Конструктивное исполнение блока преобразования сигнала РЛС, страница 3

Конструкция современных РЭА представляет собой иерархию модулей, каждая ступень которых называется уровнем модульности. При выборе числа уровней модульности проводится их типизация модулей.

Выделяют четыре основных и два дополнительных уровня модульности (рисунок 1):

• Нулевой – электронные компоненты. В зависимости от исполнения аппаратуы модулем нулевого уровня служат ЭРИ и МС.

• Уровень 0,5 – микросборка. Представляет собой подложку с размещенными на ней бескорпусными элементами. Модуль вводится для увеличения компоновки аппаратуры.

• Первый – типовой элемент замены – представляет собой ПП с установленными на ней модулями нулевого уровня и электрическим соединителем.

• Второй – блок, основными конструктивными элементами которого являются панель с ответными соединителями модулей первого уровня. Межблочная коммутация выполняется соединителями расположенными по периферии панели блока. Модули первого уровня размещаются в один или несколько рядов.

• Уровень 2,5 – рама. В раме устанавливается несколько блоков..

• Третий – стойка (шкаф), в которой установлено несколько блоков или рам.

Рисунок 1 - Конструктивная иерархия модулей: 1‑ микросхема, 2- бескорпусная микросхема, 3- микросборка, 4- ячейка, 5‑ блок, 6- рама, 7‑ стойка.

Функционально-узловой принцип подразумевает разделение электрической схемы устройства на отдельные узлы, каждый из которых выполняет определённые функции. При этом узлы выполняются на отдельных платах и могут выполнять свое назначение в различных устройствах. Достоинства данного принципа: простота конструирования, высокая надежность, высокая степень отработки конструкции и технологии, возможность стандартизации и унификации узлов, невысокая стоимость. Недостатки: большое число соединений между платами, увеличение массы.

Функционально-модульный (каскадно-узловой) принцип основан на выполнении на отдельной печатной плате каждого каскада. При большой объемной плотности компоновки, простоте обслуживания и повышенной стойкости к механическим воздействиям наблюдается увеличение габаритов и массы за счет большого числа армирующих и крепежных деталей. Большое число межплатных соединений увеличивает наводки и снижает надежность изделия. Этот метод применяется редко в связи с возрастающим применением микросхем (МС) высокой степени интеграции.

Функционально-блочный (схемно-узловой) принцип подразумевает, что вся электрическая схема разбивается на отдельные части с чётко выраженными входными и выходными характеристиками, которые выполняются на отдельных печатных платах. Для метода характерны улучшенная компоновка и ремонтопригодность. Предполагает наличие коммутационной платы или жгута.

Для проектирования данного блока будет использован модульный принцип конструирования совместно с функционально-узловым принципом, что позволит использовать стандартные узлы в виде печатных плат, общих для всех блоков РЛС, а так же узлов, заимствованных из подобных изделий и блоков.

2.2Разработка и анализ вариантов конструкции

Для обеспечения минимального времени нахождения аппаратуру в неисправном состоянии и дальнейшей модернизации и увеличения технологичности, изделие будет основано на модульном принципе конструирования.

Для уменьшения массы будет использоваться блок с рамным каркасом из лёгкого прочного материала. Блок должен надёжно фиксироваться в шкафу. Внутри блока должны располагаться ячейки вертикально, для обеспечения лучшего теплообмена с продуваемым воздухом. Ячейки крепятся в рамы и устанавливаются в блок по направляющим.

Передняя панель будет оснащена необходимыми для контроля и управления кнопками, индикаторами и гнездами, разъемом для подключения к компьютеру.

Блок выполняется с расположением ячеек 6U в два ряда в блоке и имеет стандартный размер ячеек 240 х150 мм.

2.3Разработка и обоснование конструкции функциональной ячейки

Использование блока БПКВИ подразумевает использование плат типа 6U. Основным достоинством такого подхода является унификация типоразмера печатных плат, что позволяет выполнить их на базе большинства предприятий без дополнительных трат на оснастку и перенастройку оборудования. Ячейка имеет стандартный размер 240 х150 мм и стандартизованную планку (панель).

