Конструирование узлов и устройств электронных средств - Муромцев Д.Ю., Тюрин И.В., Булоусов О.А.

Часть I. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
1.1.3. Особенности ЭС как объектов проектирования
1.1.4. Особенности проектирования конструкций ЭС
1.2.2. Схемная конструкторская документация
1.2.5. Электронная конструкторская документация
1.2.6. Обозначение конструкторских документов в соответствии с классификатором ЕСКД
1.2.7. Единая система технологической документации
Часть II. ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ НУЛЕВОГО УРОВНЯ
2.1.3. Особенности конструкций корпусов электронных модулей нулевого уровня
Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
2.2.4. Коммутационные устройства с магнитным управлением
2.2.5. Коммутационные устройства с механическим управлением
Часть III. ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ ПЕРВОГО УРОВНЯ
3.1.3. Требования к конструкционным параметрам печатных плат
3.1.4. Требования к электрическим параметрам печатных плат
3.1.5. Общетехнические и технологические требования к печатным платам
Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
3.2.2. Анализ назначения объекта установки и условий эксплуатации ЭС
3.2.3. Обоснование и выбор группы жесткости
3.2.4. Анализ схемы электрической принципиальной
3.2.5. Выбор элементной базы и вариантов ее монтажа
3.2.6. Выбор типа конструкции и класса точности печатной платы
3.2.7. Выбор материала основания печатной платы
3.2.8. Определение габаритных размеров печатной платы
3.2.9. Определение толщины основания печатной платы
3.2.10. Расчет элементов проводящего рисунка
3.2.11. Определение мест и способов нанесения маркировки
3.2.12. Обеспечение защиты от внешних воздействий
3.2.13. Автоматизация конструирования печатных плат
3.3.2. Определение устойчивости к ударным воздействиям
Часть IV. ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО УРОВНЕЙ
4.1.2. Разновидности несущих конструкций
4.1.3. Материалы для изготовления несущих конструкций
4.1.4. Требования к несущим конструкциям и их оценки
4.1.5. Конструкторские методы обеспечения требований к несущим конструкциям по прочности и жесткости
Глава 4.2. Разработка конструкции электронных средств
4.2.2. Направляющие в несущих конструкциях
4.2.3. Требования к компоновке блоков ЭС
4.2.4. Основные компоновочные схемы и конструкции блоков ЭС
Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
4.3.2. Основные характеристики человека-оператора
4.3.3. Художественное оформление конструкции ЭС
4.3.4. Особенности внешнего оформления профессиональных ЭС
4.3.5. Особенности внешнего оформления бытовых ЭС
Глава 4.4. Электрические соединения в блоках электронных средств
4.4.2. Конструкция сигнальных линий передачи
4.4.4. Элементы заземления в конструкциях ЭС
4.4.5. Элементы коммутации в конструкциях ЭС
Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов электронных средств
4.5.1.1. Статический расчет амортизаторов
4.5.1.2. Резонансные частоты блока на амортизаторах
4.5.1.3. Упаковочная тара для транспортирования
4.5.2. Обеспечение нормальных тепловых режимов ЭС
4.5.2.1. Базовые системы охлаждения, применяемые в ЭС
4.5.2.2. Теплофизическое конструирование ЭС
Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной совместимости
Глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения
4.7.2. Конструкции наземных стационарных ЭС
4.7.3. Конструкции наземных транспортируемых ЭС
4.7.4. Конструкции наземных переносных ЭС
Глава 4.8. Защита электронных средств от внешних воздействующих факторов
4.8.2. Защита ЭС от механических воздействий
4.8.3. Способы защиты ЭС от климатических факторов
4.8.4. Защита ЭС от внешних термических воздействий
4.8.5. Электромагнитные внешние факторы и защита ЭС от их воздействий
4.8.6. Мероприятия по защите ЭС от биологических воздействующих факторов
4.8.7. Обеспечение живучести и стойкости ЭС к воздействию ионизирующих излучений
Часть V. КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
5.1.4. Общие сведения о контроле качества ЭС
5.1.5. Анализ качества технологических процессов производства ЭС
5.1.6. Операционный, функциональный и параметрический виды контроля качества ЭС
5.1.7. Основные инструменты контроля качества ,ЭС
Глава 5.2. Надежность электронных средств
5.2.2. Показатели надежности ЭС и их оценка
5.2.4. Расчет надежности на различных стадиях конструирования ЭС
5.2.5. Расчет надежности сложных электронных систем
5.2.6. Конструкторско-технологические методы создания высоконадежных ЭС
Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
5.3.2. Задачи системотехнического проектирования
5.3.3. Задачи схемотехнического проектирования
5.3.6. Оптимизация в задачах конструкторского проектирования
Автор: Муромцев Д.Ю. Тюрин И.В. Булоусов О.А.
Теги: электротехника электроника радиоэлектронные аппараты
ISBN: 978-5-222-20994-3
Год: 2013
Похожие
Вертолетный мир России
Справочник современного архитектора
Основы надежности электронных средств
Актуальные проблемы ракетно-космической техники. Сборник материалов конференции. Том 2
Текст
                    Д.Ю. Муромцев
И.В.Тюрин
О.А. Белоусов
Конструирование
узлов и устройств
электронных средств
Соответствует Федеральному государственному
образовательному стандарту
(третьего поколения)

Серия
«Высшее образование»
Д. Ю. Муромцев, И. В. Тюрин, О. А, Белоусов
КОНСТРУИРОВАНИЕ
УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ
ЭЛЕКТРОННЫХ
СРЕДСТВ
Учебное пособие
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
радиотехники, электроники, биомедицинской техники
и автоматизации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлениям 211000 «Конструирование и технология
электронных средств», 210400 «Радиотехника»
Ростов-на-Дону
«Феникс»
2013

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
КТК 222
М91
Рецензенты:
доцент кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры Санкт-Петербург-
ского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», Г, Ф. Баканов;
декан радиотехнического факультета, заведующий кафедрой конструирования и производ-
ства радиоаппаратуры Воронежского государственного технического университета, д.т.н., про-
фессор А В. Муратов;
заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры Пензенского госу-
дарственного университета, д.т.н., профессор Н. К. Юрков.
Муромцев Д. Ю.
М91 Конструирование узлов и устройств электронных средств : учебное пособие /
Д. Ю. Муромцев, И. В. Тюрин, О. А. Белоусов. — Ростов н/Д : Феникс, 2013. —
540 с.: ил. — (Высшее образование).
ISBN 978-5-222-20994-3
Представлены основные сведения в области конструирования электронных модулей различногр уровня
конструктивной иерархии. Даны общие сведения о нормативно-технической документации, действующих
стандартах, рассмотрены задачи конструирования электронных средств различного назначения с учетом
внешних воздействующих факторов. Серьезное внимание в пособии уделяется вопросам выбора элементной
базы, конструкции, а также теплофизическому конструированию, электромагнитной совместимости элек-
тронных средств, их надежности и уровню качества. Рассмотрены перспективные методы конструирования
современных электронных средств.
Учебное пособие подготовлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандар-
том 3-го поколения и предназначено для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям 211000
♦Конструирование и технология электронных средств», 210400 «Радиотехника» всех форм обучения. Посо-
бие может быть использовано студентами при выполнении контрольных работ, разделов курсового проекта
по дисциплинам «Основы конструирования электронных средств», «Основы проектирования электронных
средств», «Основы конструирования и технологии производства РЭС», «Основы компьютерного проектирова-
ния РЭС», «Моделирование конструкций и технологических процессов производства электронных средств».
Пособие может быть также использовано студентами специальности 210201 «Проектирование и технология
радиоэлектронных средств» очной и заочной форм обучения, а также бакалаврами направления 210200 «Про-
ектирование и технология электронных средств» при изучении дисциплин «Основы проектирования элек-
тронных средств», «Конструирование радиоэлектронных средств».
УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
ISBN 978-5-222-20994-3
© Муромцев Д. Ю., Тюрин И. В., Белоусов О. А., 2013
© Оформление: ООО «Феникс», 2013

СОДЕРЖАНИЕ
Нормативные ссылки 7
Список сокращений 11
Введение 14
Часть I. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 16
Глава 1.1. Общие сведения о конструировании электронных средств 16
1.1.1. Понятие инженерного проектирования 16
1.1.2. Задачи проектирования ЭС 17
1.1.3. Особенности ЭС как объектов проектирования 19
1.1.4. Особенности проектирования конструкций ЭС 21
1.1.5. Стадии проектирования ЭС 22
1.1.6. Модульный принцип проектирования . 23
Вопросы для контроля 24
Глава 1.2. Техническая документация 26
1.2.1. Состав и классификация стандартов ЕСКД 26
1.2.2. Схемная конструкторская документация 29
1.2.3. Чертежи деталей 39
1.2.4. Сборочные чертежи 41
1.2.5. Электронная конструкторская документация 44
1.2.6. Обозначение конструкторских документов в соответствии
с классификатором ЕСКД 47
1.2.7. Единая система технологической документации 49
Вопросы для контроля 54
Часть П. ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ НУЛЕВОГО УРОВНЯ 56
Глава 2.1. Общие сведения об электронных модулях нулевого уровня 56
2.1.1. Этапы и направления развития элементной базы ЭС 56
2.1.2. Элементная база современных ЭС 58
2.1.3. Особенности конструкций корпусов электронных
модулей нулевого уровня 60
Вопросы для контроля 62
Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия 63
2.2.1. Резисторы 63
2.2.2. Конденсаторы 70
2.2.3. Трансформаторы и дроссели 75
2.2.4. Коммутационные устройства с магнитным управлением 84
2.2.5. Коммутационные устройства с механическим управлением 92
Вопросы для контроля 96

4 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия 98
2.3.1. Полупроводниковые диоды 98
2.3.2. Транзисторы 106
2.3.3. Интегральные микросхемы 111
Вопросы для контроля 124
Часть III. ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ ПЕРВОГО УРОВНЯ 126
Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 126
3.1.1. Этапы конструирования электронных модулей первого уровня 126
3.1.2. Общие сведения о печатных платах 127
3.1.3. Требования к конструкционным параметрам печатных плат 131
3.1.4. Требования к электрическим параметрам печатных плат 134
3.1.5. Общетехнические и технологические требования к печатным платам ... 141
Вопросы для контроля 142
Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 144
3.2.1. Состав технического задания на проектирование печатных плат 144
3.2.2. Анализ назначения объекта установки и условий эксплуатации ЭС .... 146
3.2.3. Обоснование и выбор группы жесткости 155
3.2.4. Анализ схемы электрической принципиальной 157
3.2.5. Выбор элементной базы и вариантов ее монтажа 159
3.2.6. Выбор типа конструкции и класса точности печатной платы 163
3.2.7. Выбор материала основания печатной платы 164
3.2.8. Определение габаритных размеров печатной платы 166
3.2.9. Определение толщины основания печатной платы 168
3.2.10. Расчет элементов проводящего рисунка 169
3.2.11. Определение мест и способов нанесения маркировки 175
3.2.12. Обеспечение защиты от внешних воздействий 176
3.2.13. Автоматизация конструирования печатных плат 177
Вопросы для контроля . 178
Глава 3.3. Поверочные расчеты 180
3.3.1. Оценка устойчивости к вибрационным нагрузкам 180
3.3.2. Определение устойчивости к ударным воздействиям 191
3.3.3. Анализ теплового режима 194
Вопросы для контроля * 200
Часть IV. ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО УРОВНЕЙ 201
Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей
второго и третьего уровней 201
4.1.1. Общие сведения о несущих конструкциях 201
4.1.2. Разновидности несущих конструкций 203
4.1.3. Материалы для изготовления несущих конструкций 209
4.1.4. Требования к несущим конструкциям и их оценки 215
4.1.5. Конструкторские методы обеспечения требований
к несущим конструкциям по прочности и жесткости 220
Вопросы для контроля 225
Глава 4.2. Разработка конструкции электронных средств 227
4.2.1. Рациональный выбор несущих конструкций 227
4.2.2. Направляющие в несущих конструкциях . 240
4.2.3. Требования к компоновке блоков ЭС 244

Содержание 5
4.2.4. Основные компоновочные схемы и конструкции блоков ЭС 245
Вопросы для контроля 250
Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств < 251
4.3.1. Влияние требований эргономики и технической эстетики на ЭС 251
4.3.2. Основные характеристики человека-оператора 252
4.3.3. Художественное оформление конструкции ЭС 256
4.3.3.1. Основы композиции 258
4.3.3.2. Категории композиции 259
4.3.3.3. Средства композиции 261
4.3.4. Особенности внешнего оформления профессиональных ЭС 266
4.3.5. Особенности внешнего оформления бытовых ЭС 272
Вопросы для контроля 275
Глава 4.4. Электрические соединения в блоках электронных средств 276
4.4.1. Виды электрических соединений 276
4.4.2. Конструкция сигнальных линий передачи 282
4.4.3. Линии электропитания 290
4.4.4. Элементы заземления в конструкциях ЭС 293
4.4.5. Элементы коммутации в конструкциях ЭС 297
Вопросы для контроля . 303
Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости
и нормальных тепловых режимов электронных средств 304
4.5.1. Расчет механических нагрузок 304
4.5.1.1. Статический расчет амортизаторов 306
4.5.1.2. Резонансные частоты блока на амортизаторах 309
4.5.1.3. Упаковочная тара для транспортирования 312
4.5.2. Обеспечение нормальных тепловых режимов ЭС 314
4.5.2.1. Базовые системы охлаждения, применяемые в ЭС 315
4.5.2.2. Теплофизическое конструирование ЭС 331
4.5.2.3.Тепловые расчеты 332
Вопросы для контроля 350
Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом
электромагнитной совместимости 352
4.6.1. Электромагнитная совместимость ЭС 352
4.6.2. Экранирование в конструкциях ЭС 357
Вопросы для контроля 364
Глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств
различного назначения 365
4.7.1. Факторы, влияющие на характер конструкции ЭС 365
4.7.2. Конструкции наземных стационарных ЭС 366
4.7.3. Конструкции наземных транспортируемых ЭС 371
4.7.4. Конструкции наземных переносных ЭС 374
4.7.5. Конструкции наземных носимых ЭС 376
4.7.6. Конструкции бортовых ЭС 379
Вопросы для контроля 384
Глава 4.8. Защита электронных средств от внешних
воздействующих факторов 386
4.8.1. Основные понятия и определения 386
4.8.2. Защита ЭС от механических воздействий 390

6 Конструирование узлов и устройств электронных средств
4.8.3. Способы защиты ЭС от климатических факторов 395
4.8.4. Защита ЭС от внешних термических воздействий 401
4.8.5. Электромагнитные внешние факторы и защита ЭС от их воздействий . . . 404
4.8.6. Мероприятия по защите ЭС от биологических
воздействующих факторов 411
4.8.7. Обеспечение живучести и стойкости ЭС
к воздействию ионизирующих излучений 414
4.8.8. Герметизация блоков ЭС 418
Вопросы для контроля 424
Часть V. КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 426
Глава 5.1. Качество электронных средств 426
5.1.1. Основные понятия и терминология в области управления качеством . . .426
5.1.2. Система управления качеством ЭС •. 427
5.1.3. Оценка качества ЭС 429
5.1.4. Общие сведения о контроле качества ЭС 434
5.1.5. Анализ качества технологических процессов производства ЭС 435
5.1.6. Операционный, функциональный и параметрический
виды контроля качества ЭС 440
5.1.7. Основные инструменты контроля качества ,ЭС 450
Вопросы для контроля 475
Глава 5.2. Надежность электронных средств 477
5.2.1. Основные понятия и определения 477
5.2.2. Показатели надежности ЭС и их оценка 480
5.2.3. Способы повышения надежности ЭС 491
5.2.4. Расчет надежности на различных стадиях конструирования ЭС 498
5.2.5. Расчет надежности сложных электронных систем 504
5.2.6. Конструкторско-тсхнологические методы
создания высоконадежных ЭС 507
Вопросы для контроля 508
Глава 5.3. Оптимизация электронных средств 510
5.3.1. Основные сведения о задачах оптимизации ЭС 510
5.3.2. Задачи системотехнического проектирования 511
5.3.3. Задачи схемотехнического проектирования 516
5.3.4. Структурный синтез 518
5.3.5. Параметрический синтез 521
5.3.6. Оптимизация в задачах конструкторского проектирования 525
Вопросы для контроля 527
Заключение 529
Приложения 531
Литература 537

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В настоящем учебном пособии использованы ссылки на действующие отечествен-
ные и международные стандарты по состоянию на 01.01.2013 г.
ГОСТ 2.103-68. Единая система конструкторской документации. Стадии разра-
ботки.
ГОСТ Р 52003-2003. Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. Термины и
определения.
ГОСТ 2.001-93. Единая система конструкторской документации. Общие положе-
ния.
ГОСТ 1.0-92. Межгосударственная система стандартизации. Основные йоложения.
ГОСТ 2.701-2008. Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и
типы. Общие требования к выполнению.
ГОСТ 2.102-68. Единая система конструкторской документации. Виды и комплект-
ность конструкторских документов.
ГОСТ 2.124-85. Единая система конструкторской документации. Порядок приме-
нения покупных изделий.
ГОСТ 2.702-2011. Единая система конструкторской документации. Правила вы-
полнения электрических схем.
ГОСТ 2.721-74. Единая система конструкторской документации. Обозначения
условные графические в схемах. Обозначения общего применения.
ГОСТ 2.710-81. Единая система конструкторской документации. Обозначения
буквенно-цифровые в электрических схемах.
ГОСТ 2.301-68. Единая система конструкторской документации. Форматы.
ГОСТ 2.104-2006. Единая система конструкторской документации. Основные над-
писи.
ГОСТ 2.101-68. Единая система конструкторской документации. Виды изделий.
ГОСТ 2.109-73. Единая система конструкторской документации. Основные требо-
вания к чертежам.
ГОСТ 2.307-2011. Единая система конструкторской документации. Нанесение раз-
меров и предельных отклонений.
ГОСТ 2.318-81. Единая система конструкторской документации. Правила упро-
щенного нанесения размеров отверстий.
ГОСТ 2.308-2011. Единая система конструкторской документации. Указания допу-
сков формы и расположения поверхностей.
ГОСТ 2.309-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения ше-
роховатости поверхностей.
ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

8
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ГОСТ 2.310-68. Единая система конструкторской документации. Нанесение на чер-
тежах обозначений покрытий, термической и других видов обработки.
ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверх-
ностц из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические
условия.
ГОСТ 10316-78. Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. Технические усло-
вия.
ГОСТ 2.417-91. Единая система конструкторской документации. Платы печатные.
Правила выполнения чертежей.
ГОСТ Р 51040-97. Платы печатные. Шаги координатной сетки.
ГОСТ 2.109-73. Единая система конструкторской документации. Основные требо-
вания к чертежам.
ГОСТ 2.106-96. Единая система конструкторской документации. Текстовые доку-
менты.
ГОСТ 29137-91. Формовка выводов и установка изделий электронной техники на
печатные платы. Общие требования и нормы конструирования.
ГОСТ 2.051-2006. Единая система конструкторской документации. Электронные
документы. Общие положения.
ГОСТ Р 34.10-2001. Информационная технология. Криптографическая защита ин-
формации. Процессы формирования и проверки электронной цифровой подписи.
ГОСТ 2.004-88. Единая система конструкторской документации. Общие требова-
ния к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и
графических устройствах вывода ЭВМ.
ГОСТ 2.601-2006. Единая система конструкторской документации. Эксплуатаци-
онные документы.
ГОСТ 2.602-95. Единая система конструкторской документации. Ремонтные доку-
менты.
ГОСТ 2.201-80. Единая система конструкторской документации. Обозначение из-
делий и конструкторских догу ментов.
ГОСТ 3.1001-2011. Единая система технологической документации. Общие поло-
жения.
ГОСТ 3.1428-91. Единая система технологической документации. Правила оформ-
ления документов на технологические процессы (операции) изготовления печатных
плат.
ГОСТ 14.004-83. Технологическая подготовка производства. Термины и определе-
ния основных понятий.
ГОСТ 18472-88. Приборы полупроводниковые. Основные размеры.
ГОСТ 17467-88. Микросхемы интегральные. Основные размеры.
ГОСТ Р 52002-2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий.
ГОСТ 21414-75. Резисторы. Термины и определения.
ГОСТ 2.728-74. Единая система конструкторской документации. Обозначения
условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.
ГОСТ 24013-80. Резисторы постоянные. Основные параметры.
ГОСТ 10318-80. Резисторы переменные. Основные параметры.
ГОСТ 28884-90. Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденса-
торов.
ГОСТ 9664-74. Резисторы. Допускаемые отклонения от номинального значения со-
противления.
ГОСТ 28883-90. Коды для маркировки резисторов и конденсаторов.
ГОСТ 21415-75. Конденсаторы. Термины и определения.

