формула для вычисления объема имеет вид

где Fj; - ориентировочное значение объема проектируемого изделия; К у - коэффициент заполнения объема соответствующими устройст-

вами; S К,- - сумма установочных объемов микросхем, сопротивлений,транзисторов и т. п.; Vj - сумма установочных объемов отсчетных устройств, механизмов и т. п.

При наличии других специфических устройств, имеющих свои характерные значения коэффициентов Ку, количество слагаемых в формуле (14.1) может быть соответственно увеличено. В формулу (14.1) в качестве объема Vi подставляют не физический объем, занимаемый данным элементом, а значение установочного объема. При этом каждый тип элемента заменяют эквивалентной фигурой простой геометрической формы (параллелепипедом), в которую может быть вписан элемент данного типа вместе с устройствами крепления и монтажа. Примеры выбора габаритов, определяющих установочный объем элемента приведенным на рис. 14.10. Использование формулы (14.1) связано с выполнением большого количества несложных вычислений, однако основная трудность заключается в выборе значений коэффициентов заполнения Ку.

В справочно!? литературе встречаются значения Ку, рассчитанные для разных категорий аппаратуры, классифицированных по следующим признакам: назначение, объект установки, характер охлаждения и т. д. Эти значения коэффициентов являются ориентировочными. Значительно лучшие результаты получаются, когда конструктор сам вычисляет эти коэффициенты для аналогичной по назначению уже разработанной аппаратуры, имеющей сходные некоторые параметры и по возможности близкую элементную базу.

Хорошие результаты аналитическая компановка дает при расчетах размеров печатных плат, схема которых построена с использованием микросхем в однотипных корпусах или других однотипных элементов (например, ферритовых сердечников). Такие случаи встречаются на

практике очень часто, особенно при проектировании цифровых устройств, так как номенклатура используемых корпусов ограничена. В этом случае вводят понятие шаг установки микросхемы на плате , выбирают значения периферийной зоны платы, не занятой микросхемами и печатными проводниками, и производят расчет количества микросхем, которое можно разместить на плате заданных размеров.

Модельная и аппликационная компоновка. При использовании этих методов компоновку производят с использованием объемнгх или плоских моделей ЭРЭ. Объемные модели изготавливают из любых легкообрабатываемых материалов (пе-

(14.1)

I

Рис. 14.10. Установочные размеры ЭРЭ

нопласта, картона). Иногда вместо объемных моделей используют непосредственно детали, которые необходимо разместить (разъемы, переключатели, контуры, трансформаторы и т. д.).

Аппликации - это плоские модели ЭРЭ, изготовленные из бумаги, картона Иногда аппликации делают из тонкой листовой стали и для размещения элементов используют специальные шаблоны, оборудованные постоянными магнитами. На такой шаблон накладывают лист бумаги, а на него - аппликации элементов. Благодаря магнитам аппликации хорошо удерживаются на шаблоне и при необходимости мотут быть легко сдвинуты для выбора оптимального размещения. Компоновку с использованием аппликаций широко применяют при проектировании печатных плат, особенно при использовании одно- и двустороннего монтажа (см. гл. 13).

С помощью модельной или аппликационной компоновки находят оптимальное взаимное расположение деталей, на основании которого делают сборочный чертеж.

Графическая компоновка. Графическую компоновку выполняют на листе бумаги, вычерчиванием контуров компонуемых деталей. Графическая компоновка - очень трудоемкая операция. Чтобы найти лучшее расположение деталей, конструктору приходится выполнить несколько вариантов компоновки. Поэтому графическую компоновку целесообразно выполнять, когда, пользуясь аппликациями, моделями или готовыми деталями, уже нашли оптимальный вариант их размещения.

Компоновка начинается с размещения органов управления и отсчетных устройств на передней панели. Одновременно с этим производят предварительное размещение управляемых узлов (переключателей, переменных резисторов, конденсаторов переменной емкости, вариометров и др.) на передней панели и шасси. Те органы, которыми при эксплуатации пользуются редко, обычно не имеют рукояток, их располагают внутри аппарата на передней панели напротив специальных отверстий, через которые с помощью отвертки устанавливают в нужное положение.

