РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ

 

По условиям технического задания Корпус представляет собой параллелограмм со скругленными углами и краями, что соответствует требованиям эстетики и дизайна. Цвет устройства – белый. Эти цвета наименее утомляют. Размеры корпуса – минимальные. Выполняем условие компактности.

Прибор будет работать в тропическом климате, предполагается наличие в воздухе повышенной влажности и паров агрессивных веществ, а именно морской соли. Воздействие этих веществ на материалы и компоненты РЭА может привести к постепенным и внезапным отказам РЭС. Увлажнение органических материалов сопровождается увеличением диэлектрической проницаемости и увеличением потерь, уменьшением объемного сопротивления, электрической и механической прочностью и т.д. [4] Это обстоятельство обусловило выбор материала корпуса и применение герметизации.

Для защиты устройства от воздействия влаги и соли из внешней среды необходимо выполнить герметизацию корпуса. Герметичные конструкции можно разделить на два вида монолитные и полые. Монолитные оболочки составляют неразрывное целое с защищаемым узлом. Существуют монолитные пленочные и монолитные оболочки из органических материалов, выполняющих функции несущих конструкций.

Полые влагозащитные оболочки позволяют освободить защищаемые компоненты от механического контакта с оболочкой, то обеспечивает работу в более широком диапазоне температур и исключает химическое взаимодействие оболочки и защищаемого компонента. Полые оболочки, особенно из неорганических материалов обеспечивают более высокую надежность влагозащиты [4].

Проанализировав вышесказанное был выбран тип герметизации полой оболочкой, а именно необходимо предусмотреть прокладки в местах соединения собираемых деталей корпуса.

Наилучшим, на мой взгляд, материалом для изготовления корпуса будет металл или сплав, так как именно из металла можно изготовить наиболее точный и корпус, который к тому же будет обладать достаточной механической прочностью. Также применение металлических частей корпуса, позволит лучше сдавить резиновую прокладку между частями корпуса, что дополнительно повысит качество герметизации.

Разрабатываемый прибор относится к группе переносной РЭА, что говорит о том, что его можно будет транспортировать или переносить в те или иные места. Корпус прибора при этом должен быть эргономичным, удобным для переноски и легким. Наиболее легкими являются магний и его сплавы (плотность ρ = 1,74 г/см³ [5]), однако стоимость магния довольно большая. Магний с успехом можно заменить алюминием, к тому же алюминиевые сплавы наиболее часто применяются в качестве материалов для изготовления корпусов. Однако плотность алюминия немного побольше (ρ = 2,7 г/см³ [5]), поэтому корпус получится немного тяжелее, однако это окупится меньшей себестоимостью готового изделия, особенно в условиях массового производства.

Сплавы алюминия делятся на деформируемые (когда корпус изготавливается штамповкой) и литейные (корпус производится отливкой). Для синтезатора частоты выбран литейный сплав АЛ2 ГОСТ 2685-75 [5], так как этот сплав наиболее дешев и широко применяется при производстве РЭА.

Методом литья создаются две отливки основание и крышка корпуса, далее эти детали подвергаются термической обработке Т1 ГОСТ 2685-75 [5], что повышает пластичность сплава и как следствие улучшает обработку резанием.

Для уменьшения коррозии в условиях морского климата основание и крышку корпуса необходимо покрыть краской. Для этих целей п\хорошо подходит краска П-ЗП-219 ТУ 6-10-1597-76 цвет белый. Слой наносится толщиной от 50 до 80 мкм.

После полного высыхания краски над отверстиями предназначенными для органов индикации и управления необходимо нанести поясняющие надписи в соответствии с рисунком 1. Надписи наносятся краской БМ черной, ТУ029-02-859-78. Шрифт 5 по ГОСТ 2.304-81, тип А без наклона.