Нормативные ссылки
9
ГОСТ 8032-84. Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел.
ГОСТ Р 50292-92. Конденсаторы постоянной емкости для электронной аппаратуры.
Часть 8. Групповые технические условия на конденсаторы постоянной емкости с кера-
мическим диэлектриком типа 1.
ГОСТ 26192-84. Конденсаторы постоянной емкости. Коды цветовые для марки-
ровки.
ГОСТ 18685-73. Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения.
ГОСТ 20938-75. Трансформаторы малой мощности. Термины и определения.
ГОСТ 17596-72. Трансформаторы согласования низкочастотные мощностью до
25 Вт. Основные параметры.
ГОСТ 16019-2001. Аппаратура сухопутной подвижной радиосвязи. Требования по
стойкости к воздействию механических и климатических факторов и методы испыта-
ний.
ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для
различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и
транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
ГОСТ 2.755-87. Единая система конструкторской документации. Обозначения
условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и кон-
тактные соединения.
ГОСТ 15133-77. Приборы полупроводниковые. Термины и определения.
ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения
условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.
ГОСТ 19783-74. Паста кремнийорганическая теплопроводная. Технические условия.
ГОСТ 19480-89. Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные
обозначения электрических параметров.
ГОСТ Р 53386-2009. Платы печатные. Термины и определения.
ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции.
ГОСТ 25347-82. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и
посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки.
ГОСТ 23752-79. Платы печатные. Общие технические условия.
ГОСТ Р МЭК 61192-1-2010. Печатные узлы. Требования к качеству. Часть 1. Общие
технические требования.
ГОСТ Р 51623-2000. Конструкции базовые несущие радиоэлектронных средств. Си-
стема построения и координационные размеры.
ГОСТ 2.314-68. Единая система конструкторской документации. Указания на чер-
тежах о маркировании и клеймении изделий.
ГОСТ 9.303-84. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия метал-
лические и неметаллические неорганические. Общие требования к выбору.
ГОСТ 23000-78 Система «Человек-машина». Пульты управления. Общие эргономи-
ческие требования.
ГОСТ 26883-86. Внешние воздействующие факторы. Термины и определения.
ГОСТ 23281-78. Аэродинамика летательных аппаратов. Термины, определения и
буквенные обозначения.
ГОСТ 24346-80. Вибрация. Термины и определения.
ГОСТ 9.102-91. Единая система защиты от коррозии и старения. Воздействие био-
логических факторов на технические объекты. Термины и определения.
ГОСТ 16962-71. Изделия электронной техники и электротехники. Механические и
климатические воздействия. Требования и методы испытаний.
ГОСТ 18298-79. Стойкость аппаратуры, комплектующих элементов и материалов
радиационная. Термины и определения.

10
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ГОСТ Р ИСО 9000-2008. Системы менеджмента качества. Основные положения и
словарь.
ГОСТ Р 27.002-2009. Надежность в технике. Термины и определения.
МЭК 60297. Механические конструкции для электронного оборудования. Размеры
механических конструкций серии 482,6 мм (19 дюймов). Сборник стандартов.
МЭК 60917. Модульный принцип построения механических несущих конструкций
для электронного оборудования. Сборник стандартов.
ОСТ 45.010.030-92. Электронные модули первого уровня РЭС. Установка изделий
электронной техники на печатные платы.
ОСТ 11.074.009-78. Резисторы. Классификация и система условных обозначений.
ОСТ 11.074.008-76. Конденсаторы. Классификация и система условных обозначений.
ОСТ 11.336.919-81. Приборы полупроводниковые. Система условных обозначений.
ОСТ 11.073.915-80. Микросхемы интегральные. Классификация и система услов-
ных обозначений.
ОСТ 4Г0.010.042. Соединения металлостеклянные вакуумно-плотные.
РД-50-708-91. Инструкция. Платы печатные. Требования к конструированию.
РМГ 78-2005. Государственная система обеспечения единства измерений. Излуче-
ния ионизирующие и их измерения. Термины и определения.
IEC 61249-2-6 (2003). Материалы для печатных плат и других структур межсое-
динений. Часть 2-6. Армированные материалы основания с плакировкой и без пла-
кировки. Броминированные эпоксидные слоистые пластики со стеклотканью Е не-
тканой/тканой, с определенной воспламеняемостью (вертикальное испытание на
горение), плакированные медью.
NEMA Standards Publication No. LI 1-1998. Industrial Laminating Thermosetting
Products.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
BiCMOS—Bipolar Complementary Metal-Oxide Semiconductor — биполярная КМОП-
логика
CMOS — Complementary Metal-Oxide Semiconductor (см. КМОП)
DCTL — Direct-Coupled Transistor Logic (см. HCTJI)
DIL — Dual inline — два в линию — корпус с двухрядным расположением вы-
водов
DIP — Dual Inline Package — пластмассовый DIL
DTL — Diode-Transistor Logic (см. ДТЛ)
ECL — Emitter-Coupled Logic (см. ЭСЛ)
I2/L — см. IIL
I3/L — см. IIIL
IIIL — Isoplanar Injection Integrated Logic (см. ИИИЛ)
IIL — Integrated Injection Logic (см. ИИЛ)
QIL — Quad Inline — четыре в линию — корпус с четырьмя рядами выводов
RCTL — Resistor-Capacitor-Transistor Logic (см. РЕТЛ)
RTL — Resistor-Transistor Logic (см. РТЛ)
SIL — Single Inline — один в линию — корпус с однорядным расположением
выводов
TQM — Total Quality Management (см. ВУК)
TTL — Transistor-Transistor Logic (см. ТТЛ)
TTLSh — Transistor-Transistor Logic {with) Schottky (diodes) (см. ТТЛШ)
АПЕ — аппаратно-процессная единица
АПУ — алфавитно-предметный указатель
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
БИС — большая интегральная схема
БНК — базовая несущая конструкция
ВВФ — внешний воздействующий фактор
ВОВ — выбор оптимального варианта
ВПВ — выбор предпочтительного варианта
ВУК — всеобщее управление качеством
ВОЛС — волоконно-оптическая линия связи
ГЖП — гибко-жесткая плата
ГПК — гибкий печатный кабель
ГПП — гибкая печатная плата
ДПП — двухсторонняя печатная плата
ДТЛ — диодно-транзисторная логика

12
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ДФЭ — дробный факторный эксперимент
ЕСЗКС — единая система защиты от коррозии и старения
ЕСКД — единая система конструкторской документации
ЕСПД — единая система программной документации
ЕСТД — единая система технологической документации
ЕСТПП— единая система технологической подготовки производства
ЗПС — задача параметрического синтеза
ЗСС — задача структурного синтеза
И2/Л — см. ИИЛ
ИЗ/Л — см. ИИИЛ
ИЕ — информационная единица
ИВЭП — источник вторичного электропитания
ИИ — ионизирующее излучение
ИИИЛ — интегрально-инжекционная изопланарная логика
ИИЛ — интегрально-инжекционная логика
ИМС — интегральная микросхема
ИП — источник помех
ИТ — информационная технология
ИУЛ — информационно-удостоверяющий лист
КД — конструкторская документация
КМОП — комплементарная металл-оксид-полупроводник логика
КТР — коэффициент температурного расширения
КУ — коммутационное устройство
ЛПР — лицо, принимающее решение
ЛП — линия передачи
ЛЭ — логический элемент
ЛЭП — линия электропитания
МДП — металл-диэлектрик-полупроводник
МДС — магнитодвижущая сила
МОП — металл-оксид-полупроводник
МПП — многослойная печатная плата
МЭК — Международная электротехническая комиссия
НСТЛ — непосредственно-связанная транзисторная логика
НЭМП — непреднамеренная электромагнитная помеха
НК — несущая конструкция
ОПП — односторонняя печатная плата
ОТК — отдел технического контроля
ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема
ПМК — поверхностно-монтируемый компонент
ПП — печатная плата
ПФЭ — полный факторный эксперимент
ПЭ — потребитель электроэнергии
РЕТЛ — резисторно-емкостная транзисторная логика
РЛС — радиолокационная станция
РП — рецептор помех
РПП — рельефная печатная плата
РПУ — радиопередающее устройство
РТЛ — резисторно-транзисторная логика
САПР — система автоматизированного проектирования
СБИС — сверхбольшая интегральная схема

сокращений
СВ — случайная величина
СВЧ — сверхвысокая частота
СОТР — система обеспечения теплового режима
СТЗ — система технического зрения
ТД — технологическая документация
ТЗ — техническое задание
ТКЕ — температурный коэффициент емкости
ТКС — температурный коэффициент сопротивления
ТС — тестовая схема
ТТ — тепловая труба
ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика
ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
УБНК — унифицированная базовая несущая конструкция
УГО — условное графическое обозначение
УКК — уровень качества конструкции
УТП — унифицированный трансформатор питания
УФЭ — устройство функциональной электроники
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь
IpK — центр жесткости
ЦМ — центр масс
ЦТ — центр тяжести
ЭДС — электродвижущая сила
ЭК — экспертная комиссия
ЭКД — электронный конструкторский документ
ЭМО — электронный модуль нулевого уровня
ЭМ1 — электронный модуль первого уровня
ЭМ2 — электронный модуль второго уровня
ЭМЗ — электронный модуль третьего уровня
ЭМВ — электромагнитная волна
ЭМО — электромагнитное оружие
ЭМС — электромагнитная совместимость
ЭП — эскизный проект
ЭРИ — электрорадиоизделие
ЭС — электронное средство
ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика
ЭЦП — электронная цифровая подпись

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время этапы конструирования электронных средств (ЭС) уже не мо-
гут рассматриваться в отрыве друг от друга и других этапов жизненного цикла про-
дукта. Создание качественных, надежных и конкурентоспособных ЭС является основ-
ной задачей специалиста-разработчика. Постоянное совершенствование технологий,
применение новейшей элементной базы и материалов, реинжиниринг предприятий и
внедрение во все сферы проектирования и производства информационных технологий
требует от разработчика электронной аппаратуры знаний в различных предметных об-
ластях. Поэтому задачам подготовки квалифицированных кадров для предприятий
радиоэлектронного профиля отводится главнейшее место в общем направлении на мо-
дернизацию промышленности.
При написании данного учебного пособия авторами ставились две основные цели.
Первая из них — рассмотреть основные стадии проектирования ЭС на различных уров-
нях конструкционной иерархии электронных модулей на основе действующих в насто-
ящее время различных стандартов и актуальной нормативно-технической документа-
ции. Второй целью являлась попытка объединить в рамках одного издания достаточно
разрозненную, а иногда и противоречивую, информацию, хранящуюся в литератур-
ных источниках различных лет издания, и на основе такой компиляции сформировать
учебное пособие, которое бы полностью удовлетворяло требованиям нового образова-
тельного стандарта. В какой степени это удалось авторам — судить нашим уважаемым
читателям.
Учебное пособие состоит из пяти частей. В первой части приводятся базовые све-
дения об инженерном проектировании, технической документации, стадиях проек-
тирования электронных средств. Конструирование электронных средств основано на
использовании различных стандартов, нормативно-технической документации, спра-
вочных материалах, требованиях и т. п. Умение руководствоваться такими докумен-
тами при выполнении всех этапов проектных работ — обязательное требование к спе-
циалисту, поэтому в пособии существенное место отведено сведениям о действующих
стандартах и нормативно-технической документации, используемых для решения за-
дач, возникающих на всех этапах проектирования электронных средств, а также об
используемых информационных технологиях (ИТ), так как на современном предприя-
тии электронного профиля сфера применения ИТ исключительно широка.
Вторая часть посвящена особенностям конструкций электронных модулей нулевого
уровня. Современные ЭС, в том числе аппаратура средств связи, приборы и устройства
промышленного, оборонного, космического и бытового назначения, изготавливаются
на базе электрорадиоизделий (ЭРИ), номенклатура которых насчитывает сотни наи-
менований, типов и типоразмеров. Конструктору ЭС необходимо свободно ориенти-

Введение
15
роваться во всем многообразии радиоэлектронных компонентов и уметь обоснованно
осуществлять выбор элементной базы. Наряду с применяемой технологией изготовле-
ния, ЭРИ, главным образом, определяют качество и надежность изделий ЭС в целом,
а также их основные технические характеристики, устойчивую и безаварийную ра-
боту в различных условиях эксплуатации. Поэтому значительное внимание в пособии
уделено свойствам, классификации, системе условных обозначений, маркировке и во-
просам применения ЭРИ.
В третьей части изложены особенности конструирования функциональных узлов
на печатном монтаже с учетом требований, предъявляемых к конструкции ЭС по воз-
действию дестабилизирующих факторов. Рассматриваются этапы проектирования
печатных плат, в том числе поверочные расчеты на вибро- и ударопрочность, анализ
теплового режима.
Четвертая часть непосредственно посвящена разработке конструкций блоков и
шкафов как модулей второго и третьего уровней конструктивной иерархии соответ-
ственно. Рассмотрены особенности проектирования несущих конструкций, лицевых
панелей, электрических соединений ЭС различного назначениях учетом условий экс-
плуатации. Большое внимание в данной части пособия отведено основным конструк-
торским расчетам, а также проблеме электромагнитной совместимости, тепловым
расчетам, вопросам эргономики и дизайна. Рассмотрены методы защиты ЭС от деста-
билизирующего влияния разнообразных внешних воздействующих факторов.
В пятой части учебного пособия рассматриваются задачи обеспечения требуемого
уровня качества и надежности электронных модулей, а также вопросы, связанные с
оптимизацией конструкций ЭС.
Учебное пособие соответствует требованиям, предъявляемым Федеральным го-
сударственным образовательным стандартом 3-го поколения, и предназначено для
подготовки бакалавров и магистрантов всех форм обучения по направлениям 211000
«Конструирование и технология электронных средств», 210400 «Радиотехника» при
изучении дисциплин «Основы конструирования электронных средств», «Основы про-
ектирования электронных средств», «Основы конструирования и технологии про-
изводства РЭС», «Основы компьютерного проектирования РЭС», «Моделирование
конструкций и технологических процессов производства электронных средств». Ма-
териалы пособия рекомендуется использовать при выполнении курсовых проектов,
выпускных квалификационных работ бакалавров и магистерских диссертаций ука-
занных направлений и может быть полезно аспирантам и инженерам, занимающимся
проектированием средств электронной техники, а также студентам направления
210200 «Проектирование и технология электронных средств» и других технических
направлений и специальностей.
Части I—III, глава 4.8 и приложения написаны И.В. Тюриным, часть IV — О.А. Бе-
лоусовым, часть V написана Д.Ю. Муромцевым совместно с И.В. Тюриным, под общей
редакцией Д.Ю. Муромцева всего текста учебного пособия.
Авторы выражают благодарность рецензентам — доценту Г.Ф. Баканову, профессо-
рам Н.К. Юркову и А.В. Муратову за полезные советы, замечания и предложения. Мы
будем признательны всем, кто пришлет свои комментарии и пожелания по содержа-
нию и сути изложения материала настоящего учебного пособия по адресу электронной
почты konstr_es@mail.ru.

Часть I
ОРГАНИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Глава 1.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Процесс конструирования представляет собой практическую деятельность чело-
века по созданию материального образа разрабатываемого объекта с использованием
натурных моделей и их графических изображений. Конструкция ЭС, рассматривае-
мая как структурное образование, составленное из совокупности элементов и деталей с
различными физическими свойствами и формами, находящихся в определенной взаи-
мосвязи, во многом определяет качество функционирования и конкурентоспособность
проектируемой системы. В первую очередь, это относится к надежности, технологич-
ности, безопасности, энергетической эффективности. Конструирование ЭС в настоя-
щее время рассматривается как выполнение сложных инновационных проектов, важ-
ными особенностями которых являются высокая степень неопределенности и риска,
большие затраты материальных и временных ресурсов, необходимость привлечения
высококвалифицированных специалистов.
1.1.1. Понятие инженерного проектирования
Под инженерным проектированием понимают процессы создания, преобразования и
формализованного представления образа еще несуществующего технического объекта.
Образ объекта в целом или его составных частей создается в воображении человека или
формируется в соответствии с некоторыми алгоритмами в ходе взаимодействия чело-
века и компьютера [1]. Следовательно, инженерное проектирование представляет собой
процесс, в котором научно-техническая информация используется для создания нового
объекта, приносящего обществу определенную пользу. В настоящее время принято вы-
делять функциональный, оптимальный и системный подходы к проектированию.

Глава 1.1. Общие сведения о конструировании электронных средств 17
Основной целью при функциональном подходе к проектированию является созда-
ние эффективно работающего и выполняющего требуемую функцию объекта. Основное
внимание обращается, прежде всего, на показатели качества и надежности. Функцио-
нальное проектирование часто заложено в основу массового производства разнообраз-
ных изделий. Основным недостатком такого подхода является сложность правильного
выбора целевой функции и расстановки приоритетов. Например, можно спроектиро-
вать изделие, надежно и качественно выполняющее свою основную функцию, но обла-
дающее непривлекательным для потребителей дизайном и неудобное в эксплуатации.
Такой подход к проектированию присущ в случае отсутствия на рынке товаров конку-
рентов.
Подход к проектированию, целью которого является не только поиск функцио-
нально эффективных решений, но и удовлетворение разных, порой противоречивых
критериев, получил название оптимального. Активно оптимальное проектирование
начало применяться со второй половины прошлого столетия благодаря достижениям
теории принятия решений и теории исследования операций, а также развитию вы-
числительной техники, позволившей оперативно просчитывать многочисленные ва-
рианты и решать сложные математические задачи. При оптимальном проектировании
на этапе технического задания составляется полный перечень требований к разраба-
тываемому объекту. Из этих требований формируются частные показатели качества,
наиболее важные из которых сводятся в комплексный критерий оптимизации.
В последние годы не только существенно возросла сложность проектируемых объ-
ектов, но и их воздействие на общество и окружающую среду, в том числе тяжелые
последствия аварий и катастроф, высокие требования к цене и качеству, сокращению
сроков выпуска новой продукции. Необходимость учета этих обстоятельств внесла
изменения в традиционный характер и методологию проектной деятельности. Сфор-
мировалась новая проектная идеология, получившая название системного подхода к
проектированию. Основным принципом системного подхода к проектированию явля-
ется рассмотрение разрабатываемого объекта как системы, состоящей из множества
элементов, обладающих определенной структурой, свойствами и разнообразными вну-
тренними и внешними связями. Системное проектирование комплексно решает по-
ставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных
объектов и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-
экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проек-
тирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта и процесса
проектирования.
При том или ином подходе, проектирование ЭС в большинстве случаев заключается
в разработке в течение заданного времени и с минимальными затратами конструкции
и технологических процессов производства новых конкурентоспособных электронных
средств, которые с требуемой эффективностью выполняют предписанные им функции
в заданных условиях. В процессе проектирования выполняется комплекс исследова-
тельских и расчетно-конструкторских работ, в результате выполнения которых созда-
ется документация на разрабатываемое изделие, необходимая для его производства.
1.1.2. Задачи проектирования ЭС
По степени новизны создаваемых объектов ЭС выделяют следующие задачи проек-
тирования [2]:
1. Частичная модернизация существующего изделия, обеспечивающая незначи-
тельное улучшение или расширение функциональных характеристик и других по-
казателей качества, например: повышение надежности, точности работы, дальности

18
Конструирование узлов и устройств электронных средств
действия, уменьшение габаритов, энергопотребления и т. д. В зависимости от вида
показателя качества под незначительным улучшением понимается изменение ха-
рактеристик от нескольких процентов (точность работы) до нескольких десятков
процентов.
2. Существенная модернизация прототипа, в результате которой происходит значи-
тельное улучшение показателей качества ЭС (от нескольких десятков до сотен процен-
тов, т. е. в несколько раз). Это может достигаться серьезными изменениями конструк-
ции и принципа действия.
3. Создание принципиально новых ЭС, использующих иные принципы действия,
решающих другие задачи и изготовляемые по вновь разработанным технологиям. При
сопоставлении с прототипами и аналогами отдельные показатели качества новых ЭС
могут увеличиваться на несколько порядков.
Основными путями достижения новизны проектируемых ЭС являются:
• использование новых физических явлений и принципов действия;
• применение новых материалов, в том числе наноматериалов, более совершенной
элементной базы и структуры;
• применение современных информационных технологий, методов искусственного
интеллекта, отказоустойчивости и т. п.;
• улучшение производственных процессов на основе использования прогрессивных
и энергосберегающих технологий, автоматизации процессов, внедрения методов
контроля качества и др.
В общем случае, проектирование следует рассматривать как один из этапов жиз-
ненного цикла ЭС. Укрупненно это можно представить в виде замкнутого «цикла об-
новления», показанного на рис. 1.1.1 [3].
Эксплуатация
Формирование цели
Принципы, методы,
технологии
Производство
Проектирование
Рис. 1.1.1. Цикл обновления
Данный цикл содержит пять последовательно повторяющихся этапов:
1) формирование цели модернизации (создания нового изделия) выполняется на
основании накопленного опыта эксплуатации и проектирования объекта, требований
заказчика, характеристик продукции конкурентов, последних достижений в науке
и технике;
2) анализ объектов и предметной области предусматривает поиск общих идей и кон-
цепций, которые могут быть использованы для достижения поставленных целей;
3) проектирование, т. е. непосредственное выполнение всех этапов проектных работ
(на основе решения задач анализа и синтеза);
Анализ объекта
проектирования и
предметной области