Параллельно с размещением управляемых узлов и органов управления можно компоновать малогабаритные элементы схемы и функциональные узлы на модулях, с тем чтобы обеспечить наиболее рациональное использование площади модуля.

После окончания компоновки элементов на модулях приступают к компоновке модулей и отдельных крупногабаритных элементов, которые целесообразно располагать непосредственно на шасси аппарата. Компоновку выполняют, пользуясь плоскими макетами деталей в нескольких проекциях.

При компоновке изделий бытового назначения нужно в первую очередь добиваться красивого внешнего вида. При этом часто приходится располагать органы управления в ущерб удобству внутреннего расположения частей конструкции.

При выборе взаимного расположения отдельных касков следует учитывать возможность появления паразитных обратных связей между ними, что может нарушать их нормальную работу. Паразитные связи могут образовываться по трем каналам: через электрическое поле, через

магнитное поле и через общее сопротивление, которое назьшают сопротивлением связи. Уменьщение связей должно достигаться в первую очередь за счет рационального размещения элементов схемы. Входные каскады усилителей должны быть удалены от их выходных каскадов. Связанные по схеме каскады следует располагать в непосредственной близости друг от друга, что уменьщает длину соединительных проводов. На частотах выще 1 МГц, особенно выще 10 МГц, каскады усилительных устройств желательно располагать по одной линии, что позволяет максимально удалить выход последующего каскада от входа предыдущего.

Если прибор должен работать на высоких частотах, то следует обратить особое внимание на уменьшение длины проводов, соединяющих фильтрующие конденсаторы. В противном случае может возникнуть последовательный резонанс между индуктивностью провода и емкостью конденсатора, что сведет на нет его фильтрующее действие. Во многих случаях только за счет рационального размещения не удается уменьшить паразитные обратные связи до приемлемого уровня и тогда приходится устанавливать экраны.

Связь за счет электрического поля может быть уменьшена установкой электростатического экрана. Роль такого экрана может вьшолнять металлический лист.материала с хорошш электропроводностью, тщательно соединенный с корпусом.

На рис. 14.11, а показаны провода, один из которых имеет относительно корпуса потенциал С/а. При наличии паразитной емкости Ci между проводами а и б и емкости Сг между проводом и корпусом, образуется емкостной делитель, которьш и определяет потенциал провода б:

На рис. 14.11, б схематически показан электростатический экран Э, установленный между проводами; R - сопротивление экрана и места его соединения с корпусом.

Потенциал экрана С/, относительно корпуса определяется значениями емкости с/ и сопротивления R. Если последнее мало, то потенциал экрана может быть во много раз меньше потенциала провода а.

а

Л 5

X Фа

а) Sj

Рис. 14.11. Влияние экрана на распределение емкостей между экранизируемыми проводами

-г

в

Рис. 14.12. Магнитный экран: / - экран; 2 - экранируемый трансформатор

Потенциал провода б относительно экрана определяется значениями емкостей СГи Сг:

Этот потенциал всегда меньше потенциала экрана. Если же сам экран имеет большое сопротивление или плохо соединен с корпусом (Я - велико), то его потенциал оказьгоается практически равным потенциалу провода а. Тогда потенциал провода б определяется только отношением Ci/(C2 + С]), которое больше, чем отношение Ci/(C2 + Ci), так как G > Ci. В этом случае может оказаться, что экран не ослабил действие электрического поля, а, наоборот, усилил его. Из сказанного следует, что электростатический экран должен быть сделан из хорошо проводящего материала и тщательно заземлен. Требования к конструкции магнитного экрана для радиочастот были рассмотрены в § 7.7.

При компоновке трансформаторных усилителей низкой частоты следует учитывать, что трансформаторы создают значительные магнитные поля, которые трудно поддаются экранированию. Поэтому трансформаторы следует размещать так, чтобы магнитные силовые линии их катушек были взаимно перпендикулярны. При этом магнитные силовые линии поля рассеяния одного трансформатора не будут пронизывать катушку другого трансформатора, что ослабит их взаимное влияние. Входные трансформаторы, работающие на низком уровне сигнала, следует располагать дальше от выходных.

