Устройство сбора и регистрации информации

Надежность является одним из главных технических параметров, характеризующих РЭС.

Исходные данные для расчета надежности зависят от вида учитываемых отказов, количества подлежащих расчету показателей надежности, степень точности расчета. В нашем случае расчет будет выполнен для периода нормальной эксплуатации при следующих основных допущениях:

- отказы случайны и независимы;

- учитываются только внезапные отказы;

- имеет место экспоненциальный закон надежности.

При расчете будут учитываться не только элементы электрической схемы, но и элементы конструкции ( монтажное соединения, печатная плата , монтажные проводники, несущие конструкции и т.д.).

Кроме того при расчете надежности будет произведен точный учет электрического режима и эксплуатационных условий работы элементов.

Исходными данными для полного расчета надежности будут:

- схема электрическая принципиальная с перечнем используемых в конструкции элементов;

- значения коэффициентов электрической нагрузки элементов;

- справочные значения интенсивностей отказов элементов;

- условия эксплуатации элементов с учетом внешних и внутренних воздействующих факторов таких как: температура корпусов элементов относительная влажность, уровень вибрации, передаваемый на элементы и т.д.;

- заданное время непрерывной работы устройства, t.

Расчет надежности выполняется в два этапа. На первом этапе лабораторные значения интенсивностей отказа элементов пересчитываются на конкретный электрический режим и условия эксплуатации по формуле (6.14):

_i=_oiП_i,(6.14)

где _i -Значение интенсивности отказа j-го элемента с учетом режима и условий работы;

_i - поправочный коэффициент, учитывающий j-ый фактор;

_oi - справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;

m - общее число учитываемых эксплуатационных факторов.

В качестве поправочных коэффициентов будем использовать коэффициент, учитывающий влияние температуры, и коэффициент электрической нагрузки, и коэффициент, учитывающий влияние влажности и механических воздействий.

На втором этапе вычисляют значение суммарной интенсивности отказов по формуле (6.15):

=_in,(6.15)

где - суммарная интенсивность отказов;

n - число элементов конструкции.

При равенстве значений интенсивностей отказов однотипных элементов рекомендуется объединять их в группы. Тогда формула (6.15) примет вид:

=_ln_l,(6.16)

где _l, n_l = соответственно интенсивность отказа и число элементов в l-ой группе;

L - общее число групп.

Далее по общепринятым формулам определяем значения наработки на отказ Т_О и вероятности безотказной работы Р(t):

T_o=1/,(6.17)

P(t)=exp(-t),(6.18)

Таблица 2.

Справочные и расчетные данные об элементах конструкции.

Если расчетное значение показателей надежности не отвечает требованиям технического задания, то необходимо принять меры по повышению надежности. Например, можно заменить наиболее ненадежные пассивные элементы на другие типы, а после этого снова повторить расчет.

Конечные результаты расчета приведены в табл.5.3.

Таблица 3

Результаты расчета на ПЭВМ

Как видно из табл. 3 функциональная плата ЖК_табло обладает удовлетворительной надежностью. Средняя наработка на отказ больше допустимой, а вероятность безотказной работы равна 0.96003 для температуры +25С и 0.92499 для температуры +55С, что говорит о достаточной надежности блока.

Но надежность одного блока еще ничего не говорит о надежности всей конструкции в целом. Поэтому рассчитаем надежность всего устройства. Исходные данные и методика расчета аналогична предыдущим. Исходные данные для расчета полной надежности всего устройства приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Исходные данные для расчета полной надежности

Как и можно было ожидать, полная надежность устройства оказалась ниже надежности одного из его блоков, но и полученные результаты, приведенные в табл. 0-5, вполне нас устраивают.

Таблица 5

Результаты расчета полной надежности

Полученные нами значения удовлетворяют требованиям технического задания.

Оценка теплового режима

5.1 Мероприятия по защите от коррозии, влаги, электрических пробоев и механических нагрузок

В процессе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры под влиянием внешней среды происходит разрушение металлов и сплавов. Это явление называется коррозией. Оно заключается в окислении металла и превращении его в соответствующее химическое соединение.