Глава 1.1. Общие сведения о конструировании электронных средств 19
4) производство на основе разработанной технологии;
5) эксплуатация в различных условиях, сопровождающаяся сбором сведений о том,
насколько достигнуты сформулированные цели, какие имеются пожелания пользова-
телей для дальнейшего совершенствования изделий.
Наиболее часто в качестве основной цели процесса проектирования рассматрива-
ется создание малогабаритных, надежных и высокоэффективных ЭС, которые при
производстве и эксплуатации требуют минимального расхода энергетических, трудо-
вых и материальных ресурсов. Эта цель достигается решением широкого комплекса
задач, наиболее важными из них являются: комплексная миниатюризация, энергети-
ческая эффективность и высокая технологичность.
При проектировании обычно выделяют два широких класса задач: анализа и син-
теза.
Задачи анализа связаны с определением свойств проектируемого объекта, напри-
мер, расчетом динамических характеристик (частотных, временных) электрических
схем. По результатам анализа оценивается степень соответствия проектных решений
задаваемым требованиям.
Задачи синтеза заключаются в разработке проектных решений по заданным требо-
ваниям, свойствам и ограничениям к функционированию системы (блока, узла), на-
пример, разработка электрической схемы узла по заданным характеристикам. Раз-
личают задачи синтеза структурного и параметрического. При структурном синтезе
создается структура схемы, т. е. определяются состав элементов и способы их соеди-
нения. В случае параметрического синтеза находятся числовые значения параметров
элементов, от которых зависят общие характеристики схемы. Обычно задачи синтеза
решаются как оптимизационные.
При проектировании ЭС задачи анализа и синтеза взаимосвязаны, каждое синтези-
руемое проектное решение сопровождается этапом анализа его характеристик.
1.1.3. Особенности ЭС как объектов проектирования
Электронное средство, рассматриваемое как объект проектирования, обычно пред-
ставляет собой сложную техническую открытую систему, в основе функционирования
которой лежат процессы передачи, извлечения и обработки информации, связанные с
преобразованием и передачей электромагнитной энергии. Современные ЭС включают
в себя большое число составных частей с различными связями между ними и обладают
следующими свойствами, характерными для сложных систем [3, 4]:
• ярко выраженное целевое назначение;
• наличие множества разнообразных объектов, взаимодействующих с ЭС;
• значительные масштабы зоны действия;
• базирование в различных средах (земная поверхность, акватория океана, атмос-
фера и космическое пространство);
• сложность процессов обработки информации, поступающей от различных объек-
тов, использование средств автоматизации и вычислительной техники.
Наряду с этими достаточно общими свойствами ЭС обладают рядом особенностей,
которые выделяют их в отдельный класс проектируемых технических объектов. К та-
ким особенностям относят следующие.
1. Целевое назначение ЭС предполагает обеспечение информационного взаимо-
действия между удаленными объектами с использованием радиосигналов. Поэтому
составными частями значительного числа ЭС являются подсистемы генерирования и
приема электромагнитных колебаний.

20
Конструирование узлов и устройств электронных средств
2. Информационное взаимодействие между пространственно-разнесенными радио-
техническими средствами осуществляется на основе модуляции параметров радиосиг-
нала (амплитуды, частоты, фазы) полезными сообщениями. Следовательно, важную
роль в ЭС играют системы модуляции и демодуляции сигналов.
3. Информационный обмен между радиотехническими системами и объектами с
использованием электромагнитных колебаний требует больших энергетических за-
трат на генерацию и излучение радиосигналов, а также обеспечение концентрации
излучаемой мощности в направлении на целевой объект или группу объектов. При
распространении электромагнитных волн в среде происходит сильное ослабление пе-
редаваемых сигналов. Поэтому в приемном тракте требуется значительное усиление
принимаемых сигналов без внесения дополнительных искажений.
4. В любых ЭС приходится решать проблемы, связанные с воздействием естествен-
ных и искусственных помех, которые приводят к искажению, а иногда и полному по-
давлению полезного сигнала. Для повышения помехозащищенности используются
различные методы, реализуемые специальными устройствами, которые значительно
усложняют структуру ЭС.
При проектировании ЭС используют функциональное, конструкторское, техноло-
гическое и информационное описания.
Функциональное описание характеризует эксплуатационные функции системы,
обеспечивающие выполнение целевых заданий. Оно раскрывает принцип действия,
свойства, протекающие в ЭС физические и информационные процессы. На основе
функционального описания производится декомпозиция системы на составные части,
выполняющие различные функции. При разукрупнении системы используется иерар-
хический принцип, сначала указываются обобщенные функции, затем в них выделя-
ются обеспечивающие. В результате такой декомпозиции происходит структурирова-
ние системы по уровням иерархии в виде совокупности подсистем, которые состоят из
устройств, и последние — из функциональных узлов.
Функциональный узел обычно представляет собой законченную сборочную еди-
ницу, не имеющую самостоятельного применения (например, дискриминатор, уси-
литель, аттенюатор и т. п.) и в большинстве случаев выполненную на несущей кон-
струкции. В свою очередь, в функциональном узле также можно выделить отдельные
компоненты: печатные платы, микросхемы, резисторы и т. д.
Функциональное описание компонента ЭС содержит сведения: .
• об основных эксплуатационных функциях, выражаемых выходными характери-
стиками;
• о зависимости выходных характеристик от влияющих на них параметров си-
стемы и дестабилизирующих воздействий окружающей среды;
• о показателях качества работы компонента и их соответствия поставленным це-
лям проектирования;
• о разнообразных ограничениях на функционирование.
Математически функциональное описание компонента можно представить соотно-
шением:
y(t,s) = f(x,u,u),
где у — выходная характеристика;
х — вектор режимных параметров и воздействий других компонентов;
и — вектор проектных и управляющих параметров компонента;
и — воздействия окружающей среды;
tj s — временная и пространственная координата соответственно [3, 5].

Глава 1.1. Общие сведения о конструировании электронных средств 21
Конструкторское описание дает представление о материальной реализации ЭС, оно
отображает взаимное расположение частей проектируемого объекта, их формы, ис-
пользуемые материалы и т. п.
Технологическое описание отображает методы и инструментальные средства про-
цесса изготовления ЭС.
Особую роль при автоматизированном проектировании играет информационное
описание, которое содержит все виды информации (документы, сведения, сообщения,
сигналы) и отношения между ними.
Следовательно, описание ЭС как объекта проектирования непосредственно связано
с целями и задачами проектирования, оно развивается по мере выполнения этапа про-
цесса проектирования, при этом последовательно обеспечивается соответствие всех це-
левых установок техническому заданию.
1.1.4. Особенности проектирования конструкций ЭС
Конструкции современных ЭС представляют собой сложные системы, т. е. состоят
из совокупностей объектов, связей между ними, и предназначены для реализации за-
даваемых функций [3]. Любая конструкция обладает системными свойствами компо-
зиции и декомпозиции, интегративности, т. е. образования при композиции новых
качеств, не равных сумме свойств исходных частей, иерархичности (делению кон-
струкции на структурные уровни).
В процессе конструирования необходимо учитывать большое число факторов,
имеющих различную природу. Эти факторы можно объединить в следующие группы
требований: общего характера, эксплуатационные, конструкторско-технологические,
производственные, а также требования нормативно-технических документов. Кроме
того, для разных уровней конструктивных компонентов (микросборок, печатных плат,
функциональных модулей и т. д.) имеются свои специфические требования.
Разработка конструкции ЭС, которая гарантированно удовлетворяет всем предъ-
являемым требованиям, представляет собой сложную инженерную задачу. При этом
приходится решать проблемы, связанные с тем, что ряд требований являются проти-
воречивыми, а некоторые требования предусматривают перспективу развития и функ-
циональное наращивание системы в процессе эксплуатации, т. е. нацелены в будущее.
В определенной степени противоречия возникают при стремлении повысить надеж-
ность за счет структурной избыточности и одновременно уменьшить вес и габариты
или увеличить мощность передающего устройства и улучшить показатели энергети-
ческой эффективности. Нацеленность в будущее предполагает необходимость постоян-
ной модернизации ЭС для использования научно-технических достижений, например:
расширение диапазонов работы, изменение конструкции антенной системы, увеличе-
ние каналов связи, и др.
Для решения этих проблем при конструировании используются методы оптимиза-
ции, принятия проектных решений в условиях неопределенности, робастного проек-
тирования, модульного конструирования, управления проектами и др. [3, 6-8]. При-
менение методов автоматизированного проектирования позволяет решать следующие
сложные в вычислительном отношении задачи:
• оптимальное геометрическое размещение компонентов нижестоящих уровней в
монтажном пространстве вышестоящих (ЭРИ на печатных платах, плат в функ-
циональных модулях, модулей в блоках и т. д.);
• обеспечение оптимального теплового режима в блоках с применением естествен-
ного, искусственного и смешанного охлаждения;

22
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• обеспечение оптимальной помехоустойчивости функциональных узлов при воз-
действии естественных и искусственных помех и др.
Проектирование конструкции ЭС при наличии жестких ограничений имеет р£д
особенностей. К этим особенностям можно отнести следующие.
1. Мультивариантность. Основным методом создания качественной конструкции
является формирование множества альтернативных вариантов, их анализ и обосно-
ванный выбор наиболее предпочтительного.
2. Модульность и параллельное конструирование компонентов. Несмотря на то, что
в законченном виде конструкция представляет собой единую систему, большое число
ее составных частей в виде блоков функциональных модулей, печатных плат и др. мо-
жет разрабатываться параллельно, в относительной независимости друг от друга [7].
3. Типовые структуры и преемственность (наследование). При формировании аль-
тернативных вариантов конструкции широко используются стандартизация, типи-
зация и унификация электронных модулей и других базовых конструкций. Это обе-
спечивает конструктивную совместимость, взаимозаменяемость и инвариантность
параметров, значительно сокращает сроки проектирования, позволяет использовать
информацию о ранее разработанных конструкциях.
4. Показатели конструкции и множество состояний функционирования. В процессе
реальной эксплуатации могут изменяться климатические условия, объект размеще-
ния, а также другие требования к исполнению ЭС. Поэтому при разработке конструк-
ции необходимо предусмотреть, чтобы созданное изделие эффективно работало не
только при соблюдении требований к климатическому исполнению, объекту установки
и др., содержащихся в техническом задании, но и обладало робастностью в различных
состояниях функционирования. Для этого сопоставление альтернативных вариантов
конструкции должно выполняться на множестве состояний функционирования. Дан-
ное множество наряду с состоянием нормального функционирования, когда выполня-
ются все задаваемые требования к разрабатываемому изделию, содержит состояния,
в которых изделие может находиться вследствие явлений природного характера (наво-
днение, ураган и т. п.), организационных и других мероприятий. Таким образом, при
анализе конструкции следует учитывать значения основных показателей в различных
состояниях функционирования.
1.1.5. Стадии проектирования ЭС
Нормативно-технической документацией и государственными стандартами регла:
ментирован порядок разработки и постановки на производство изделий технического
назначения [9]. Так, ГОСТ 2.103-68 устанавливает следующие стадии разработки кон-
структорской документации (КД) на изделие:
• техническое предложение;
• эскизный проект (ЭП);
• технический проект.
Конструирование ЭС начинают с изучения и анализа технического задания (ТЗ).
В ТЗ указано назначение и область применения разрабатываемого изделия, техниче-
ские, конструктивные, эксплуатационные и экономические требования к ЭС, а также
условия его хранения и транспортирования, требования к надежности и к качеству,
правила проведения испытаний и приемки готовой продукции.
Стадия технического предложения предполагает выполнение анализа существую-
щих технических решений, патентного поиска, обсуждения возможных вариантов
создания ЭС и выбора из них наиболее предпочтительного. Макетирование отдельных

Глава 1.1. Общие сведения о конструировании электронных средств 23
узлов позволяет определить требования для последующих этапов разработки. Доку-
ментам технического предложения присваивается литера «П».
На стадии эскизного проекта осуществляют проработку выбранного варианта реа-
лизации ЭС с точки зрения поиска наиболее удачных конструкторско-технологиче-
ских решений его реализации: технологии изготовления, наладки и испытания эле-
ментов, узлов, блоков и ЭС в целом, и затем изготавливают действующий образец или
серию образцов. Далее проводят их испытания в объеме, достаточном для подтвержде-
ния заданных в ТЗ значений технических и эксплуатационных параметров, и разраба-
тывают комплект необходимой документации, которой присваивается литера «Э».
Стадия технического проекта характеризуется принятием окончательных реше-
нии о конструкции изделия и технологии его изготовления. Документам технического
проекта присваивается литера «Т». Затем изготавливается опытная серия ЭС, и прово-
дятся ее испытания на соответствие заданным в ТЗ значениям технических и эксплуа-
тационных параметров, в том числе надежности и качеству.
По результатам стадии технического проекта разрабатывается полный комплект
рабочей КД опытного образца, которой присваивается литера «О».
Далее осуществляется технологическая подготовка производства, выпуск устано-
вочной серии (комплект КД с литерой «А») и организация серийного (массового) вы-
пуска ЭС (комплект КД с литерой «Б»).
Стадии технического предложения и эскизного проекта обычно выполняются в
рамках научно-исследовательской работы, а стадия разработки технического про-
екта — в виде опытно-конструкторской разработки.
1.1.6. Модульный принцип проектирования
Основу модульного принципа проектирования составляет разработка ЭС с учетом
конструктивной и функциональной взаимозаменяемости составных частей конструк-
ции — модулей [7, 9].
Под модулем понимают составную часть аппаратуры, имеющую законченные функ-
циональное назначение и конструкцию и снабженную элементами соединения и ком-
мутации с другими модулями в изделии.
Использование модульного принципа проектирования позволяет снизить затраты
на разработку и изготовление ЭС, обеспечить совместимость и преемственность тех-
нических решений при улучшении показателей качества, повышения надежности и
срока эксплуатации изделий.
Модульный принцип проектирования основан на методах решения задачи компо-
новки [3] и предполагает разбиение всей электрической схемы ЭС на подсхемы, выпол-
няющие определенные функции. Полученные подсхемы дробятся на более простые ча-
сти до тех пор, пока вся электрическая схема устройства не будет представлена в виде
набора модулей различного уровня сложности.
Иногда используют другой подход к проектированию, основанный на решении за-
дачи покрытия, сущность которой состоит в том, что частям функциональной схемы
ЭС ставятся в соответствие интегральные микросхемы (ИМС) определенной серии,
а электрическая схема изделия как бы «покрывается» электрическими схемами ми-
кросхем. Как правило, не все подсхемы ЭС можно покрыть микросхемами существую-
щих серий, и тогда такие подсхемы реализуют набором дискретных ЭРИ.
Конструкцию современных ЭС можно рассматривать как некоторую иерархию
модулей, каждая ступень которой называется уровнем модульности. При выборе
числа уровней модульности проводится решение задачи типизации, т. е. сокращения

24
Конструирование узлов и устройств электронных средств
разнообразия модулей в ЭС определенного функционального назначения. Функцио-
нальное разнообразие изделий достигается использованием различного числа уровней
конструктивной иерархии модулей.
Уровни разукрупнения электронных средств устанавливает ГОСТ Р 52003-2003,
в соответствии с которым выделяют четыре основных уровня модульности. К ним от-
носят:
• электронный модуль нулевого уровня (ЭМО) — модуль, выполненный на базе из-'
делий электронной техники и электротехнических изделий. В зависимости от ис-
полнения аппаратуры модулем нулевого уровня служат различные электрорадио-
изделия, в том числе интегральные микросхемы и микросборки;
• электронный модуль первого уровня (ЭМ1) — модуль, изготовленный на оснойе
базовой несущей конструкции (БНК) первого уровня. Примером ЭМ1 служит
ячейка, представляющая собой печатную плату (ПП) с установленными на ней
модулями нулевого уровня и электрическим соединителем;
• электронный модуль второго уровня (ЭМ2) — модуль, изготовленный на основе
БНК второго уровня. Типичным примером ЭМ2 является блок, основными кон-
структивными элементами которого является панель с ответными соединителями
модулей первого уровня, размещенными в.один или несколько рядов;
• электронный модуль третьего уровня (ЭМЗ) — модуль, изготовленный на основе
БНК третьего уровня, например, шкаф, в который устанавливаются блоки.
На рис. 1.1.2 условно показаны иерархические уровни разукрупнения ЭС.
ЭМО
ЭМ1
ЭМ2
ЭМЗ
Рис. 1.1.2. Уровни разукрупнения электронных средств
Необходимо заметить, что в простой аппаратуре высшие уровни модульности отсут-
ствуют. Полная модульность, показанная на рис. 1.1.2, используется только в слож-
ных ЭС.
Вопросы для контроля
1. Что представляет собой процесс конструирования?
2. Что включает в себя понятие инженерного проектирования?
3. В чем состоит сущность функционального подхода к проектированию?
4. Какими особенностями характерен оптимальный подход к проектированию?
5. На каких принципах основан системный подход к проектированию?
6. Какие основные задачи проектирования приходится решать при разработке ЭС?

Глава 1.1. Общие сведения о конструировании электронных средств 25
7. В чем состоит идея «цикла обновления»?
8. На какие цели ориентированы задачи анализа и синтеза при проектировании
ЭС?
9. Какими общими свойствами сложных технических систем обладают ЭС?
10. Какие специфические особенности выделяют ЭС в классе технических объектов с
точки зрения выполнения проектных работ?
11. Что представляют собой функциональное, конструкторское, технологическое и
информационное описаний ЭС?
12. В чем состоят особенности проектирования конструкций ЭС?
13. Какие стадии порядка разработки и постановки на производство продукции уста-
навливают государственные стандарты РФ?
14. В чем заключается сущность модульного принципа проектирования?
15. Какие уровни разукрупнения (модульности) ЭС определяет ГОСТ Р 52003-2003?

Глава 1.2
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
На всех этапах жизненного цикла ЭС сопровождает различного рода техническая
документация, состав и содержание которой определяется различного рода стандар-
тами, руководящими документами, инструкциями и пр. В настоящее время в нашей
стране существует огромное множество нормативно-технических документов, сгруп-
пированных по назначению в следующие основные комплексы [9]:
• единая система конструкторской документации (ЕСКД);
• единая система технологической документации (ЕСТД);
• единая система программной документации (ЕСПД);
• единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП);
• единая система защиты изделий и материалов от коррозии, старения и биопов-
реждений (ЕСЗКС) и др.
Основная задача этих комплексов — создать общую нормативно-техническую, ин-
формационную, методическую и организационную базу для проектирования, произ-
водства и эксплуатации изделий, обеспечивая использование единого технического
языка и терминологии, обмен документацией между предприятиями без ее перера-
ботки, совершенствование организации проектных работ, возможность автоматизации
разработки технической документации, совершенствование способов учета, хранения,
дублирования, изменения документации и др.
1.2.1. Состав и классификация стандартов ЕСКД
Государственные стандарты, входящие в единую систему конструкторской доку-
ментации, устанавливают взаимосвязанные единые правила и положения по порядку
разработки, оформления и обращения конструкторской документации на изделия,
разрабатываемой и применяемой на всех этапах его жизненного цикла, в том числе
при проектировании, изготовлении, транспортировке, хранении, эксплуатации и ре-
монте [10-12]. Использование стандартов ЕСКД — обязательное требование к разра-
ботке конструкторской документации на изделие.
Конструкторская документация представлена графическими и текстовыми доку-
ментами, в отдельности или в совокупности определяющими состав и устройство из-
делия, и содержащими необходимые данные для его разработки, изготовления, кон-
троля, испытаний, приемки, эксплуатации, ремонта и утилизации.

