книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

шествующих видов излучений наибольшую опасность представляют элек­ тромагнитные излучения и частицы высоких энергий.

Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до тысячных долей нанометра. Наибо­ лее значимое воздействие на ЭА оказывают рентгеновское излучение и гам м а-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают зна­ чительной проникающей и ионизирующей способностью и характеризуются

дозой и мощностью излучения.

Э кспозиционная доза излучения, измеряемая в кулонах на килограмм (Кл/кг), представляет количество излучения, создающее посредством иони­ зации в одном килограмме воздуха заряд, равный одному кулону.

М ощ ность экспозиционной дозы характеризует интенсивность из­ лучения и измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Она равна экспозици­ онной дозе излучения в 1 Кл/кг, переданной в течение 1 с. Ш ирокое хожде­ ние имеют внесистемные единицы измерения экспозиционной дозы, назы­ ваемые Рентген, равный 2,58-1 (Г* Кл/кг, и мощность экспозиционной дозы — Рентген в секунду (Р/с).

П оглощ енная доза излучения, зависящая от параметров источника излучения и особенностей облучаемого вещества, измеряется отношением средней энергии, переданной излучением веществу к его массе. Единицей поглощенной дозы является Гр (Дж/кг), равный поглощенной дозе, соответ­ ствующей энергии в 1 Дж, переданной веществу массой 1 кг.

М ощ ность поглощ енной дозы характеризует интенсивность переда­ чи энергии излучения веществу и соответствует приращению поглощенной дозы за единицу времени (Гр/с). Допускается применение внесистемных единиц для описания поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы, называемых рад и, соответственно, рад в секунду (рад/с); 1 рад = 0,01 Гр.

Существенное воздействие на конструкцию ЭА оказывают заряжен­ ные частицы: а-частицы, протоны, Р-частицы и нейтроны, обладающие вы­ сокой проникающей способностью. Для количественного описания их воз­ действия применяют физические величины, называемые потоком и плотно­ стью потока частиц.

Поток ионизирующих частиц характеризуется отношением числа час­ тиц, прошедших через данную поверхность за все время облучения, и изме­ ряется в с-1.

Плотность потока ионизирующих частиц определяется потоком час­ тиц, отнесенному к площади поверхности проникновения излучения, и из­ меряется в с^м"2.

Облучение частицами может вызвать в веществах обратимые, полуоб­ ратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают с его пре­

42

2.1. Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА

кращением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения, уве­ личиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения. Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной до­ зы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.

Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Так, интеграль­ ный поток нейтронов величиной Ю20 частиц/см2 на свойства большинства ме­ таллов практически не влияет. Однако следует учитывать, что у большинства металлов при облучении снижается предел текучести в 2— 3 раза, ударная вяз­ кость уменьшается, удельное сопротивление возрастает на 20...30% . Наи­ меньшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электро­ технические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден и др., после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.

Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмо­ лекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В ре­ зультате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими, уменьшается их прочность на разрыв.

При облучении резисторов возникают обратимые и необратимые из­ менения сопротивления, уровень шума увеличивается, параметр влагостой­ кости уменьшается. Керамические и проволочные резисторы наиболее ус­ тойчивы к действию облучения. Интегральный поток величиной до Ю20 час­ тиц/см2 почти не вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к облучению металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры заметно ухудшаются при интегральном потоке свыше 10й час­ тиц/см2. Так же чувствительны к облучению и композиционные резисторы.

Облучение конденсаторов ухудшает их электрическую прочность, из­ меняет емкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Причиной этого яв­ ляются необратимые явления в структуре диэлектрика, механические де­ формации, ионизация диэлектрика и воздушных промежутков. Наиболее стойкими к облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные конденсаторы. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, по­ листироловые, лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной радиационной стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее низкой стойкостью, в них разгерметизация и разложение электро­ лита наступают при низких дозах облучения.

По сравнению с другими типами электрорадиоэлементов наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интеграль­ ные микросхемы вследствие возникновения в них обратимых и необрати­ мых явлений. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов из-за постепенного увеличения удельного электросопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки,

43

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

пробивное напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 1012...1014 нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 104... 107 рад при гамма-облучении.