Для защиты металлов конструкции от коррозии, получения требуемой декоративной отделки или придания поверхностному слою необходимых свойств применяются различные виды покрытий.

Покрытия подразделяются по назначению на три группы: защитные, защитно-декоративные и специальные.

Защитные покрытия предназначаются для защиты основного материала деталей от коррозии и других процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия используются для защиты от вредного влияния окружающей Среды деталей, требующих красивой внешней отделки.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают основной материал деталей от влияния особых сред.

В зависимости способа получения покрытия и материала различают металлические и неметаллические покрытия.

К металлическим относятся следующие покрытия: гальванические, нанесенные горячим способом, диффузионные и металлические на диэлектриках.

К неметаллическим относятся покрытия эмалями, лаками, грунтовками. К ним же можно отнести и противокоррозионные покрытия пластмассами.

Покрытия выбираются в зависимости от функционального назначения деталей, материала, способа изготовления и условий дальнейшей эксплуатации.

Специальные покрытия обладают следующими свойствами: улучшение светопоглощающей или отражательной способности поверхности, ухудшение элекпропроводности, а также многими другими.

Гальванические покрытия представляют собой пленки, осаждаемые на металле при выделении из растворов солей металлов под действием электрического тока. Вследствие этого, деталь покрывается чистыми металлами и сплавами.

Химическое покрытие представляет пленку определенного химического состава, которая образуется на поверхности металла в результате действия на него химических реагентов. Наибольшее распространение получили окисные и фосфатные пленки.

Цинковое покрытие применяют для защиты деталей от коррозии. Оно обладает высокими защитными свойствами в атмосферных условиях. Имеет серебристо-белый цвет. Обладает средней твердостью, выдерживает изгибы. Оно не пригодно для деталей, работающих на трение, плохо подвергается пайке и сварке.

Кадмиевое покрытие применяют для защиты деталей, эксплуатируемых в среде, насыщенной морскими испарениями и в морской воде. Имеет серебристо_белый цвет. Оно мягкое, обладает высокой эластичностью, хорошо паяется и сваривается. Его применяют для деталей из стали, меди и ее сплавов, требующих плотной сборки, хорошей притираемости с одновременной защитой от коррозии.

Никелевое покрытие применяют для защитной, защитно-декоративной и специальной отделки стальных, медных и алюминиевых деталей, контактных пружин и токопроводящих деталей из меди и ее сплавов. Покрытия противостоят действию слабых кислот и щелочей.

Хромовое покрытие применяют для защитно-декоративной отделки деталей и повышения их износостойкости. Это покрытие имеет прочное сцепление с основным металлом, отличается высокой твердостью и термостойкостью, хорошо полируется. Хромовое многослойное покрытие применяют для повышения коррозионной стойкости, а также для деталей, требующих специальной декоративной обработки.

Серебряное покрытие применяется для токонесущих и контактирующих деталей, работающих при трении под токами высокой частоты. Его можно легко паять с применением бескислотного флюса, оно обладает хорошим сцеплением с основным металлом, хорошо полируется. Для декоративного эффекта отделки применяют оксидирование серебряного покрытия в черный цвет.

Окисное химическое покрытие стали применяют для защиты деталей от коррозии и их декоративной отделки только в условиях умеренного климата внутри помещения. Цвет пленки -- черный с синеватым или коричневым оттенком. Для нержавеющих и высоколегированных сталей, деталей, имеющих паяные швы, окисные покрытия не применяются.

Фосфатное покрытие применяют для защиты деталей от коррозии, получения электроизоляционного слоя на трансформаторных пластинах. Это покрытие применяют для защиты от коррозии деталей, работающих внутри помещения, а также как грунтовку под лакокрасочное покрытие для эксплуатации в атмосфере.

