Модульный метод компоновки приборов.
Для построения схемы современного радиоэлектронного устройства широко применяют микросхемы различного типа, полупроводниковые приборы и другие малогабаритные элементы. Значительно реже встречаются приборы, содержащие электронные лампы, электромеханические блоки и другие крупногабаритные устройства.
При проектировании приборов, состоящих из большого числа малогабаритных элементов, широкое распространение получил модульный метод компоновки. Сущность этого метода состоит в том, что весь прибор делят на отдельные конструктивно законченные сборочные единицы (блоки).
При модульном методе компоновки возможно для указанных сборочных единиц применять однотипные конструктивные решения со стандартизованными и унифицированными элементами конструкции, что сокращает сроки и стоимость проектирования и подготовки производства аппаратуры, а также ее стоимость.
Этот метод позволяет также производить сборку, регулировку и испытания сборочных единиц параллельно, в результате чего резко сокращается длительность производственного цикла изготовления аппаратуры.
Как будет показано, использование этого метода в ряде случаев дает возможность повысить надежность аппаратуры.
Применяя блоки одинаковой конструкции, можно наиболее оптимально использовать объем прибора, что в конечном счете приводит к сокращению массы и габаритов аппаратуры.
При компоновке приборов, состоящих из малогабаритных элементов, наиболее широко используют два типа конструкций: из легкосъемных субблоков и книжный.
Рассмотрим особенности этих конструкций.
Легкосъемные субблоки. При такой конструкции прибор состоит из определенного числа однотипных субблоков, снабженных разъемами врубного типа. Возможные варианты конструкции субблоков показаны на рис. 6.3, а, 6.
Рис.6.3. Легкосъемный субблок.
а -каркасный; б - многоплатный с металлической рамкой; 1 - печатная плата с ЭРЭ; 2 - разъем;
3 – угольник для крепления субблока; 4 - рамка; 5 - ключ.
Субблок, показанный на рис. 6.3, а, состоит из одной печатной платы, на которой могут быть расположены микросхемы, полупроводниковые приборы и другие малогабаритные ЭРЭ.
На одном краю печатной платы закреплен врубной разъем 2. Высота этого разъема должна быть соразмерна с высотой элементов, установленных на печатной плате. В противном случае плотность монтажа в приборе получится очень низкой. На двух других краях печатной платы оставлено поле, свободное от печатного монтажа и ЭРЭ. При установке субблока в прибор эти края платы входят в специальные направляющие пазы прибора, благодаря чему субблок может перемещаться в приборе только в одном направлении. На краю платы, противоположном разъему, размещают устройство, которое закрепляет субблок в направляющих пазах прибора. Например, на рис. 6.3, а это устройство состоит из угольников 3 с отверстиями, в которые установлены невыпадающие винты. Эти винты входят в резьбовые отверстия на кожухе прибора, благодаря чему обеспечивается прочное закрепление субблока.
Как правило, все субблоки, входящие в прибор, делают с одинаковыми габаритными размерами. При этом субблок по ошибке может быть установлен в приборе не в свое гнездо. Чтобы избежать этого, каждый субблок снабжают специальными ключами, исключающими возможность неправильной установки. В качестве ключей можно использовать два штыря 5, установленные для различных субблоков на разном расстоянии от края. В шасси блока для каждого ключа должно быть отверстие.
Субблок, показанный на рис. 6.3,б, состоит из двух печатных плат, закрепленных на общей металлической рамке 4. Эти две платы соединены между собой гибким печатным или плоским плетеным кабелем. Способ установки и крепления субблока в приборе был рассмотрен ранее.
Количество печатных плат, из которых состоит субблок, может быть и больше двух.
Если аппаратура работает при воздействии значительных ударных и вибрационных перегрузок, особенно когда частота вибрации высока, то необходимо обеспечить повышенную жесткость субблока. Тогда рамку применяют и для субблока, имеющего одну плату.
Иногда на субблоке наряду с микросхемами, имеющими малую высоту, необходимо разместить крупногабаритные элементы.
В этом случае, чтобы получить хорошую плотность монтажа, целесообразно применять объемно-плоскостной метод компоновки. Сущность этого метода состоит в том, что малогабаритные элементы размещают на нескольких печатных узлах, один из размеров которых соизмерим с высотой крупногабаритных элементов. После этого крупногабаритные элементы и печатные узлы закрепляют на общей коммутационной плате, которая оформляется конструктивно в виде субблока (рис. 6.4).
Рис.6.4. Объемно-плоскостная компоновка.
1 – коммутационная плата; 2 – печатный узел с микросхемами; 3 – крупногабаритные ЭРЭ;
4 – контакты для запайки печатного узла в коммутационную плату.
Электрическое соединение печатных узлов с коммутационной платой производят пайкой, для чего на печатном узле делают специальные контакты, например, как показано на рис. 6.4. Эти контакты запаивают в металлизованные отверстия коммутационной платы. Если субблок будет работать при жестких механических воздействиях, то печатный узел крепят дополнительно угольниками, стойками и другими аналогичными устройствами.
Чтобы электрически соединить между собой отдельные субблоки, в приборе устанавливают врубные разъемы с гнездами. Контакты этих разъемов соединяют между собой с помощью коммутационной печатной платы или жгутом из проводов. На рис. 6.5 показан прибор, состоящий из легкосъемных субблоков.
