Тенденции развития конструкций ЭС

Развитие конструкций ЭС, как известно, прошло уже четыре этапа. Смена каждого поколения обуславливалась сменой элементной базы, в основном активных компонентов РЭУ и, как следствие, сменой метода и правил компоновки и монтажа.

Первое поколение ЭС базировалось на ламповой технике и блочном методе компоновки и монтажа. Появление отечественных ламп относится к 1919 г. (Нижегородская лаборатория под руководством М.А.Бонч-Бруевича), а начало радиовещания в СССР - к 1924 г.

Ламповая техника непрерывно изменялась: лампы стеклянной и металлической серии, пальчиковые лампы, лампы серии «дробь» и «жёлудь». Блочный метод компоновки и монтажа заключается в выполнении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков, чаще всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах и коммутируемых как внутри себя, так и между собой проволочно-жгутовым монтажом.

С усложнением ЭС появились требования крупносерийного производства, дробления конструкций на основе унифицированных функциональных узлов (УФУ). Такими первыми УФУ явились «Элемент-1» на печатном монтаже и лампах типа «дробь». Метод компоновки от блочного перешёл к функционально-узловому.

К 1954 г. появилось II поколения конструкций ЭС – промышленная транзисторная техника (изобретение транзистора относится к 1948 г.). Миниатюрные лампы были заменены на транзисторы в корпусах ТО-5, а УФУ «Элемент-1» - на УФУ «Элемент-2». Функционально-узловой метод стал доминировать во многих конструкциях ЭС.

В период транзисторной техники возникло новое направление в конструировании ЭС – миниатюризация аппаратуры. Уменьшились размеры и масса пассивных ЭРЭ, транзисторов и трансформаторов, катушек индуктивности и даже электронно-лучевых трубок. Функциональные узлы стали выпускаться в виде плоских и объёмных модулей, плоских и этажерочных микромодулей. Однако при сохранении за дискретными ЭРЭ основного конструктивного элемента с частотой отказов λ= 10^-6 ч^-1 не смогло существенно повлиять на надёжность ЭС, и при всё более увеличающейся их сложности вероятность безотказной работы падала. Это противоречие было разрешено с появлением интегральных микросхем (начало 60-х годов).

Третье поколение ЭС характеризуется применением новой элементной базы – корпусированных ИС широкого применения и миниатюрными ЭРЭ на печатных платах с высокой разрешающей способностью (до 0,3 мм). Микросхемы, по своей функциональной сложности представляющие функциональные узлы, выпускались в те годы в металлических, пластмассовых и металлокерамических корпусах прямоугольной и круглой формы со штыревыми и плоскими выводами. Число выводов не превышало 15. Микросхемы в количестве 20…30 штук компоновались на печатных платах со средними размерами 140×170мм, выводная коммутация которых осуществлялась стандартными разъёмами. Такая конструкция, наиболее характерная для цифровых устройств, получила название вначале субблока, а позднее – функциональной ячейки.

Ячейки ЭВМ, выполненные по принципу базовых несущих конструкций, называют типовыми элементами замены.

Применение микросхем, изготовление которых основано на групповых методах получения целого набора элементов на подложке или в объёме кристалла, позволяет резко повысить надёжность. Так, частота отказов одной ИС, содержащей порядка 100 элементов, равна частоте отказов всего лишь одного дискретного ЭРЭ, т.е. λ_ис= λ_эрэ=10^-6 ч^-1.

Таким образом, достижения в области микроэлектроники и её промышленного внедрения позволили перейти к созданию нового поколения конструкций ЭС – к интегральным электронным устройствам. Интегральные электронные устройства отличаются малыми массой и габаритами, высокой надёжностью, пониженным потреблением энергии, меньшей стоимостью, групповой автоматизированной технологией изготовления компонентов и устройств, применением САПР при конструировании и подготовке производства. Интегральные ЭУ проектируются на новых принципах схемотехники – микросхемотехники, в основе которой заложена микроэлектроника.

Далее миниатюризация шла по пути отказов от индивидуальных корпусов ИС и внедрения более крупных подложек вместо печатных плат. Так появилась конструкция ЭС IV поколения, которая использовалась в основном в космической и ракетной технике.