Лакокрасочные покрытия основаны на образовании пленки из органического вещества и пигмента, определяющего цвет покрытия. Эти покрытия, нанесенные на поверхность металла в виде одного или нескольких слоев эмали или лака, после высыхания образуют непрерывные защитно-декоративные пленки. Выбор лакокрасочного покрытия определяется условиями эксплуатации, материалом покрываемого изделия, качеством и цветом его поверхности, требуемой точности покрытия, допустимой температурой сушки изделия.

Для улучшения внешнего вида покрытия, заполнения всех неровностей и углублений применяют шпаклевку. Она должна прочно приставать к грунту, легко шлифоваться, быть достаточно эластичной и при сушке не давать трещин. Для гладко обработанных деталей шпаклевка не применяется.

Последующие слои краски и эмали, наносимые на загрунтованную или зашпаклеванную поверхность, придают покрытию устойчивость и улучшают внешний вид изделия.

Для получения глянца на окрашенной поверхности, применяют лакировку. Дополнительной лакировкой придают лакированной поверхности зеркальный блеск.

Исходя из вышеуказанных требований и разновидности покрытия можно сделать вывод о том, что для нашего устройства, в качестве защитного покрытия можно выбрать лакокрасочное покрытие эмалью МП--12 ГОСТ 9754-76.Оно применяется для деталей, эксплуатируемых на открытом воздухе умеренного климата, а также промышленной атмосфере. Эта эмаль сушится при температуре 120 градусов, наносится краскораспылителем на предварительно загрунтованную поверхность. В качестве грунтовки используется химическое фосфатное покрытие. Оно используется для деталей сложной сварной конфигурации.

Обеспечение заданной прочности конструкции при минимальной массе выполняется с помощью следующих конструктивных решений:

выбором наиболее прочных материалов;

обеспечением равнопрочности сечений элемента конструкции путем удаления малонагруженного материала;

обеспечение равнопрочности сечений элемента конструкции благодаря одинаковому сечению детали при работе на растяжение/сжатие или равнопрочности сечения при изгибе;

выбором конструкции с максимальным моментом сопротивления;

заменой работы элементов конструкции на изгиб работой на растяжение/сжатие;

дополнительным креплением узлов и компонентов с помощью держателей, клея, мастик, заливкой пенопластом и т. д.

Проблема обеспечения электрической прочности РЭА, особенно актуальна для мощной аппаратуры, в которой используются высокие питающие напряжения, а также для элементов в интегральном исполнении и печатных плат, где зазоры между токоведущими дорожками малы и напряженность электрического поля может достигать больших значений при небольших напряжениях. Кроме того, пробивное напряжение снижается при повышении температуры диэлектрика, при сорбции влаги пылью и полимерными материалами.

Явление образования, под действием электрического поля проводящего канала в диэлектрике, называется электрическим пробоем. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему, возможен пробой по поверхности в окружающей среде. напряжение такого пробоя зависит от природы окружающей диэлектрик Среды, содержания влаги, формы проводников, наличия загрязнений на поверхности диэлектрика и наличия веществ, способных поглощать влагу(например, разнообразные пыли). Для повышения пробивного напряжения платы покрывают лаком, исключают острые углы при трассировке печатных проводников, производят сушку плат перед нанесением лака, следят за содержанием пыли и влаги в газовой среде технологических помещений, увеличивают пробивной промежуток благодаря установке дополнительных ребер (высоковольтных изоляторов).

Обеспечение электрической прочности тесно связано с проблемой влагозащиты. На выбор способа влагозащиты большое влияние оказывает объем производства. При массовом производстве необходимо использовать высокопроизводительные методы: обволакивание, опрессовки полимерами, обработку корпусных деталей штамповкой, прессованием, литьем под давлением.

