МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» Кафедра «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры»  

  

РЕФЕРАТ

на тему: «Основные направления исторического развития электронных средств» 

  

 

Выполнил                                                                              студент гр. Б19-071-1 

Дмитриев Н.В.

Принял                                                                                  доцент

Макарова Т.С. 

  

  

  

        

Ижевск, 2022

Введение

История проектирования РЭС начинается с 1895 г., состоит из девяти основных этапов и связана с возникновением главных проблем конструкторского проектирования: снижения стоимости, повышения надежности, комплексной микроминиатюризации РЭС. Историю развития конструкций ЭС следует анализировать, опираясь не только на усложнение конструкций, появление новых свойств, но и на взаимосвязь конструирования РЭС со схемотехникой, технологией, эксплуатацией.

Развитие радиотехники

Проектирование РЭС началось одновременно с развитием радиотехники.

7 мая 1895 г. в Петербурге на заседании Русского физико-химического общества профессор А. С. Попов продемонстрировал работу устройства для приема электромагнитных волн. Внешний вид приемника с электрическим звонком и схема приемника А. С. По­по­ва показаны на рис. 1.

а) б)

Рис. 1.  Приемник А. С. Попова:

а  внешний вид приемника с электрическим звонком; б  схема приемника

В 1906 г. американский инженер Ли де Форест изобрел трехэлектродную лампу (триод), положив начало развитию научных основ и принципов построения электронных приборов (рис. 2).

Рис. 2. Первая электронная трехэлектродная лампа с сеткой Ли де Фореста

В 1907 г. английский инженер Х. Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение, что положило начало разработке и созданию светодиодов.

Рождением радиоэлектроники можно считать 1913 г., когда немецкий ученый Мейснер нашел способ генерирования электромагнитных колебаний с помощью триода.

В 1922 г. во время своих ночных радиовахт 18-летний радиолюбитель Олег Владимирович Лосев обнаружил свечение кристаллического детектора, не ограничился констатацией факта, попытался найти ему практическое применение и перешел к оригинальным экспериментам. Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света.

Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы в 60-е гг. прошлого века. Большой вклад в работу по исследованию физических процессов в области совершенствования светодиодов внес российский ученый Ж. И. Алферов (1970 г.), получивший в 2000 г. Нобелевскую премию.

Радиоэлектронный аппарат начала ХХ в. представлял собой деревянный ящик (см. рис. 1), на стенках которого с внешней стороны расположены основные детали: лампы, катушки индуктивности, проволочные резисторы, а с внутренней стороны был выполнен монтаж голым проводом. Соединение выполнялось резьбовыми деталями (болт, гайка).

Этапы развития рэа.

Первый этап истории конструирования РЭА связан с появлением в 20-х гг. нового конструкторского решения: в ящике устанавливали горизонтальный деревянный щит – несущую панель, на ней размещали детали, а на эбонитовой передней панели располагали только ручки управления. Такое решение было связано с тем, что именно в этот период РЭА из объекта исследования инженера-профессионала и радиолюбителя превратилась в предмет массового использования. Потребителя интересовало включение, настройка на нужную станцию, выключение приемника и его внешний вид.

Уже на первом этапе истории конструирования РЭА проявилась взаимосвязь конструкторского решения (конструкции) с «человеком-оператором» и возникла необходимость учитывать эксплуатационные требования: удобство эксплуатации и требования эстетики.

Производство РЭА этого периода было предельно просто: несколько деталей любых размеров, форм и типов соединялись друг с другом, подключались к питанию и регулировались до тех пор, пока не начинали работать нормально.

Опыт конструирования основывался на традициях телеграфной и электротехнической аппаратуры.

Второй исторический этап связан с появлением в 1924 г. лампы с экранирующей сеткой, а в 1928 г. – трехсеточной лампы – пентода. Функциональное усложнение аппаратуры (увеличение коэффициента усиления, увеличение количества каскадов) привело к необходимости экранирования. Вначале деревянные части облицовывались металлической фольгой с помощью гвоздей и клея, а позднее для сочетания конструктивных требований и требований экранирования стали применять шасси из листовой латуни и межкаскадное экранирование. В дальнейшем латунь заменили медью и алюминием и ввели экранирование катушек индуктивности каскадов усиления высокой и промежуточной частоты, что применяется до сих пор.

