Технический и культурный прогресс обеспечили радиоаппаратуре необычайно широкое распространение.

Радиотехнические изделия нашли применение в телевидении, в самолетостроении, в аппаратах управления спутниками и космическими кораблями, в устройствах исследования физиологических свойств организма человека, для автоматического управления производственными процессами в самых различных отраслях промышленности и т. д.

Условия эксплуатации различных типов радиоизделий существенно зависят от климатических особенностей местности, где они будут работать, от рода объекта (корабль, самолет, спутник и т. д.), на котором они установлены, и других причин.

В соответствии с принятой классификацией различают шесть типов климатических районов: а) на суше - с умеренным климатом (У), с холодным климатом (ХЛ), с влажным тропическим климатом (ТВ), с сухим тропическим климатом (ТС); б) на морях и океанах - с умеренно холодным морским климатом (М), с тропическим морским климатом (ТМ).

Таким образом, каждое изделие может иметь климатическое исполг-нение, соответствующее указанным районам и обозначаемое сокращенно теми же буквами, какими обозначен район.

Если изделие предназначано для работы как при влажном, так и при сухом тропическсш климате, то такое исполнение обозначают буквой Т; исполнение, допускающее работу во всех климатических районах на суше, обозначают буквой О; для всех морских районов - буквой М; для всех районов на суше и на море - буквой В.

Разделение поверхности земного шара на климатические районы производят по следующим признакам:

а) к районам с умеренным климатом относят районы, в которых температура воздуха лежит в пределах от --40 до -45°С;

б) к районам с холодным климатом относят районы, в. которых минимальная температура ниже -5°С;

в) районы, где температура больше 20°С в сочетании с высокой относительной влажностью (более 80%) наблюдается не менее 12 ч в сутки непрерывно не менее двух месяцев подряд, относят к районам с влажным тропическим климатом.

Если температура воздуха превышает --40°С, а влажность ниже норм, указанных в предьщущем пункте, то такой климат называют тропическим сухрш;

г) к районам с умеренно холодным морским климатом относят моря и океаны, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30°

южной широты, при условии, что температура в них не опускается ниже -45 °С;

д) в морских районах, расположенных между 30° северной широты и 30° южной широты, климат тропический морской.

Условия эксплуатации аппаратуры в сильной мере зависят от вида помещения или укрытия, в котором она расположена. В соответствии с этим аппаратуру подразделяют на пять категорий.

1. Аппаратура, предназначенная для эксплуатации непосредственно на открытом воздухе.

2. Аппаратура, предназначенная для эксплуатации в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например в палатках, в кузовах, прицепах, под навесами при отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.

3. Аппаратура, предназначенная для работы в неотапливаемых закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

4. Аппаратура, предназначенная для работы в закрытых отапливаемых и вентилируемых помещениях.

5. Аппаратура, предназначенная для работы в помещениях с повышенной влажностью, например в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в трюмах кораблей, где возможно длительное наличие воды, и т. п.

Конкретные значения температуры и влажности воздуха для различных климатических исполнений и категорий аппаратуры указаны в соответствующих стандартах.

При конструировании аппаратуры необходимо учитывать влияние внешних факторов. Например, при эксплуатации аппаратуры в арктических и антарктических условиях температура воздуха может пони-. жаться до -(70ч-80)°С, а при подъеме на высоту более 10 км - до -56°.

Понижение температуры оказывает влияние на работу электромеханических устройств, так как значительные перепады ее (например, от + 20 до -0°Q приводят к изменениям зазоров и натягов. Одновременно происходит сгущение смазочных веществ, что вызывает увеличение моментов и сил трения в подвижных устройствах. При понижении температуры окружающего воздуха меняются и параметры радиоэлементов. Аппаратура должна быть сконструирована так, чтобы при заданной отрицательной температуре ее параметры сохранялись в заранее установленных пределах. Такую аппаратуру называют холодоустойчивой.

