книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

Сопротивление провода с учетом поверхностного эффекта, Ом, вы­ числяется по формуле

Rf = kR,

где R — сопротивление по постоянному току; к — коэффициент (табл. 5.9). Значение X определяется из выражения X = 0,064 yj f / R.

Заземление корпуса ЭА служит для предохранения обслуживающего персонала от поражения электрическим током при прикосновении к метал­ лическим деталям конструкции, а также для защиты ЭА от воздействия по­ мех, создаваемых размещенным по соседству оборудованием. Заземлению не подлежит аппаратура, работающая при безопасном напряжении, имею­ щая двойную или усиленную изоляцию, а также надежный контакт с корпу­ сом объекта установки.

Реальной землей летательного аппарата, судна на плаву является ме­ таллический корпус, при неметаллическом корпусе — магистральная шина заземления или металлические конструкции, имеющие надежное электриче­ ское соединение между собой.

Заземление корпуса осуществляется системой проводов или одним общим проводом и обеспечивает электрическое объединение всех металли­ ческих элементов конструкции модулей, доступ к которым возможен при наладке, регулировке и ремонте, с заземлителем. Заземлителем называют проводник или систему проводников, выполненных из проводящего мате­ риала и находящихся в непосредственном соприкосновении с почвой, ней­ тралью первичной питающей сети, располагаемой обычно около фундамен­ та здания, либо с внешней поверхностью фюзеляжа летательного аппарата, обшивкой судна и т. п. Заземление корпуса должно гарантировать сохране­ ние потенциала нейтрали на элементах конструкции при нарушении изоля­ ции провода распределительной системы электропитания и касания этим проводом металлических конструкций. Система блокировки при подобной ситуации отключает аппаратуру от питающего напряжения и защищает пер­ сонал от поражения электрическим током.

172

5.6, Электрические контакты

5.6. Электрические контакты в ЭА

В ЭА используются временные, постоянные и полупостоянные элек­ трические контакты. К временным следует отнести разъемное и винтовое соединение, к постоянным — сварку, полупостоянным — паяное соедине­ ние, соединение накруткой и опрессовкой.

Разъемные соединения обеспечивают быструю установку и удаление элементов конструкции и используются для повышения ремонтопригодно­ сти аппаратуры.

Винтовое соединение является основным видом соединения проводов к электрическим машинам и приборам и позволяет коммутировать провода независимо друг от друга. Медные проводники малых сечений изгибают в кольцо под винт, а чтобы не расходились жилы многожильных проводов, пропаиваются или опрессовываются кольцевыми наконечниками. Материа­ лы проводников и винта различны. Предотвращение возможного ослабле­ ния контактного давления при циклических температурных воздействиях и вибрациях возможно введением под винт пружинной шайбы или шайбызвездочки.

Соединение пайкой осуществляется расплавленным припоем с темпе­ ратурой плавления ниже температуры плавления соединяемых проводников.

Сварочное соединение обладает высокой механической прочностью, способностью выдерживать циклические температурные воздействия, обес­ печивает высокую плотность монтажа и рекомендуется для применения при разработке микроминиатюрной аппаратуры. При выполнении соединений сварочными токами можно повредить МС, диоды, транзисторы.

Соединение накруткой получают без разогрева материалов путем на­ кручивания под натягом вокруг жесткого вывода нескольких витков одно­ жильного провода. В сечении вывод представляет квадратную или прямо­ угольную форму с острыми углами. Материал вывода должен быть доста­ точно прочным, чтобы противостоять скручивающим усилиям, обладать хорошим сопротивлением на сминание накручиваемым проводом и низким омическим сопротивлением. Подобными свойствами обладают фосфористая

ибериллиевая бронзы. В качестве материала проводника используется от­ носительно мягкий и пластичный материал, сохраняющий форму накрутки. Соединение обеспечивает высокую надежность при жестких механических

иклиматических воздействиях. Основными причинами отказа соединения является ухудшение переходного сопротивления из-за коррозии соединения

ипоявления усталостных явлений в накрученном проводе.

При опрессовке два провода со снятой с концевых частей изоляцией вводят в соединительную металлическую трубчатую гильзу, которая меха­ нически обжимается, в результате чего между проводами через гильзу будет

173

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

иметь место электрический контакт. Надежность соединения во многом за­ висит от соотношения размеров гильзы и диаметра провода, усилия обжатия и герметизации места соединения. Размеры и материал гильзы для каждого случая соединения тщательно подбираются экспериментально.