РЭА на этом этапе представляла собой металлическое коробчатое шасси (позднее стальное с защитой от коррозии) с расположенным внизу монтажом и металлической передней панелью.

Третий этап истории конструирования РЭА связан с введением в 30-х гг. стандартных панелей шириной 482 мм и высотой, кратной 43 мм, что позволило снизить стоимость стандартных каркасов-стоек, шкафов, специальных деталей для них. Это было начало внедрения стандартизации в радиоаппаратостроение, установления взаимосвязи между конструкторским решением и производственным процессом. Внедрение нового технологического процесса привело к замене резьбовых соединений элементов монтажа пайкой. Размеры контактного узла уменьшились, появилась возможность ближе располагать элементы, но увеличились нежелательные электрические и электромагнитные связи внутри РЭА, возник вопрос о влиянии геометрических размеров РЭА на работоспособность устройства.

Четвертый этап истории конструирования РЭА, конец 30-х гг., характеризуется расширением областей использования РЭА. Она применяется в полевых условиях (рис. 3), ее устанавливают на борту самолета, на кораблях, автомашинах.

Появилась носимая аппаратура, и возникла проблема уменьшения габаритных размеров и массы РЭА. Применение более плотного монтажа привело к возникновению паразитных электромагнитных связей. Необходимо было решить задачу обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭА.

Рис. 3. РЭА в полевых условиях

Использование РЭА в полевых условиях поставило задачу влагозащиты и защиты от влияния климатических воздействий, а использование РЭА на автомашинах, самолетах, кораблях – задачу защиты от механических воздействий. Вопрос герметизации РЭА выдвинул задачу обеспечения отвода тепла.

Но самым главным было признано то, что надежность аппаратуры имеет первостепенное значение. Аппаратура стала разрабатываться применительно к объекту установки. Конструкторское решение стало зависеть от условий эксплуатации, особенностей «человека-оператора».

Пятый этап истории конструирования связан с появлением в 40-х гг. печатного монтажа и методов автоматической сборки. Печатный монтаж резко сократил размеры изделия, позволил эффективно применять малогабаритные стандартные детали, автоматизированную пайку. Однако при увеличении плотности монтажа возникла проблема отвода тепла. Применение миниатюрных пассивных элементов при использовании мощных ламп сводит на нет идею миниатюризации.

В РЭА до конца 40-х гг. использовались в качестве активного элемента электронно-вакуумные лампы. Эта аппаратура относится к I поколению. Термин «поколение» был введен для ЭВМ, но в дальнейшем распространился на все разновидности ЭС.

Шестой этап развития конструкций РЭА начинается с появления в 1948 г. транзистора, разработанного американскими физиками В. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардиным. Применение транзисторов позволило значительно улучшить некоторые характеристики РЭА, особенно в части надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров. В 50-х гг. начинается бурное развитие электронно-вы­числительной техники.

Аппаратура этого периода относится ко II поколению. Для РЭА II поколения основной конструктивной единицей является модуль. В качестве модулей применяются сборки на печатных платах с корпусными транзисторами и дискретными навесными элементами, а также сборки из микромодулей этажерочного (рис. 4) и плоского типа. Блоки по-прежнему соединяются жгутами, кабелями, штыревыми и штепсельными разъемами.

Рис. 4. Печатная плата с установленными радиокомпонентами.

Седьмой этап истории конструирования РЭА характеризуется разработкой аппаратуры, способной выдерживать критические условия окружающей среды. РЭА конца 60-х гг. устанавливается на ракеты, искусственные спутники Земли (ИСЗ), управляемые снаряды, космические корабли. С одной стороны, резко возрастает сложность устройств в связи с усложнением функций, выполняемых аппаратурой. С другой стороны, расширение областей использования РЭА повышает требования к массе, габаритным размерам, надежности, стоимости. Эти противоречия привели к возникновению задач, которые назвали проблемой комплексной микроминиатюризации.