 

Рисунок 3.1 Внешний вид лицевой панели, с обозначающими надписями

 

Размеры корпуса 116 х 156 х 37 мм. Эти размеры в первую очередь обусловлены размером печатной платы (130 х 90 мм см. чертеж печатной платы в приложении В). Внутри стенки корпуса проходят на расстоянии 10 мм от краев платы. Это сделано для удобства ремонта устройства, в случае выхода его из строя и монтажа разъемов. Высота корпуса обусловлена высотой печатной платы, а также необходимостью монтажа на верхнюю крышку тумблеров и светодиода.

Расположение корпуса – горизонтальное. Так как размеры корпуса небольшие и он изготовлен из прочного материала, то в применении ножек или амортизаторов нет необходимости. Это подтверждает и расчет на механические воздействия, который приведен ниже.

Материал, из которого изготавливаем печатную плату – стеклотекстолит фольгированный двухсторонний. Марка СФ-2-35Г-1,5 ГОСТ 103160 – 78 [6]. Этот материал выбрали исходя из малой его стоимости, высокой жесткости (1,5 мм). Из-за того, что у нас сложная схема, то выбираем двухстороннюю печатную плату.

Метод изготовления печатной платы комбинированный позитивный, так как необходимы металлизированные отверстия. У этого метода высокая разрешающая способность фоторезиста.

Пайка ЧИП элементов осуществляется оплавлением в печи припоя ПОС 61 ГОСТ 21931 – 76 [6]. Пайка навесных компонентов осуществляется паяльником тем же припоем.

Крепление готовой и настроенной платы внутри корпуса осуществляется в четырех точках расположенным по углам платы винтами М3-6g×6 ГОСТ 1476-84.

После закрепления платы внутри основания на верхнюю его часть прикрепляется крышка четырьмя винтами М3-6g×12,5 ГОСТ 1476-84, предварительно между крышкой и основанием необходимо положить прокладку из резины СКС-30 ГОСТ 2915-75 [5], чертеж которой приведен в приложении Г.

Монтаж внутри корпуса прибора осуществляется проводом МГТФ 0,1 ТУ16505185-71. [6]

В заключение хочется отметить то, что некоторые моменты при разработке конструкции могут быть изменены при изготовлении опытного образца конструкции. Так например при изготовлении мной данного синтезатора выяснились некоторые недоработки схемы и разводки авторской платы.

4. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

 

4.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

 

Исходные данные для расчета:

К - коэффициент заполнения, принимаем К = 2;

Суммарная площадь занимаемая радиоэлементами на плате (таблица 1.1),

 

S_Σ = 1686,4 мм²;

 

 - суммарный объем всех ЭРИ, установленных на плате (таблица 1.1), ;

 - суммарная масса всех ЭРИ, установленных на плате, (таблица 1.1), ;

 

Находим общую площадь платы:

 

 мм², (4.1)

 мм².

 

Согласно ГОСТ 10317-79 принимаем размеры платы 130 x 90 мм (S_ПП = 11700 мм²).

В итоге выразив коэффициент заполнения платы из формулы (4.1) получаем:

 

K = S_ПП/S_Σ                                                                                                                                   (4.2)

K = 11700/5059 = 2,31

Коэффициент заполнения устройства по объему:

 

 ,         (4.3)

 

где  - объем проектируемого устройства, мм³ (габаритные размеры корпуса 116 х 156 х 37 мм³ определены в п.3 Разработка конструкции изделия);

 

.

 

Объемная плотность устройства:

 

,      (4.4)

 (г/мм³).

 

4.2 Расчёт элементов печатного монтажа

 

Выбирается двусторонняя печатная плата с металлизацией сквозных отверстий из стеклотекстолита СФ-2-35Г-1,5 ГОСТ 10316-78 толщиной 1,5 мм (толщина фольги – 0,035 мм). ДПП с металлизацией переходных отверстий отличается высокой трассировочной способностью, обеспечивает высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления, она допускает монтаж элементов на поверхности и является наиболее распространенной в производстве радиоэлектронных устройств.

Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы. В первую очередь это относится к минимальной ширине проводников, минимальному зазору между элементами проводящего рисунка и к ряду других параметров.

