Метод проектирования моноконструкций. Основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания функциональных узлов, блоков, РЭА на основе оригинальной несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами [7].
Базовый (модульный) метод конструирования. В основу метода положен модульный принцип проектирования. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями, схемной конструкторской унификацией структурных уровней (модулей функциональных узлов, блоков). Базовый метод является основным при проектировании современной РЭА, он имеет много преимуществ по сравнению с методом моноконструкций [7]:
на этапе разработки позволяет одновременно вести работу над многими узлами и блоками, что сокращает сроки проведения разработок; упрощает отладку и сопряжение узлов в лаборатории, так как работа любого функционального узла определяется работой известных модулей, резко упрощается конструирование и макетирование; сокращает объем оригинальной конструкторской документации, дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию;
на этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников; снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой механизации и автоматизации производства; повышает степень специализации производства;
при эксплуатации повышает эксплуатационную надежность РЭА, облегчает обслуживание, улучшает ремонтопригодность аппаратуры.
При компоновке должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость, стабильность, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта. Размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объема с удобным доступом для осмотра, ремонта и замены. Замена детали или сборочной единицы не должна приводить к разборке всей конструкции или ее составных частей. Для устойчивого положения изделия в процессе эксплуатации центр тяжести должен находиться, возможно, ближе к опорной поверхности. При компоновке модулей всех уровней необходимо выделить достаточно пространства для межсоединений.
При проектировании необходимо придерживаться следующих рекомендаций [7]:
минимальный внутренний радиус изгиба проводника должен быть не менее диаметра провода с изоляцией;
провода питания переменного тока следует свивать для уменьшения возможности наводок;
провода, подводящие к сменным элементам должны иметь некоторый запас по длине, допускающий повторную заделку провода;
провода не должны касаться острых металлических кромок;
монтажные провода целесообразно связать в жгут, при этом обеспечивается возможность расчленения монтажных операций на более простые.
Для разъемного варианта конструкции большое распространение получило использование объединительной печатной платы, что позволяет существенно уменьшить габаритные размеры изделия, упростить сборку.
При компоновке РЭС необходимо решать вопросы электромагнитной совместимости элементов, в частности, защиты от электромагнитных, электрических и магнитных помех.
При защите РЭС от воздействий помех, определяют максимальное значение сигналов помехи на выходах схем, усложняют схему введением фильтров на линиях входа-выхода, устраняют помехи по линиям электропитания с помощью радиочастотных фильтров, экранируют входные цепи чувствительных схем, для элементов РЭС разрабатывают кожухи-экраны.
В качестве метода конструирования выбираем базовый (модульный) метод конструирования.
5. Выбор способов и методов теплозащиты, герметизации, виброзащиты и экранирования
5.1 Выбор способов и методов теплозащиты
Теплозащитой называется создание таких условий, при которых количество тепла рассеиваемое РЭА в окружающую среду, будет равно мощности тепловыделения аппаратуры. Теплозащита необходима для того, чтобы аппаратура нормально функционировала в заданном диапазоне температур. Причина отказов аппаратуры при отсутствии теплозащиты заключается в различных физических процессах, которые при повышении температуры либо развиваются лавинообразно, либо приводят к усиленному старению материалов, поэтому при проектировании устройства особое внимание нужно уделять защите его от воздействия тепла, т.е. обеспечить тепловой режим устройства. Для этого выбирают способ охлаждения, элементы и устройства охлаждения, оценивают вероятность обеспечения заданного теплового режима. Для выбора способа охлаждения рассмотрим, какие виды охлаждения существуют.
Отвод тепла от нагретой поверхности элементов конструкции может производится:
- контактным способом (за счет теплопроводимости);
- естественным воздушным охлаждением;
- жидкостным охлаждением;
- испарением жидкости;
- за счет использования эффекта Пельтье;
- за счет излучения.