В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изме­ няются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них ре­ зисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирую­ щие свойства разделительных р-л-переходов, возрастают токи утечки, появля­ ются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.

2.2. Объекты установки ЭА и их характеристики

Характер и интенсивность воздействия климатических, механических и радиационных факторов зависят от тактики использования и объекта, на котором эксплуатируется ЭА. По виду объекта установки ЭА можно разде­ лить на три большие группы: стационарные, транспортируемые и портатив­ ные (рис. 2.2). Государственные сандарты классифицируют ЭА в зависимо-

Рис. 2.2. Классификация ЭА по объектам установки

44

2.2. Объекты установки ЗА и их характеристики

сти от условий эксплуатации и вида объекта установки на стационарные, портативные и транспортируемые, а также на группы, разновидности и но­ мера которых также приведены на рис. 2.2.

Стационарная ЭА — это аппаратура, эксплуатируемая в отапливае­ мых и неотапливаемых помещениях, бункерах, подвалах, помещениях с по­ вышенной влажностью, на открытом воздухе, в производственных цехах (ЭА 1- и 2-й групп). Условия эксплуатации и транспортирования такой аппара­ туры характеризуются весьма широким диапазоном рабочих (-50...+50 °С) и предельных (-50. ..+65 °С) температур, влажностью до 90. ..98 %, вибрацией до 120 Гц при 4...6 g, наличием многократных (до 5 g) и одиночных (до 75 g) ударов, воздействием дождя до 3 мм/мин и соляного тумана с дис­ персностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м3.

Транспортируемая ЭА — это аппаратура, устанавливаемая и экс­ плуатируемая на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусе­ ничном транспорте, на судах различных классов (ЭА 3-, 4- и 5-й групп), на борту самолетов, ракет, космических аппаратов искусственных спутников Земли (бортовая ЭА — 8-я группа). Специфика работы этого вида аппарату­ ры предопределяет повышенное воздействие механических факторов. Каж­ дый вид транспорта имеет собственные вибрационные характеристики, при­ веденные на рис. 2.3. Для предупреждения повреждения такой ЭА необхо­ димо, чтобы вся она и отдельные ее части имели собственные частоты колебаний вне диапазона частот вибрации того транспортного средства, на котором машина эксплуатируется или перевозится.

На ЭА, установленную на автомобильном транспорте, могут воздей­ ствовать вибрация частотой до 200 Гц и удары, вызванные неровной доро­ гой. При движении железнодорожного транспорта возможны внезапные толчки, как следствие изменения скорости движения (при маневрировании возникают удары с ускорением до 40 g). Биение колес о стыки рельсов вы­ зывают вибрацию с частотой до 400 Гц при ускорении до 2 g. Особо жест­ ким воздействиям подвергается конструкция ЭА, эксплуатируемая на гусе­ ничном транспорте (танках, транспортерах, самоходной артиллерии, трак­ торах). Здесь вследствие «стука» гусениц частота вибраций может доходить до 7000 Гц с амплитудой ±0,025 мм. Удары, вызванные неровной дорогой, отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда в корпус, могут быть большой силы и сопровождаться вибрацией. Кроме того, постоянно воздей­ ствие акустического шума с уровнем до 150 дБ.

Если ЭА установлена непосредственно на орудийной площадке, то наибольшую опасность для нее представляет ударная волна — главная при­ чина толчков и вибраций. Величина сообщаемых ударной волной вибраций и ударов зависит от массы и поверхности корпуса ЭА. Чем больше масса и поверхность корпуса ЭА, тем эффект действия ударной волны меньше.

45

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

Рис. 23. Вибрационные характеристики различных видов транспорта: морского (а), железнодорожного (6), автомобильного (в), авиационного (г):

---------------область постоянных значений;................	— область случайных
значений

ЭА в морском исполнении устанавливаются на больших сравнительно тихоходных кораблях, малых быстроходных судах, подводных лодках, а также орудийных площадках береговой артиллерии. Характерными усло­ виями работы таких машин является наличие вибраций, ударных нагрузок и агрессивной (морской) атмосферы.