Глава 1.2. Техническая документация
27
Состав и классификацию стандартов ЕСКД устанавливает ГОСТ 2.001-93 (табл. 1.2.1).
Обозначение стандартов ЕСКД выполняют по правилам, установленным ГОСТ 1.0-92.
Номер стандарта составляется из цифры, присвоенной классу стандартов ЕСКД (2),
одной цифры после точки, обозначающей классификационную группу стандартов,
числа, определяющего порядковый номер стандарта в данной группе, и двузначной
цифры (после тире), указывающей год регистрации стандарта (для стандартов, издан-
ных после 1999 г., год регистрации обозначается четырехзначной цифрой).
Таблица 1.2.1
Классификационные группы стандартов ЕСКД
Номер
группы
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Наименование группы стандартов
Общие положения
Основные положения
Классификация и обозначение изделий и конструкторских документов
Общие правила выполнения чертежей
Правила выполнения чертежей различных изделий
Правила изменения и обращения КД (учет, хранение, дублирование, измене-
ния)
Правила выполнения эксплуатационной и ремонтной документации
Правила выполнения схем
Правила выполнения документов при макетном проектировании
Прочие стандарты
Например, обозначение стандарта «ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования
к выполнению» имеет вид: ГОСТ 2.701-2008, т. е. ГОСТ — категория нормативно-тех-
нического документа (государственный стандарт), 2 — класс (стандарты ЕСКД), 7 —
классификационная группа стандартов (см. табл. 1.2.1), 01 — порядковый номер стан-
дарта в группе, 2008 — год регистрации стандарта.
Виды и комплектность конструкторских документов регламентирует ГОСТ 2.102-68
(переиздание 2007 г., с изменениями). В соответствии с ним к графическим конструк-
торским документам относятся:
• чертеж детали, содержащий изображение детали и другие необходимые данные
для ее изготовления и контроля;
• сборочный чертеж (СБ), содержащий изображение сборочной единицы и другие
необходимые данные для ее изготовления и контроля;
• чертеж общего вида (ВО), определяющий конструкцию изделия и взаимодействие
его частей, а также поясняющий принцип работы изделия;
• теоретический чертеж (ТЧ), определяющий геометрические размеры, форму из-
делия и координаты расположения его составных частей;
• габаритный чертеж (ГЧ), содержащий упрощенное изображение изделия с габа-
ритными, установочными и присоединительными размерами;
• электромонтажный чертеж (МЭ), содержащий данные для электрического мон-
тажа изделия;

28
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• монтажный чертеж (МЧ), включающий в себя упрощенное изображение изделия
и данные для его установки на месите эксплуатации;
• упаковочный чертеж (УЧ), содержащий данные для выполнения упаковывания
изделия;
• схема, содержащая составные части изделия в виде условных графических обо-
значений с указанием связей между ними.
Текстовую конструкторскую документацию составляют:
• спецификация, определяющая состав сборочной единицы, комплекса, ком-
плекта;
• ведомость спецификаций (ВС), включающая в себя перечень всех спецификаций
составных частей изделия с указанием их количества и входимости;
• ведомость ссылочных документов (ВД), состоящая из перечня документов, на ко-
торые имеются ссылки в КД на изделие;
• ведомость покупных изделий (ВП), содержащая перечень покупных изделий,
примененных в проектируемом изделии;
• ведомость разрешений применения покупных изделий (ВИ), содержащая пере-
чень покупных изделий, разрешенных к применению по ГОСТ 2.124-85;
• ведомость держателей подлинников (ДП), включающая в себя перечень органи-
заций и предприятий, хранящих подлинники разработанных и примененных в
изделии документов;
• ведомость технического предложения (ПТ), содержащая перечень документов,
вошедших в состав технического предложения;
• ведомость эскизного проекта (ЭП), содержащая перечень документов, вошедших
в состав эскизного проекта;
• ведомость технического проекта (ТП), состоящая из перечня документов, вошед-
ших в технический проект;
• пояснительная записка (ПЗ), содержащая описание устройства и принципа дей-
ствия проектируемого изделия, а также технико-экономическое обоснование раз-
работки;
• технические условия (ТУ), содержащие требования к изделию, его изготовлению,
контролю качества, приемке и поставке, которые нецелесообразно указывать в
другой КД;
• программа и методика испытаний (ПМ), состоящая из технических данных, под-
лежащих проверке при испытании изделия, порядка и методов их контроля;
• таблица (ТБ), содержащая данные, сведенные в таблицу;
• расчет (РР), состоящий из расчетов параметров и величин, например, расчет на
прочность, расчет теплового режима и др.;
• эксплуатационные документы, состоящие из комплекта документов, необходи-
мых при эксплуатации изделия для его обслуживания и ремонта;
• ремонтные документы, содержащие сведения для проведения ремонтных работ
на специализированных предприятиях;
• инструкция (И), состоящая из указаний и правил, используемых при изготовле-
нии изделия (сборке, регулировке, контроле и т. п.).
При определении комплектности КД на изделие различают:
• основной конструкторский документ, полностью определяющий данное изделие
и его состав (например, для деталей основным КД является чертеж детали, а для
сборочных единиц, комплексов и комплектов — спецификация);
• основной комплект конструкторских документов, объединяющий КД, составлен-
ные на все изделие в целом, например, сборочный чертеж, схема электрическая
принципиальная, технические условия, эксплуатационные документы и др.;

Глава 1.2. Техническая документация
29
• полный комплект конструкторских документов, состоящий из основного ком-
плекта КД на данное изделие и основных комплектов КД на все составные части
изделия, примененные по своим основным конструкторским документам.
1.2.2. Схемная конструкторская документация
В общем объеме КД, выпускаемой в процессе разработки ЭС, существенное место
занимает схемная документация.
Схемой называется графическая конструкторская документация, выполненная в
бумажной или электронной форме, на которой в виде условных изображений или обо-
значений показаны составные части изделия и связи между ними.
Схемы применяют при изучении принципа действия механизма, прибора, аппа-
рата при их изготовлении, наладке и ремонте, для понимания связи между состав-
ными частями изделия без уточнения особенностей их конструкции. Схемы слу-
жат основой для последующего конструирования отдельных частей и всего изделия
в целом,.
Составляющими частями схем являются:
• элемент схемы — составная часть схемы, которая не может быть разделена на ча-
сти, имеющие самостоятельное назначение и собственное условное обозначение
(микросхема, резистор, транзистор и др.);
• устройство — совокупность элементов, представляющая единую конструкцию
(блок, модуль, плата и т. п.);
• функциональная группа — совокупность выполняющих определенную функцию
элементов, не объединенных в единую конструкцию;
• функциональная часть — элемент, устройство или функциональная группа, име-
ющая определенное назначение;
• функциональная цепь — линия (канал, тракт) на схеме определенного назначе-
ния, например, тракт видеосигнала: канал звукового сигнала и т. п.;
• линия взаимосвязи — отрезок линии на схеме, показывающий на наличие связи
между функциональными частями.
В зависимости от вида элементов, входящих в состав изделия, и связей между
ними ГОСТ 2.701-2008 разделяет схемы на десять видов с буквенным обозначением:
электрические (Э), гидравлические (Г), пневматические (П), газовые (X), кинематиче-
ские (К), вакуумные (В), оптические (Л), энергетические (Р), деления (Е) и комбини-
рованные (С). По основному назначению ГОСТ 2.701-2008 устанавливает восемь типов
схем, обозначаемых цифрами: структурные (1), функциональные (2), принципиаль-
ные (3), соединений (монтажные) (4), подключения (5), общие (6), расположения (7)
и объединенные (0).
В соответствии с данными обозначениями, устанавливается буквенно-цифровой
код схемы, например: схема электрическая структурная — Э1, схема оптическая
функциональная — 02, схема электро-кинематическая принципиальная — СЗ, схема
электрическая структурная, принципиальная и соединений — Э0.
При конструировании ЭС разработчику наиболее часто приходится иметь дело с
электрическими структурными (Э1), функциональными (Э2) и принципиальными (ЭЗ)
схемами, поэтому рассмотрим их более подробно.
Структурные схемы определяют основные функциональные части изделия, а также
их назначение и взаимосвязи и дают общее представление об устройстве. Разработка
структурных схем обычно производится на начальных стадиях проектирования изде-
лия. Схемы электрические структурные выполняют согласно правилам, изложенным
в ГОСТ 2.702-2011.

30 Конструирование узлов и устройств электронных средств
1. На структурной схеме изображают все основные функциональные части изде-
лия, в том числе элементы, устройства, функциональные группы и основные взаимос-
вязи между ними.
2. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольника или услов-
ного графического обозначения (УГО).
3. Схема должна давать наглядное представление о последовательности взаимодей-
ствия функциональных частей в изделии.
4. На линиях взаимосвязей рекомендуется стрелками обозначать направление хода
процессов, протекающих в ЭС.
5. На схеме необходимо указывать наименования каждой функциональной части
изделия, обозначенной прямоугольником.
6. На схеме допускается указывать тип элемента или устройства и (или) обозначе-
ние документа, на основании которого этот элемент (устройство) применен.
7. При изображении функциональных частей в виде прямоугольников наименова-
ния, типы и обозначения рекомендуется записывать внутри прямоугольников.
8. При значительном числе функциональных частей допускается вместо наимено-
ваний, типов и обозначений проставлять порядковые номера справа от изображения
или над ним, сверху вниз в направлении слева направо. В данном случае наименова-
ния, типы и обозначения указывают в таблице, размещаемой на поле схемы.
9. Допускается размещать на схеме поясняющие надписи, диаграммы или та-
блицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывать
параметры в характерных точках, например: величины токов, напряжений, формы и
величины импульсов, математические зависимости и т. п.
В качестве примера в Приложении 1 приведен образец оформления схемы электри-
ческой структурной.
Функциональные схемы поясняют процессы, происходящие в отдельных функцио-
нальных частях или устройстве в целом. Функциональные схемы используют для раз-
работки принципиальных схем и применяют при наладке, ремонте и эксплуатации из-
делия. Согласно ГОСТ 2.702-2011 схемы электрические функциональные выполняют
согласно следующим правилам.
1. На функциональной схеме приводят функциональные части изделия (элементы,
устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемом
схемой, с указанием связей между этими частями.
2. Функциональные части и связи между ними изображают в виде УГО, установ-
ленных в стандартах ЕСКД, причем отдельные функциональные части допускается
изображать в виде прямоугольников.
3. Графическое построение схемы должно наглядно давать представление о после-
довательности процессов, иллюстрируемых схемой.
4. Все элементы и устройства изображают на схемах совмещенным или разнесен-
ным способом.
5. Совмещенный способ предусматривает составные части элементов или устройств
изображать на схеме в непосредственной близости друг к другу.
6. Разнесенный способ предполагает составные части элементов и устройств или
отдельные элементы устройств изображать на схеме в разных местах таким образом,
чтобы отдельные цепи изделия были изображены наиболее наглядно. При выполне-
нии схем рекомендуется пользоваться строчным способом, при котором УГО элементов
или их составных частей, входящих в одну цепь, изображают последовательно друг за
другом по прямой, а отдельные цепи — рядом, с образованием параллельных (горизон-
тальных или вертикальных) строк, нумеруемых арабскими цифрами, как показано на
рис. 1.2.1.

Глава 1.2. Техническая документация
31
Рис. 1.2.1. Фрагмент схемы, выполненный строчным способом
7. При использовании разнесенного способа изображения элементов или устройств
допускается на свободном поле схемы помещать УГО элементов или устройств, выпол-
ненные совмещенным способом. Элементы или устройства, частично используемые в
изделии, изображают полностью с указанием использованных и неиспользованных
частей (например, все выводы микросхемы), причем выводы неиспользованных ча-
стей изображают короче, чем выводы использованных (см. рис. 1.2.2).
Рис. 1.2.2. Изображение использованных и неиспользованных контактов
8. Схемы выполняют в многолинейном изображении (при котором каждую цепь
изображают отдельной линией, а элементы, содержащиеся в этих цепях, — отдель-
ными У ГО) или однолинейном изображении (при котором цепи, выполняющие иден-
тичные функции, изображают одной линией, а одинаковые элементы этих цепей — од-
ним У ГО), как показано на рис. 1.2.3 а, б.
9. При изображении на одной схеме различных функциональных цепей допуска-
ется различать их толщиной линии, однако на одной схеме рекомендуется применять
не более трех размеров линий по толщине.

32
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 1.2.3. Пример многолинейного (а) и однолинейного (б) изображения схем
10. Условные графические обозначения выполняют линиями той же толщины, что
и линии связи (в пределах от 0,2 до 1 мм), рекомендуется толщина от 0,3 до 0,5 мм.
11. Принятые размеры графических элементов, а также толщины их линий должны
быть одинаковыми на всей схеме.
12. Для упрощения построения схемы допускается несколько электрически не-
связанных линий связи сливать в линию групповой связи, но при подходе к контак-
там (элементам) каждую линию связи изображают отдельной линией. При слиянии
линий связи каждую линию помечают в месте слияния, а иногда и на обоих концах
условными обозначениями (цифрами, буквами или сочетанием букв и цифр) или обо-
значениями, принятыми для электрических цепей. Обозначения линий проставляют в
соответствии с ГОСТ 2.721-74. Линии электрической связи, сливаемые в линию груп-
повой связи, как правило, не должны разветвляться, т. е. всякий условный номер дол-
жен встречаться на линии групповой связи два раза. При необходимости разветвле-
ний их количество указывают после порядкового номера линии через дробную черту
(см. рис. 1.2.4);
Рис. 1.2.4. Обозначения линий связи
13. На функциональной схеме должны быть указаны:
• для каждой функциональной группы — ее обозначение согласно принципиаль-
ной схеме и (или) ее наименование, а если функциональная группа изображена в
виде У ГО, то ее наименование не указывают;

Глава 1.2. Техническая документация
33
• для каждого устройства, изображенного прямоугольником — позиционное обо-
значение согласно принципиальной схеме, его наименование и тип и (или) обо-
значение документа, на основании которого это устройство применено;
• для каждого устройства, изображенного в виде УГО — его позиционное обозначе-
ние согласно принципиальной схеме, тип и (или) обозначение документа;
• для каждого элемента — его позиционное обозначение в соответствии с принци-
пиальной схемой и (или) его тип.
Обозначение документа, на основании которого применено устройство, и тип эле-
мента допускается не указывать, а наименования, типы и обозначения рекомендуется
вписывать в прямоугольники.
14. На функциональной схеме рекомендуется указывать технические характери-
стики функциональных частей рядом с графическими обозначениями или на свобод-
ном поле схемы.
15. На схеме допускается размещать поясняющие надписи, диаграммы или та-
блицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывать
параметры в характерных точках, в частности, величины токов, напряжений, формы
и величины импульсов, математические зависимости и т. д.
В Приложении 2 показан пример оформления схемы электрической функциональной.
Принципиальные схемы определяют полный состав элементов и связей между
ними и дают детальное представление о принципах работы отдельных функциональ-
ных частей и устройств изделия. Принципиальные схемы используют для разработки
других видов КД, а также при наладке, ремонте и изучении принципа работы устрой-
ства. В соответствии с ГОСТ 2.702-2011 схемы электрические принципиальные выпол-
няют согласно ряду правил, наиболее важные из которых приведены ниже.
1. На принципиальной схеме изображают все элементы или устройства, необходи-
мые для реализации в ЭС заданных электрических процессов, все электрические связи
между ними, а также электрические элементы (разъемы, зажимы, колодки и т. п.),
которыми заканчиваются входные и выходные цепи.
2. Схемы выполняют для устройств, находящихся в отключенном положении, но
иногда в технически обоснованных случаях допускается отдельные элементы схемы
показывать в выбранном рабочем положении с указанием на поле схемы режима, для
которого изображены эти элементы.
3. Элементы и устройства, условные графические обозначения которых установ-
лены в стандартах ЕСКД, изображают на схеме в виде этих УГО.
4. Элементы или устройства, частично используемые в изделии, допускается изо-
бражать на схеме неполностью, отображая только используемые части.
5. При выполнении принципиальных схем допускается пользоваться положени-
ями, рассмотренными в п. 4-12 для функциональных схем.
6. Каждому элементу (или устройству с самостоятельной принципиальной схемой
и рассматриваемому как элемент), входящему в изделие и изображенному на схеме,
должно присваиваться позиционное обозначение в соответствии с ГОСТ 2.721-74,
а устройствам, не имеющим самостоятельных принципиальных схем, и функцио-
нальным группам рекомендуется присваивать обозначения в соответствии с ГОСТ
2.710-81.
7. Позиционные обозначения элементам присваивают в цределах изделия.
8. Порядковые номера элементам присваивают, начиная с единицы, в пределах
группы элементов, которым на схеме присвоено одинаковое буквенное позиционное
обозначение, например: VD1, VD2, VD3 и т. д., LI, L2, L3, и т. д.
9. Порядковые номера присваивают в соответствии с последовательностью располо-
жения элементов или устройств на схеме сверху вниз в направлении слева направо.

34
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Допускается изменять последовательность присвоения порядковых номеров в зависи-
мости от размещения элементов в ЭС, направления прохождения сигналов или функ-
циональной последовательности процесса.
10. Позиционные обозначения размещают на схеме рядом с У ГО элементов и (или)
устройств с правой стороны или над ними.
11. На схеме ЭС, в состав которого входят устройства без самостоятельных прин-
ципиальных схем, допускается позиционные обозначения элементам присваивать
в пределах каждого устройства. Если в состав ЭС входит несколько одинаковых
устройств, то позиционные обозначения элементам следует присваивать в пределах
этих устройств.
12. На схеме ЭС, в составе которого есть функциональные группы, вначале присваи-
вают позиционные обозначения элементам, не входящим в функциональные группы,
и затем элементам, входящим в функциональные группы. Если в изделии содержится
нескольких одинаковых функциональных групп, то позиционные обозначения элемен-
тов, присвоенные в одной из этих групп, следует повторять во всех последующих груп-
пах. Обозначение функциональной группы, присвоенное в соответствии с ГОСТ 2.710-81,
указывают около изображения функциональной группы (сверху или справа).
13. При изображении на схеме элемента или устройства разнесенным способом по-
зиционное обозначение элемента или устройства указывают рядом с каждой состав-
ной частью, как показано на рис. 1.2.5. Если поле схемы разбито на зоны или схема
выполнена строчным способом, то справа от позиционного обозначения или под по-
зиционным обозначением каждой составной части элемента (устройства) допускается
указывать в скобках обозначения зон или номера строк, в которых изображены все
остальные составные части этого элемента (устройства) (см. рис. 1.2.6).
Рис. 1.2.5. Указание позиционных обозначений для совмещенного (а)
и разнесенного (б) способов изображения устройства
14. Раздельно изображенные части элементов допускается соединять линией ме-
ханической связи, указывающей на принадлежность их к одному элементу, при этом
позиционные обозначения элементов проставляют у одного или у обоих концов линии
механической связи.
15. При разнесенном способе изображения функциональной группы (а в случае не-
обходимости — и при совмещенном способе) в состав позиционных обозначений эле-
ментов, входящих в эту группу, должно быть включено обозначение функциональной
группы, например, ф U1-R5 — резистор R5, входящий в функциональную группу U1.
16. При однолинейном изображении около одного УГО, заменяющего несколько
У ГО одинаковых элементов, указывают позиционные обозначения всех этих элемен-
тов или устройств.

Глава 1.2. Техническая документация
35
Рис. 1.2.6. Указание позиционных обозначений при разбивке поля схемы
на зоны
17. На принципиальной схеме должны быть однозначно определены все элементы и
устройства, входящие в состав ЭС и показанные на схеме.
18. На схеме следует указывать обозначения выводов (контактов) элементов или
устройств, нанесенные на изделие или установленные в их документации. Если в
конструкции элемента (устройства) и в его документации обозначения выводов (кон-
тактов) не указаны, то допускается условно присваивать им обозначения на схеме,
повторяя их в дальнейшем в соответствующих конструкторских документах и поме-
щая на поле схемы соответствующее пояснение. При изображении на схеме несколь-
ких одинаковых элементов (устройств) обозначения выводов (контактов) допускается
указывать на одном из них. При разнесенном способе изображения одинаковых эле-
ментов (устройств) обозначения выводов (контактов) указывают на каждой составной
части элемента (устройства). Чтобы отличить на схеме обозначения выводов (контак-
тов) от других обозначений, например, цепей, допускается записывать обозначения
выводов (контактов) с квалифицирующим символом в соответствии с требованиями
ГОСТ 2.710-81.
19. При разнесенном способе изображения элемента (устройства) поясняющую над-
пись помещают около одной составной части изделия или на поле схемы около изобра-
жения элемента или устройства, выполненного совмещенным способом.
20. Рекомендуется на схеме указывать характеристики входных и выходных цепей
изделия, например: частоту, напряжение, силу тока, сопротивление, индуктивность,
и т. п., а также параметры, подлежащие измерению в контрольных точках схемы.
21. Если изделие предназначено для работы только в определенном устройстве, то
на схеме допускается указывать адреса внешних соединений входных и выходных
цепей данного изделия. Адрес должен обеспечивать однозначность присоединения.
Например, если выходной контакт изделия должен быть соединен с седьмым контак-
том четвертого соединителя устройства В, то адрес должен быть записан следующим
образом: = А - Х4 : 7.
22. Характеристики входных и выходных цепей изделия, а также адреса их
внешних подключений рекомендуется записывать в таблицы, помещаемые взамен
У ГО входных и выходных элементов — соединителей, плат и т. д., как показано на
рис. 1.2.7. Каждой таблице присваивают позиционное обозначение элемента, взамен

36
Конструирование узлов и устройств электронных средств
УГО которого она помещена. Над таблицей допускается указывать УГО контакта —
гнезда или штыря. Таблицы допускается выполнять разнесенным способом, а порядок
расположения контактов в таблице определяется удобством построения схемы.
| Конт.
1 1
2
I 3
I 4
Цепь
Д/=10...30 000Гц; Д, = 300Ом
C7M = 0,5B
tf„=+24B
Ц« = -24В
Адрес |
= A1-XS1:1 I
= A1-XS1:2
= A1-XS1:3
= A1-XS1:4 |
Рис. 1.2.7. Таблица характеристик цепей и адресов их подключений
Допускается помещать таблицы с характеристиками цепей при наличии на схеме
УГО входных и выходных элементов — соединителей, плат и т. д. (рис. 1.2.8). Ана-
логичные таблицы рекомендуется помещать на линиях, изображающих входные и
выходные цепи и не заканчивающихся на схеме соединителями, платами и т. д., при
этом позиционные обозначения таблицам не присваивают. При отсутствии характери-
стик входных и выходных цепей или адресов их внешнего присоединения в таблице не
приводят графу с этими данными. При необходимости допускается вводить в таблицу
дополнительные графы.
В графе «Конт.» указывают номер контакта соединителя. Номера контактов запи-
сывают в порядке возрастания, в графе «Адрес» — обозначение цепи и (или) позици-
онное обозначение элементов, соединенных с контактами, в графе «Цепь» дают харак-
теристику цепи, а в графе «Адрес» — адреса подключений к другим электрическим
соединителям.
| Конт.
1
2
3
4
Цепь
Д/=10...30000Гц; Дн = 300Ом
UM = 0,5 В
Um=+2* В
иш = -24В
Адрес |
= А1 -XS 1:1
= A1-XS1:2
= A1-XS1:3
= A1-XS1:4
Рис. 1.2.8. Таблица характеристик цепей и адресов подключений при наличии
на схеме УГО электрических соединителей
23. При изображении на схеме элементов, параметры которых подбирают при ре-
гулировании, около позиционных обозначений этих элементов на схеме и в перечне
элементов проставляют звездочки (например R1*), а на поле схемы помещают сноску:
«* Подбирают при регулировании».
24. На поле схемы допускается помещать указания о марках, сечениях и расцвет-
ках проводов и кабелей (многожильных проводов, электрических шнуров), которыми
должны быть выполнены соединения элементов, а также указания о специфических
требованиях к электрическому монтажу данного изделия.
В качестве примера в Приложении 3 приведен образец оформления схемы электри-
ческой принципиальной.

