lec08 Модульный принцип конструирования (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 3

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.

Блоки с защитными кожухами и крышками являются самостоятель­ными приборами и в таком виде эксплуатируются. На переднюю панель прибора настольного типа устанавливают элементы инди­кации, измерительные узлы, элементы управления, электрические соединители. Элементы управления и соединители, не требующие частого доступа, а также предохранители выносят на заднюю панель. При компоновке изделий необходимо обеспечить свободный доступ к электрическим соединителям монтажных панелей для контроля и к ТЭЗ для их замены. Если монтажная панель ориентирована горизонтально, то крышку и поддон прибора необходимо выполнять съемными, если верти­кально - лицевую и заднюю панели нужно делать съемными или откидными.

Горизонтальное расположение монтажной панели за­трудняет охлаждение блоков естественной конвекцией, поэтому их обычно используют в приборах настольного типа с низкой плотностью компоновки, либо совместно с вентиляторами, направляющими потоки охлаждающего воздуха вдоль каналов, образованными рядами плат расположенных по со­седству ТЭЗ. При комплектации блоками рам и стоек шкафного типа в конструкции блоков не вводят кожухи или крышки. При значительной длине ТЭЗ блок с вертикальным расположением монтажной панели можно уста­навливать непосредственно в стойку.

Конструктивное исполнение блоков разнообразно, но у всех блоков можно отметить наличие монтажной панели (шасси), каркаса, направляющих и элементов фиксации в модуле высшего уровня. На монтажных панелях выделяют центральную и периферийную зо­ны. В центральной зоне располагают ответные части соединителей ТЭЗ и на­правляющие, в периферийной - колодки или соединители внешней комму­тации, жгуты, подводы напряжения питания и нулевого потенциала. Желательно ответные соединители ТЭЗ устанавливать на многослойную печатную плату. Однако в процессе от­работки аппаратуры часто появляется необходимость во внесении измене­ний, которые проще всего выполнить проводным монтажом. Используется монтаж одиночным проводом, свитой парой, жгутовой монтаж. При использовании жгутов на монтажной панели блока предусмат­ривают пазы или углубления, в которых жгуты размещают и закрепляют.

Направляющие вводятся в конструкции для быстрого сочленения ТЭЗ с ответными частями соединителей без заклинивания или перекоса, поддержки платы ТЭЗ при ударах и вибрациях, создания пути для кондуктивного отвода теплоты. Для входа и перемещения платы в направляющих по краям платы предусматривают свободную от печатного монтажа зону шириной 2-3 мм. Раз­личают коллективные направляющие, предназначенные для установки од­новременно нескольких ТЭЗ, и индивидуальные. В качестве конструкционных материалов направляющих используется пластмасса и металл. Тепловое сопротивление металлических направляющих ниже, чем пластмассовых, и зависит от конкретной конструкции.

Элементы крепления и фиксации должны исключить возможность выпадения ТЭЗ при воздействии ударов и вибраций. Предусматривается индивидуальное или групповое крепление ТЭЗ. Для индивидуального креп­ления рекомендуется использовать невыпадающие винты, защелки. В большинстве случаев групповое крепление осуществляется прижимной крышкой с наклеенной с внутренней стороны пористой прокладкой.

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.

Дверцы и щиты должны плотно прилегать к каркасу без щелей, через которые происходит утечка охлаждающего воздуха, а внутрь стойки проникает пыль, внешние электрические, магнитные и электромагнитные поля. По требованиям техники безопасности, а также из соображений экра­нирования стойки электрическое сопротивление между деталями каркаса, дверцами и щитами должно быть минимальным. Для этого детали кар­каса, щиты, дверцы электрически объединяют оплеткой экранированного проводника с контактными лепестками «под винтовое соединение». На детали каркаса привариваются бобышки, на щиты и дверцы - скобы. В бобышках и скобах нарезают резьбовые отверстия, и устанавливают контактные лепестки оплетки.

Блоки в стойке коммутируют жгутом, закреп­ляемым на монтажной панели стойки. Этот же жгут подводит сигнальные цепи к соединителям внешней коммутации, размещаемым на боковых по­верхностях или поддоне стойки.

Компоновка стоек вставными разъемными блоками широко использу­ется при конструировании транспортируемой (бортовой) аппаратуры и сто­ек электропитания. Внешняя коммутация блоков осуществляется прибор­ными или приборно-кабельными соединителями, обеспечивающими быструю замену блоков. Введение приборно-кабельного соединителя обес­печивает работу РЭА при частично выдвинутом или удаленном из стойки для контроля блоке, но приводит к увеличению длин соединений и, как следствие, понижению быстродействия.