Вибрация на судне вызывается работой винтов, гребного вала, главно­ го и вспомогательного двигателей и гидродинамическими силами, возни­ кающими при движении судна по неспокойному морю. Диапазон частот вибраций на кораблях сравнительно невелик и обычно не превышает 25 Гц. Амплитуда вибраций также невелика, величина ее зависит от места распо­ ложения. Так, на крейсере наибольший уровень вибраций приходится на кормовую часть: частота 0...25 Гц с амплитудой до 25 мм. На более мелких судах, например на сторожевом корабле, больший уровень вибраций харак­ терен для носовой части: частота до 1000 Гц с амплитудой до 1 мм.

Морской воздух, окружающий ЭА, установленную на корабле, содер­ жит много различных активных веществ, постоянно влияющих на ее рабо­

46

2.2. Объекты установки ЭА и их характеристики

тоспособность. Поэтому ЭА этого класса должны обладать высокой корро­ зионной стойкостью, плеснестойкостью, водо- и брызгозащищенностью.

Бортовая ЭА устанавливается на самолетах, вертолетах и ракетах раз­ личного класса, управляемых снарядах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических аппаратах. На самолетах электронная аппаратура на­ ходится, как правило, в фюзеляже. При этом на нее воздействуют вибраци­ онные нагрузки частотой до 500 Гц с амплитудой до 10 мм и акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ при частоте 50... 10000 Гц.

Аппаратура, устанавливаемая на борту ракет различных классов и на­ значения, находится в наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения воздействия вибраций, ударов и ускорений. Вибрации ракет в полете носят очень сложный характер, определяемый совместным воздействием рабо­ тающего ракетного двигателя и аэродинамических эффектов. Характер виб­ раций обычно беспорядочный, и поэтому она охватывает широкий диапазон частот. Например, мощные ракетные двигатели, работающие на жидком то­ пливе, имеют частотный диапазон вибраций в несколько сотен герц. С уменьшением мощности двигателя частота вибраций увеличивается и может доходить до нескольких тысяч герц. Поэтому на вычислительную аппарату­ ру, установленную, например, на борту ИСЗ, при доставке на орбиту воз­ действие вибраций происходит на всем диапазоне частот.

Наибольшее воздействие на ЭА оказывают вибрации двигателей малых ракет на твердом топливе, а также больших двигателей на жидком топливе. Частота вибраций составляет 2500 Гц при ускорениях до 20 g. Характер таких вибраций синусоидальный. В момент запуска ракеты и при ее полете на борто­ вую аппаратуру воздействует акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ. Акустический шум малых ракет максимален в момент старта.

Ускорение, развиваемое двигателем больших ракет на жидком топли­ ве, обычно не превышает 15 g. Максимальное ускорение ракет, находящих­ ся на управляемой орбите, не превышает 10 g, а малых ракет на твердом то­ пливе — 50 g. Атмосферное давление в негерметизированной аппаратуре в процессе движения ракеты изменяется от нормального до практически ну­ левого значения. Большим изменениям подвергаются окружающая темпера­ тура, содержание влаги и вредных веществ в атмосфере.

Портативная ЭА (6- и 7-я группы) включает микрокалькуляторы, ЭВМ типа «ноут-бук», специализированные вычислители, находящиеся в распоряже­ нии геолога, топографа, строителя, солдата и офицера армии и др. Сюда же мож­ но отнести переносную радиприемную и радиопередающую аппаратуру, неболь­ шую медицинскую технику и т. д. Небольшие габариты, малая мощность по­ требления, высокая надежность и сравнительно небольшая стоимость делают этот класс аппаратуры незаменимым для проведения расчетов, не требующих слож­ ного программирования, осуществления экспериментов и исследований и т. д.

47

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

Условия работы портативной ЭА должны соответствовать зоне ком­ форта человека, которая характеризуется температурой окружающей среды 18...24 °С, уровнем акустического шума 70...85 дБ, влажностью 20...90 % и высотой над уровнем моря до 3000 м. Если температура становится меньше -17 °С или выше +43,5 °С, уровень шума достигает 120 дБ, влажность со­ ставляет меньше 1 %, а высота над уровнем моря больше 6000 м, то счита­ ется, что такие условия превышают физиологические возможности челове­ ка, и он может в них существовать единицы или десятки минут.