Глава 1.2. Техническая документация
37
Кроме рассмотренных структурных, функциональных и принципиальных схем,
при проектировании ЭС иногда возникает необходимость в разработке других типов
электрических схем:
• соединений (Э4), показывающих соединения составных частей ЭС и определяю-
щих провода, жгуты, кабели и другие соединительные изделия, а также места их
присоединения и ввода. Схемы> соединений используют как при разработке дру-
гой КД на изделие, так и при изготовлении, ремонте и эксплуатации ЭС;
• подключений (Э5), показывающих внешние подключения ЭС. Эти схемы приме-
няют при установке ЭС на месте эксплуатации и при ее ремонте;
• общих (Э6), определяющих составные части ЭС и их соединения между собой на
месте эксплуатации;
• расположений (Э7), устанавливающих взаимное расположение отдельных устройств
ЭС, а также соединяющих их жгутов, кабелей и т. д.;
• объединенных (ЭО), состоящих из схем двух или нескольких типов, выполненных
на одном конструкторском документе.
Схемы выполняются согласно ГОСТ 2.701-2008 без соблюдения масштаба на форма-
тах, установленных ГОСТ 2.301-68, с использованием условных графических обозна-
чений, установленных в стандартах ЕСКД, а также прямоугольников и упрощенных
внешних очертаний. Элементы, входящие в изделие и показанные на схеме, должны
иметь обозначения (буквенные, цифровые или буквенно-цифровые) в соответствии со
стандартами на правила выполнения конкретных видов схем и включаться в перечень
элемецтов, размещенный на первом листе схемы или выполненный в виде самостоя-
тельного документа (рис. 1.2.9). Для электронной КД перечень оформляют только от-
дельным документом.
1
1
оо
1
1
1
Поз.
обозначе-
ние
20
т
Наименование
110
185
Кол.
10
Примечание
w
Рис. 1.2.9. Форма перечня элементов по ГОСТ 2.701-2008
В графу «Поз. обозначение» заносят позиционные обозначения элементов, устройств
и функциональных групп. Графа «Наименование» служит для указания наименова-
ния элемента или устройства в соответствии с тем документом, на основании которого
этот элемент применен, и обозначения этого документа (основной конструкторский до-
кумент, государственный стандарт, отраслевой стандарт, технические условия). Графа
«Примечание» используется для размещения технических данных элемента (устрой-
ства), не содержащихся в его наименовании.
Если перечень элементов выполняют на первом листе схемы, то его располагают
над основной надписью, причем расстояние между перечнем элементов и основной
надписью должно быть не менее 12 мм.
Перечень элементов в виде самостоятельного документа оформляют на формате А4
с основной надписью по ГОСТ 2.104-2006 (формы 2 и 2а). В этом случае код перечня
элементов должен состоять из литеры «П» и кода схемы, для которой предназначен
перечень, например, для электрической принципиальной схемы код перечня элемен-
тов — ПЭЗ. При этом в основной надписи указывают наименование изделия, а также
наименование документа «Перечень элементов».

38
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В случае разбивки поля схемы на зоны перечень элементов дополняют графой
«Зона», как показано на рис. 1.2.10, указывая в ней обозначение зоны, в которой рас-
положен данный элемент.
i
1
со
1
1
1
Зона |
,8,
ч
Поз.
обозначе-
ние
20
Наименование
110
185
Кол.
10
Примечание
W
Рис. 1.2.10. Форма перечня элементов с графой «Зона»
ГОСТ 2.701-2008 устанавливает ряд правил по составлению перечня элементов.
Так, занесение элементов в перечень производится группами по алфавитному порядку
буквенных позиционных обозначений. Внутри каждой группы с одинаковыми буквен-
ными позиционными обозначениями, элементы размещают по возрастанию порядко-
вых номеров. При использовании на схеме цифровых обозначений в перечень их зано-
сят в порядке возрастания.
Допускается оставлять несколько пустых строк между отдельными группами эле-
ментов, а в случае большого числа элементов внутри групп — и между элементами для
упрощения внесения изменений.
При использовании однотипных элементов с одинаковыми параметрами, имеющих
на схеме последовательные порядковые номера, допускается заносить их в перечень
в одну строку, т. е. в графу «Поз. обозначение» записывают только позиционные обо-
значения с наименьшим и наибольшим порядковыми номерами, например: VT3, VT4,
DD8 ... DD12, а в графу «Кол.» — общее число таких элементов.
При занесении в перечень элементов с одинаковыми наименованием и буквенным
позиционным обозначением, но отличающихся техническими характеристиками и
другими данными, допускается в графе «Наименование» записывать общее наимено-
вание этих элементов, а в общем наименовании — наименование, тип и обозначение
документа, на основании которого эти элементы применены.
В случае присвоения позиционных обозначений элементам в пределах групп
устройств или при вхождении в изделие одинаковых функциональных групп эле-
менты, относящиеся к устройствам (функциональным группам), заносят в перечень
отдельно. Занесение элементов, входящих в каждое устройство или функциональную
группу, начинают с подчеркнутой записи наименования устройства (функциональной
группы) в графе «Наименование», причем ниже наименования устройства (функцио-
нальной группы) оставляют одну пустую строку, а выше — не менее одной строки.
Если в составе изделия имеются элементы, не являющиеся самостоятельными кон-
струкциями, то при внесении их в перечень графу «Наименование» не заполняют, а в
графу «Примечание» записывают поясняющую надпись или ссылку на нее на поле
схемы, как показано на рис. 1.2.11.
Следует заметить, что при внесении в перечень на отечественную элементную базу
указывают технические условия или государственные стандарты (например, стабили-
трон 2С156А СМ3.362.805ТУ), а на импортную — название производителя, например,
микросхема ADM213EARS Analog Devices и т. п.
В Приложении 4 представлен образец оформления перечня элементов для схемы
электрической принципиальной, приведенной в Приложении 3 настоящего учебного
пособия.

Глава 1.2. Техническая документация 39
Поз.
обозначение
С8
Т1
Наименование
Кол.
1
1
Примечание
Емкость монтажа
См. п. 7
Рис. 1.2.11. Фрагмент перечня с поясняющей надписью
Таким образом, схемная КД определяет все входящие в ЭС элементы и электриче-
ские связи между ними. Однако для однозначного понимания и чтения схем необхо-
димо тщательно ознакомиться с входящими в них элементами и комплектующими
изделиями, знать сферу применения и принцип работы рассматриваемого устройства,
что требует широкого использования дополнительнее информации, приводимой в
справочниках, спецификациях и в перечнях элементов.
1.2.3. Чертежи деталей
В соответствии с ГОСТ 2.101-68, деталью называют изделие, сделанное из однород-
ного по наименованию и марке материала (с покрытием или не имеющего покрытия)
без применения сборочных операций.
Чертеж детали — основной конструкторский документ, использующийся на всех
этапах технологического процесса изготовления детали и контроля ее качества.
Обычно рабочие чертежи разрабатывают на все детали, входящие в состав изделия.
Основные требования к чертежам деталей устанавливает ГОСТ 2.109-73. В соответ-
ствии с ним, рабочий чертеж детали должен содержать:
• необходимое количество изображений, дающих полное представление о форме
детали;
• размеры с предельными отклонениями, указанные согласно ГОСТ 2.307-2011 и
ГОСТ 2.318-81;
• указание допусков формы и расположения поверхностей по ГОСТ 2.308-2011;
• обозначения шероховатости поверхностей согласно ГОСТ 2.309-73 с указанием
значения параметра шероховатости по ГОСТ 2789-73;
• указания о технологических требованиях (покрытии, термообработке твердости
материала и др.) по ГОСТ 2.310-68;
• технические требования, указываемые в правой части листа над основной надпи-
сью;
• основную надпись по ГОСТ 2.104-2006, в которой наименование детали записы-
вается в именительном падеже единственного числа согласно принятой терми-
нологии, например: «Плата», «Крышка», «Кожух». Если наименование детали
состоит из нескольких слов, то на первом месте пишут существительное, а затем
относящееся к нему слово, например: «Панель лицевая». В основной надписи
приводят обозначение материала детали, его марку и номер стандарта на мате-
риал, например: Сталь 35 ГОСТ 1050-88. Если в условное обозначение материала
по стандарту входит его сокращенное наименование (Ст, СЧ, Бр, ГФ и т. п.), то
полное наименование не записывают, например, СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78.
При конструировании ЭС значительное место в общем объеме рабочих чертежей де-
талей занимают чертежи печатных плат, правила выполнения которых при бумажном

40
Конструирование узлов и устройств электронных средств
и электронном способах представления документации устанавливает ГОСТ 2.417-91.
Рассмотрим наиболее важные из них (терминология и основные понятия и определе-
ния в области конструирования печатных плат рассмотрены в главе 3.1 настоящего
учебного пособия).
1. Чертежи печатных плат всех видов конструкций должны иметь название «Плата
печатная», а чертеж гибкого печатного кабеля должен называться «Кабель печат-
ный гибкий». Следует заметить, что одной из наиболее распространенных ошибок
при оформлении чертежей является смешивание понятий «печатная плата» и «функ-
циональный узел на печатном монтаже», поэтому иногда в наименовании чертежей
встречаются, например, такие словосочетания: «Усилитель низкой частоты. Печатная
плата» или «Печатная плата усилителя». Это ошибка. Печатная плата является обыч-
ной деталью и не может выполнять функции усилителя. Электронный модуль усили-
теля образуется только после установки на плату ЭРИ и других компонентов, т. е. по-
сле выполнения сборочных операций.
2. Размеры на чертеже должны указываться одним из пяти способов:
• согласно требованиям ГОСТ 2.307-2011;
• путем нанесения координатной сетки в прямоугольной системе координат;
• путем нанесения координатной сетки в полярной системе координат;
• комбинированным способом при помощи размерных и выносных линий по ГОСТ
2.307-2011 и координатной сетки;
• в виде таблицы с координатами элементов проводящего рисунка (проводников,
контактных площадок и т. п.).
3. При нанесении размеров с помощью координатной сетки ее линии должны ну-
мероваться. Шаг нумерации определяется с учетом насыщенности, масштаба изо-
бражения и численно может быть выражен в миллиметрах или в количестве линий
сетки.
4. Разрешается выделять на чертеже отдельные линии координатной сетки, чере-
дующиеся через определенные интервалы, но при этом в технических требованиях
чертежа необходимо помещать указания наподобие: «Линии координатной сетки на-
несены через два интервала».
5. Координатную сетку в зависимости от способа выполнения документации сле-
дует наносить по одному из вариантов:
• на все поле чертежа;
• на часть поверхности печатной платы;
• рисками по периметру контура печатной платы или на некотором расстоянии от
него.
6. Шаг координатной сетки устанавливается по ГОСТ Р 51040-97.
7. За начало отсчета в прямоугольной системе координат для печатных плат пря-
моугольной формы следует принимать:
• центр крайнего левого или правого нижнего отверстия;
• левый или правый нижний угол печатной платы;
• левую или правую нижнюю точку, образованную линиями построения.
8. Для плат круглой формы за начало отсчета в прямоугольной системе координат
допускается принимать центр печатной платы или точку, образованную линиями пе-
ресечения двух касательных к окружности.
9. Координатную сетку в полярной системе координат применяют для разработки
чертежей таких печатных плат, у которых наблюдается определенная последователь-
ность расположения повторяющихся печатных проводников с радиальной ориента-
цией, при этом шаг координатной сетки задают по углу и диаметру и назначают в за-
висимости от расположения элементов печатных плат.

Глава 1.2. Техническая документация
41
10. Если размеры и конфигурация проводящего рисунка оговорены в технических
требованиях чертежа, то элементы проводящего рисунка допускается изображать
условно.
11. Свободные от проводников и контактных площадок участки печатной платы,
на чертеже необходимо обводить штрих-пунктирной утолщенной линией, а размеры
участков определяются по координатной сетке или наносятся на чертеж.
12. Для нанесения размеров, обозначений шероховатости поверхности и т. п. до-
пускается приводить на чертеже дополнительный вид, на котором рисунок печатной
платы следует изображать частично или не изображать вовсе. При этом над таким ви-
дом должна размещаться поясняющая надпись, например: «Печатные проводники не
показаны».
13. Круглые контактные площадки с отверстиями, в том числе имеющими зен-
ковку, и контактные площадки произвольной формы, размеры которых не указаны,
изображают на чертеже одной окружностью. Допускается на чертеже условно изобра-
жать контактные площадки, в зависимости от их размеров, в виде квадрата, прямоу-
гольника, многоугольника и т. п. Размеры и форму контактных площадок обязательно
указывают в технических требованиях чертежа.
14. Отверстия с близкими диаметрами изображают окружностью одного диаметра с
обязательным указанием условного знака в соответствии с ГОСТ 2.307-2011.
15. Параметры отверстия — диаметр, условный знак, диаметр контактной площадки,
наличие металлизации и число таких отверстий необходимо объединять в таблицу.
16. Проводники на чертеже должны обозначаться одной линией, являющейся осью
симметрии проводника. На чертеже следует указывать числовое значение ширины
проводника.
17. Отдельные элементы проводящего рисунка печатной платы, например: прово-
дники, экраны и пр. допускается выделять на чертеже штриховкой, зачернением или
другими способами.
18. На изображении печатной платы можно наносить надписи, знаки и т. п., кото-
рые отсутствуют на самих изделиях, о чем должна извещать соответствующая запись в
технических требованиях чертежа. В местах нанесения надписей разрешается коорди-
натную сетку не наносить.
19. На чертеже печатной платы может частично отсутствовать информация об от-
дельных ее элементах, при этом в технических требованиях чертежа должна присут-
ствовать ссылка на содержащий отсутствующую информацию документ.
20. Маркировочные символы располагают на свободном месте печатной платы.
Более полно вопросы конструирования печатных плат рассмотрены в главах 3.1-3.3
учебного пособия. В качестве примера в Приложении 5 представлен образец оформле-
ния чертежа печатной платы.
1.2.4. Сборочные чертежи
Сборочный чертеж предназначен для обеспечения сборки и контроля сборочной
единицы. Число сборочных чертежей должно быть оптимальным для рациональной
организации производства изделий.
Основные правила к выполнению сборочных чертежей устанавливает ГОСТ
2.109-73, согласно которому сборочный чертеж должен содержать:
• изображение сборочной единицы, отражающее взаимное расположение и связи
ее составных частей для обеспечения сборки и контроля;
• размеры, предельные отклонения и другие параметры и требования, которые не-
обходимо выполнить или проконтролировать по данному чертежу;

42
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• указания о характере и методах осуществления сопряжения, если точность со-
пряжения обеспечивается не заданными значениями допусков размеров, а подбо-
ром, подгонкой и т. п.;
• указания о выполнении неразъемных соединений (сварных, клеевых, паяных
и др.);
• номера позиций составных частей;
• габаритные, установочные, присоединительные и другие размеры с нанесением
координат расположения, размеров с предельными отклонениями элементов,
служащих для соединения с сопрягаемыми изделиями и других необходимых па-
раметров.
Иногда на сборочных чертежах указывают координаты центра масс, а также техни-
ческую характеристику изделия.
Необходимо отметить, что сборочные чертежи выполняют, как правило, с упроще-
ниями в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД. Так, на сборочных чертежах
допускается не показывать:
• различные мелкие элементы, например: фаски, скругления, проточки, углубле-
ния, насечки, зазоры между стержнем и отверстием и др.;
• крышки, кожухи, перегородки и т. п., если требуется показать закрытые ими ча-
сти изделия, при этом над изображением делают поясняющую надпись, напри-
мер: «Кожух поз. 5 не показан»;
• видимые части изделий, расположенные за сеткой или частично закрытые впе-
реди расположенными составными частями;
• надписи на табличках, шкалах и других подобных деталях, изображая только их
контур.
На сборочных чертежах изделия, выполненные из прозрачного материала, изобра-
жают как непрозрачные, однако допускается составные части изделий, расположен-
ные за прозрачными предметами, изображать как видимые, например: шкалы стре-
лочных приборов, внутреннее устройство индикаторных ламп и т. п.
Все составные части сборочной единицы на сборочных чертежах нумеруют в со-
ответствии с номерами позиций, указанными в спецификации на эту сборочную еди-
ницу, причем позиционные номера наносят на полки линий-выносок, проводимых от
изображений составных частей.
Основную надпись оформляют по ГОСТ 2.104-2006 (форма 1). Под наименова-
нием изделия записывают «Сборочный чертеж», а к обозначению изделия добавляют
шифр СБ. Например, наименование чертежа «Усилитель. Сборочный чертеж», а его
обозначение ХХХХ.ХХХХХХ.ХХХ. СБ.
В составе сборочного чертежа обязательно присутствует спецификация, содержа-
щая перечень всех составных частей, входящих в данное изделие, а также конструк-
торские документы, относящиеся к нему и его составным частям. Форму и порядок
заполнения спецификации устанавливает ГОСТ 2.106-96. На рис. 1.2.12 приведен
фрагмент формы спецификации.
1
1
оо
1
1
1
Формат]
6
т
Зона |
6
Поз. |
8
Обозначение
7.0
185
Наименование
63
Кол.
10
Приме-
чание
22
»|
Рис. 1.2.12. Фрагмент формы спецификации

Глава 1.2. Техническая документация
43
В общем случае, спецификация состоит из разделов, расположенных в следующей
последовательности:
• документация (основной комплект КД на специфицируемое изделие);
• комплексы;
• сборочные единицы;
• детали;
• стандартные изделия (примененные в соответствии с требованиями различных
стандартов);
• прочие изделия (примененные по техническим условиям);
• материалы (все материалы, входящие в изделие, например: лакоткань, нитки,
провода);
• комплекты (сменных и запасных частей, инструмента, упаковки и пр.).
Наличие того или иного раздела определяется составом изделия, для кото-
рого разрабатывается спецификация. Наименование каждого раздела указывают
в виде подчеркнутого заголовка в графе «Наименование». Заполнение каждого
из разделов производится в соответствии с требованиями, изложенными в ГОСТ
2.106-96.
В разделе «Документация» записывают вначале документы на специфицируемое
изделие, а затем — на неспецифицируемые составные части. Запись указанных доку-
ментов проводят в алфавитном порядке кодов организаций-разработчиков, а в преде-
лах этих кодов — в порядке возрастания классификационной характеристики (в слу-
чае одинаковой классификационной характеристики — по возрастанию порядкового
номера регистрации).
В разделы «Комплексы», «Сборочные единицы» и «Детали» записывают ком-
плексы, сборочные единицы и детали, непосредственно входящие в изделие. Запись
указанных изделий проводят аналогично разделу «Документация».
В раздел «Стандартные изделия» вносят изделия, примененные по межгосудар-
ственным, государственным, отраслевым стандартам и стандартам предприятий. Вну-
три каждой группы стандартов запись проводят по группам изделий, объединенных
по функциональному назначению, а в пределах каждой группы — в алфавитном по-
рядке наименований изделий, в пределах каждого наименования — по возрастанию
обозначений стандартов, а в пределах каждого обозначения стандарта — по возраста-
нию основных размеров или параметров изделия.
В разделе «Прочие изделия» запись изделий производят по группам, объединен-
ным по функциональному назначению, внутри каждой группы — в алфавитном по-
рядке наименований изделий, а в пределах каждого наименования — по возрастанию
основных параметров или размеров изделия.
В раздел «Материалы» все входящие в специфицируемое изделие материалы зано-
сят по видам в следующем порядке:
• металлы черные;
• металлы магнитоэлектрические и ферромагнитные;
• металлы цветные, благородные и редкие;
• кабели, провода и шнуры;
• пластмассы и пресс-материалы;
• бумажные и текстильные материалы;
• лесоматериалы;
• резиновые и кожевенные материалы;
• минеральные, керамические и стеклянные материалы;
• лаки, краски, нефтепродукты и химикаты;
• прочие материалы.