При экранировании магнитного поля низкой частоты следует учитывать, что э.д.с, наведенная внешним полем в экране, уменьшается при понижении частоты. Соотвественно уменьшается ток в экране и вторичное магнитное поле экрана, которое направлено навстречу первичному и ослабляет его. Чтобы поддержать ток и поле при низких частотах на необходимом уровне, требуется уменьшать сопротивление экрана, чего можно достигнуть, например, за счет увеличения толщины экрана Для эффективного экранирования на частотах в несколько десятков или сотен герц возникает необходимость применять медные или алюминиевые экраны толщиной в несколько десятков миллиметров, что совершенно неприемпемо.

Если изделие работает на низких частотах, то для защиты его от внешнего поля применяют экраны из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, которые создают дополнительный путь с малым сопротивлением для магнитных силовых линий и тем самым концентрируют поле, отводя его в сторону от экранируемого изделия. Схематически экран показан на рис. 14.12.

В магнитные экраны приходится заключать входные низкочастотные трансформаторы, работающие на низком уровне сигнала. При конструировании таких экранов следует учитывать следующие факторы. Экран должен представлять собой замкнутый магнитопровод, расположенный вокруг экранируемого трансформатора так, что линии внешнего магнитною поля замыкаются через стенки экрана и не пронизывают экранируемый объект.

Чтобы такой экран был эффективен, магнитное сопротивление по пути АСВ и ADB должно быть значительно меньше, чем суммарное маг-

нитное сопротивление АЕВ, AFB и АКВ. Для этого между экранируемым трансформатором и экраном нужно создать зазор в несколько миллиметров, а сам экран следует выполнить из толстого материала, имеющего высокую магнитную проницаемость.

При выборе толщины и марки материала для экрана следует учитывать, что переменное магнитное поле индуктирует в экране вихревые токи, которые вытесняют магнитный поток к поверхности листа и тем самым уменьщают магнитную проницаемость материала. Это явление тем сильнее, чем выше частота поля, толщина экрана и начальная проницаемость материала и чем меньше его сопротивление.

Толщина листа (в мм), при которой уменьшение магнитной проницаемости незначительно, может быть определена по формуле

где р-удельное сопротивление. Ом-см; /-частота, Гц; (л -магнитная проницаемость.

При экранировании магнитных полей с частотой порядка сотен герц удается достигнуть большого ослабления поля (в 20-50 раз), используя для этой цели пермаллой с высокой магнитной проницаемостью. Значительные трудности возникают при экранировании частот порядка 10 кГц, так как на этих частотах приходится делать экраны из тонкого материала, который не обеспечивает эффективного экранирования. В особо ответственных случаях применяют двойные или тройные экраны, помещая их один в другой и изолируя прокладками из немагнитного материала.

Для защиты проводников от наводок их помещают в экран из медных луженых проволок в виде оплетки. При использовании таких проводов на высоких частотах следует иметь в виду, что они обладают значительной емкостью (до 200 пФ/м).

Необходимо обращать внимание на взаимное расположение сильно нагревающихся и чувствительных к повышению температуры элементов схемы. Так, не следует размещать германиевые полупроводниковые приборы рядом с мощными резисторами, лампами и другими источниками нагрева.

При компоновке узлов следует искать такое взаимное расположение деталей, при котором одновременно в наибольшей мере будут выполняться два условия: минимальные обратные связи и наиболее полное использование объема блока. Наилучший коэффициент заполнения объема получается тогда, когда все крупногабаритные детали имеют одинаковую высоту и кратные остальные размеры.

Следует стремиться к такому расположению элементов конструкции, при котором обеспечивается технологичность сборки и монтажа.

Глава 15

ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

§ 15.1. ЗАЩИТА от МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Как было показано в гл. 1, радиоэлектронная аппаратура, устанавливаемая на подвижных объектах, в процессе эксплуатации подвергается вибрации и ударам. В зависимости от характера объекта частота вибраций может лежать в диапазоне от единиц до тысяч герц, а перегрузки могут достигать десятков G.