По ГОСТ 23.751-86 предусматривается пять классов точности печатных плат, которые обусловлены уровнем технологического оснащения производства. Принимаем класс тонности – четвертый. Метод изготовления печатной платы – позитивный комбинированный.

Диаметры выводов для переходных отверстий равны 0,3 мм – 1-я группа; для элементов DA1…DA3, DD3 и проводов равны 0,7 мм – 2-я группа; для элементов C19, C24, R30 1,1 мм – 3-я группа. Произведем расчет печатного монтажа с учетом созданных групп.

Расчет печатного монтажа состоит из трех этапов: расчет по постоянному и переменному току и конструктивно-технологический.

Исходные данные для расчёта:

1. I_max — максимальный постоянный ток, протекающий в провод­никах (определяется из анализа электрической схемы), I_max = 0,057 A;

2. Толщина фольги, t = 35 мкм;

3. Напряжение источника питания, U_ип = 12 В;

4. Длина проводника, l = 0,1 м;

5. Допустимая плотность тока, j_доп = 75 А/мм²;

6. Удельное объемное сопротивление ρ = 0,0175 Ом·мм²/м;

7. Способ изготовления печатного проводника: комбинированный позитивный;

Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводни­ка по постоянному току для цепей питания и заземления:

 

, (4.5)

где b_min1 - минимальная ширина печатного проводника, мм;

j_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

t – толщина проводника, мм;

 

 мм.

 

Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

 

 , (4.6)

 

где ρ — удельное объемное сопротивление [7], Ом·мм²/м;

l — длина проводника, м;

U_доп— допустимое падение напряжения, определяется из анализа электрической схемы. Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем.

 

 мм.

 

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

 

, (4.7)

 

где d_э — максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

Δd_н.о — нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, Δd_н.о = 0,1 мм;

r — разница между минималь­ным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах от 0,1 до 0,4 мм. Примем r = 0,1 мм.

 

d1 = 0,4+0,1+0,1 = 0,6 мм;

d2 = 0,7+0,1+0,1 = 0,9 мм;

d3 = 1,1+0,1+0,1 = 1,3 мм;

 

Рассчитанные значения d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Принимаем для выводов 1-й группы d1 = 0,6 мм; для второй - d2 = 0,9 мм; для третей d3 = 1,3 мм.

Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, мм:

 

,                            (4.8)

 

где t — толщина фольги, мм; D_1min— минимальный эффективный иаметр площадки, мм:

 

,                 (4.9

 

где b_м — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, [7], b_м=0,025мм;

Δd и Δр — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [7], δd=0,05мм и δр=0,15 мм;

d_max — максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

 

,                         (4.10)

где Δd — допуск на отверстие, мм, [7], Δd=0,05мм

Для 1-й группы:

 

 мм;

 мм;

 мм.

 

Для 2-й группы:

 

 мм;

 мм;

 мм.

 

Для 3-й группы:

 

 мм;

 мм;

 

Максимальный диаметр контактной площадки D_max, мм:

 

,                         (4.11

 

Для 1-й группы:

 

мм.

 

Для 2-й группы:

мм.

 

Для 3-й группы:

 

мм.

 

Определяем ширину проводников b_min, при изготовлении комбинированным позитивным методом, мм:

 

,                              (4.12)

 

где b_1min — минимальная эффективная ширина проводника b_1min=0,15 мм для плат 3-го класса точности.

 

 мм.

 

Принимаем b_min = max{b_min1, b_min2, b_min3} = 0,23 мм

Максимальная ширина проводников, мм:

 

                              (4.13)

мм.

 

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм:

 

,           (4.14)

где L₀ — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L₀ = 1,1 мм;

 — допуск на расположение проводников, мм, =0,03.

 

мм

 

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:

 

,                         (4.15)

мм

 

Минимальное расстояние между двумя проводниками, мм:

 

,                             (4.16)

мм.