Сравнение способов выполнения электрических контактов проводится на основе анализа основных свойств и параметров контакта. Использование пайки и накрутки позволяет автоматизировать производство электромон­ тажных работ. Пайка и сварка обеспечивает высокую плотность монтажа. Сравнительная оценка способов контактирования, выполненная относи­ тельным методом, когда наилучшему соединению по определенному свой­ ству присваивается единица, а наихудшему — четыре, приведена в табл. 5.10. За исключением быстроты выполнения соединений по всем прочим свойствам разъемный контакт и контакт «под винт» проигрывают постоян­ ным и полупостоянным способам контактирования.

Таблица 5.10. Оценка способов соединения электрических контактов

В ЭА используют соединения многих разнородных материалов: се­ ребро, палладий, золото — в контактах соединителей, медь и ее сплавы — для проводов, клемм, гнезд и штырей соединителей; оловянно-свинцовые припои в соединениях; цинк, никель, кадмий — для защитных покрытий крепежа и т. д. В местах соединений разнородных материалов возникают термоэлектрические потенциалы, зависящие как от материалов, так и тем­ пературы в соединении. Разница температур в различных частях конструк­ ции может привести к погрешностям из-за наличия термоэлектрических по­ тенциалов электрических соединений в высокочувствительных низкоуров­ невых схемах с высокими коэффициентами усиления. Основными принципами уменьшения погрешностей термоэлектрических потенциалов являются минимизация числа соединений, использование материалов с низ­ кой термоэлектрической способностью. Наличие окислов на проводах, со­ единяемых накруткой, в значительной степени увеличивает термоэлектри­ ческую способность соединений (до 0,9 мкВ/°С). Поэтому с проводов перед накруткой должны тщательно удаляться окислы.

174

5.6. Электрические контакты

Выбор электрических соединителей. Электрический соединитель должен выдерживать более жесткие внешние климатические и механиче­ ские воздействия, чем аппаратура, в которую соединитель устанавливается. Запас по внешним воздействиям обеспечит его надежную работу в процессе эксплуатации. Чем больше контактов соединителя, тем меньше параметры надежности, приходящиеся на один контакт. Поэтому при отсутствии жест­ ких ограничений на габариты и массу ЭА можно рекомендовать вместо од­ ного устанавливать несколько соединителей с суммарным числом контак­ тов, равным числу контактов внешних цепей изделия.

Цилиндрические соединители по сравнению с прямоугольными обес­ печивают более надежную заделку жгута, имеют большую надежность и стабильность параметров. Однако монтаж прямоугольных соединителей за счет линейного расположения выводов более удобен, габариты по сравне­ нию с цилиндрическими соединителями с равным числом контактов меньше.

При конструировании аналоговой аппаратуры необходимо помнить, что в цепях с низкими уровнями сигналов существенное влияние на надеж­ ную работу ЭА оказывают помехи термоэлектрических потенциалов кон­ тактных пар.

Для конструктивных модулей всех уровней ЭА конструктор разраба­ тывает определенный способ коммутации. При этом, как правило, модули снабжаются соединителями, которые по назначению можно классифициро­ вать как соединители разных уровней коммутации.

Коммутация на плате МС и ЭРЭ выполняется, как правило, паяными соединениями. Недостаток этого способа состоит в том, что для многовы­ водных компонентов затрудняется демонтаж, возникает необходимость в использовании специальной оснастки, например паяльников для групповой пайки. Улучшение ремонтопригодности и снижение эксплуатационных за­ трат возможно применением в конструкции соединителей первого уровня коммутации. Соединители МС распаиваются на печатной плате, затем в них устанавливают МС. Электрический контакт выводов соединителя с вывода­ ми МС обеспечивается за счет холодного контактирования металлов.

Соединители второго уровня коммутации обеспечивают электриче­ ское соединение ТЭЗ между собой на шасси или объединительной печатной панели.

Соединители третьего уровня осуществляют коммутацию приборов, блоков, рам и стоек.