При работе радиоаппаратуры в районах с тропическим климатом температура воздуха может повышаться до 45°, а в отдельных случаях до 50-55 °С. В закрытых помещениях, находящихся под непосредственным воздействием солнца (в самолете, который стоит на земле), температура воздуха может достигать 70 °С.

Обшивка лобовой части крыла самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, может нагреваться в результате трения о встречный поток воздуха до 150-200°С, а расположенная за ней аппаратура будет работать при температуре порядка 100°С и выше.

- Повышение температуры окружающего воздуха вызывает увеличе-

ние сопротивления проводниковых материалов и ухудшение параметров изоляционньк материалов (особенно органических). Происходящее при этом уменьшение сопротивления изоляции приводит к увеличению потерь, к появлению утечек в схемах, к уменьшению добротности контуров и к другим нежелательным явлениям. Одновременно происходит уменьшение электрической прочности диэлектриков, что может приводить к пробоям в схеме и тшаму отказу аппаратуры. При изменении температуры окружающей среды меняется диэлектрическая проницаемость диэлектриков. Если диэлектрик, у которого это изменение велико, применить в конденсаторе, образующем вместе с катушкой резонансный контур, то при изменении температуры будет меняться частота настройки контура. При этом изменится выходной уровень передатчика, где этот контур используется, что может привести к потере связи.

При длительной работе радиоизделий в условиях повышенной температуры могут появиться необратимые изменения параметров изоляционных материалов. При наличии в конструкции материалов с различными коэффициентами линейного расширения происходит изменение зазоров и натягов, что также может вызвать изменение параметров радиоаппаратуры.

Свойство аппаратуры сохранять стабильность параметров в определенных пределах при повышении температуры назьгеают тепло-устойчтостью.

Количество влаги, содержащейся в воздухе при различных климатических условиях, различно. В областях умеренного климата относительная влажность воздуха составляет 65-80%; в пустынях она может уменьшаться до 5 10%, а в тропиках - достигать 100% при температуре воздуха до +35°С.

Понижение температуры сопровождается уменьшением количества паров воды в воздухе, поэтому суточные колебания температуры могут сопровождаться выпадением влаги на поверхности и внутри аппаратуры. Подобные явления могут произойти при попадании самолета в насыщенный влагой воздух (туман), если температура аппарата ниже температуры воздуха.

При воздействии воздуха с высоким содержанием водяных паров, особенно при повышенной температуре, влага проникает внутрь изоляционных материалов через микротрещины или благодаря явлению диффузии. Так как проводимость воды значительно выще проводимости диэлектриков, то воздействие влаги приводит к резкому уменьшению сопротивления изоляции, росту потерь в диэлектрике и изменению относительной диэлектрической проницаемости. Воздействуя на металлы, влага вызывает появление электрохимической коррозии металлов.

Аппаратуру, которая сохраняет параметры в заранее установленных пределах при работе в феде с повышенной относительной влажностью, называют влагоустойчивой.

Высокая влажность воздуха способствует образованию на органических изоляционных материалах плесневых грибков. Они развиваются на пластмассах, красках, лаках, коже, резине, текстиле. Воздействие плесневых грибков приводит к тому, что указанные материалы ухудшают свои электрические и механические свойства и могут даже разру-

5 W IS 20 2S SO H,i<M

щиться. в некоторых тропических района во- р,па дятся термиты, которые, попадая в радио- 51 электронную аппаратуру, поедают древесину, пластмассы с древесным наполнителем и не- s-io .которые другие органические материалы.

Некоторые категории аппаратуры (ролевая переносная) работают при непосредствен- . ном воздействии атмосферных осадков. Кроме того, в отдельных случаях возможна рабо- 210* ш аппаратуры в еоде.