 

Контактные площадки для поверхностно монтируемых элементов выбираются исходя из их установочных размеров. Для резисторов размеры контактных площадок 0,8×2 мм;

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 4го класса точности. Имеем диаметр отверстия/диаметр контактной площадки (мм) для элементов 1-й группы 0,6/1,25; для элементов 2-й группы – 0,9/1,55; для элементов 3-й группы – 1,3/1,95;. Принимаем ширину печатного проводника равной 0,24 мм, минимальные расстояния между: проводником и контактной площадкой – 0,17 мм; двумя контактными площадками - 0,1 мм; двумя проводниками - 0,42мм.

4.3 Расчет теплового режима

 

Исходные данные.

Длина блока L1,м - 0,116;

Ширина блока L2, м – 0,156,;

Высота блока L3,м - 0,37;

Коэффициент заполнения Kз - 0,021;

Мощность рассеиваемая в блоке Pз, Вт – 1;

Давление среды H1i=H2i, мм.рт.ст - 770;

Мощность рассеивания нагруженным элементом Pэл., Вт – 0,2;

Площадь элемента, м² – 9*10^-3;

Температура элемента Тэ.эл., К – 343;

Температура среды Тв., К –318.

 

Рассчитывается поверхность корпуса блока:

 

, (4.17)

 

где  и  - горизонтальные размеры корпуса аппарата, м.

 - вертикальный размер, м.

 

.

 

Определяется условная поверхность нагретой зоны:

 

, (4.18)

 

где - коэффициент заполнения корпуса аппарата по объему,

 

Определяется удельная мощность корпуса блока:

 

 , (4.19)

 

где Р - мощность, рассеиваемая в блоке, Вт.

 

 

Определяется удельная мощность нагретой зоны:

 

, (4.20)

.

 

Находится коэффициент  в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

 

 , (4.21)

 

Находится коэффициент  в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

 

 , (4.22)

 

Находится коэффициент  в зависимости от давления среды вне корпуса блока :

 

 , (4.23)

 

где - давление окружающей среды в Па.

 

.

 

Находится коэффициент  в зависимости от давления среды внутри корпуса блока :

 

 , (4.24)

 

где - давление внутри корпуса аппарата в Па.

 

.

 

Определяется перегрев корпуса блока:

 

, K,         (4.25)

.

Рассчитывается перегрев нагретой зоны:

 

, К,                      (4.26)

.

 

Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

 

, К,                     (4.27)

.

 

Определяется удельная мощность элемента:

 

 , Вт/ ,             (4.28)

 

где - мощность, рассеиваемая теплонагруженным элементом (узлом), температуру которого требуется определить, Вт;

 - площадь поверхности элемента (вместе с радиатором), омываемая воздухом, .

 

.

 

Рассчитывается перегрев поверхности элементов:

 

, К,                   (4.29)

.

Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:

 

, К,  (4.30)

.

 

Определяется температура корпуса блока:

 

, K,         (4.31)

 

где  - температура среды, окружающей блок , К.

 

.

 

Определяется температура нагретой зоны:

 

 , K, (4.32)

.

 

Находится температура поверхности элемента:

 

 , К,      (4.33)

.

 

Находится средняя температура воздуха в блоке:

 

 , K,  (4.34)

.

 

Находится температура среды, окружающей элемент:

 

 , К,                (4.35)

.

 

После анализа данных полученных в результате расчета: Т_э.эл> Т_в (343 > 320 K), Т_э.эл> Т _эс (343 > 321 K) , Т_э.эл> Т _з (343 > 321,4 K), подтверждается, что тепловой режим блока соблюдается и даже самый теплонагруженный элемент будет работать при самых жестких условиях эксплуатации нормально.

 

4.4 Расчет надежности

 

Исходными данными для данного расчета является схема электрическая принципиальная синтезатора частоты (документ СЕИ.758721.001 Э3), а также перечень элементов (документ СЕИ.758721.001 ПЭ3).

Время наработки на отказ t_з = 20000 ч.