5.2 Выбор способов и методов теплозащиты герметизации и экранирования

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 те 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 простате 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 приточновытяжную 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 Приточновытяжная 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 хладагент имеет более высокий коэффициент теплоотдачи те 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 жидкостьжидкость Хладагент в жидкостных системах может быть изолирован от охлаждаемых элементов и транспортироваться с помощью трубопроводов либо непосредственно омывать охлаждаемый элемент

В качестве таких жидкостей в настоящее время применяются фтороорганические жидкости Фреоны позволяют осуществить теплоотвод при сравнительно низких температурах Недостатком жидкостных систем охлаждения является их высокая сложность а также и стоимость

В жидкостных испарительных системах охлаждения отвод тепла осуществляется за счет циркуляции охлаждающей жидкости через специальные каналы в шасси блоков через радиаторы а также каналы образованные в корпусах приборов

Теплоотвод за счет излучения возможен только в теплопрозрачных средах В жидкости он практически отсутствует При излучении тепловая энергия переносится элекромагнитными волнами Количество энергии отводимой излучением пропорционально четвертой степени температуры тела Для увеличения интенсивности теплоотвода излучением можно увеличивать площадь излучения степень черноты поверхности или температуру поверхности излучающих компонентов

В соответствии со всем выше сказанным можно сделать вывод о том что в нашем случае наиболее удобно использовать естественное воздушное охлаждениеТаким образом механизм передачи тепла от прибора в окружающую среду будет следующим при работе устройства элементы схемы будут выделять тепло в пространство расположенное внутри корпуса блока нагреваясь воздух в корпусе будет нагревать в свою очередь и материал корпуса который в свою очередь будет охлаждаться путем выделения тепла в окружающую среду

Герметизацияизоляция от воздействия внешней средыПо назначению герметизация делится на следующие группы

пылезащитная;

водозащитная;

влагозащитная;

вакуумная

Пылезащитная герметизация предназначена для защиты узлов и блоков аппаратуры от проникновения в них пылиПроникающая способность мелкодисперсной пыли достаточно большая и швы защищаемой конструкции должны быть достаточно плотными

Водозащитная герметизация для обычных условий эксплуатации выполняется без больших затрудненийЕсли объект рассчитывается для работы при повышенном давлении воды то получение водонепроницаемой конструкции усложняется с увеличением давления Водонепроницаемая конструкция обладает хорошей теплозащитой

Влагозащитная герметизация рассчитывается на такую плотность швов при которой они не должны пропускать влажного воздуха

Вакуумная герметизация предполагает защиту от влажного воздуха но и от агрессивных сухих газов Такая защита является наиболее сложной и дорогостоящей

Так как наше устройство имеет климатическое испытание УХЛ по ГОСТ 1515069 то герметизацию от воды и агрессивных сухих газов можно не производить Нам необходимо провести только влагозащитную герметизацию

Для обеспечения надежности функционирования РЭА при воздействии влаги требуется применять влагозащитные конструкции которые разделяются на две группы монолитные и полые Монолитные пленочные оболочки используются в основном как технологическая защита бескорпусных элементов подлежащих герметизации в составе блока а также компонентов с улучшенными частотными свойствами Монолитные оболочки из органических материалов выполняющие функции несущих конструкций изготавливается методом опрессовки пропитки обволакивания и заливки

В нашем же случае не нужно предусматривать применение влагозащитных конструкций так как все элементы нашей схемы и конструкции выдерживают воздействия относительной влажности до 98 %

В процессе производства эксплуатации и хранения РЭА могут испытывать те или иные механические динамические воздействия которые качествено делятся на удары вибрации и линейные ускорения

Под вибрацией РЭС обычно понимают длительные знакопеременные процессы в ее конструкции которые влияют на работу РЭА

Ударкратковременное воздействие сопровождающееся колебанием системы на частоте в момент удара а после негона собственной частоте конструкции

Линейные ускорения характерны для всех объектов движущихся с переменной скоростью

Защита РЭА от механических воздействий осуществляется следующими группами методов

уменьшается интенсивность источников механических воздействий (путем балансировки виброизоляции самого источника механических воздействий);

уменьшение величины передаваемых РЭА воздействий (путем его виброизоляции демпфирования устранения резонанса);

использование более прочных и жестких компонентов и узлов

Методы первой группы применяют специалисты по транспортным средствам

Методы второй и третьей группы используют конструкторы РЭА но методы активной виброзащиты имеют ограниченное применение при высокой сложности технических решений