Основа функциональной ячейки – печатная плата (ПП) - пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Для ПЭС ячейки будет использоваться многослойная печатная плата, то есть плата, состоящая из чередующихся проводящих и непроводящих рисунков, соединенных в соответствии с электрической схемой печатного узла. Использование многослойной печатной платы существенно увеличит стоимость производства ячейки, но в данном случае использование двухсторонней ПП невозможно, из-за невозможности выполнить трассировку на двух сторонах.

Расстояние между элементами проводящего рисунка (например, между проводниками) зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.

Расстановка элементов и трассировка проводников на ПП будет производиться с помощью САПР P-CAD-2000.

В качестве материала для печатной платы выбран марка стеклотекстолита ФТС-2-18А, который в настоящее время имеет преимущественное распространение в производстве печатных плат, стеклотекстолит – слоистый пластик, состоящий из стеклоткани (наполнитель), пропитанной синтетической смолой. Толщина фольги 0,018 мм. Плата будет выполнена методом сквозных металлизированных отверстий.

2.4Выбор способов электрических и механических соединений.

Конструкция электрических соединений в значительной степени определяет эффективность и качество конструкции всей РЭА. При проектировании базовых несущих конструкций РЭА необходимо учитывать способы выполнения электрических узлов и блоков, так как это существенным образом влияет на компоновку аппаратуры и определение объемов базовых несущих конструкций.

Электрические соединения элементов схемы осуществляются печатными проводниками, которые обеспечивают высокую надежность соединений, дают возможность широкой автоматизации и механизации монтажно-сборочных работ, а также возможность миниатюризации РЭА.

Функциональная ячейка соединяется с соседними ячейками через объединительную плату с разъёмами. Для функциональной ячейки применяются разъёмы 02 01 160 2101 Harting для унификации, в виду их малого переходного сопротивления, большой электрической прочности, высокой надежности, а также вследствие использования стандарта плат 6U.

В качестве контрольных гнёзд на панели платы выбраны гнезда САМТ.757474.004

Для подачи напряжения питания используется разъем 2РМД, согласно документации на блок.

Механические соединения делятся на две группы: разъёмные и неразъёмные.

Разъёмные соединения допускают полную разборку изделия на детали без разрушения их целостности. К ним относятся резьбовое, байонетное, штифтовое, шплинтовое и др. Соединение считается неразъёмным, если его разборка сопровождается разрушением материалов или деталей, с помощью которых оно осуществлено. Неразъёмные соединения выполняют пайкой, сваркой, склеиванием, развальцовкой, клёпкой и т.д. Основным видом разъёмных соединений является резьбовое, с помощью которого могут крепиться детали несущих конструкций, панели, переключатели, переменные резисторы, трансформаторы и др.

Удельный вес разъемных соединений разных типов различен. Каждому виду свойственны отдельные преимущества и недостатки, как по трудоемкости, так и по надежности и долговечности работы.

Резьбовые соединения (свинчивание) в общем объеме занимают наибольший удельный вес, но характеризуются высокой стоимостью и трудоемкостью. Пайка и сварка конструкционных деталей имеет те же физико-химические особенности, достоинства и недостатки, что и при выполнении монтажных соединений. Некоторые отличия заключаются в технологии: подготовке деталей, выборе материалов, режимах и оборудовании. Конструкционная пайка выполняется низко-, средне- и высокотемпературными припоями.

В данной конструкции ячейки для печатного монтажа применим неразъёмное соединение – пайку припоем ПОС 61 ГОСТ 21931-76. Для крепления панели на плату применим свинчивание посредством колодок, винтов, и шайб.

Для крепления элементов блока – каркаса, передней панели, задней стенки используются винты, шайбы, зажимы и держатели. Такой способ крепления рекомендуется для разбираемых соединений.

2.5Выбор материалов и защитных покрытий

При выборе материалов конструкции необходимо учитывать требования уменьшения массы, снижения стоимости изготовления, а так же обеспечения надежности.

Покрытия чаще всего имеют следующие назначения: декоративное, защита от коррозии, влаги и пыли, защит от механических воздействий. Так же следует учитывать класс покрытия, его тип, необходимость применения нескольких покрытий, их технологичность и общий вклад в стоимость изделия.