44
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В пределах каждого вида наименования материалы записывают в алфавитном по-
рядке, а в рамках каждого наименования — по возрастанию размеров или других тех-
нических параметров.
В данный раздел не записывают материалы, необходимое количество которых уста-
навливается технологом, например: лаки, краски, клей, смазки, припои. Сведения об
использовании таких материалов дают в технических требованиях на поле чертежа.
В раздел «Комплекты» вносят ведомости эксплуатационных и ремонтных докумен-
тов, комплекты монтажных, сменных и запасных частей, комплекты инструментов и
принадлежностей, комплекты укладочных средств и прочие комплекты, а также упа-
ковку, причем одноименные комплекты записывают в порядке возрастания обозна-
чений.
Спецификой проектирования ЭС является наличие в составе КД сборочных черте-
жей функциональных узлов на печатном монтаже, дающих полное представление о
форме, расположении и установке ЭРИ и других деталей. На чертеж наносят размеры
согласно общим правилам, а при необходимости указывают расстояния навесных эле-
ментов над платой. В соответствии с электрической принципиальной схемой на чер-
теже должны быть показаны упрощенные изображения ЭРИ и их позиционные обо-
значения, нумерация и обозначения выводов, полярность элементов и др.
В технических требованиях представляют, в частности, информацию о размерах
для справок, применяемых клеях, припоях, флюсах, покрытиях, варианте установки
изделий электронной техники по ГОСТ 29137-91 (ОСТ45.010.030-92), клеймении, мар-
кировке и другие необходимые сведения.
1.2.5. Электронная конструкторская документация
В связи с широким внедрением информационных технологий на всех этапах про-
ектирования и производства ЭС появилась потребность представления КД в безбумаж-
ной форме, т. е. в виде электронного конструкторского документа (ЭКД).
Согласно ГОСТ 2.051-2006, определяющему общие положения электронного доку-
ментооборота, ЭКД получают в результате выполнения автоматизированного проек-
тирования изделий в двух представлениях — внутреннем и внешнем. Во внутреннем
виде ЭКД существует только в виде записи информации на электронном носителе и
воспринимаемом программно-аппаратными средствами. Внешнее представление по-
лучают путем преобразования внутреннего представления ЭКД различными техниче-
скими средствами вывода информации (дисплеями, принтерами, плоттерами и др.) к
доступной для визуального восприятия форме.
Любой ЭКД состоит из содержательной и реквизитной частей. Содержательная часть
включает в себя всю необходимую информацию об изделии и может состоять как раз-
дельно, так и в любом сочетании из текстовой, графической, мультимедийной инфор-
мации. Реквизитная часть состоит из структурированного по назначению набора рекви-
зитов и их значений. В реквизитную часть ЭКД допускается вводить дополнительные
реквизиты с учетом особенностей применения и обращения ЭКД. Номенклатуру до-
полнительных реквизитов и правила выполнения и отображения в визуальной форме
определяет разработчик. Следует заметить, что все реквизиты ЭКД, значением которых
служит подпись, выполняют в виде электронной цифровой подписи (ЭЦП) по ГОСТ Р
34.10-2001. При обращении ЭКД должна быть обеспечена возможность проверки ЭЦП
всеми участниками обращения документа. Подтверждение подлинности и целостности
ЭКД обеспечивается соответствующими программно-техническими средствами.
Среди ЭКД выделяют простые, составные и агрегированные, в зависимости от со-
става и способа организации содержательной части. Простой ЭКД реализует содержа-

Глава 1.2. Техническая документация
45
тельную часть в виде одной информационной единицы (ИЕ). В составном ЭКД содер-
жательная часть образована несколькими ИЕ, связанными друг с другом ссылками,
а в агрегированном ЭКД содержательная часть состоит из нескольких ИЕ, информаци-
онно связанных друг с другом. На рис. 1.2.13 показаны примеры организации данных
в электронных конструкторских документах.
Виды и наименования ЭКД в зависимости от способа их выполнения и характера
использования присваиваются в соответствии с ГОСТ 2.102-68 аналогично традици-
онной КД, однако для ЭКД добавляется дополнительный код, который указывается
в реквизитной части документа. Так, электронной структуре изделия присваивается
код «ЭС», всем чертежам в виде электронной модели изделия (детали и сборочные еди-
ницы) соответствует код «3D», чертежам и схемам в электронной форме — код «2D»,
а всем текстовым документам в электронной форме добавляется код «ТЭ».
В случае совместного использования чертежа и электронной модели изделия чер-
тежу присваивается код документа по ГОСТ 2.102-68, а электронной модели изделия
(детали или сборочной единице) присваивается соответственно код «МД» или «МС».
Например, схема электрическая принципиальная, оформленная в виде ЭКД, будет
иметь обозначение XXXX.XXXXXX.XXX.93-2D, а пояснительная записка — ХХХХ.
хххххх.ххх.пз-тэ.
Простой ЭКД
Реквизитная часть
Содержательная часть
Составной ЭКД
Реквизитная часть
Содержательная часть
[ Содержательная часть 1 1
Г —
[ Содержательная часть 2 J
[ Содержательная часть N )
Агрегированный ЭКД
Реквизитная
часть 1
Содержательная
часть 1
Реквизитная часть
l
Содержательная часть
Реквизитная
часть 2
Содержательная
часть 2
Реквизитная
часть N
Содержательная
часть М
Рис. 1.2.13. Примеры организации данных в ЭКД

46
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При выпуске ЭКД реквизитную часть часто оформляют в виде информационно-
удостоверяющего листа (ИУЛ). ИУЛ используют для сопровождения выпуска одного
или нескольких документов, а также комплекта документов. Если ИУЛ выпускают
на один электронный документ, то ему присваивают обозначение ЭКД на это изделие
с добавлением кода УЛ. Если ИУЛ выпускают на комплект документов, записанных
в спецификацию, ведомость технического предложения или ведомость технического
(эскизного) проектов, то ему присваивают обозначение спецификации или соответ-
ствующей ведомости с добавлением через дефис кода У Л (например, ХХХХ.ХХХХХХ.
ХХХ.УЛ; ХХХХ.ХХХХХХ.ХХХ.ТП-УЛ).
ИУЛ рекомендуется выполнять согласно ГОСТ 2.301-68 по форме 1 на листах фор-
мата А4, А5, общие требования к выполнению по ГОСТ 2.004-88. Рекомендуемая
форма ИУЛ приведена на рис. 1.2.14.
Гг
Номер
п/п
(1)
Обозначение КД/Версия
(2)
Цель (причина выпуска)
(6)
Разработал
Проверил
(11)
Н.контроль
Утвердил
Наименование КД,
вид документа
(3)
Дата
(7)
(12)
(4)
Действует с
(8)
(13)
Примечание
(5)
(9)
(Ю)
(14.)
(15)
(16)
Лист
(17)
Листов I
(18) I
Рис. 1.2.14. Форма информационно-удостоверяющего листа
Графы ИУЛ должны содержать следующую информацию:
• графа 1 — порядковый номер ЭКД, выпуск которого оформляется данным ИУЛ.
Цри выпуске ИУЛ на один ЭКД графа не заполняется;
• графа 2 — обозначение и номер версии ЭКД, выпуск которых оформляется дан-
ным ИУЛ;
• графа 3 — наименование и вид документа, которому присвоен код по ГОСТ
2.102-68, ГОСТ 2.601-2006, ГОСТ 2.602-95, ГОСТ 2.701-2008;
• графа 4 зарезервирована для использования при необходимости разработчиком;
• графа 5 — примечание (дополнительные данные о документе — наименование
файла документа; обозначение первичного документа и т. д.);
• графа 6 содержит причину (цель) выпуска документа;
• графа 7 — дату, с которой вводится в действие данная версия документа;
• графа 8 — документ, служащий основанием для ввода в действие данной версии
ЭКД. Графу не заполняют для документов, имеющих только одну версию;
• графы 9,10 зарезервированы для использования при необходимости разработчиком;

Глава 1.2. Техническая документация
47
• графа 11 — сведения о характере работы, выполняемой лицом, подписывающим
документ, в соответствии с ГОСТ 2.104-2006. Свободную строку заполняют по
усмотрению разработчика, например: «Т. контроль»;
• графа 12 — фамилии лиц, подписавших документ;
• графа 13 — подписи лиц, фамилии которых указаны в графе 11. В случае недоста-
точности количества строк допускается использовать для размещения согласую-
щих подписей свободное поле для подшивки ИУЛ или увеличивать количество
строк блока граф 11-14;
• графа 14 — дата подписания документа лицами, фамилии которых указаны в
графе 11;
• графе 15 — обозначение ИУЛ;
• графа 16 содержит собственное наименование ИУЛ («информационно-удостове-
ряющий лист»). Допускается собственное наименование не заполнять и использо-
вать графу как резерв для внесения необходимой информации;
• графа 17 — порядковый номер листа ИУЛ;
• графа 18 — общее количество листов ИУЛ. Если ИУЛ выпускается на одном
листе, то данную графу допускается не заполнять.
После оформления ИУЛ включают в комплект подлинников документов, и его учет
и хранение осуществляют по правилам, установленным для конструкторской доку-
ментации.
1.2.6. Обозначение конструкторских документов в соответствии
с классификатором ЕСКД
Классификатор единой системы конструкторской документации представляет со-
бой систематизированный свод наименований классификационных характеристик
изделий (деталей, сборочных единиц, комплектов, комплексов) основного и вспомога-
тельного производства всех отраслей промышленности, на которые разрабатывается
конструкторская документация, а также общетехнических документов (норм, правил,
требований, методов и т. п.) на изделия [10].
Классификатор ЕСКД состоит из следующих документов.
1. Введение.
2. Классы классификатора ЕСКД (49 классов).
3. Алфавитно-предметный указатель классов деталей (классы 71-76).
4. Термины, принятые в классах деталей (классы 71-76).
5. Иллюстрированный определитель деталей (классы 71-76).
Классификатор содержит 100 классов. Все виды изделий размещены в 49 классах,
остальные классы зарезервированы для размещения новых видов изделий в установ-
ленном порядке.
Классификационная характеристика является основной частью обозначения из-
делия и его конструкторского документа, устанавливаемая ГОСТ 2.201-80. Полное
обозначение основного конструкторского документа состоит из кода организации-
разработчика (четыре знака), кода классификационной характеристики (шесть зна-
ков) и кода порядкового регистрационного номера (три знака), т. е. ХХХХ.ХХХХХХ.
XXX.
Код классификационной характеристики изделия назначается по классифика-
тору ЕСКД и представляет собой шестизначное число, последовательно обозначающее
класс, подкласс, группу, подгруппу и вид изделия. Структура кода представлена на
рис. 1.2.15.

48
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Класс
Подкласс
Группа
Подгруппа
XX )
,Т
( )
( >
Вид
Рис. 1.2.15. Структура кода классификационной характеристики
Классификатор построен по иерархическому десятичному методу. Для каждого
класса составлен алфавитно-предметный указатель (АПУ) изделий, а для классов де-
талей — общий. В АПУ даны в алфавитном порядке наименование изделий, размещен-
ных в классах, и их коды. АПУ служит для ускорения поиска изделий по их наимено-
ваниям в соответствующих классах и состоит также из шестизначного обозначения,
например:
• амортизаторы 753691-753695
• аноды 757372
• винты крепежные 758100
• волноводы 757810, 757820 и т. д.
Каждый класс делится на 10 подклассов (от 0 до 9), каждый подкласс — на 10 групп
(от 0 до 9), каждая группа — на 10 видов (от 0 до 9). Для классификации изделий ис-
пользованы группировки с 1 до 9.
Для классификации изделий в классах использованы следующие признаки:
• функциональный — основная функция, выполняемая изделием;
• конструктивный — конструктивные особенности изделия;
• принципа действия (физический, физико-химический процесс, на основе кото-
рого действует изделие);
• метрический — величины и степени точности таких параметров изделия, как
основные размеры, мощность, напряжение, сила тока , частота и пр.;
• геометрической формы изделия;
• наименования изделия.
На первом уровне классификации сборочных единиц, комплектов, комплексов ис-
пользован функциональный признак. В пяти классах деталей (71-75) на первом уровне
классификации применен признак геометрической формы, который является для дан-
ных деталей наиболее объективным и стабильным.
Последовательность нахождения кода классификационной характеристики со-
стоит из следующих основных этапов.
1. Пользуясь сеткой классов и подклассов, помещенной во введении к классифика-
тору, находим искомый класс — первые две цифры кода — по наименованию изделия.
Если во введении наименование изделия не указано, то для нахождения класса сле-
дует пользоваться функциональным признаком (для сборочных единиц, комплектов,
комплексов) или признаком геометрической формы (для деталей).
2. По алфавитно-предметному указателю найденного класса изделий отыскиваем
посредством сопоставления признаков классификации остальные части кода — под-
класс, группа, подгруппа, вид.

Глава 1.2. Техническая документация
49
Например, при разработке ЭМО требуется найти код классификационной характе-
ристики для квадратурного детектора частотно-модулированного сигнала.
В сетке классов и подклассов нет наименования «квадратурный детектор», поэ-
тому используя функциональный признак — «многофункциональная микросборка»,
находим по сетке классов и подклассов класс 430000 «Микросхемы. Приборы полу-
проводниковые, электровакуумные, пьезоэлектрические, квантовой электроники.
Резисторы. Соединители. Преобразователи электроэнергии. Средства вторичного
электропитания. Модули СВЧ». Здесь же определяем подкласс 431000 «Микросхемы
интегральные». Затем в книге классификатора — класс 43 — находим данный под-
класс 431000, а далее — группу, подгруппу и вид: группа 431300 «Формирователи,
преобразователи сигналов, модуляторы, детекторы и др.», подгруппа 431360 «Много-
функциональные», вид 431368 — комбинированные.
Следовательно, код классификационной характеристики ЭМО — 431368, а полное
обозначение, например, схемы электрической принципиальной изделия будет ХХХХ.
431368.ХХХЭЗ.
Рассмотрим другой пример. Пусть для разрабатываемого ЭС требуется спроекти-
ровать однофазный трансформатор питания мощностью 150 Вт, рассчитанный на ча-
стоту питающей сети 50 Гц.
В сетке классов и подклассов находим класс 670000 «Трансформаторы. Конден-
саторы. Аппараты электрические высоковольтные, устройства комплектные высо-
ковольтные (на напряжение св. 1000 В). Источники света. Приборы и комплексы
световые. Электромагниты». Далее определяем подкласс 671000 «Трансформаторы,
реакторы (дроссели), усилители магнитные, стабилизаторы электромагнитные ма-
лой мощности (до 5 кВА)». Затем находим группу 671100 «Трансформаторы питания,
сигнальные», подгруппу 671110 «Трансформаторы и автотрансформаторы питания
однофазные на частоту до 50 Гц» и вид 671112 «Нерегулируемые мощностью св. 0,1 до
0,2 кВА».
В этом случае полное обозначение, например, сборочного чертежа данного ЭМО бу-
дет ХХХХ. 671112.ХХХ СБ.
Рассмотрим третий пример. Требуется найти код классификационной характери-
стики промышленного ионизационного газоанализатора.
В сетке классов и подклассов так же, как и в первом примере, нет наименования
«Газоанализатор», поэтому используя функциональный признак — «средство опреде-
ления состава воздуха» — находим по сетке классов и подклассов класс 41 0000 «Сред-
ства измерений электрических и магнитных величин, ионизирующих излучений,
средства интроскопии, определения состава и физико-химических свойств веществ».
Здесь же определяем подкласс 413 000 «Средства определения состава и свойств га-
зов». Затем в книге классификатора — класс 41 — находим данный подкласс 413000,
а далее — группу, подгруппу и вид: группа 413400 «Анализаторы и преобразователи
состава и свойств газов электрохимические и ионизационные», подгруппа 413440
«Анализаторы ионизационные», вид 413444 — радиоизотопные по сечениям иони-
зации.
Следовательно, код классификационной характеристики будет 413444, а полное
обозначение, например, схемы электрической структурной изделия будет ХХХХ.
413444.ХХХЭ1.
1.2.7. Единая система технологической документации
Разработка технологических процессов производства ЭС занимает существенное
место в общем цикле проектных работ. Разработка конструкции ЭС тесно связана

50
Конструирование узлов и устройств электронных средств
с технологическими требованиями и ограничениями. Например, обоснование выбора
типа конструкции и класса точности печатной платы связано, в том числе, с возмож-
ностями технологического оборудования конкретного предприятия, на котором эта
печатная плата будет изготавливаться. Специалист, занимающийся конструирова-
нием электронных средств, должен знать современные технологические процессы из-
готовления ЭС, иметь представление о новейших и перспективных технологических
методах, разбираться в технологическом оборудовании, приспособлениях и оснастке
и иметь навык работы с технологической документацией, сопровождающей все этапы
изготовления изделия. Поэтому, несмотря на то, что задачи технологии изготовле-
ния ЭС в целом выходят за рамки рассмотрения в настоящем учебном пособии, будем
уделять внимание там, где это необходимо, отдельным технологическим аспектам,
тесно связанным с решением конструкторских задач.
Технологическая документация является базовой основой для организации про-
цесса выпуска изделий и прочно связана с конструкторской. Поэтому часто документы
технологов и конструкторов рассматривают как единое целое и объединяют в катего-
рию конструкторско-технологической документации.
Государственные стандарты, входящие в единую систему технологической доку-
ментации (ЕСТД), устанавливают взаимосвязанные правила и положения по разра-
ботке, оформлению и обращению технологической документации, применяемой на
предприятиях всех отраслей промышленности страны при изготовлении, контроле,
приемке, ремонте и модернизации изделий [11-13].
Технологическую документацию (ТД) составляют текстовые и графические доку-
менты в отдельности или в совокупности определяющие порядок изготовления изде-
лия, проведения процессов и содержащие необходимые данные для контроля и при-
емки изделий и могут быть выполнены в бумажной или электронной форме.
Состав и классификацию стандартов ЕСКД устанавливает ГОСТ 3.1001-2011
(табл. 1.2.2). Стандартам ЕСТД присваиваются обозначения на основе классифика-
ционного принципа в соответствии с ГОСТ 1.0-92. Номер стандарта составляется из
цифры, присвоенной классу стандартов ЕСТД (3), одной цифры после точки, обознача-
ющей подкласс, одной цифры, соответствующей классификационной группе стандар-
тов, числа, определяющего порядковый номер стандарта в данной группе, и двузнач-
ной цифры (после тире), указывающей год регистрации стандарта.
Таблица 1.2.2
Классификационные группы стандартов в ЕСТД
Номер группы
1
0
1
2
3
4
5
Наименование группы стандартов
2
Общие положения
Общие требования к документам
Классификация и обозначение ТД
Общие требования к документам на машинных носителях
Основное производство. Формы технологических документов и правила
их оформления на процессы, специализированные по методам изготовле-
ния или ремонта изделий
Основное производство. Формы технологических документов на испыта-
ния и контроль и правила их оформления

Глава 1.2. Техническая документация
51
Окончание табл. 1.2.2
Номер группы
1
6
7
8
9
Наименование группы стандартов
2
Вспомогательное производство. Формы технологических документов
и правила их оформления
Правила заполнения технологических документов
Прочие
Информационная база
Например, обозначение стандарта «ЕСТД. Правила оформления документов на
процессы (операции) изготовления печатных плат» имеет вид: ГОСТ 3.1428-91, то есть
ГОСТ — категория нормативно-технического документа (государственный стандарт),
3 — класс (стандарты ЕСТД), 1 — изделие машино- или приборостроения, 4 — класси-
фикационная группа стандартов (см. табл. 1.2.2), 28 — порядковый номер стандарта в
группе, 77 — год регистрации стандарта.
Виды и правила разработки ТД определяются производством, на котором будут из-
готовляться или ремонтироваться изделия и их составные части. Обычно производства
классифицируют по назначению, типу, организации, уровню автоматизации и меха-
низации и виду.
В соответствии с ГОСТ 14.004-83 по назначению выделяют основное, вспомогатель-
ное и опытное производства. Основное производство занимается выпуском товарной
продукции, вспомогательное — производством средств, необходимых для обеспече-
ния функционирования основного производства. Опытное производство выпускает об-
разцы, партии и серии изделий при проведении опытно-конструкторских работ.
По типу производства разделяются на единичное, серийное и массовое. Единичное
производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковой продукции, повтор-
ный выпуск и ремонт которой, как правило, не предусматривается. Серийное производ-
ство выпускает и ремонтирует изделия периодически повторяющимися партиями. Мас-
совое производство характеризуется большим объемом выпуска изделий, непрерывно
изготовляемых или ремонтируемых в течение длительного периода времени.
По организации производства разделяют на поточное, групповое и установившееся.
Поточное производство характеризуется расположением средств технологического
оснащения в последовательности выполнения операций технологического процесса и
определенным интервалом выпуска изделий. Поточное производство характерно для
предприятий массового и крупносерийного типа производства. Групповое производ-
ство осуществляет совместное изготовление или ремонт групп изделий с разными кон-
структивными, но общими технологическими признаками. Групповое производство
свойственно предприятиям единичного, мелкосерийного и среднесерийного типа про-
изводства. Установившееся производство занимается выпуском изделий по оконча-
тельно отработанной конструкторской и технологической документации и характерно
для крупносерийного и массового типа производства.
По уровню применяемых средств автоматизации и механизации производства раз-
деляют на автоматизированные и механизированные. К автоматизированным произ-
водствам относят предприятия, в которых выполнение всех операций, связанных с
технической подготовкой и управлением производства, комплексно автоматизиро-
вано. В автоматизированном производстве ручной труд персонала не используется.