Коэффициенты электрической нагрузки элементов РЭУ:

Активные: 0,6

Резисторы: 0,7

Конденсаторы: 0,8

Другие: 0,8

В данном расчете учитываются электрический режим и условия эксплуатации элементов, кроме того, принимаются во внимание конструктивные элементы устройства.

1. Используя справочные данные [8], определяем поправочные коэффициенты (учитывающие влияние температуры и коэффициента нагрузки-α_1,2; влияние механических воздействий- α₃; влияние относительной влажности- α₄; влияние атмосферного давления- α₅; вносим их в таблицу. Подсчитываем суммарный поправочный коэффициент:

 

α_Σ = α_1,2 ∙ α₃∙ α₄ ∙ α₅, (4.36)

 

Результаты расчета занесены в таблицу 4.1.

 

Таблица 4.1 – Суммарный поправочный коэффициент

Элемент	Коэффициенты				αΣ
	α1,2	α3	α4	α5
Конденсатор	0,60	1,37	1,00	1,00	0,822
Конденсатор подстроеный	0,60	1,37	1,00	1,00	0,822
Резистор	1,20	1,37	1,00	1,00	1,644
Резистор подстроечный	1,20	1,37	1,00	1,00	1,644
Катушка индуктивности	2,90	1,37	1,00	1,00	3,973
Транзистор кремниевый маломощный	1,00	1,37	1,00	1,00	1,37
Диод кремниевый маломощный	0,60	1,37	1,00	1,00	0,822
Варикап	0,60	1,37	1,00	1,00	0,822
Микросхема цифровая	2,20	1,37	1,00	1,00	3,014
Микросхема аналоговая	2,20	1,37	1,00	1,00	3,014
Резонатор кварцевый	0,60	1,37	1,00	1,00	0,822
Тумблер	2,20	1,37	1,00	1,00	3,014
Разьем	2,20	1,37	1,00	1,00	3,014
Светодиод	0,60	1,37	1,00	1,00	0,822
Провод монтажный	0,80	1,37	1,00	1,00	1,096
	α1,2	α3	α4	α5
Соединение пайкой	0,70	1,37	1,00	1,00	0,959
Плата печтная	0,50	1,37	1,00	1,00	0,685

 

2. Определяем суммарную интенсивность отказов элементов с учетом коэффициентов электрической нагрузки и условий их работы в составе устройства [8]:

, (4.37)

 

где λ_0j – справочное значение интенсивности отказов элементов j-й группы, j = 1,…, k.

 

, (4.38)

 

где λ_j(ν) – интенсивность отказов элементов j-й группы с учетом электрического режима и условий эксплуатации;

n_j – количество элементов в j-й группе; j=1,…, k;

k – число сформированных групп однотипных элементов;

Результаты расчета занесены в таблицу 4.2.

 

Таблица 4.2 – Определение суммарной интенсивности отказов элементов с учетом коэффициентов электрической нагрузки и условий их работы

Наименование	Позиционное обозначение	αΣ	λ0j×10-6, 1/ч	λj(v)×10-6, 1/ч	nj	λj(v)•nj
						×10-61/ч
Конденсатор	С1…С18, С25…С44	0,822	0,05	0,0411	42	1,7262
Конденсатор подстроеный	С19, С24	0,822	0,1	0,0822	2	0,1644
Резистор	R1…R29, R31…R65	1,644	0,05	0,0822	64	5,2608
Резистор подстроечный	R30	1,644	0,5	0,822	1	0,822
Катушка индуктивности	L1	3,973	0,2	0,7946	1	0,7946
Транзистор кремниевый маломощный	VT1…VT8	1,37	0,4	0,548	8	4,384
Диод кремниевый маломощный	VD1, VD2, VD7	0,822	0,2	0,1644	3	0,4932
Варикап	VD3…VD6	0,822	0,2	0,1644	4	0,6576
Микросхема цифровая	DD1…DD3	3,014	0,6	1,8084	3	5,4252
Микросхема аналоговая	DA1…DA4	3,014	0,65	1,9591	4	7,8364
Резонатор кварцевый	ZQ1	0,822	0,6	0,4932	1	0,4932
Тумблер	SA1…SA4	3,014	0,4	1,2056	4	4,8224
Разьем	XS1	3,014	0,2	0,6028	1	0,6028
Светодиод	VD8	0,822	0,2	0,1644	1	0,1644
Провод монтажный		1,096	0,3	0,3288	18	5,9184
Соединение пайкой		0,959	0,06	0,05754	377	21,69258
Плата печтная		0,685	0,2	0,137	1	0,137
Итого						61,40