Сущность контактного способа состоит в том, что от нагретой части конструкции тепло передается через контакт к более холодной, которая в свою очередь, может таким же путем передавать тепло к еще более холодной части или той части конструкции, которая, обладая лучшими условиями отдачи тепла в окружающую среду, обеспечит хороший теплообмен. Качество контактного способа теплообмена зависит от ряда факторов. Прежде всего важно качество контакта между двумя поверхностями частей конструкции, которое определяется его электрическим сопротивлением. Чем меньше электрическое сопротивление контакта, тем меньше его термическое сопротивление и, следовательно, тем лучше осуществляется передача тепла. Если охлаждающая часть конструкции не имеет условий для хорошего теплообмена с окружающей средой, то использовать ее для охлаждения теплонагруженной части нельзя. Чем меньше теплопроводимость охлаждающей части конструкции, тем больше времени понадобится для устранения процесса теплообмена.
Охлаждающая часть конструкции обычно выполняется из меди или алюминия. Недостаток этого способа охлаждения заключается в том, что охлаждающая часть конструкции может сама перегреваться и контакт с ней будет перегреваться. Этот способ охлаждения можно применять для отвода тепла от наиболее теплонагруженных элементов схемы (мощных транзисторов и микросхем), но не для охлаждения всей аппаратуры.
К естественному воздушному охлаждению относится охлаждение внешней средой поверхности прибора, вентиляция естественным проникающим через плоскость прибора окружающим воздухом и естественно - испарительное охлаждение испарениями.
Естественное охлаждение прибора осуществляется за счет свободной конвенции окружающего воздуха омывающего наружные стенки приборного корпуса. Естественная вентиляция осуществляется за счет свободной конвенции окружающего воздуха, поступающего во внутреннюю полость прибора. Отверстие закрывают стенкой, перфорированным листом или жалюзи. В сравнении с другими видами охлаждения, естественная вентиляция, благодаря своей простоте, имеет значительное преимущество. Однако возможности такой вентиляции ограниченны рассеиванием тепла с единицы поверхности прибора. Кроме того, этот способ охлаждения применим лишь в том случае, если внешнее давление окружающей среды не ниже, чем 56000Па.
К принудительному охлаждению относится принудительная продувка внутренней зоны прибора воздухом, наружный обдув его поверхности, перемешивание воздуха внутри герметичного прибора. Принудительная вентиляция осуществляется потоком холодного воздухах с необходимым скоростным напором. Напор воздуха создается вентиляторами или встречным потоком воздуха при движении объекта. Такая вентиляция может быть местной или общей.
Первая осуществляется вентиляторами, установленными внутри прибора в местах наибольшего выделения тепла или непосредственно у входных или выходных вентиляторных отверстий, вторая - при подключении комплекса приборных стоек к общей вентиляционной системе. По характеру работы принудительная вентиляция делится на приточную, вытяжную и приточно-вытяжную. Приточная вентиляция осуществляется нагнетанием в прибор охлажденного воздуха, очищенного от пыли и нормальной влажности. При этом нагретый воздух вытесняется из прибора естественно через выходные отверстия.
Вытяжная вентиляция осуществляется вытяжкой нагретого воздуха из прибора со свободным замещением его более холодным. При этом воздух, поступающий снаружи, должен быть очищен от пыли, для чего входные отверстия покрывают пылезащитным фильтром. Этот вид вентиляции по сравнению с предыдущей более эффективен, так как вентилятор работает в среде более холодного, а следовательно, более плотного воздуха. Приточно-вытяжная вентиляция осуществляется нагнетанием в прибор охлажденного воздуха с одновременной вытяжкой из него нагретого воздуха. Этот способ более эффективен, но сложен по исполнению.
Недостатками методов охлаждения (принудительного) является использование вентиляторов, что увеличивает габариты и вес конструкции, увеличивает ее сложность.
Жидкостное охлаждение используется в тех случаях, когда необходимо интенсифицировать теплоотвод при одновременном снижении уровня шума.
Жидкий хладоген имеет более высокий коэффициент теплоотдачи, т.е. его скорость может быть снижена, что влечет за собой снижение уровня шума. Однако поглощение выделенной теплоты окружающей средой требует применение жидкостно-воздушного теплообмена, создающего шум, но расположенного вне охлаждаемого объекта. Уровень шума можно уменьшить, используя теплообменник типа жидкость-жидкость. Хладоген в жидкостных системах может быть изолирован от охлаждаемых элементов и транспортироваться с помощью трубопроводов, либо непосредственно омывать охлаждаемый элемент.