52
Конструирование узлов и устройств электронных средств
К механизированным производствам относятся предприятия, в которых механизации
подвергнуты все процессы, связанные с ранее применяемым ручным трудом, вред-
ными для здоровья или опасными для жизни человека работами.
Последняя ступень классификации разделяет производства по виду, т. е. по приме-
няемым методам изготовления (ремонта) изделия и его составных частей. К наиболее
распространенным видам производства относят литейное, прессовое, механообрабаты-
вающее, термическое, сборочное, сварочное, гальваническое, лакокрасочное и др.
Стадии разработки ТД определяются этапами разработки КД на изделие. На кон-
структорском этапе «Техническое предложение» ТД не разрабатывается, на конструк-
торских этапах «Эскизный проект» и «Технический проект» ТД разрабатывается как
«Предварительный проект». В отдельных отраслях промышленности существует
«Директивная технологическая документация», предназначенная не для изготовле-
ния, а для выполнения предварительных расчетов различного рода задач (инженерно-
технических, планово-экономических, организационных) в целях определения воз-
можности размещения соответствующего заказа на том или ином предприятии.
Так как объем ТД при производстве изделий достаточно велик, все виды техноло-
гических документов классифицируют по назначению, носителю информации, виду
вносимой информации, по принципу построения и специализации. Основные техноло-
гические документы содержат сведения:
• о комплектующих составных частях изделия и применяемых материалах;
• о действиях, совершаемых исполнителями в ходе проведения технологических
процессов и операций;
• о средствах технологической оснастки производства;
• о наладке средств технологической оснастки и применяемых данных по техноло-
гическим режимам;
• о расчете трудозатрат, материалов и средств технологического оснащения;
• о технологическом маршруте изготовления и ремонта;
• о требованиях к рабочим местам, производственной экологии и т. п.
Основные технологические документы используют, как правило, на рабочих ме-
стах. Вспомогательные технологические документы разрабатывают с целью улучше-
ния и оптимизации организации работ по технологической подготовке производства.
Производные технологические документы применяют для решения задач, связанных
с нормированием трудозатрат, выдачей и сдачей материалов, полуфабрикатов и ком-
плектующих изделий.
Различают следующие виды технологических документов:
• ведомость технологических маршрутов (ВТМ) — включает в себя сводную информа-
цию по технологическому маршруту изготовления изделия и его составных частей;
• ведомость материалов (ВМ) — содержит сводные нормы расхода основных и вспо-
могательных материалов на изделие;
• ведомость специфицированных норм расхода материалов (ВСН) — объединяет
сводные данные по специфицированным нормам расхода материалов на изделие;
• ведомость удельных норм расхода материалов (ВУН) — содержит удельные нормы
расхода материалов, применяемых при выполнении процессов на покрытия;
• ведомость применяемости деталей (сборочных единиц) в изделии (ВП) — содер-
жит указания о применяемости деталей (сборочных единиц) в изделии;
• ведомость применяемости стандартных, покупных, оригинальных деталей и сбо-
рочных единиц (ВП/СОП) — содержит указания о применяемости стандартных,
покупных и оригинальных деталей (сборочных единиц) в изделии;
• ведомость сборки изделия (ВП/ВСИ) — определяет порядок сборки изделия с уче-
том очередности входимости составных частей и их количества;

Глава 1.2. Техническая документация
53
• технологическая ведомость (ТВ) содержит указания по группированию деталей
и сборочных единиц по конструкторско-технологическим или технологическим
признакам;
• ведомость технологических документов (ВТД) — включает в себя полный состав
технологических документов, применяемых при изготовлении изделия;'
• ведомость держателей подлинников (ВДП) — заменяет документ ВТД при пере-
даче подлинников технологических документов на микрофильмирование;
• ведомость оснастки (ВО) — содержит полный состав технологической оснастки,
применяемой при изготовлении (ремонте) изделия;
• ведомость оборудования (ВОБ) — указывает полный состав оборудования, приме-
няемого при изготовлении (ремонте) изделия;
• ведомость дефектации (ВД) — содержит сведения об установленных дефектах из-
делия или его составной части с целью определения объема и последовательности
ремонтных (восстановительных) работ;
• карта эскизов (КЭ) — включает в себя дополнительную графическую информа-
цию в виде эскизов, схем и таблиц к текстовым документам;
• технологическая инструкция (ТИ) — содержит описание часто повторяющихся
приемов работы, действий по наладке и настройке средств технологического осна-
щения, приготовлению растворов, электролитов, смесей и др., а также отдельных
типовых и групповых технологических процессов (операций);
• титульный лист (ТЛ) — первый лист для оформления комплектов технологиче-
ских документов;
• маршрутная карта (МК) — включает в себя сводные данные по составу применяе-
мых операций, оборудования, технологических документов и по трудозатратам
на технологический процесс;
• карта технологического процесса (КТП) — замецяет МК и содержит комплексное
указание всей необходимой информации, применяемой при разработке техноло-
гических процессов с описанием операций;
• карта типового (группового) технологического процесса (КТТП) — включает в
себя постоянную информацию для группы деталей (сборочных единиц, изделий)
при разработке типовых (групповых) технологических процессов;
• ведомость деталей к типовому (групповому) технологическому процессу (опера-
ции) (ВТП или ВТО) — содержит переменную информацию о группе деталей (сбо-
рочных единиц, изделий) с записью соответствующих данных по каждому их обо-
значению в порядке расположения, к типовому (групповому) технологическому
процессу или операции;
• карта типовой операции (КТО) — содержит информацию о группе деталей (сбо-
рочных единиц, изделий), изготовляемых или ремонтируемых по типовой (груп-
повой) операции и предусматривает операционное описание;
• карта технологической информации (КТИ) — включает в себя дополнительную
специфическую информацию о выполнении технологического процесса с ука-
занием необходимых сведений по наладке, настройке средств технологического
оснащения, технологических режимах для основного документа (например,
маршрутной или операционной карты);
• комплектовочная карта (КК) — содержит сводные данные о составе комплектующих
частей изделия, основных и вспомогательных материалах и нормах их расхода;
• операционная карта (ОК) — включает в себя описание единичных технологиче-
ских операций;
• карта наладки (КН) — содержит сведения о наладке инструмента или специаль-
ного оборудования;

54
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• ведомость операций (ВОП) — содержит описания отдельных операций конкрет-
ного процесса, специализированных по одному технологическому методу для
удобства использования на рабочих местах;
• ведомость стержней (ВСТ) — включает в себя специфическую информацию по
процессу изготовления стержней групповым или типовым методом;
• карта расчета и кодирования информации (КРИ) — содержит неавтоматизиро-
ванный расчет кодирования программ для станков с ЧПУ;
• карта кодирования информации (ККИ) — предназначена для кодирования ин-
формации при разработке программ для станков с ЧПУ;
• карта заказа на разработку управляющей программы (КЗ/П) — содержит инфор-
мацию о заказе на разработку управляющей программы для станков с ЧПУ;
• технико-нормировочная карта (ТНК) — содержит расчет трудозатрат на опера-
цию;
• карта заказа на проектирование и изготовление технологической оснастки (КЗ) —
содержит сведения о заказе на проектирование и изготовлению технологической
оснастки;
• акт внедрения технологического процесса и (или) оснастки (АВТП) — содержит
данные по внедрению технологического процесса или оснастки;
• карта согласования технологического процесса (операции) (КСТП) — предназна-
чена для согласования технологических решений, связанных с выполнением тех-
нологического процесса или операции;
• паспорт технологический (ТП) — отражает комплекс процедур по выполнению
технологических операций исполнителями, технологическому контролю, кон-
тролю представителями заказчика или госприемки;
• карта измерений (КИ) — содержит данные о проверке изделия или его составных
частей на соответствие требованиям конструкторской документации в специаль-
ных подразделениях предприятия (например, в измерительной лаборатории);
• карта регистрации результатов испытаний (КРРИ) — отражает информацию о
проводимых испытаниях изделия или группы изделий;
• журнал контроля технологического процесса (ЖКТП) — предназначен для кон-
троля параметров технологических режимов, применяемых при выполнении опе-
раций на соответствующем оборудовании.
При автоматизированном проектировании изделий конструкторские и технологи-
ческие документы могут быть выполнены в визуальной форме, т. е. читаемые челове-
ком, и в машинной (закодированной) форме, воспринимаемой только техническими
средствами. Для документирования в САПР используют различные носители инфор-
мации, в том числе бумажные и электронные (магнитные и оптические диски, карты
памяти и др.). Учитывая неравномерность развития предприятий и различия в осна-
щенности их средствами САПР, допускается в комплекте документации на изделие
иметь документы, выполненные как традиционным способом, так и документы на но-
сителях разного вида, в том числе в визуально воспринимаемой и машинной форме.
Документация, полученная в средствах САПР машинным способом, может быть на-
правлена в соответствующую базу данных, а оттуда — на автоматизированное пред-
приятие по изготовлению и испытанию изделий. Правила оформления электронных
технологических документов аналогичны рассмотренным в § 1.2.5.
Вопросы для контроля
1. Какие основные комплексы государственных стандартов определяют состав и
требования к технической документации?

Глава 1.2. Техническая документация
55
2. Какова область применения стандартов ЕСКД?
3. Как осуществляется классификация стандартов ЕСКД?
4. Какие основные текстовые конструкторские документы входят в состав ЕСКД?
5. Каково назначение схемной КД?
6. Какие виды и типы схем принято выделять?
7. По каким основным правилам осуществляют разработку и оформление электри-
ческих структурных схем?
8. Каковы особенности разработки и оформления электрических функциональных
схем?
9. Какие основные правила определяют выполнение электрических принципиаль-
ных схем?
10. В чем заключаются совмещенный и разнесенный способы изображения элемен-
тов на схемах?
11. Что представляют собой многолинейный и однолинейный способы изображения
схем?
12. По каким правилам указывают позиционные обозначения элементов на схемах?
13. Как отображают на схемах характеристики входных и выходных цепей, а также
адреса их внешних подключений?
14. Каковы общие требования определяют выполнение всех типов и видов схем?
15. Каково назначение и основные правила заполнения перечня элементов?
16. В чем состоят общие требования к содержанию чертежей деталей?
17. Какие правила определяют правила разработки и оформления чертежей печат-
ных плат?
18. Каковы основные требования к содержанию сборочных чертежей?
19. Каково назначение и основные правила заполнения спецификации?
20. Что представляет собой электронный конструкторский документ, и какие виды
ЭКД Вам известны?
21. Каков состав ЭКД?
22. Каковы основные требования к разработке и оформлению ЭКД?
23. По каким правилам осуществляют заполнение ИУЛ?
24. Каково назначение и состав классификатора ЕСКД?
25. Какова структура кода полного обозначения КД?
26. По каким признакам осуществляют классификацию изделий?
27. В чем заключается методика определения кода классификационной характери-
стики изделия?
28. Какова область применения стандартов ЕСТД?
29. Как осуществляется классификация стандартов ЕСТД?
30. Какие основные технологические документы входят в состав ЕСТД?

Часть II
ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ НУЛЕВОГО УРОВНЯ
Глава 2.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЯХ НУЛЕВОГО УРОВНЯ
На низшем уровне конструкционной иерархии находятся дискретные электрора-
диоизделия — транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, трансформаторы, инте-
гральные микросхемы, устрс йства функциональной электроники (УФЭ), коммутаци-
онные устройства и др. Каждое из этих ЭРИ представляет собой электронный модуль
нулевого уровня, т. е. законченную конструкцию, обладающую определенными функ-
циональными свойствами. Другими словами, ЭМО представляет собой элементарную
конструктивную единицу, выделение в которой дополнительных уровней иерархии
нецелесообразно.
Номенклатура современных ЭРИ насчитывает десятки тысяч наименований. Уме-
ние ориентироваться во всем этом многообразии электронных компонентов — непре-
менное требование к специалисту-разработчику ЭС. Целью учебного пособия является
формирование базовых представлений о составе, свойствах и конструкции наиболее
распространенных типов ЭРИ, использующихся в современной радиоэлектронике,
а также об особенностях их применения в электронных модулях высших уровней.
2.1.1. Этапы и направления развития элементной базы ЭС
С момента возникновения первых электрорадиоизделий по настоящее время эле-
ментная база ЭС прошла несколько основных этапов развития и определила различные
направления своей физической реализации — электровакуумные и полупроводни-
ковые приборы, интегральные микросхемы и устройства функциональной микроэ-
лектроники. Каждое из направлений, появившись в определенный момент времени,
продолжает совершенствоваться и развиваться в наиболее оправданных пределах. Раз-
витие ЭС от поколения к поколению идет в сторону их функционального усложнения,

Глава 2.1. Общие сведения об электронных модулях нулевого уровня 57
повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы,
стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров
электронной аппаратуры. Так, возникновение и становление микроэлектроники как
самостоятельного научного направления стало возможным благодаря использованию
богатого опыта и технической базы промышленности, выпускающей дискретные по-
лупроводниковые приборы. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться
быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой ин-
тегральной технологии, так и в направлении использования новых физических яв-
лений. ЭРИ микроэлектроники позволили осуществить проектирование и наладить
промышленное производство функционально сложных ЭС, отличающихся от аппара-
туры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью
и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. ЭС на базе ЭРИ
микроэлектроники находят широкое применение во всех сферах жизнедеятельности
человека — от простой бытовой техники до сложных средств промышленной автома-
тизации, вычислительной техники, средств связи и навигации, авиационной и косми-
ческой техники.
К первому этапу развития элементной базы относится открытие в 1874 году не-
мецким ученым Карлом Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-
полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем А.С. Поповым
для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Да-
той изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г., когда Попов выступил с докладом
и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического
общества в Петербурге. В разных странах велись разработки и исследования различ-
ных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний — детек-
торов.
Второй этап развития элементной базы начался с 1904 г., когда английский ученый
Джон Флеминг изобрел электровакуумный диод. За ним последовало создание первой
усилительной радиолампы — триода в 1907 г. 1913-1919 годы — период резкого раз-
вития электронной техники. В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 г.
в Санкт-Петербурге под руководством консультанта русского общества беспроволоч-
ного телеграфирования и телефонирования Н.Д. Папалекси, будущего академика
АН СССР.
Третий период развития элементной базы характеризуется созданием и внедрением
дискретных полупроводниковых приборов. В 1946 г. при компании Bell Telephone
Laboratories группа ученых во главе с Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолте-
ром Браттейном проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования
физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными ти-
пами электрической проводимости. В результате в 1948 г. был создан первый трехэлек-
тродный полупроводниковый прибор — точечный транзистор. Появление транзистора
явилось знаменательной вехой в истории развития электроники в целом, и поэтому его
изобретатели были удостоены Нобелевской премии по физике за 1956 г. С появлением
первых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На
их основе стали создавать бортовые ЭС для авиационной и космической техники. Так
как эти устройства содержали тысячи отдельных ЭРИ, то появились и технические за-
труднения. С увеличением числа элементов в ЭС практически не удавалось обеспечить
их работоспособность сразу же после сборки и в дальнейшем — требуемую надежность
функционирования. Проблема качества монтажно-сборочных работ явилась основ-
ной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности ЭС.
Решением проблемы реализации электрических соединений стала печатная плата,
в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются

58
Конструирование узлов и устройств электронных средств
одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскости
фольгированного диэлектрика.
Четвертый этап развития элементной базы начался в 1958 г., когда двое ученых,
живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель
интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, а дру-
гой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству
полупроводников Fairchild Semiconductor. Ученые решили попробовать объединить
несколько ЭРИ на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала.
Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочел кремний. В 1959 г. они
отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противо-
стояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совмест-
ной лицензии на производство ИМС. Семейство логических ИМС с четырьмя и более
биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой
Fairchild Semiconductor Corporation уже в 1961 г. и получило название «микрологика».
Использование ИМС в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных
транзисторов позволило значительно уменьшить размер и увеличить производитель-
ность. В период с 1965 по 1985 гг. активно создавались серии ИМС, на биполярных, по-
левых транзисторах и их комбинациях. Появление интегральных микросхем сыграло
решающую роль в развитии ЭС в целом, так как любая ИМС по своей сущности, пред-
ставляет микроэлектронное устройство, имеющее высокую плотность расположения
компонентов, эквивалентных ЭРИ обычной схемы. Усложнение выполняемых микро-
схемами функций достигается повышением степени интеграции.
В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень —
наноэлектронику, занимающуюся разработкой физических и технологических основ
создания интегральных схем с топологическими размерами элементов менее 100 на-
нометров. Электронные компоненты на наноструктурах, способные получать и обра-
батывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых теле-
коммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга,
тепловидения, диагностики, робототехники, высокоточного оружия и т. д. Примене-
ние полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты ЭС и энерго-
потребление, повысит быстродействие и надежность.
2.1.2. Элементная база современных ЭС
Элементная база современных электронных средств представлена совокупностью
различных компонентов, участвующих в преобразовании сигналов и информации,
которая в них содержится. К ним, в первую очередь, следует отнести пассивные дис-
кретные ЭРИ — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и простейшие
устройства на их основе, например: LC-фильтры или коммутационные устройства с
механическим или магнитным управлением; активные дискретные элементы — полу-
проводниковые и электровакуумные приборы, интегральные микросхемы; устройства
функциональной электроники и некоторые другие [14]. Пассивные ЭРИ выполняют
в ЭС различные операции над сигналами. Принцип действия таких элементов основан
на физических процессах различной природы (взаимодействия электрического и маг-
нитного полей, образования разности потенциалов, протекания электрического тока,
накопления электрического заряда и др.).
Полупроводниковые и электровакуумные приборы, являясь активными элемен-
тами, по физической сущности функционирования принципиально отличаются от
пассивных. Их принцип действия основан на сложных физических процессах, они ха-
рактеризуются специфическими параметрами, конструкцией и технологией. К этим

Глава 2.1. Общие сведения об электронных модулях нулевого уровня 59
элементам относят диоды, транзисторы, радиолампы, интегральные микросхемы
и др. ИМС разной степени интеграции очень широко применяются в современных ЭС.
В гибридных ИМС используются навесные элементы — транзисторы, конденсаторы
большой емкости и др., а резисторы, малой емкости конденсаторы, электрические со-
единения и катушки индуктивности формируются нанесением пленок на поверхность
подложки. ИМС имеют две существенные различающиеся разновидности — анало-
говые и цифровые. Аналоговые ИМС, являясь компактными и технологичными из-
делиями, позволили эффективно реализовать функции детекторов, генераторов, уси-
лителей, стабилизаторов, аналоговых селективных элементов на основе пленочных
индуктивностей и емкостей и т. д. Цифровые ИМС, в которых над дискретными сиг-
налами выполняются логические операции и функции, получили большее развитие.
Выигрыш в надежности, массе, габаритах и стоимости таких ИМС существенно связан
со степенью интеграции.
Характерной особенностью активных элементов является осуществление обработки
сигналов путем продвижениея носителей из одной области статической неоднородности
в другую. При этом происходит непрерывное изменение значений таких физических
носителей информации, как ток, напряжение, концентрация носителей и т. д. Стати-
ческие неоднородности создаются в ходе необратимых технологических процессов при
изготовлении ЭРИ, сохраняют свои параметры в течение установленного срока, и не
могут изменять свое местоположение в объеме ЭРИ. Статические неоднородности явля-
ются основой создания и функционирования полупроводниковых дискретных приборов
и ИМС. Направление микроэлектроники, связанное с технологической интеграцией,
иногда называют схемотехническим, так как преобразования, которым подвергаются
сигналы, определяются как свойствами самих статических неоднородностей, так и тем,
каким образом они сформированы в ИМС и схемно связаны между собой.
Устройства функциональной электроники приобретают в настоящее время возрас-
тающее значение в элементной базе ЭС. Функциональная электроника объединяет
задачи получения комбинированных средств с заранее заданными свойствами и соз-
дания различных электронных устройств методами физической интеграции. УФЭ
основаны на использовании таких физических принципов и явлений, реализация ко-
торых позволяет получить ЭРИ со сложным функциональным назначением. Харак-
терной особенностью таких физических принципов и эффектов является наличие и ис-
пользование для обработки и хранения информации динамических неоднородностей
в однородном объеме твердого тела, появление, перемещение и исчезновение которых
не связано с процессом изготовления самого элемента. Особенностями динамических
неоднородностей является то, что они создаются физическими средствами во время
эксплуатации ЭРИ, а не технологическими в процессе производства, могут возникать,
существуя длительное время, и исчезать, а также изменять свои характеристики во
времени, служат непосредственными носителями информации, которая может быть
представлена как в цифровой, так и в аналоговой форме. Примерами таких динами-
ческих неоднородностей могут служить цилиндрические магнитные домены, пакеты
зарядов в приборах с зарядовой связью, волны деформации кристаллической решетки
в приборах на поверхностных акустических волнах и т. д. [14].
При создании УФЭ используются различные полупроводниковые, магнитодиэлек-
трические, пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические материалы, а также много-
слойные гомо- и гетероструктуры из этих материалов. Среди разнообразных приборов
функциональной электроники наибольшее распространение получили акустоэлек-
тронные приборы, приборы на волнах пространственного заряда в твердом теле, при-
боры с зарядовой связью, оптоэлектронные устройства, в том числе полосковые лазеры
на основе двойной гетероструктуры с распределенной обратной связью и др.