Исходя из условий эксплуатации и особенности конструкций, для блока выбирается материал Д16. Данный материал применяется для силовых элементов конструкций самолетов, кузовов автомобилей, труб и т.д.; для деталей, работающих при температурах до -230 ^оС, обладает высокой коррозионной стойкостью, технологичен.[9]

Каркас выполняется из профилей, что снижает количество операций обработки. Передняя и задняя панели выполняются из листового материала. Для защиты деталей применить химическое окисление, что обеспечит защиту от коррозии и выступит подслоем для нанесения лакокрасочного покрытия.

Переднюю панель следует покрывать эфирно-целлюлозной краской серого цвета.

Покрытие ЛКП по классу 1. Данный класс отделки предполагает: высокое качество отделки поверхности; поверхность ровная, гладкая, однотонная, матовая. Данное покрытие должно повысить эстетичность изделия, повысит эргономичность изделия, улучшить читаемость надписей. Надписи следует гравировать и заливать чёрной эмалью ПФ-115.

Покрытие эмалью атмосферостойкое, стойкое к воздействию воды, моющих растворов, индустриальных масел, устойчиво к изменению температуры от -50 до +60^оС. Имеет срок службы не менее 4 лет в умеренном и холодном климате и не менее 1 года в тропическом климате. Имеет низкую стоимость и широкое распространение.

Надписи и клеймения маркировать ЭП-572. Данная маркировочная эмаль типа ЭП-572 предназначена для нанесения маркировки на серебро, медь, титан, сталь, алюминий, полистирол, оргстекло, текстолит, гетинакс, керамику. Покрытие рассчитано на рабочую температуру от ‑60 до +250 °С. Стойка к воздействия спирта, бензина, и спирто-бензиновой смеси при промывке при (20±2)° С, воды при промывке (45±2)° С. Является дешёвой и широко распространена.

Монтаж и выступающие части крепежа покрывать лаком УР-231.УХЛ2 для обеспечения защиты от влаги и пыли. Направляющие и крепежи функциональных ячеек выполнить из пластика.

При изготовлении печатных плат аппаратуры данного класса применяются такие материалы как стеклотекстолит и гетинакс.

Стеклотекстолит обладает более высоким, по сравнению с гетинаксом, коэффициентом теплопроводности (0,24..0,34 Вт/(мК) и 0,15..0,18 Вт/(мК) соответственно), меньшей допустимой стрелой прогиба, также он более устойчив к расслаиванию, чем гетинакс, и обеспечивает достижение достаточно хороших показателей при изготовлении проводящего рисунка.

По совокупности характеристик стеклотекстолит является предпочтительным материалом для изготовления печатных плат. Выбираем стеклотекстолит марки ФТС-2-18А.

Печатную плату следует покрывать изолирующим лаком УР-231 для повышения механической прочности, защиты от пыли и влаги. Открытые контактные площадки покрывать ПОС-61 ГОСТ 21936-76. Элементы поверхностного монтажа паять с использованием припоя ПОС61.

2.6Конструкторские расчеты

2.6.1Расчет размеров печатных проводников

Исходя из выбранного материала, проводники ПП выполняются из медной фольги толщиной 18мкм. Ширину проводника рассчитывают в зависимости от силы тока, проходящего через него по формуле:

Где t - ширина проводника, мм; I_раб-рабочий ток, проходящий через проводник, А; h_ф - толщина фольги, мм; δ-допустимая плотность тока проводника по [ГОСТ 23751-86], А/мм².

Допустимая плотность тока проводника выбирается 100 А/мм² исходя из применения гальванической меди[25].

После расчета всех проводников следует выбрать наибольшее значение и округлить его в большую сторону до нормальной величины в соответствии с требованиями ГОСТ 23751-86.

Ниже приведены результаты расчёта ширины проводников (таблица 5). Результаты расчёта округлены до десятых и подстроены под класс точности.

Рабочий ток для цепи питания взят из документации на ячейку не более 300 мА. Ток для логических цепей выбирался как наибольший из максимально возможный для ПЛИС 100мА.