы. Диаметр крепежного отверстия определяется диаметром винта плюс 0,3...0,5 мм.

После определения площади платы выбираются ее окончательные размеры. Необходимо чтобы они отвечали требованиям стандартов [1.1, 2.4]. Если блок содержит несколько ПУ, то исходя из требований унификации, по возможности их платы выполняют с одинаковыми размерами.

5.1.2 Выбор типа конструкции и схемы компоновки блока

Тип конструкции блока (разъемная, неразъемная и др.) и его компоновочная схема должны отвечать общим требованиям, которые изложены в п. 5.1, а также специальным требованиям, которые зависят от его назначения. Методический материал по этому вопросу приведен в [1.1, 1.4, 1.5].

5.1.3 Выполнение компоновочного эскиза (КЭ) блока

В курсовом проекте компоновочный эскиз выполняется как рисунок на листе формата А4, который затем подшивается в пояснительную записку. Количество проекций на эскизе должно быть достаточным для того, чтобы уяснить расположение всех основных узлов в блоке. На эскизе должны быть проставлены габаритные размеры блока и размеры его корпуса, которые определяются путем расчета. При выполнении расчетов можно принять следующие нормы:

– оптимальный воздушный зазор для конвективного теплообмена плата-плата или плата-стенка корпуса принимается 6-8 мм;

– высота опор блока («ножек»), располагаемых на днище корпуса =4-6 мм;

– толщина стенок корпуса без учета локальных утолщений типа ребер жесткости, приливов и др. принимается равной =0,5 - 1 мм;

– высота бобышек (или стоек) должна позволять надежно закреплять узел или радиоэлемент с помощью винтов М2,5-М3, = 8 – 15 мм;

– глубина зоны передней панели внутри блока = 30 – 40 мм;

– максимальная высота элементов передней панели = 12 – 20 мм;

– боковые зазоры, назначаемые из условия удобства сборки и монтажа блока, везде должны быть не менее = 6 – 8 мм;

– воздушный зазор между наиболее высоким элементом на плате и верхней стенкой корпуса назначается таким, чтобы не было их касания даже при вибрациях, = 3 – 4 мм.

Примеры выполнения компоновочных эскизов приведены в приложении…..

После того, как определены размеры корпуса блока, можно произвести выбор системы охлаждения для него.

5.2 Выбор способа охлаждения

Цель данного выбора заключается в определении способа охлаждения разрабатываемого изделия, который необходим и достаточен для обеспечения нормального теплового режима (НТР) его конструкции.

На начальных стадиях разработки исходных данных недостаточно для детального теплового расчета, поэтому для выбора способа охлаждения используются диаграммы, построенные по результатам обработки статистических данных для большого числа реальных конструкций РЭС и их макетов. На рис. 5.3 приведена диаграмма, характеризующая области целесообразного применения различных способов охлаждения РЭС.

Рис. 5.3 - Диаграмма для выбора способа охлаждения РЭС

Незаштрихованные области диаграммы относятся к следующим способам охлаждения: 1 – естественное воздушное, 3 – принудительное воздушное, 5 – принудительное жидкостное, 9 – принудительное испарительное.

Заштрихованным областям соответствуют следующие способы охлаждения: 2 – естественное и принудительное воздушное, 4 – принудительное воздушное и жидкостное, 6 – принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 – принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное, 8 – естественное и принудительное испарительное.

Для того, чтобы выбрать способ охлаждения необходимы следующие исходные данные:

· тепловой поток Р, Вт, рассеиваемый поверхностью теплообмена (корпуса) конструкции;

· площадь поверхности теплообмена (корпуса) ;

· допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента , °С;

· максимальная температура окружающей среды , °С;

· минимальное давление окружающей среды , мм рт.ст.

Значение теплового потока можно определить через потребляемую от источников питания мощность Р_П, которая обычно указывается в ТЗ, и коэффициент полезного действия изделия :

.

Для цифровых схем можно принять = 0, для маломощных аналоговых и аналого-цифровых схем – = 0,2...0,3. Для источников питания более высокие КПД (оптимизируются по критерию максимальной энергетической эффективности). В таблице 5.2 приведены типовые значения КПД различных типов источников питания, которые часто встречаются в схемах РЭС.

Талица 5.2

Тип источника питания	Типовой КПД, %	Типовая плотность мощности, Вт/дм^3
Линейный источник питания	30 - 50	н/д
Импульсные ИП
Обратноходовый (Flyback) преобразователь	78 - 85	60 - 380
Прямоходовый (Forward) преобразователь	75 - 92	120 - 200
Двухтактный (Push Pull) преобразователь	72 - 80	120 - 330

Чтобы выбрать систему охлаждения, необходимо найти поверхностную плотность теплового потока и допустимый перегрев в конструкции

Вт/м², (5.3)

,

где - поправочный коэффициент на давление окру- жающей среды;

Н = 760 мм рт.ст. - нормальное давление.