После появления в 1958 г. интегральной микросхемы стала разрабатываться РЭА III поколения. Основу РЭА III поколения составляют интегральные микросхемы (ИМС). Они содержат до 10–40 эквивалентных элементов и представляют собой функциональный узел (триггер, формирователь сигналов, усилитель и т.п.), размещенный в индивидуальном корпусе. Размещение ИМС осуществляется на общей печатной плате (однослойной или многослойной) (рис. 5).

Рис. 5. Печатная блата РЭС 60х годов.

Для этого периода характерны коренные изменения в построении конструкций. Стали применяться новые методы конструирования, основанные на использовании новейшей технологии. Широкое распространение получил функционально-узловой метод конструирования с унификацией размеров функциональных узлов, блоков (рис. 6).

Рис. 6. Блок РЭС третьего поколения с ИМС

Появление в 1960 г. лазера (открытие советских ученых Басова и Прохорова) привело к развитию оптической связи.

Восьмой этап развития конструкций РЭА (70-е гг. прошлого века) характеризуется усложнением РЭА. Аппаратура IV поколения содержит большие интегральные схемы (БИС), большие гибридные ИС (БГИС). На этом этапе остро стоит проблема комплексной микроминиатюризации, связанная с разработкой малогабаритных электрорадиоэлементов (ЭРЭ).

Дальнейшее усложнение РЭС связано с внедрением радиоэлектроники в различные области деятельности человека (в частности, разработкой биомедицинской аппаратуры).

Рис. 7. Конструкция моноблочного прибора IV поколения

Девятый этап (середина 80-х гг.) – развитие РЭС V поколения, в которых применяются приборы функциональной электроники.

Рис. 8. Плата РЭС пятого поколения

Приборы функциональной электроники выполнены на средах с распределенными параметрами. В таких средах в нужный момент под воздействием управляющего сигнала возникают динамические неоднородности. Эти неоднородности управляют прохождением сигнала. Использование приборов функциональной микроэлектроники эквивалентно резкому возрастанию степени интеграции по сравнению с обычными ИМС.

К приборам функциональной электроники относятся, например, пьезокерамические фильтры, запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах, микропроцессоры.

Увеличивается сложность элементной базы, сокращение числа уровней, снижение сложности конструкции, плотность монтажа – на 10⁷ см².

B настоящее время развиваются РЭС пятого поколения, отличительными особенностями которых от РЭС предыдущих поколений являются:

- широкое применение для обработки сигналов микропроцессоров с набором микросхем обвязки (память, тактовый генератор и т.д.);

- дальнейшая микроминиатюризация ЭРЭ и преимущественное применение в РЭС пятого поколения ЭРЭ поверхностного монтажа;

- перевод сигналов в цифровую форму и повышение частот обрабатываемых сигналов до десятков гигагерц;

- применение микросхем программируемой логики для реализации типовых цифровых и аналоговых устройств и постепенное смещение акцентов от чисто схемотехнических решений к достижению результатов путем программирования этих микросхем;

- применение элементов функциональной электроники (фильтры поверхностных акустических волн, микроэлектронные пьезоэлектрические фильтры, микросхемы квар­цевых генераторов);

- применение в качестве межблочной и коммутации оптоволоконной техники.

Рис. 9. МПП в сочетании с ГПП для РЭС V поколения.

В целом произошла большая стандартизация и гибкость схемотехнических решений, за счет применения микросхем программируемой логики, которые явились базой для создания самых различных функциональных устройств.

Рис.10. Оптический мультиплексор в стандартной несущей конструкции, предназначенной для установки в стеллаж.

Рис.11. Стеллаж с установленными блоками РЭС пятого поколения.

При этом различные устройства могут зачастую реализовываться в рамках ограниченного набора ЭРЭ, а широта реализуемых функций обеспечивается управляющими программами, размещаемыми в программируемых ИМС. Различие схемного исполнения у функциональных устройств со сходными функциями сводится к изменениям их наружной «обвязки» вспомогательными ЭРЭ.