В зависимости от назначения различают соединители кабельные, при­ борно-кабельные и приборные. Кабельный соединитель служит для комму­ тации кабелей приборов. Вилочная и розеточная части соединителя не за­ крепляются на приборах, а фиксируются на кабелях. В приборно-кабельных соединителях один из элементов (обычно вилка) закрепляется на приборе,

175

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

вторым же элементом соединителя (розеткой) заканчивается кабель и фак­ тически происходит коммутация кабеля с прибором. В приборных соедини­ телях осуществляется коммутация частей приборов между собой. При этом вилка (или розетка) закрепляется на модуле, а ответная часть соединителя — на корпусе прибора. Фиксируемые на приборах соединители снабжаются фланцами или специальными элементами закрепления.

Соединение вилки с розеткой бывает врубным, резьбовым и байонет­ ным. Врубное соединение обеспечивается простым вставлением вилки в ро­ зетку, иногда с фиксацией сочлененного состояния замком. Резьбовое со­ единение кабельных и приборно-кабельных соединителей выполняется, резьбовой накидной гайкой, после завинчивания которой на требуемое чис­ ло витков происходит коммутация и фиксация пар штырь-гнездо. Байонет­ ное соединение обеспечивается пазом и выступом, вводимым в конструк­ цию вилки и розетки. При попадании выступа в паз и легком нажатии осу­ ществляется скольжение выступа в пазе и западание (фиксация) в углубление.

Резьбовые соединители обеспечивают высокую надежность электри­ ческих соединений в условиях жестких механических воздействий. Накид­ ная гайка соединителя предохраняется от самоотвинчивания проволокой малого диаметра. Врубное соединение позволяет быстро сочленятьрасчпенять соединитель, но такие соединители имеют низкую надежность в условиях воздействия ударов и вибраций. Байонетное соединение занимает промежуточное положение между врубным и резьбовым.

Корпус соединителя служит для закрепления на нем изолятора с кон­ тактами, защиты соединителя от внешних воздействий, в том числе и для защиты контактов соединителя от касания телом или одеждой, крепления соединителя к несущей конструкции модуля или кабеля к соединителю, а также фиксации сочлененного состояния. Корпус соединителя бывает пря­ мой и угловой. Выбор формы корпуса определяется ориентацией частей прибора друг относительно друга. Правильный выбор корпуса может упро­ стить эксплуатацию и уменьшить габариты прибора.

Соединитель выбирают исходя из назначения, предполагаемого спо­ соба монтажа (при этом фактически оговариваются требования к конструк­ ции хвостовика контакта соединителя), необходимого числа коммутируе­ мых цепей, электрических и электромеханических параметров, внешних климатических и механических воздействий, надежности, конструктивных особенностей соединителя.

К электрическим параметрам соединителей относятся максимальная рабочая частота, контактное сопротивление, рабочие токи и напряжения, сопротивление и электрическая прочность изоляции; к электромеханиче­ ским — усилие сочленения соединителя. Для удобства при эксплуатации усилие сочленения должно быть минимальным. Однако при воздействии

176

5.6. Электрические контакты

Рис. 5.23. Неоднородная линия передачи и потоки элек­ тромагнитной энергии в линии

ударов и вибраций возникает опасность изменения контактного сопротивле­ ния, появление виброшумов и шорохов на контактах, нарушение контакта.

Для аппаратуры низкого и среднего быстродействия из электрических параметров наиболее важными являются максимальные коммутируемые токи и напряжения. Однако при работе на высоких частотах возникает про­ блема согласования волновых сопротивлений коммутируемых цепей и кон­ тактных пар соединителей. Несогласованность приводит к искажению пере­ даваемых сигналов, увеличению времени переходных процессов в цепях передачи сигналов.

Представленный на рис. 5.23 разъемный контакт с волновым сопро­ тивлением Z0. соединяет в единую цепь две цепи линии передачи с волно­ вым сопротивлением Z0ji. Данную ЛП следует рассматривать как неодно­ родную. Электромагнитная волна, распространяясь по линии и встречая не­ однородности, частично отражается и возвращается к началу линии. Отражения приводят не только к ослаблению передаваемого сигнала. Об­ ратный поток электромагнитной энергии затрудняет согласование линии передачи с нагрузкой, а попутный поток искажает форму передаваемого сигнала.

Интенсивность отказов электрического соединителя рассчитывается по формуле

X = k.k7X_ + л.Х_,

где к\, кг — коэффициенты, учитывающие соответственно влияние объекта установки и число задействованных контактных пар соединителя; Хкп — интенсивность отказов контактной пары; п3 — число задействованных

177

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

контактных пар соединителя; Xq, — интенсивность отказов с учетом числа Лер выполненных сочленений-расчленений соединителя.