Виброизоляция осуществляется путем установки между РЭА и основанием упругих опор образующих вместе с конструкцией РЭА сложную колебательную систему которая обладает свойствами демпфирования которое заключается в погашении механических колебаний за счет трения в материале конструкции упругой опоры (резине поролоне вибропоглощающем покрытии) сочленение амортизатора (сухом демпфере) Частотная селекция механических колебаний заключается в том что система виброизоляции в за резонансной области является фильтром нижних частот а при совпадении собственной частоты системы и частоты внешних воздействий приходит в резонансный режим

Наиболее перспективным и распространенным способом демпфирования конструкций РЭА является одноили двухсторонняя заливка или введение высокоэффективных вибропоглощающих материалов в структуру несущих оснований Эти способы основаны на способности материалов этого вида рассеивать большое количество энергии при растяжении изгибе или сдвиге за счет упругих свойств К недостаткам данных способов относятся следующие факторы худшая ремонтнопригодность при заливке худший теплоотвод от залитых элементов сильная зависимость демпфирующих свойств от температуры возможность возникновения больших внутренних напряжений в компаунде при изменении температуры изменение свойств полимеров при воздействии радиации

С учетом выше изложенного и того что данное устройство относится к стационарной аппаратуре делаем вывод о том что для данного устройства применять защиту от вибраций нет необходимости

Между двумя электрическими цепями находящимися на некотором расстоянии друг от друга могут возникнуть электромагнитные связи через

электрическое поле;

магнитное поле;

электромагнитное поле излучения;

провода соединяющие эти цепи

Поэтому при конструировании РЭА возникают следующие задачи

разрабатываемая аппаратура не должна мешать нормальному действию окружающей ее аппаратуры за исключением случаев принципиальной невозможности осуществления этого;

в разрабатываемой аппаратуре должны быть приняты меры к тому чтобы окружающая аппаратура ей не мешала

Для решения первых двух задач необходимо встраивать помехоподавляющие элементы (экраны фильтры развязывающие цепи) во все вероятные источники наводки Это гарантирует отсутствие наводок не только на данное устройство но и на все остальные

Подавление паразитных наводок сводится к полному устранению или устранению до допустимых величин паразитных связей между источниками и приемниками наводок

Способы такого ослабления элементарны

размещение вероятных источников и приемников наводок на максимально возможном расстоянии друг от друга;

правильная взаимная ориентация их деталей и контуров;

сведение к минимуму их сопротивлений которые могут оказаться в цепях;

изъятие посторонних проводов которые могут связать источник и приемник и тд

При недостаточности всех этих средств и мер приходится прибегать к экранированию

Экранированием называется локализация электромагнитной энергии в пределах определенного пространства достигаемая путем преграждения распространения ее всеми возможными способами и средствами

Различают магнитостатическое и электромагнитное экранирование и экранирование от электрических полей Магнитостатическое экранирование предназначено для защиты от постоянного тока и медленно изменяющегося переменного магнитного поля с помощью экранов изготовленных из ферромагнитных материалов (пермоллоя или стали) с большой относительной магнитной проницаемостью При наличии такого экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана Качество экранирования зависит от магнитной проницаемости экрана Этот вид экранирования используется редко

Электромагнитное экранирование применяется для защиты от переменного высокочастотного магнитного поля и производится с помощью экранов изготовленных из немагнитных и ферромагнитных металлов Оно основано на использовании того же явления магнитной индукции которое приводит к возбуждению наведенных ЭДС и токов

Экранирование полей выполняется с помощью листового металлического экрана соединенного с корпусом прибора Физический смысл этого вида экранирования заключается в создании короткого замыкания на корпус для большей части паразитной емкости имеющейся между экранируемыми друг от друга точками Качество экранирования сильно зависит от качества соединения экрана с корпусом прибора и частей экрана друг с другом

Особенно важно не иметь соединительных проводов между частями экрана и корпусом Эффективность экранирования электрического поля не зависит от толщены и материала экрана Причиной этого является незначительная величина токов текущих по экрану

6. Технологическая часть