Многие элементы конструкции аппарата можно представить как колебательные системы. Каждая колебательная система характеризуется собственной резонансной частотой fo. Поведение колебательной системы при воздействии на нее извне вибраций зависит от отношения частоты этих вибраций / к резонансной частоте fo. Например, плоскую пластинчатую пружину, входящую в состав многих электромагнитных реле, схематично можно представить в виде упругой балки, закрепленной консольно (рис. 15.1, а). Если основание, в котором закреплена балка, совершает колебания в вертикальном направлении, то вместе с ним перемещается балка. Отношение амплитуды колебаний конца балки к амплитуде колебаний основания обозначим у. Для простоты будем полагать, что потери на внутреннее трение в материале балки при ее деформации отсутствуют. Не приводя выводов, запишем формулу

Y= 1/(1- УН), (15.1)

где /-частота колебаний основания; /о - собственная резонансная частота балки.

График зависимости абсолютного значения у от отношения f/fo приведен на рис. 15.2 (кривая /). На этом же рисунке показана зависимость 7 от f/fo для случая, когда учитывается трение в колеблющейся системе (кривая 2).

Из графика видно, что если частота вынужденных колебаний / значительно больше собственной резонансной частоты балки (f/fo> 1), то Y < 1, т. е. конец балки колебаться практически не будет. Это значит, что при каждом колебании основания балка изгибается так, что ее конец перемещается незначительно. Если вибрация основания действует длительно^ то эта многократно повторяющаяся деформация приведет к появлению усталости в металле, в результате чего балка может

Рис. 15.1. Схема закрепления деталей: а - балка, закрепленная консольно; б - балка, закрепленная с двух концов; в-планка прямоугольного сечения; г - планка с отбортовкой

Рис. 15.2. Зависимость коэффициента виброизоляцш от частоты

вибрации: 1 - при отсутствии затухания; 2 - при наличии затухания

сломаться. Если рассматриваемая в примере балка является пружиной электромагнитного реле, то при воздействии указанной вибрации конец балки (контакт реле) перемещается относительно основания, на котором закреплен второй контакт, и эта пара контактов самопроизвольно размыкается (или замыкается), что приводит к нарушению работы аппарата.

Рассмотрим случай, когда частота вынужденных колебаний равна резонансной частоте (f/fo\). В этом случае у > 1, т. е. амплитуда колебаний конца балки больше амплитуды колебания основания. Это превьш1ение амплитуды тем больше, чем меньше трение в системе (чем меньше затухание или чем больше добротность колебательной системы). Так как в реальных конструкциях затухание обычно мало, то при резонансе амплитуда колебаний элементов конструкции получается большой, что приводит к быстрому выходу их из строя.

Рассмотрим теперь случай, когда /Ь< 1. При этом у 1, т. е. конец балки совершает такие же колебания, как и основание. Так как в этом случае балка не деформируется, то и нет опасности ее повреждения при действии вибрации.

Таким образом, при воздействии вибрации удовлетворительно могут работать только такие конструкции, у которых собственная резонансная частота выше, чем частота действующих на конструкцию вибраций.

В связи с этим рассмотрим, от каких факторов зависит собственная резонансная частота fo. Например, для балки, показанной на рис. 15,1, а, она может быть вычислена по формуле

/о

(15.2)

где А:-числовой коэффициент, характеризующий способ закрепления балки (для случая, показанного на рис. 15,1, а, к=0,15); / - длина балки;

модуль упругости материала, из которого она изготовлена; У-момент инерции балки, зависягций от формы ее поперечного сечения (для прямоугольного сечения У= bh).

Для рассматриваемого примера резонансная частота может быть увеличена за счет увеличения размеров поперечного сечения, сокращения длинь! или за счет применения материала с большим модулем упругости.

На рис. 15.1, б показана балка закрепленная с двух концов. Для такой конструкции резонансная частота может быть вычислена также по формуле (15,2), только в этом случае в формулу нужно подставлять А:= = 1,88. При этом резонансная частота возрастает более чем в 6 раз.