Рис. 6.5. Прибор из легкосъемных субблоков (боковые крышки сняты)
1 – субблок (условно выдвинут); 2 – невыпадающий винт; 3 – нижняя стенка (вентиляционные
жалюзи не видны); 4 – панель передняя; 5 – верхняя стенка (с вентиляционными жалюзи);
6 – панель задняя.
Применение рассмотренной конструкции в ряде случаев позволяет резко повысить надежность аппаратуры. В связи с постоянным усложнением аппаратуры выполнение требований по надежности становится все более сложной задачей. Одним из параметров, характеризующих фактическую надежность изделия, является среднее время, затрачиваемое на отыскание и устранение неисправностей
Если бы прибор, состоящий из нескольких сотен или тысяч микросхем, полупроводниковых приборов и других элементов, был выполнен в виде неразъемной конструкции, в которой все элементы соединены только пайкой, то в случае выхода из строя одного элемента нужно было бы из всего количества выявить именно этот элемент и заменить его. Совершенно очевидно, что решить такую задачу может только чрезвычайно квалифицированный оператор, но и он на отыскание неисправности затратит много времени.
Если прибор разделен на отдельные легкосъемные блоки и имеются запасные части с аналогичными блоками, то необходимо найти только субблок, в котором находится отказавший элемент. При этом время отыскания неисправностей будет сокращено в десятки раз по следующим причинам:
– количество субблоков во много раз меньше количества элементов схемы;
– каждый субблок можно снабдить специальными устройствами которые будут выдавать информацию о его исправном состоянии.
Однако, как видно из рассмотренных примеров, деление прибора на легкосъемные части требует специальных элементов конструкции (разъемы, направляющие, элементы крепления, коммутационные платы и т д), что приводит к некоторому увеличению габаритов прибора. Это увеличение может оказаться существенным, когда объем каждого субблока мал, а число их чрезмерно велико. Кроме того, сами по себе разъемы имеют конечную надежность, и использование их в очень большом количестве может уменьшить среднюю наработку на один отказ всего изделия.
Деление прибора на большое количество легкосъемных частей и использование запасного имущества может существенно повысить надежность аппаратуры в тех случаях, когда кратковременный перерыв на замену отказавшего субблока не приводит к полному срыву задачи, выполняемой изделием. В таких случаях деление прибора на легкосъемные субблоки широко применяют при конструировании радиоэлектронных устройств, схемы которых построены с использованием микросхем и полупроводниковых приборов.
При этом в каждом конкретном случае выбирают такое количество элементов в субблоке, чтобы его легкосъемность существенно не ухудшала среднюю наработку на отказ и не увеличивала значительно габаритов аппаратуры
Книжная конструкция. Пример выполнения книжной конструкции показан на рис.6.6. Прибор состоит из нескольких субблоков), каждый из которых, вращаясь вокруг своей оси, может откидываться как страница книги.
Рис. 6.6. Прибор книжной конструкции.
1 – субблок; 2 – кабель плоский; 3 – панель передняя; 4 – стенка средняя; 5 – панель задняя.
Соответствующий субблок показан на рис.6.7. Он состоит из двух печатных плат 1, установленных на металлической рамке 3. В зависимости от конкретной конструкции количество печатных плат в субблоке может быть больше или меньше, чем на рис.6.7. Рамка имеет два прилива с отверстиями 7 и 8
В отверстие 8 вставлена ось, вокруг которой вращается данный субблок в приборе, в отверстие 7 вставлена другая ось, вокруг которой вращается в приборе соседний субблок. В рабочем положении все субблоки в приборе стянуты винтами в плотный пакет, благодаря чему конструкция имеет большую жесткость и хорошо выдерживает большие механические перегрузки в широком диапазоне частот. Субблоки не имеют разъемов. Они соединяются между собой гибким кабелем. Такая конструкция обеспечивает удобный доступ к каждой микросхеме в процессе регулировки всего прибора и при отыскании неисправностей, когда соответствующий субблок откинут.
Рис. 6.7. Субблок книжной конструкции.
1 – плата печатная; 2 – микросхема; 3 – рамка; 4 – кабель гибкий; 5 – кабель гибкий;
6 – втулка для стягивания пакетов в приборе; 7 – отверстие для оси в которой
будет вращаться следующий субблок; 8 – то же для рассматриваемого субблока.
При книжной конструкции прибора отыскание неисправностей должно производиться с точностью до отказавшего элемента: в этом ее недостаток. Однако книжная конструкция позволяет получить компактные приборы с жесткой конструкцией.
Иногда прибор разбивают на блоки, каждый из которых снабжен разъемом и является легкосъемным, но состоит из нескольких субблоков книжной конструкции.
Модульный метод в равной степени дает преимущества при конструировании любых видов радиоэлектронной аппаратуры, содержащей самые разнообразные элементы.
В зависимости от габаритов, массы и других характеристик эти элементы можно крепить непосредственно на печатных платах или на специальных металлических шасси. Соединяться они могут с помощью печатного монтажа, объемного монтажа (жгутами или отдельными проводами) или комбинированно – с использованием печатного и объемного монтажа.