Физические возможности человека ограничивают максимально допус­ тимой массой переносимой им аппаратуры. С этой точки зрения портативная аппаратура делится на легкую (до 29 Н для мужчин и до 16 Н для женщин), среднюю (соответственно до 147 Н и 80 Н) и тяжелую (до 390 Н и до 216 Н).

На портативную аппаратуру может воздействовать вибрация частотой до 20 Гц с ускорением до 2 g и удары до 10 g при длительности 5... 10 мс.

Различают и другие виды ЭА, эксплуатируемые, например, в условиях химического производства, в составе системы управления артиллерийского снаряда и др. Для них характерны сверхбольшие значения одного— трех внешних факторов, на устойчивость к которым и проектируется конструк­ ция такой ЭА. Так, для работы в условиях химического производства глав­ ным является устойчивость к агрессивной среде, а для артиллерийского сна­ ряда — удар, ускорение и температура окружающей среды.

2.3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА

Вновь разрабатываемая ЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным, надежностным и эко­ номическим требованиям. Все эти требования взаимосвязаны, и оптималь­ ное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу. Кроме того, эти требования должны отвечать рекомендациям соответст­ вующих государственных стандартов. Например, для средств вычислитель­ ной техники действуют следующие стандарты.

•Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка и хранение.

•Машины вычислительные, электронные цифровые общего назначе­ ния. Общие технические требования.

•Средства технические малых электронных вычислительных машин. Общие технические требования.

•Машины вычислительные электронные персональные. Типы, основ­ ные параметры. Общие технические требования.

И другие.

Все эти требования содержатся в ТЗ на разрабатываемую ЭА.

48

2.3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА

Тактико-технические требования включают, в первую очередь, тре­ бования к параметром ЭА, характеризующим ее потребительские качества (для ЭВМ — это быстродействие, объем оперативной, постоянной и внеш­ ней памяти, разрядность команд и данных, языки программирования и др.). Эти требования в основном удовлетворяются на ранних стадиях разработки ЭА, когда определяется состав аппаратуры, ее структура, требования к от­ дельным устройствам и т. д. Учитывая необходимость работы будущей ЭА в составе управляемой ею системы, необходимо предусмотреть их техническую, программную, информационную и эксплуатационную совместимость.

В конструкции ЭА должны быть предусмотрены меры защиты от воз­ действия климатических и механических факторов, состав и значения кото­ рых приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Значения воздействующих факторов на группы ЭА

Внешние факторы				Группа ЭА (рис. 2.2)
		1	2	3	4	5	6/7	8
Климатические
Пониженная температура, °С		-10	-10	-10	-10	-40	5/—40	-60
предельная	1 степень
	2 степень	-50	-50	-50	-50	-50	5/-50	-60
рабочая	1 степень	5	-10	-25	-10	-25	5/-10 -40
	2 степень	5	-25	-10	-10	-40	5/—25	-50
Повышенная температура, °С			60	60	60	60	50/60	75
предельная		55
рабочая		40	50	50	50	50	40/50	60
Относительная влажность, %		86	93	93	93	93	80/93	98
при температуре, °С
1 степень		25	25	25	25	25	25	25
2 степень		25	40	40	40	40	40	25
время выдержки, ч		48	72	72	72	72	36/72	48
Интенсивность дождя,			3	3	3	3	- в	3
мм/мин		_____
время выдержки, ч		—	0,33	0,33	0,33	0,33	-/0,33	0,33
Пониженное давление, Па		6,МО4 6,МО4 6,НО4 6,Ы 04 6,МО4 6.1104 6,1-104
время выдержки, ч		2...6	2...6	2...6	2...6	2...6	2...6	2...6
Глубина погружения		—	—	—		_
в воду, м					—
время выдержки, ч		—	—	—	—
Поток пыли:		—	10	10	—	10	-/10
скорость потока, м/с								—
время выдержки, ч		—	1	i	---	1	Ч/11