Аппаратура, расположенная на промышленных предприятиях, может находиться в возду- , i 3 mo№ атмо-Хе, загрязненном различными газами (хлором, сферного давления от ВЫ

аммиаком, сернистым газом и пр.). соты

Все категории аппаратуры, особенно устанавливаемой на подвижных об-ьектах, работают цри интенсивном воздейст)зии пыли, что часто приводит к нарушениям работы механических устройств, уменьшению сопротивления изоляции и нарушению нормального теплового режима.

При подъеме на значительную высоту происходит уменьшение атмосферного давления. График этого изменения показан на рис. 1.1.

Понижение давления воздуха сопровождается уменьшением его электрической прочности, что в ряде случаев может привести к пробою воздушных промежутков. Кроме того, при пониженном давлении ухуд-щается отвод теплоты от нагревающих тел, в результате чего их температура повышается.

Аппаратура, расположенная на подвижных объектах, подвержена воздействию вибрации, ударов и линейных ускорений, которые возникают из-за наличия неуравновешенных подвижных масс, при передвижении объектов по дорогам, при посадках самолетов, стрельбе из ору-адя, при изменении скорости движения и т. д.

При этом ж каждый элемент конструкции аппарата действует сила

F = ГШ, (1.1)

где т - масса элемента конструкции; а - ускорение.

Воздействие этой силы вызывает деформацию отдельных частей конструкции, в результате чего может произойти изменение параметров аппаратуры или ее полное разрушение.

Отношение силы F, появляющееся в результате воздействия ускорения, к силе тяжести Р называют перегрузкой:

G = FIP. (1.2)

Значение перегрузки G показывает, во сколько раз дополнительная сила F больше силы тяжести Р, действующей на аппарат. Если известна Перегрузка, то появляющаяся при этом сила может быть вычислена по следующей формуле:

F PG . (1.3)

Если на аппарат воздействует синусоидальная вибрация, то перегрузка

G 0,004Д/2,

(1.4)

где А - амплитуда вибрации, мм; / - частота вибрации, Гц.

Значение перегрузки G, появляющейся при ударах, обычно определяют экспериментально, с помощью специальных приборов, которые называют акселерометрами. Ориентировочные значения перегрузки G для объектов, которые эксплуатируются в различных условиях, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Перегрузки для различных категорий аппаратуры

Под воздействием вибрации могут происходить нарушения в работе аппарата из-за взаимного перемещения отдельных элементов конструкции. Аппаратуру,* которая нормально вьшолняет свои функции при воздействии вибрации, называют виброустойчивой.

Аппаратуру, которая может протиюстоять разрушающему действию длительной вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений, а также действию ударов заданной силы и длительности и продолжает после этого нормально выполнять свои функции, называют вибропроч-йой и ударопрочной.

Следует иметь в виду, что условия, в которых находятся радиодетали, могут Отличаться от условий, в которых работает вся аппаратура. Так, из-за выделяемой в аппарате теплоты температура внутри кожуха может значительно превышать окружающую. При наличии герметизации или уплотнения кожуха влажность воздуха около деталей может быть значительно ниже влажности окружающего воздуха и т. д.

Чтобы обеспечить надежную работу аппарата, при конструировании необходимо предусмотреть специальные меры защиты, которые рассмотрены в гл. 15.

Комплекс воздействий и значения воздействующих факторбв кроме климатических условий сильно зависят от характеристик объекта, на котором установлена аппаратура, и даже от конкретного места установки. Так, факторы, действующие на аппаратуру, установленную на мачте корабля, отличаются от тех, которые действуют на аппаратуру, установленную в его радиорубке.

В настоящее время разработана классификация радиоаппаратуры в зависимости от характера объекта и места установки аппаратуры на нем, которая приводится в специальных справочниках и нормалях. Пользуясь этими документами, конструктор может определить те кон-кретньк условия, в которых будет эксплуатироваться проектируемое изделие.