Из рассмотренного примера следует, что при конструировании деталей, имеющих форму балок, следует по возможности избегать консольного крепления, если аппаратура будет работать при воздействии вибраций, особенно Bb№OK04acTOTiibix. Детали, имеющие большую длину.

следует крепить не только по концам, но и в промежуточных точках. Существенного увеличения жесткости, а следовательно, и резонансной частоты можно добиться без значительного увеличения массы за счет рационального выбора формы поперечного сечения.

На рис. 15.1, в, г показаны два поперечных сечения планки. Планка, показанная на рис. 15.1, г, имеет отбортовку, что значительно повышает жесткость и резонансную частоту. Многие элементы конструкции (детали кожухов, печатные платы и др.) имеют форму пластин. Высокая резонансная частота у таких деталей получается тогда, когда они жестко закреплены по трем или четырем сторонам. Жесткость и резонансную частоту можно сильно увеличить, если ввести одну или несколько точек крепления в середине или снабдить деталь ребрами жесткости или вы-давкамй.

Многие электрорадиоэлементы (сопротивления, конденсаторы, полупроводниковые пйиборы, микросхемы и др.) вьшолнены так, что при соблюдении определенных требований к закреплению могут нормально работать при вибрации с частотой до нескольких тысяч герц. При креплении этих элементов только за выводы, особенно если длина выводов велика, могут возникать резонансные явления, что приводит к поломкам элементов. Поэтому некоторые ЭРЭ дополнительно крепят за корпус к печатным платам или другим элементам конструкции, на которых они установлены. Хуже всего работают при воздействии высокочастотных вибраций такие устройства, как конденсаторы переменной емкости, электромагнитные реле, радиолампы (особенно крупногабаритные), электромеханические устройства и другие элементы конструкции, имеющие низкую резонансную частоту. В настоящее время количество таких элементов в аппаратуре при необходимости удается уменьшить, а в некоторых случаях - полностью отказаться от их использования, заменяя их чисто электронными схемами, построенными с применением полупроводниковых приборов и микросхем!

Необходимо отметить, что реальные конструкции, встречающиеся в практике конструирования, имеют, как правило, сложную конфигурацию, и определение их резонансных частот расчетными методами связано с большими трудностями.

Обеспечить работу радиоэлектронных устройств при наличии высокочастотной вибрации только за счет придания конструкции необходимой жесткости удается не всегда, а в ряде случаев это экономически или технически нецелесообразно. Тогда в конструкцию изделия вводят амортизаторы. В общем случае амортизатор - это пружинящий элемент, соединяющий аппарат с вибрирующим

Основанием: корпусом корабля, фюзеляжем само-

лета и т. д. (рис. 15.3). Конструктивно амортизатор

вьшолняют так, что он может выдерживать дей- - /у/л ствующие в течение длительного времени вибра- р„с, 3 схема при-ционные деформации. Жесткость амортизаторов бора, закрепленного выбирают такой, чтобы в сочетании с массой амор- на амортизаторах: тизируемого изделия они образовывали колебатель- (~aTopf°?- бриру-

НУЮ систему с низкой резонансной частотой, т. е. ющёе основание

чтобы выполнялось условие /> fo. Тогда s соответствии с формулой (15.1) и рис. 15.2 у 1, т. е. амплитуда колебаний аппарата меньше амплитуды колебаний, основания. Коэффициент у называют коэффициентом виброизоляции.

Из формулы (15.1) следует, что у< 1, если.

./7/о>1,41. (15.3)

Чем больше отношение /[/Ь, тем меньше значение у и тем лучше виброизоляция.

Учитывая, что фактическое значение /о может отличаться от расчетного, а также то, что при flfo= 1,41 у =1, на практике обычно выбирают ./7/о>2,5.

В самом общем случае изделие, закрепленное на амортизаторах, совершает сложные колебания, которые можно представить как сумму колебательных перемещений вдоль трех координатных осей и колебательных вращений вокруг трех координатных осей. При этом расчет параметров колебаний оказывается сложной задачей. Для идеализированного случая, если считать, что масса аппарата сосредоточена в его центре тяжести и одинаковые амортизаторы размещены симметрично относительно центра тяжести, частота собственных колебаний в вертикальном направлении может быть вычислена по формуле

/о = Шо/(27г) = 15,8 /17, (15.4)

где zo - деформация амортизатора под действием массы аппарата, мм.