К достоинствам конструкций IV поколения следует отнести уменьшение массы (в 3-4 раза) и объёма (в 5-6 раз) моноблоков, более высокую надёжность за счёт исключения стандартных разъёмов и замены их на гибкие шлейфы, а также сокращения числа паяных соединений (исключение выводов из корпусов), повышение вибро- и ударопрочности. К недостаткам и трудностям в развитии IV поколения конструкций ЭС относятся повышенная теплонапряжённость в блоках и необходимость введения дополнительных теплоотводов (металлических рамок), незащищённость бескорпусных элементов и компонентов МСБ от факторов внешней среды и необходимость полной герметизации корпусов блоков с созданием инертной газовой среды внутри них, более высокая стоимость за счёт сложного и дефицитного технологического оборудования, более длительные сроки разработки из-за необходимости разработки самих МСБ, как изделий частного применения, недостаточное количество специалистов этого профиля (как инженеров, так и технического персонала). Однако разработчикам удаётся значительно улучшить не только качественные энергоинформационные параметры ЭС, но и в ряде случаев тактико-технические характеристики объекта. Появление новой элементной базы (функциональных компонентов, микрокорпусов ИС), новых несущих оснований (печатных плат из новых материалов с высокой разрешающей способностью до 0,1мм и без металлизированных отверстий), новых способов сборки и монтажа (групповой автоматизированной сборки и пайки), новых принципов компоновки устройств из суперкомпонентов (интеграции на целой пластине) привело к созданию ЭС ещё более компактных, надёжных и с меньшей стоимостью, чем известные прототипы. Конструкции таких устройств, выполненные по принципам монтажа на поверхность и интеграции на целой пластине, можно отнести к пятому поколению.

СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

План

1. Конструкция ЭС как система.

1. Свойства конструкций ЭС.

1. Структурные уровни.

1. Классификация электронных средств.

 

Конструкция ЭС как система

Понятие “система“ в технике означает сложную совокупность объектов и связей между ними, предназначенную для реализации заданных функций. Как любая сложная сборочная единица машиностроения или приборостроения, конструкция ЭС отвечает трём главным условиям совместимости: возможности композиции и декомпозиции, образованию при композиции новых качеств, не равных сумме свойств исходных частей, наличию иерархического порядка в структуре. Первые два условия системности означают, что в результате процесса конструирования (композиции) должно быть найдено и отражено в конструкторской документации новое структурное образование – конструкция ЭС (или их частей), составленное из входящих в него готовых (покупных) и вновь спроектированных частей, причём это структурное образование должно обладать новыми качествами, не равными сумме свойств входящих в него частей.

Третье условие системности (иерархический порядок) проявляется в разделении конструкции на структурные уровни, или уровни входимости. Это значит, что высокий уровень структуры конструкции составляется из частей её, относящихся к более низким уровням, или в терминах конструкторской документации (КД): составная часть, относящаяся к более низкому уровню входимости, входит в спецификацию части более высокого структурного уровня.

 

Свойства конструкций ЭС

Каждая конструкция характеризуется определённой системой свойств, по которым возможно качественное или количественное сравнение конструкций.

Количественные оценки свойств конструкции называют параметрами конструкции (У).

Качественно свойства конструкции отображаются её структурой (S),которая определяется схемой внутренних и внешних связей. Последние могут быть следующих типов:

-геометрические,

-механические,

-электрические,

-магнитные,

-тепловые и т.п.

Одни и те же свойства конструкции могут быть получены в результате реализации различных структур.

Для представления абстрактной модели конструкции ЭС может быть использован аппарат теории множеств.

Если обозначить

множество структур через S={S_i, i=1,2,…,n},

множество параметров Y={Y_j, j=1,2,…,m} и

множество взаимодействий X={X_k, k=1,2,…,l},

то абстрактная модель выразится как

К=S∩Y,

где ∩-символ пересечения множеств S и Y,

S_i=S(S₁,S₂,…,S_n; y₁,y2,…,y_n; x₁, x₂,…,x_l, t),

Y_j выражается аналогично.

Иначе говоря, как сами некоторые структуры, так и их параметры, а в общем это свойства конструкции К, являются функциями большого числа факторов, связанных с внешними воздействиями, параметрами элементов и схемами связей между ними и внешней средой; причём многие из этих факторов взаимозависимы и часто при анализе модели неизвестны.

Выводы:

1. Формализация процесса конструирования с математической точки зрения является плохо формулируемой задачей.

2. Для конструирования ЭС в целом сейчас нельзя установить алгоритм этого процесса, пригодный для ЭВМ.

3. Для частных формализуемых задач конструирования (выбора номиналов, допусков, оптимального размещения и трассировки и т.п.) применение алгоритмов не только возможно, но и необходимо в конструкторской практике.

4. Процесс конструирования сводится в настоящее время к логико-математическому поиску оптимума при последовательном усовершенствовании исходного варианта, получаемого на основе приемственности и требований ТЗ.

Для практических целей были разработаны 36 кодифицированных свойств конструкций ЭС, объединённых в пять групп (табл. 1.1)

 

Таблица 1.1

 

Функциональная внутренняя связь	Совмести- мость	Надёжность	Технологи- чность	Патент- ность
Электрическая (включая допусковые вопросы)   Электромагнитная   Тепловая   Пространственная (включая расположение центра тяжести)   Механическая (включая расположение центра жёсткости)	С объектом:пространственная, весовая, электрическая, электромагнитная     С оператором эргономическая, эстетическая	Безотказность при воздействии: вибрации, ударов, линейных ускорений, тепла, тепловых ударов, холода, влаги, брызг, воды, химической среды, плесени, пыли, песка, радиации, давления   Долговечность   Сохраняемость   Ремонтнопригод- ность   Количество ЗиП	Унификация и стандартизация     Преемствен- ность     Однородность комплектации     Собираемость и стыковка   По деталям и узлам собственного производства   По материалам	Патентно-способность   Патентная чистота.