Если известны габаритные размеры корпуса изделия прямоугольной формы, то площадь теплообмена определяется по формуле

=2·(L·B+L·H+B·H), (5.4)

где L, B, H – длина, ширина и высота кожуха.

В тех случаях, когда габаритные размеры изделия неизвестны, площадь поверхности теплообмена Sк можно найти ориентировочно, используя коэффициенты дезинтеграции объема qV:

,

где Vэл – суммарный установочный объем элементов.

Если точка с координатами (P_s, Dt_доп) попадает в незаштрихованную область на диаграмме, то способ охлаждения определяется однозначно. Для заштрихованных областей, где возможно использование двух или даже трех различных способов охлаждения, задача выбора того или иного способа может быть решена путем использования вероятностных кривых, которые связывают показатели P_s, Dt_доп и вероятности обеспечения нормального теплового режима при различных условиях теплообмена.

В приложении Г приведены графики вероятностных кривых, взятые из [1.10], для наиболее распространенных способов охлаждения:

на рис. Г.1,а – для РЭС в герметичном кожухе с естественным воздушным охлаждением (должна использоваться шкала W=0 кг/с·м², где W – массовый удельный расход воздуха) и с принудительным внутренним перемешиванием воздуха для трех значений расхода воздуха (приведены три шкалы для W=1, W=2 и W=3 кг/с·м²);

на рис. Г.1,б – аналогичные кривые, но построенные для случая наружного обдува кожуха для четырех значений расхода воздуха (W=1, W=2, W=3 и W=4 кг/с·м²);

на рис. Г.2 – для РЭС с естественным воздушным охлаждением в перфорированном кожухе;

на рис. Г.3 – для РЭС с принудительным охлаждением продувом воздухом.

В последнем случае используется дополнительный показатель – массовый расход воздуха на единицу рассеиваемой РЭС мощности, кг/ч·квт.

Вероятностная оценка показывает, какое внимание должны уделять конструктор данному способу обеспечения НТР изделия.

При работе с вероятностными кривыми пользуются следующими правилами:

1) если точка попадает в область р ≥ 0,8, то можно остановиться на этом способе охлаждения;

2) если точка попадает в область 0,8 > р ≥ 0,3, то можно выбирать этот способ охлаждения, но чем меньше P, тем больше внимания придется уделить обеспечению и анализу теплового режима в дальнейшем при детальной проработке конструкции;

3) при попадании в область 0,3 > р ≥ 0,1 не рекомендуется выбирать данный метод охлаждения;

4) при попадании в область 0,1 > р ≥ 0,05 обеспечить нормальный тепловой режим данным методом охлаждения удается очень редко, а при р < 0,05 – практически невозможно.

Пример использования вероятностных кривых.

Предположим, что стоит задача определить способ охлаждения для блока в герметичном кожухе с размерами L=0,194 м, B=0,129 м, H=0,077 м при следующих исходных данных: Р=50 Вт; Dt_доп=50 °С; режим работы – постоянный; давление воздуха, окружающего блок, нормальное.

Определяем площадь поверхности кожуха по формуле (5.4):

=2·(0,194·0,129+0,194·0,077+0,129·0,077) = 0,1 м².

По формуле (5.3) определяем Вт/м².

Координаты точки (P_s, Dt_доп) на диаграмме рис. 5.3 попадают в область 2, поэтому возможно как естественное так и принудительное воздушное охлаждение. Желательно использовать первый их них, т.к. он является самым простым, дешевым и надежным способом охлаждения.

По кривым рис. находим, что нормальный тепловой режим блока при естественном воздушном охлаждении может быть обеспечен с вероятностью р = 0,2. Так как эта вероятность слишком мала, то для обеспечения НТР блока целесообразно перейти на использование более эффективного способа охлаждения даже, несмотря на ухудшение его массогабаритных и других характеристик. Решаем использовать принудительное воздушное охлаждение, осуществляемое путем внешнего обдува кожуха.

Задаем достаточно большую величину вероятности обеспечения НТР блока р = 0,6. По графику определяем, что для обеспечения такой вероятности массовый удельный расход воздуха (массовый расход на единицу площади сечения кожуха, перпендикулярного направлению движения воздуха) должен иметь величину .

Проверим возможность обеспечения такой величины W в реальной конструкции. Допустим, что воздушный поток от вентилятора направлен вдоль длины кожуха L. В этом случае площадь сечения кожуха = 9,93 , поэтому потребуется вентилятор с расходом воздуха не менее . Вентилятор с такой характеристикой подобрать нетрудно.

Дата добавления: 2015-08-27