Для рассматриваемого случая формула дает точный результат, если деформация амортизатора пропорциональна - приложенной нагрузке.

Рассмотрим влияние массы амортизированного аппарата и жесткости амортизатора на качество виброизоляции. Жесткость амортизатора к будем характеризовать нагрузкой, которая вызывает деформацию амортизатора на 1 мм:

к = Po/zo , .

оттсуда

zo = Po/k, (15.5)

где Zo - деформация амортизатора под действием массы аппарата Ро.

Как следует из формулы (15.5), увеличение жесткости к или уменьшение массы Ро приводит к уменьшению Zq, при этом [см. формулу (15.4)] частота собственных колебаний /о увеличивается. При неизменной частоте вынужденных колебаний/отношение/!/о уменьшается и качество виброизоляции ухудшается. Наоборот, при уменьшении жесткости амортизатора к или увеличении массы аппарата Ро качество виброизоляции улучшается.

Используемые для виброизоляции амортизаторы всегда имеют трение, вносящее затухание в колебательную систему. Затухание может создаваться внутренним трением в материале амортизатора или специальными устройствами (демпферами), вводимыми в его конструкцию. В момент резонанса амплитуда колебаний аппарата будет иметь конечное значение, тем меньшее, чем больше затухание в системе. График зависимости коэффициента виброизоляции у от/?/Ь при наличии затухания

приведен на рис. 15.2(кривая 2). В этом случае виброизоляция аппаратуры (у <1) также имеет место толысо щм fjfo > 1,41.

Чтобы обеспечить боковую устойчивость объекта, его крепят на нескольких амортизаторах. Однако прежде чем приступить к размещению амортизаторов, необходимо найти положение центра тяжести аппарата. Здесь можно воспользоваться формулами из курса теоретической механики (рис. 15.4):

PlXl+Pi!C2+ ... +PiXi

Р1У1+Р2У2+ ... +Piyi (15.6)

P,+P2+...+Pi

где Pi, Р2,:; Р, - массы всех блоков, из которых состоит аппарат, включая кожух и шасси; xi, хг, - координаты центра тяжести каждого блока относительно одной из произвольно выбранных взаимно перпендикулярных координатных осей (на рис. 15.4 относительно оси X, -совпадающей с левой нижней гранью аппарата); л: - координата центра тяжести всего аппарата относительно той же оси; у^, у2, ...у„ -координаты центра тяжести каждого блока относительно второй оси У, перпендикулярной оси X; у - координата центра тяжести всего аппарата относительно оси Y.

.Если амортизаторы расположить симметрично относительно центра тяжести аппарата, то нагрузка на все амортизаторы будет одинакова:

Л = Ро/п, (15.7)

где Pi - нагрузка на каждый амортизатор; Ро - масса аппарата; и - число амортизаторов.

В технических условиях на амортизаторы приводится значение номинальной нагрузки, на которую рассчитан амортизатор каждого размера. Число амортизаторов и их размер должны бьггь выбраны так, чтобы фактическая нагрузка на амортизатор была близка к номинальной.

Следует иметь в виду, что при увеличении числа амортизаторов и неизменной массе аппарата Ро уменьшается нагрузка на каждый амортизатор. Если жесткость амортизаторов при этом остается неизменной, то деформация каждого из них уменьшается, что приводит к увеличению частоты собственньк колебаний и ухудшению качества виброизоляции.

До сих пор рассматривалась работа амортизаторов только при виб-рации. Был сделан вывод, что для улучшения защиты аппарата от виб-рационных воздействий необходимо применять мягкие амортизаторы, ко- торые при заданной массе объекта г<.[1* Ро обеспечивают получение малого значения частоты собственных колебаний Уо, т. е. имеют большой прогиб Z0 под действием массы аппа- yfi/i У^Уг

р^Т^- Рис. Г5.4. к расчету

При эксплуатации многих кате- изделия

У в Уз У?

центра тяжести