R 1 2 ВЛИЯНИЕ НА КОНСТРУКЦИЮ ВЫПОЛНЯЕМЫХ РАДИОАППАРАТУРСЖ ФУНКЦИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К НЕЙ

На некоторых примерах рассмотрим влияние на конструкцию аппарата требований, предъявляемых к его электрическим параметрам. В приемнике, предназначенном для приема сигналов с частотой до сотен мегагерц, колебательный контур состоит из индуктивной катушки и конденсатора; в приемнике сантиметрового диапазона применяют контуры в виде объемных резонаторов. Хотя в обоих примерах контуры выполняют одни и те же функции, их конструкции оказываются принципиально различными.

Мощность, рассеиваемая в ряде приемных устройств, обычно не превышает 100-200 Вт. Для таких устройств в большинстве случаев достаточно естественного охлаждения за счет конвекции, лучеиспускания и теплопроводности. В оконечных каскадах мощных передатчиков рассеивается во много раз большая мощность, что может потребовать искусственного охлаждения, например, принудительным обдувом или жидкостными системами.

В радиовещательных приемниках настройку осуществляют прйстей-шими механизмами передачи на шестернях, с гибкой нитью или другого типа. В радиоприемниках, устанавливаемых на современных самолетах, применяют сложные электронные устройства, обеспечивающие управление приемником на расстоянии.

§ 1.3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РАДИОАППАРАТУРЕ

При проектировании каждого радиоэлектронного изделия, которым будет управлять оператор, необходимо учитывать комплекс требований, отражающих особенности человека-оператора. Этот комплекс включает в себя: а) антропометрические показатели (определяют соответствие изделия форме и размерам тела человека);

б) физиологические показатели (определяют соответствие изделия силовым, скоростным, зрительным и другим возможностям человека);

в) психологические показатели (определяют возможности человека по восприятию и переработке информации);

г) гигиенические показатели (определяют внешние условия, в которых работает оператор - освещенность рабочего места, температура, шумы, вибрация и др.).

Аппарат должен быть сконструирован так, чтобы мог управляться малоквалифицированным персоналом. Случайное неправильное обращение с органами управления не должно выводить аппарат из строя. Субъективные особенности обслуживающего персонала не должны сказываться на результатах операций, которые выполняет изделие.

Обслуживание аппарата (периодические профилактические и ремонт-нде работы) должно быть простым. Для этого должны быть обеспечены: удобный монтаж и демонтаж аппарата, легкий доступ к узлам и приборам, требующим периодического осмотра, очистки и смазки; возмож-

ность быстрой смены узлов и приборов, обладающих наименьшим сроком службы; взаимозаменяемость приборов и узлов по электрическим и механическим параметрам. Каждый аппарат должен иметь комплект запасных частей для быстрого восстановления работоспособиости после выхода его из строя.

В конструкции аппарата должны быть предусмотрены специальные меры по технике безопасности, исключающие возможность несчастных случаев. Так, в приборах с высоким напряжением делают блокировку, В необходимых случаях аппаратуру снабжают предупредительными надписями.

Каждый аппарат должен быть сконструирован так, чтобы затраты На его эксплуатацию (стоимость электроэнергии, заработной платы об служивающего персонала, стоимость запасных деталей, узлов и приборов, необходимых дяя проведения ремонтных работ) были минимальными. Мерой экономичности является стоимость одного часа работы аппарата, которая определяется как отношение суммы перечисленных затрат за длительный период эксплуатации к числу часов работы за указанный период.

Существенные резервы улучшения экономических характеристик изделия заложены в повышении его надежности. В этом случае при прО' йзводстве экономятся производственные мощности, затрачиваемые на изготовление запасных частей. В процессе эксплуатации экономятся средства на их приобретение, на содержание персонала, занятого ремонтом аппаратуры, уменьшаются экономические потери, вызванные простоем Отказавшей аппаратуры.

Следует отметить, что уменьшение потребления электроэнергии в аппаратуре с батарейным питанием позволяет снизить массу аппаратуры за счет уменьшения габаритов источников питания или при заданной массе продлить срок службы.