49

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

Внешние факторы

Морской туман: температура, °С содержание воды, г/м3 время выдержки, ч

М еханические

Вибрация на одной частоте: частота, Гц

ускорение, g время выдержки, ч

Вибрация в диапазоне частот: частота, Гц

ускорение, g время выдержки, ч

Одиночные удары: длительность, мс число ударов в 1 мин общее число ударов

Удары многократные: длительность, мс число ударов в 1 мин ускорение, g

общее число ударов Линейная перегрузка, g

Окончание табл. 2.2

		Группа ЭА (рис. 2.2)
1	2		3	4		5	6/7		7
27	27		27	27		27	-727		27
2...3	2...3	2...3		2...3	2...3			2...3
24	48		48	48		48	-/48		48
20	20		20	20		20	20		20
2	2		2	2		2	2		2
0,5	0,5		0,5	0,5		0,5	0,5		0,5
—	—	1...200		1...200	1...300		—	До 2500
—	—		10	5		2	—	1..13
—	—		12	4		12	—		12
—	—	15...75 До 500			15.. .40		—	15... 150
—	—		15	15		15	—		15
—	—		60	60		60	—		60
—	—	5...10		5...15	5...15		—	2...10
	—	о	О	40... 80	о	О	—	40... 80
—		Tf	00		Tf	00
—	—		15	15		25	—	5...15
—	—	12000		12000	12000		—	6000
	—		—	—		—	—	о	00о

К конструктивно-технологическим требованиям относятся: обес­ печение функционально-узлового принципа построения конструкции ЭА, технологичность, минимальная номенклатура комплектующих изделий, ре­ монтопригодность, защита от несанкционированного доступа, удобный дос­ туп к узлам и элементам, обеспечение безопасной работы оператора.

Функционально-узловой принцип конструирования, применяющийся в ЭА третьего и последующего поколений, заключается в разбиении принци­ пиальной схемы аппаратуры на такие функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде идентичных конструктивно­ технологических единиц. Применение этого принципа конструирования по­ зволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля конструктив­ ных единиц, упростить их сборку и наладку, организовать их производство на разных предприятиях.

50

2.3. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА

Понятие технологичность включает правила и положения, опреде­ ляемые возможностями предприятия-изготовителя ЭА и влияющих на эф­ фективность ее производства и эксплуатации. Аппаратура, технологичная для одного предприятия, может оказаться нетехнологичной для другого. Причинами этого могут быть: неравномерный уровень развития предпри­ ятий, их различие в технической оснащенности, уровне и культуре произ­ водства.

Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности конструкции ЭА. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее экономичны в условиях производства. Технологичность конструк­ ции ЭА в существенной степени определяется рациональным выбором ее структуры, которая должна разрабатываться с учетом автономного, раз­ дельного изготовления и наладки ее основных элементов, узлов, блоков. Конструкция ЭА более технологична, чем меньше регулировочных и дово­ дочных операций приходится выполнять после ее окончательной сборки. В этом плане идеальная технологичность у ЭА, которая, будучи собранной из отдельных узлов, выполняет заданные функции сразу же после включения электропитания.

В технологичной конструкции должны максимально использоваться унифицированные, нормализованные и стандартные детали и материалы. Необходимость разработки новых материалов с улучшенными свойствами или новых технологических процессов должна быть технически и экономи­ чески обоснована. В технологичной конструкции максимально используют взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность, инструмен­ тальная доступность узлов и элементов.

К эксплуатационным требованиям относят простоту управления и обслуживания, предусмотрение различных мер сигнализации опасных ре­ жимов работы (выход из строя, обрыв заземления, открывание дверей шка­ фов и т. д.), наличие в комплекте ЭА аппаратуры и инструментов, обеспечи­ вающих профилактический контроль и наладку конструктивных элементов.

С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обес­ печения нормальной работы оператора: организация его рабочего места, возможность подхода ко всем устройствам ЭА, безопасная работа при от­ ладке и ремонте. Важна также такая организация пульта управления ЭА и расположение клавиш на нем, клавиатуре и дисплея (для персонатьных ма­ шин), которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требованиям инженерной психологии. Внешний вид ЭА должен быть эсте­ тичным, а органы управления должны быть удобными, доступными и не вызывать напряжения органов чувств у оператора.

Требования по надежности включают конкретные количественные характеристики: вероятность безотказной работы за определенный отрезок

51