 

λ_Σ (v)= 6,1·10^-5 1/ч.

 

3. Рассчитываем значение времени наработки на отказ:

 

, (4.39)

 ч.

 

4. Вычисляем вероятность безотказной работы устройства P(tз) в течении заданного времени tз = 20000 ч:  

 

, (4.40)

 

Т.е. с вероятностью 0,3 данный блок РЭС будет функционировать безотказно в течение 20000 часов.

5. Среднее время безотказной работы устройства (средняя наработка на отказ):

 

Т_ср = Т₀ = 16400 ч.

6. Вычисляем гамма-процентную наработку до отказа при :

 

, (4.41)

 ч.

 

t, ч

P

Рисунок 4.1 – График зависимости вероятности безотказной работы от времени

 

4.5 Расчет на механические воздействия

 

Исходные данные для расчета:

- возмущающая частота f, 10…30 Гц;

- толщина платы h, 0,0015 м;

- модуль упругости Е, 3,2·10¹⁰ Па;

- коэффициент Пуассона ν, 0,28;

- декремент затухания Λ, 500;

- виброускорение а₀(f), 19,6 м/с².

1. Найдем частоту собственных колебаний равномерно нагруженной пластины (печатной платы), закрепленной в четырех точках. [7]

Цилиндрическая жесткость пластины, Н·м:

 

,                                       (4.42)

 Н^.м;

 

Общий коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины:

 

                             (4.43)

 

где k, a, b, g - коэффициенты, учитывающие способ закрепления сторон пластины (для пластины, закрепленной в четырех точках k=9.87, a=1, b=2, g=1 [7]);

a, b – длинна и ширина пластины соответственно (0,13×0,09), м;

 

;

 

Частота собственных колебаний пластины, Гц:

 

,                       (4.44)

где Μ — масса пластины с элементами, кг (около 0,18 кг.);

, Гц;

 

2. Коэффициент расстройки:

 

                                          (4.45)

 

где f — частота возбуждения, Гц;

 

;

 

3. Показатель затухания:

 

                                           (4.46)

 

где Λ - декремент затухания;

 

;

 

4. Коэффициент передачи по ускорению является функцией координат и может быть определен по формуле:

 

     (4.47)

где Κ₁(x), Κ₁(y) - коэффициенты для различных условий закрепления краев пластины (для пластины с обоими опертыми краями Κ₁(x),=Κ₁(y)=1,3 в точке максимального прогиба - по центру пластины);

 

;

 

5. Амплитуда виброперемещения основания, м:

 

,                          (4.48)

 м;

 

6. Амплитуда виброперемещения, м:

 

,                      (4.49)

, м;

 

7. Амплитуда виброускорения, м/с²:

 

,                       (4.50)

 м/с²;

 

8. Максимальный прогиб пластины относительно ее краев. Для кинематического возбуждения, м:

 

,                          (4.51)

, м;

 

9. Проверяем выполнение условия вибропрочности. Оценка вибропрочности производится по следующим критериям: для ИС, транзисторов, резисторов и других ЭРЭ амплитуда виброускорения должна быть меньше допустимых ускорений для данной элементной базы [7] т.е.:

 

, м/с²                                  (4.52)

19,6 м/с²;

 

Для ПП с радиоэлементами должно выполняться у