Создание широковещательной радиоаппаратуры с экономичным питанием в настоящее время приобретает большое народнохозяйствен иое значение, так как несколько десятков миллионов радиоприемников и телевизоров, находящихся у населения, для своего питания требуют миллионов киловатт энергетической мощности.

Надежность работы (см. гл. 2) является одной из важнейших эксплуатационных характеристик аппаратуры.

§ 1.4. ЭКОНОМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РАДИОАППАРАТУРЕ

Стремление изготовить радиоаппаратуру с учетом только эксплуатационных требований приводит, как правило, к ее усложнению и созданию конструкций, которые невозможно осуществить без больших материальных затрат; поэтому конструктор в своей практической деятельности должен руководствоваться следующими производственно-технологическими требованиями.

1. В конструкции необходимо максимально использовать стандартизованные и нормализованные изделия. Выполнение этого требования дает большой экономический эффект, так как позволяет ликвидировать

затраты на разработку изделий, технологического процесса, специального инструмента и оборудования. Выполнение этого требования сокращает сроки подготовки производства аппаратуры.

Стандартизованные и нормализованные изделия выпускают специализированные заводы, на которых применяют высокопроизводительное специальное оборудование, позволяющее механизировать и автоматизировать процесс производства и тем самым уменьшить стоимость изделий. Стандартизованные и нормализованные изделия Проверены практикой и более надежны; поэтому конструктор обязан их всемерно использовать во вновь разрабатываемой аппаратуре.

2. Следует стремиться к сокращению номенклатуры деталей в каж^ дом изделии.

3. Приступая к разработке какого-либо узла или прибора, конструктор обязан тщательно проанализировать требования, предъявляемые к схемам, конструкциям и характеристикам уже выпускаемых изделий, и сравнить их с требованиями к изделию, подлежащему разработке. Такой анализ позволит конструктору установить пригодность освоенного изделия для Нового аппарата или выявить минимальные переделки.

4. При конструировании следует стремиться к максимальной простоте изделия. Конструкция аппарата может быть признана технологичной, если для его изготовления требуется: а) минимальное количество рабочей силы возможно более низкой квалификации; 6) минимальное количество материалов, особенно дефицитных; в) минимальное количество рабочих площадей.

Конструкция технологична, если обеспечиваются сборка без подгонок и доделок, взаимозаменяемость узлов и деталей по электрическим параметрам, независимая регулировка отдельных узлов и приборов, что способствует сокращению производственного цикла изготовления изделия. Особенно важно обеспечить взаимозаменяемость деталей и узлов в изделиях массового и серийного производства, так как без этого невозможны механизация и автоматизация производства.

Технология изготовления изделий, предназначенных для единичного производства, должна допускать применение универсального оборудования без использования дорогостоящего инструмента, а для массового и крупносерийного производства - механизированного и автоматизированного высокопроизводительного оборудования.

При рассмотрении конструкций отдельных элементов радиоэлектронной аппаратуры будут приведены примеры конструктивных решений, удовлетворяющих требованиям технологичности.

ЛРОЕКТМРОВАМЖ РАДИОАППАРАТУРЫ f-

С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ

§ 2.1. ОСНОВНЫЕ понятга

в связи с возрастающей сложностью радиоэлектронного оборудования перед конструкторами встала задача создания более надежной и долговечной радиоаппаратуры.

Об увеличении сложности разрабатываемой и вьшускаемой радиоаппаратуры говорят следующие примеры: радиоэлектронное оборудование самолета дальнего действия в 1940 г. включало в среднем около 100 электронных ламп; в 1950 г. их количество достигло 2000 щт., а в 1955 г. составило 4000-5000 щт. Современная аппаратура дальнего обнаружения системы противовоздушной обороны имеет сотни тысяч элементов схемы.