 

Как видно из таблицы, эти группы свойств конструкции ЭС отражают собственно те группы требований к конструкции, которые предъявляются её создателями – разработчиками и изготовителями и её потребителями, а именно:

-техническими требованиями,

-производственно – технологическими,

-эксплуатационными,

-юридическими.

Первая группа требований определяется электрическими и механическими выходными параметрами такими как, например, чувствительность приёмника, выходная мощность передатчика, быстродействие ЭВМ, диапазон рабочих частот, вес, габариты и т.п., а также степенью устойчивой работы ЭС в условиях электромагнитных наводок и внутренних перегревов.

Вторая группа отражает в основном требования технологичности, серийноспособности и экономичности ЭС.

Третья группа требований включает в себя вопросы обеспечения надёжности, ремонтопригодности, готовности ЭС, а также вопросы эргономики и технической эстетики. Причём требование надёжности может, в свою очередь, быть раскрыто более полно, как требования обеспечения вибро-и ударопрочности, виброустойчивости, температурной стабильности, влагозащищённости, герметичности и т.д.

В таблице свойства конструкции, обеспечение которых удовлетворяют первой группе требований, подчёркнуты сплошной линией, второй группе – пунктиром и третьей – штрих-пунктиром.

Юридические требования вполне однозначно определяются патентными свойствами.

Структурные уровни

Структурное дробление конструкции даёт экономические преимущества при разработке, производстве и эксплуатации ЭС и преследует три цели:

1) параллельное конструирование частей;

2) параллельное изготовление частей;

3) повышение ремонтопригодности.

Параллельное конструирование частей, входящих в конструкцию, значительно ускоряет процесс конструирования. Оно возможно благодаря выполнению условий размерной совместимости, предусматривающей взаимное назначение для сопрягаемых частей габаритных и присоединительных размеров, а также совмещаемых электрических параметров в пределах предусмотренных допусков. Параллельное изготовление частей, входящих в различные структурные уровни, идёт по независимым производственным циклам, соприкасающимся только при сборке конструкции. Это ускоряет производство в десятки раз. Ремонтопригодность при эксплуатации повышается благодаря упрощению поиска неисправностей и возможности ремонта агрегатным способом, т.е. путём замены крупных частей. В дальнейшем возможен ремонт этих частей.

Каждая конструкция ЭС в зависимости от назначения имеет свою, присущую ей конкретную структуру. Однако требования стандартизации налагают ограничительные рамки на это разнообразие. Можно представить некоторую обобщённую таковую структуру и на её основе рассмотреть в общем виде основные структурные особенности, справедливые в принципе для всех конструкций.

Типовая структура конструкции современных ЭС состоит из электрической базы как исходного функционального материала и четырёх уровней, от нулевого до третьего, из которых нулевой и первый называются низшими, а второй и третий – высшими (рис.1.1).

Элементная база состоит из электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в перечень элементов электрической принципиальной схемы ЭС (или частей) как комплектующие изделия. ЭРИ включают в себя следующие классы:

1) электрорадиоэлементы (ЭРЭ) – дискретные резисторы, конденсаторы, кварцевые фильтры и т.п., моточные изделия (трансформаторы, дроссели, катушки индуктивности, электромагнитные линии задержки и др.);

2) электровакуумные изделия (ЭВИ) – радиолампы, электронно-лучевые приборы, электрические световые табло и т.п.;

3) полупроводниковые приборы (ППП) – транзисторы, тиристоры и т.д.;

4) интегральные схемы (ИС);

5) изделия электропривода и автоматизации (ИЭПА);

6) контрольно-измерительные приборы (КИП);

7) коммутационные изделия (КИ);

8) микропроцессорные компоненты (МПК);

9) волоконно – оптические кабели с соединителями (ВОКС).

Элементная база – ещё не конструкция ЭС. Конструкция начинается с функционального узла. Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к нулевому структурному уровню. Существуют три разновидности функциональных узлов: микросборки, печатные узлы и гибридно-интегральные узлы.

Микросборки относят к подуровню нулевого уровня структуры РЭС. Они входят в состав печатных узлов (корпусные микросборки) и гибридно-интегральных узлов (бескорпусные микросборки).

Как показано на рис1.1, схема структуры ЭС имеет две параллельные ветви: по печатному (левая часть схемы) и гибридно-интегральному исполнению узлов (правая часть). В современных ЭС находят применение оба конструктивно-технологические исполнения.

Первый уровень состоит из модулей, второй из блоков, а третий представляет собой окончательно оформленную конструкцию РЭС в целом, т.е.самостоятельное в эксплуатационном отношении изделие в виде сборочной единицы.

В зависимости от сложности конструкции ЭС различают комплексы, системы, радиоэлектронные устройства (РЭУ), блоки, функциональные узлы (ФУ),детали. Такое деление отличается от положениями ЕСТД (комплексы-сборочные единицы-детали); однако на практике оно наиболее распространено.