Соединители в зависимости от рабочего температурного диапазона классифицируют по группам — А, В, С или D. По графику, приведенному на рис. 5.24, оценивается интенсивность отказов контактной пары Хи, соедини­ теля в зависимости от температуры внутри изделия и с учетом нагрева кон­ тактной пары коммутируемым током (рис. 5.25).

Коэффициентами к\ и к2 корректируют Хи, в сторону увеличения в за­ висимости от объекта установки (табл. 5.11) и числа задействованных кон­ тактных пар соединителя

к2 = — ехр у/Ь,\(п-\),

п

где п — число контактных пар соединителя.

Таблица 5.11. Коэффициенты влияния объекта установки на надежность электрических соединителей

178

5.6. Электрические контакты

Величина Х^, 1/ч, вычисляется из выражения

Х^ = 0,001 ехр(0,01 Лер)1 (Г6,

где Лер — число сочленений-расчленений соединителя за 1000 ч эксплуатации.

Пример. Рассчитать интенсивность отказов соединителя на 10 контактных пар (все контактные пары задействованы). Рабочий температурный диапазон соеди­ нителя В, диаметр штыря контакта 0,5 мм, ток на контакт 5 А. Соединитель устанав­ ливается в наземную стационарную аппаратуру с температурой окружающей среды +25 °С. Предполагаемое число сочленений-расчленений соединителя 200.

Решение:

•изделие отнесем к лабораторному оборудованию;

•в худшем случае к\ = 10 (см. табл. 5.11), к2= ехр ^0,1(10-1) = 2,58;

•из графика, представленного на рис. 5.28, при токе на контакт 5 А перегрев штыря контактной пары диаметром 0,5 мм будет 18 °С, а температура контактной пары — 43 °С;

•из графика, изображенного на рис. 5.24, для соединителя группы В при

температуре контактной пары в 43 °С Х^ « 0,0013 *КГ6 1/ч;

• Хер = 0,001ехр(0,01wcp)10-6 1/ч = 0,0074 • 10-6 1/ч;

• интенсивность отказов соединителя X = 10 • 2,58 • 0,0013 • 10"6 + + 10 • 0,0074 • 10-6 = 0,107 • 10"* 1/ч.

В заключение следует отметить, что электрические соединители яв­ ляются электромеханическими устройствами и чаще всего самым слабым звеном в ЭА. Причинами ненадежности в работе надежных соединителей является их неправильная установка, некачественный монтаж, плохое об­ служивание, пыль и грязь. Важнейшее требование к соединителю — проч­ ность и адекватность конструкции изделия, на которое соединитель уста­ навливается. При установке соединителя на панель или корпус изделия по­ следние должны обладать достаточной жесткостью, чтобы предотвратить передачу механических воздействий на соединитель и жгут.

Контрольные вопросы

1.Перечислите параметры электрических соединений и проанализируйте их влияние на конструкцию ЭА.

2.От каких параметров зависит длина электрически короткой и длинной ЛП?

3.В чем количественно выражается перекрестная помеха и помеха отражения?

4. Для ЛП без потерь с параметрами L„ =0,5 мкГн/м и С„ = 30 пФ/м определить:

•волновое сопротивление;

179

6. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

6.1. Основные понятия

Рассмотрим основную терминологию и понятия, относящиеся к раз­ работке технологии изготовления и организации производства ЭА. В соот­ ветствии с Государственными стандартами ЭА, какой бы сложной она не была, относится к изделиям, выпускаемым на производстве.

Изделием называется любой предмет или набор предметов производ­ ства, подлежащих изготовлению на предприятии, т. е. изделие — это про­ дукт конечной стадии производства. Изделием может быть деталь, сбороч­ ная единица, комплекс и комплект. Применительно к ЭА под изделием по­ нимается как сама ЭА, так и все составляющие ее элементы и детали.

Д еталь — изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций, например ось, клем­ ма, рама и т. д.

Сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятие-изготовителе сборочными операциями (свинчи­ вание, сварка, пайка, склеивание), например: ячейка, ТЭЗ, разъем, блок и т. д.

Комплекс — два или более изделия, несоединенных на предприятииизготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Каждое изделие в комплексе имеет свое назначение, например: вычислительный комплекс, радиолокаци­ онный комплекс и т. д.

Комплект — два или более изделия, несоединенные на предприятииизготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например: комплект измерительной аппаратуры, комплект запасных частей

181