Если при конструировании сложной аппаратуры не предусмотрены меры по увеличению надежности, то отказы в работе будут происходить часто и время, затрачиваемое на ремонт аппарата, станет большим. В результате может оказаться, что основную часть эксплуатационного времени аппарат будет находиться в ремонте.

Отказы аппарата могут быть постепенными и внезапными.

Постепенные отказы вызываются постепенным изменением параметров элементов схемы и конструкции. Например, при длительной эксплуатации радиоаппарата конденсаторы постепенно меняют емкость, что вызывает ухудшение одного из параметров, при котором аппарат перестает выполнять свои функции.

Внезапные отказы проявляются в виде скачкообразного изменения параметров аппарата. Причиной внезапного отказа может быть перегорание токоироводящего слоя резистора, пробой конденсатора и т. д.

Все изделия подразделяют на восстанавливаемые и не восстанавливаемые.

Восстанавливаемые - это такие изделия, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению. У не-восстанавливаемых изделий отказы не устраняются. К числу невосста-навливаемых относят почти все радиокомпоненты (резисторы, конденсаторы, транзисторы, микросхемы и др.), а также отдельные категории радиоэлектронной аппаратуры, например аппаратуру ракет.

Надежность - это свойство изделия выполнять все заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах. Надежность - это физическое свойство изделия, которое зависит от количества и качества входящих в него элементов, от условий, в которых оно эксплуатируется (чем выше температура окружающей среды, чем больше относительная влажность воздуха, перегрузки при вибрации и т. д., тем меньше надежность), и от ряда других причин.

Надежность в зависимости от назначения изделия может включать в себя такие понятия (свойства), как безотказность, ремонтопригодность,

сохраняемость и другие в отдельности или в определенных сочетаниях. Рассмотрим каждую из этих составляющих надежности.

Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторого времени.

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в том, что изделие приспособлено- а) к предупреждению возможных причин возникновения отказа; б) к обнаружению причин возникшего отказа или повреждения; в) к устранению последствий возникшего отказа или повреждения путем ремонта.

Аппаратуру, которая удовлетворяет указанным требованиям, называют ремонтопригодной.

Сохраняемость - свойство изделия непрерывно находится в исправном состоянии при хранении или транспортировании.

Рассмотренные определения дают качественную характеристику надежности. Чтобы сравнивать различные типы изделий или экземпляры изделий одного и того же типа, необходимо иметь количественные характеристики надежности.

Одной из таких характеристик является вероятность безотказной работы изделия в течение заданного интервала времени:

1 >P(fp) > 0.

Вероятность безотказной работы показывает, какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного времени tp. Поясним смысл этой характеристики на примере. Допустим, что работает количество а изделий одного типа. В течение времени за ним ведется наблюдение и к концу его установлено, что b изделий работают исправно, а (а-Ь) вышли из строя. Тогда вероятность безотказной работы

P(t)b/a. (2.1)

В выражении (2.1) знак примерного равенства означает, что указанная характеристика аппаратуры (как и другие характеристики надеж-нрсти) носит вероятностный характер. Это значит, что точность и достоверность указанной характеристики зависит от количества проведенных экспериментов: чем больше экспериментов, тем точнее полученное значение характеристики отражает свойства аппаратуры.

При подбрасывании монеты можно утверждать, что вероятность ее падения вверх гербом равна 0,5. Из этого не следует, что при четьфех бросаниях монета ляжет вверх гербом обязательно 2 раза. Но если подобный эксперимент выполнить много раз, то полученный результат будет достаточно близок к 0,5, причем совпадение будет тем лучше, чем больше экспериментов проведено. Точно так же выражение (2.1) позволяет определить вероятность безотказной работы с достаточной точностью, если для эксперимента взято большое количество изделий.

-Вероятность безотказной работы кроме физических свойств зависит от времени tp, в течение которого изделие должно работать безотказно:

Р(г)=е-л'Р, (2.2)

где е - основание натуральных логарифмов; Л - интенсивность отказов.