60
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Разнообразие элементной базы усложняет работу по проектированию ЭС, так как
требует более широкой подготовки конструкторов и рассмотрения большого количе-
ства вариантов реализации ЭС.
2.1.3. Особенности конструкций корпусов электронных модулей
нулевого уровня
Для защиты от влияния внешних дестабилизирующих факторов, а также для удоб-
ства при сборке и монтаже печатных плат, ЭМО в большинстве случаев заключают в
корпуса, выполненные из различных материалов.
Конструкции корпусов пассивных ЭРИ чрезвычайно разнообразны, что связано,
в первую очередь, с индивидуальными особенностями каждого пассивного элемента.
Так, например, габаритные размеры и масса конденсаторов в зависимости от емкости
и рабочего напряжения могут изменяться в очень широких пределах, поэтому различ-
ные виды конденсаторов выпускаются в металлических, пластмассовых, керамиче-
ских, металлобумажных и других типах корпусов различной геометрической формы.
У постоянных резисторов конструкцию корпуса, в первую очередь, определяет тип ре-
зистивного элемента (проволочный, непроволочный, объемный) и рассеиваемая мощ-
ность. Основным конструкционным материалом корпусов большинства резисторов
является керамика. Условия эксплуатации также накладывают определенный отпе-
чаток на облик конструкции корпуса. Например, если ЭС эксплуатируется во влажной
среде, с большим диапазоном перепада температур, то конструкция корпуса должна
обеспечивать защиту внутреннего пространства от неблагоприятных внешних воздей-
ствий. Следовательно, к общим характерным особенностям корпусов пассивных ЭМО
необходимо отнести:
• большое разнообразие типов, определяемое назначением, электрическими и экс-
плуатационными характеристиками ЭРИ конкретного типа;
• множество узкоспециализированных типов конструкций;
• применение широкой не менклатуры различных материалов;
• сложность типизации и унификации конструкций.
В связи с тем, что значительная часть активных ЭМО представляет собой полупро-
водниковые приборы, то конструкции их корпусов отличаются меньшим разнообра-
зием и более хорошо удовлетворяют требованиям унификации. Основные габаритные
и присоединительные размеры корпусов полупроводниковых приборов устанавли-
вает ГОСТ 18472-88. Как правило, корпуса таких ЭРИ состоят из двух частей: осно-
вания и крышки. По материалу этих частей выделяют металлические, керамические,
пластмассовые, металлостеклянные, металлокерамические и металлопластмассовые
корпуса. В первых трех разновидностях корпусов крышку и основание выполняют
из однородного материала, а в металлостеклянных, металлокерамических и металл о-
пластмассовых крышку изготавливают из металла, а основание — из стекла, керамики
или пластмассы. В зависимости от материалов крышки и основания их соединяют пай-
кой, сваркой или склеиванием. На корпус наносится маркировка в соответствии с его
условным обозначением. Для правильной установки ЭРИ на плату на корпусе имеется
специальный ключ, который выполняется в виде цветной метки, выемки или паза,
выступа на выводе и пр.
Условное обозначение корпусов полупроводниковых ЭРИ в конструкторской до-
кументации должно состоять из букв КД или КТ, определяющих корпуса диодов,
транзисторов и тиристоров соответственно, числа (числа с буквой), показывающего
порядковый номер разработки и (или) модификацию корпуса по размеру, цифры, обо-
значающей модификацию корпуса по числу и длине выводов, а также указание стан-

Глава 2.1. Общие сведения об электронных модулях нулевого уровня
61
дарта: например: корпус КД-7 ГОСТ 18472-88; корпус КТ-43А-2 ГОСТ18472-88; кор-
пус КТ-80В ГОСТ 18472-88 и т. п.
Корпуса интегральных микросхем, в соответствии с ГОСТ 17467-88, в зависимости
от формы проекции тела корпуса на установочную плоскость и расположения выводов
разделяют на типы и подтипы. Всего стандартом определено шесть основных типов
корпусов. Каждому типоразмеру присваивается шифр, обозначающий тип корпуса и
порядковый номер типоразмера. Выводы располагают с шагом 0,625; 1,0; 1,25; 1,70 и
2,50 мм. Наиболее распространены корпуса микросхем с параллельным двухрядным
расположением выводов. Международное обозначение таких корпусов — DIL (Dual In
Line — два в линию), причем пластмассовые корпуса обозначают аббревиатурой DIP.
Металлокерамические и керамические корпуса микросхем выполняют и с планар-
ными выводами. В последнее время для повышения плотности печатного монтажа все
большее применение находят корпуса ИМС типа SIL (Single In Line — один в линию)
и QIL (Quad In Line — четыре в линию).
Условное обозначение корпуса ИМС в конструкторской документации должно со-
стоять из шифра типоразмера микросхемы, включающего в себя подтип корпуса и
двузначного числа — порядкового номера типоразмера, цифрового индекса, показы-
вающего количество выводов, регистрационного номера и обозначения стандарта, на-
пример: корпус 2103.16-5; корпус 3203.8-2 и т. п.
Каждый тип корпуса имеет свои достоинства и недостатки. Пластмассовые корпуса
дешевы, обеспечивают хорошую защиту от механических воздействий, но хуже дру-
гих типов корпусов защищают от климатических воздействий и перегрева. В качестве
примера на рис. 2.1.1 представлены некоторые типы корпусов полупроводниковых
приборов и ИМС.
Рис. 2.1.1. Некоторые типы корпусов полупроводниковых ЭМ0: а, б, ж, з — ме-
таллические; в — металлокерамический; г, и — металлопластмассовые;
д — пластмассовый; е — стеклянный; к — пластмассовый (DIP); л — метал-
локерамический планарный
Наибольшая плотность компоновки достигается при использовании в ЭС бескор-
пусных компонентов. Как правило, их установка непосредственно на печатной плате
не производится из-за низкой разрешающей способности монтажа. Бескорпусные ак-
тивные компоненты устанавливают на специальной подложке и фиксируют клеем.
С использованием методов тонко- или толстопленочной технологии на подложке

62
Конструирование узлов и устройств электронных средств
выполняются проводники, контактные площадки и пассивные компоненты. Такие
конструкции получили название гибридных ИМС.
В качестве материалов для изготовления подложек микросборок применяются
ситалл (материал на основе стекла), поликор (керамика на основе окиси алюминия),
а также гибкие полиимидные пленки. Каждый из этих материалов имеет свои до-
стоинства и недостатки. Так, например, легкость получения гладких поверхностей
и дешевизна являются основными преимуществами ситалловых подложек. Однако
низкая теплопроводность, препятствующая рассеиванию больших мощностей, хруп-
кость, трудность получения сложных форм ограничивают их применение. Керамику
отличает большая механическая прочность и лучшая теплопроводность, но она имеет
относительно грубую поверхность и более высокую, чем у ситалла, стоимость.
Вопросы для контроля
1. Что понимают под электронным модулем нулевого уровня?
2. Какие наиболее важные этапы развития прошла элементная база ЭС?
3. Каков основной состав современной элементной базы?
4. В чем состоит принципиальная разница между активными и пассивными ЭРИ?
5. На каких физических принципах основано функционирование УФЭ?
6. В чем заключаются основные особенности конструкции корпусов пассивных
ЭМО?
7. Какие конструктивные особенности корпусов имеют активные ЭМО?
8. Из каких материалов выполняют корпуса полупроводниковых ЭРИ?
9. Как обозначают корпуса полупроводниковых приборов в конструкторской доку-
ментации?
10. Какие типы корпусов микросхем наиболее распространены?
11. Как записывают обозначение корпусов ИМС в конструкторской документации?
12. Из каких материалов обычно изготавливают подложки ИМС?

Глава 2.2
ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЯ
Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели и коммутационные изделия
составляют группу так называемых пассивных элементов, главным свойством кото-
рых является выполнение простейших операций (увеличение сопротивления проте-
кающему току, накопление электрического заряда и т. п.) без использования допол-
нительных источников электрической энергии. Пассивные ЭРИ вместе с активными
(электровакуумными приборами, диодами, транзисторами, ИМС и др.) являются
электронными модулями нулевого уровня и рассматриваются как конструктивные
единицы, входящие в состав конструкций более высокого уровня иерархии (печатные
узлы, блоки, стойки и т. п.).
2.2.1. Резисторы
Согласно ГОСТ Р 52002-2003, резистором называют элемент электрической цепи,
предназначенный для использования его сопротивления при перераспределении и ре-
гулировании электрической энергии между другими элементами схемы.
В соответствии с ОСТ 11.074.009-78 и терминологией по ГОСТ 21414-75 резисторы
классифицируются по различным признакам [15].
1.По характеру изменения сопротивления резисторы разделяют на постоянные
(значения сопротивлений которых задано при изготовлении и не может регулиро-
ваться при эксплуатации) и переменные (значения сопротивлений которых можно из-
менять механически).
2. По целевому применению выделяют резисторы общего назначения и специаль-
ные (прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные). Рези-
сторы общего назначения используются в большинстве электрических цепей ЭС в ка-
честве нагрузок активных ЭРИ, делителей напряжения, в RC-цепях и т. д. Резисторы
специального назначения предназначены для работы в электрических цепях со спец-
ифическими свойствами. Так, в высокочастотных цепях применяются резисторы с не-
большой собственной емкостью и индуктивностью. Прецизионные резисторы находят
применение в таких ЭС, где необходима высокая стабильность параметров и точность,
например, в измерительных приборах и системах автоматики. Высоковольтные рези-
сторы рассчитаны на работу в цепях со значением напряжения до десятков киловольт,
а высокомегаомные резисторы имеют номинальные сопротивления от десятков мегаом
до единиц тераом.

64
Конструирование узлов и устройств электронных средств
3. По способу защиты от внешних факторов резисторы делят на неизолированные,
изолированные и герметичные. Неизолированные резисторы не допускают касания
своим корпусом токоведущих и других токопроводящих частей аппаратуры, в отличие
от изолированных резисторов, имеющих специальное изоляционное покрытие. Кон-
струкция корпуса герметичных резисторов исключает влияние окружающей среды на
его внутреннее пространство.
4. По способу монтажа резисторы подразделяют на резисторы для навесного и пе-
чатного монтажа, для микромодулей и интегральных схем.
5. По материалу резистивного элемента выделяют проволочные, пленочные, объем-
ные и полупроводниковые резисторы.
В проволочных резисторах в качестве резистивного элемента используется высоко-
омная проволока из константана, нихрома или никелина.
У пленочных резисторов резистивным элементом служат пленки на диэлектри-
ческом основании или композиции из проводящих и диэлектрических материалов с
высоким удельным сопротивлением. К пленочным относят металлоокисные, метал-
лизированные, углеродистые, керметные и композиционные резисторы, проводящий
элемент которых выполнен в виде микрокомпозиционного слоя из окисной пленки ме-
талла или сплава металла, пленки пиролитического углерода или борорганических со-
единений, однородной композиции из проводящего (графит, сажа, металл и др.) и не-
проводящего компонентов. В свою очередь, по толщине пленки пленочные резисторы
подразделяют на тонкопленочные и толстопленочные.
В объемных резисторах резистивный элемент выполняется в виде объемных высо-
коомных композиций, например, из смеси углерода и наполнителя — органической
смолы или стеклоэмали.
У полупроводниковых резисторов резистивный элемент изготавливается из различ-
ных полупроводниковых материалов. Эти резисторы составляют особую группу ЭРИ,
в которой выделяют фоторезисторы, варисторы и терморезисторы.
Основным свойством фоторезисторов является существенное изменение сопротив-
ления под действием приложенного к нему электромагнитного излучения в широком
диапазоне длин волн (от ультрафиолетового до инфракрасного). Основная сфера при-
менения фоторезисторов — системы автоматики. В качестве основных материалов для
изготовления фоторезисторов используются сернистый и селенистый кадмий, а также
сернистый свинец.
Варистор представляет собой резистор, основным свойством которого является зна-
чительное изменение сопротивления при изменении подаваемого на него напряжения.
Благодаря этому свойству варисторы нашли широкое применение в цепях защиты от
перенапряжения, измерительных устройствах, системах автоматики и др. Основным
материалом для изготовления варисторов служит карбид кремния.
Терморезистор — это полупроводниковый резистор, существенно изменяющий
свое сопротивление при изменении его температуры. Терморезисторы используются в
измерительных приборах, системах автоматики, системах защиты от перегрева. Мате-
риалами для изготовления терморезисторов служат различные оксидные полупрово-
дники, например: оксиды никеля, кобальта, меди, марганца и др.
На рис. 2.2.1 приведены условно-графические обозначения некоторых типов рези-
сторов в соответствии с ГОСТ 2.728-74.
На рис. 2.2.2 показан внешний вид некоторых широко распространенных разно-
видностей ЭРИ семейства резисторов.
В соответствии с действующей системой обозначений по ОСТ 11.074.009-78, со-
кращенное условное обозначение, присваиваемое резисторам (кроме полупроводнико-
вых), состоит из трех элементов:

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
65
• первый элемент — буква или сочетание букв (Р — резисторы постоянные; РП —
резисторы переменные; HP — набор резисторов, ТР — терморезисторы, ВР — ва-
ристоры, ФР — фоторезисторы и др.);
• второй элемент — цифра, обозначающая группу резисторов по материалу прово-
дящего элемента: 1 — непроволочные; 2 — проволочные (у полупроводниковых
резисторов материал не обозначается);
• третий элемент — регистрационный (порядковый) номер разработки резистора.
Рис. 2.2.1. Условно-графические обозначения резисторов: а—резистор посто-
янный; б — резистор переменный; в — резистор переменный сдвоенный; г — ре-
зистор подстроечный; д — фоторезйстор; е — варистор; ж — терморезистор
Рис. 2.2.2. Внешний вид некоторых видов резисторов: а, в — фоторезисторы;
б — терморезистор; г — непроволочные постоянные резисторы общего назна-
чения различной мощности; д — подстроечный резистор; е — сдвоенный пере-
менный резистор

66
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Так, обозначение Р1-7 означает постоянный непроволочный резистор с регистраци-
онным номером 7, а ТР-2 — терморезистор с порядковым номером разработки 2.
Полное условное обозначение резистора включает в себя:
• сокращенное обозначение;
• вариант конструктивного исполнения;
• значения основных параметров резистора;
• климатическое исполнение;
• обозначение документа на поставку.
Параметры и характеристика для постоянных резисторов указываются в следую-
щей последовательности:
• номинальная мощность рассеяния в ваттах;
• номинальное сопротивление с указанием единицы измерения;
• допуск на отклонение сопротивления в процентах;
• группа по уровню шумов;
• функциональная характеристика (для переменных резисторов).
Номинальной мощностью рассеяния называется наибольшая мощность, которую
резистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении своих па-
раметров в установленных пределах. Значения номинальных мощностей рассеяния в
ваттах определяются в соответствии с ГОСТ 24013-80 для постоянных и ГОСТ 10318-80
для переменных резисторов из стандартных рядов мощностей, например: 0,125; 0,25;
0,5; 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 25 Вт и т. д.
ГОСТ 28884-90 устанавливает для резисторов семь рядов номиналов сопротивле-
ний: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192, причем предпочтительными являются первые
четыре, имеющие конкретные значения допусков. Цифра в обозначении ряда указы-
вает на число номинальных сопротивлений в ряду. Числа, указанные в табл. 2.2.1,
и группы чисел, кратные 10, образуют предпочтительные числовые ряды и соответ-
ствующие им допускаемые отклонения.
Таблица 2.2.1
Ряды номиналов сопротивлений
Ряд
ЕЗ
Е6
Е12
Е24
Номинал сопротивлений, Ом
1,0
1,0
1,0
i;2 .
1,0
1.1
1,2
1,3
1,5
1,5
1,8
1,5
1,6
1,8
2,0
2,2
2,2
2,2
2,7
2,2
2,4
2,7
3,0
3,3
3,3
3,9
3,3
3,6
3,9
4,3
4,7
4,7
4,7
5,6
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
6,8
8,1
6,8
7,5
8,2
9,1
Допуск
> 20 %
± 20 %
± 10 %
± 5 %
Допуск резистора характеризует максимально допустимое отклонение величины
его сопротивления от номинального значения, выраженное в процентах. ГОСТ 9664-74
устанавливает ряд стандартных допусков: ±0,001; ±0,002; ±0,005; ±0,01; ±0,02;
±0,025, ±0,05; ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1; ±2; ±3; ±5; ±10; ±20 и ±30 %.
Собственные шумы резисторов представляют совокупность тепловых и токовых
шумов и оцениваются по величине возникшей на выводах резистора ЭДС шумов,

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
67
отнесенной к вольту приложенного к элементу постоянного напряжения. По уровню
шумов резисторы разделяют на две группы:
А (с ЭДС шумов <1 мкВ/В);
Б (с ЭДС шумов <5 мкВ/В).
Функциональная характеристика выражает зависимость сопротивления перемен-
ного резистора от угла поворота его подвижного контакта. Наибольшее применение на-
ходят переменные резисторы со следующими функциональными характеристиками:
А (линейная);
Б (обратнологарифмическая);
В (логарифмическая).
Так, обозначение Р1-12-0Д25-100 кОм ±5% А-В АЛЯР.434110.005ТУ означает
постоянный непроволочный резистор с регистрационным номером 12, номинальной
мощностью рассеяния 0,125 Вт и сопротивлением 100 кОм, с допустимым отклоне-
нием сопротивления от номинального значения ±5 %, группой по уровню шумов А,
всеклиматического исполнения.
Необходимо заметить, что сокращенное обозначение разработанных до 1978 г. и
выпускаемых в настоящее время резисторов осуществляется в соответствии с действо-
вавшим в то время ГОСТ 13453-68, согласно которому первый элемент сокращенного
обозначения — буква, определяющая подкласс резисторов: С — резистор постоянный,
СП — резистор переменный, СФ — сопротивление фоточувствительное, СН — сопро-
тивление нелинейное, СТ — сопротивление термочувствительное и др. Второй эле-
мент — цифра, обозначающая тип резисторов по материалу резистивного элемента:
1 — непроволочные тонкопленочные углеродистые и бороуглеродистые; 2 — непро-
волочные тонкопленочные металлодиэлектрические и металлоокисные; 3 — непрово-
лочные композиционные пленочные; 4 — непроволочные композиционные объемные;
5 — проволочные; 6 — непроволочные тонкопленочные металлизированные. Третий
элемент — число, обозначающее регистрационный номер.
Например, обозначение С2-36 означает резистор постоянный непроволочный тон-
кослойный металлодиэлектрический с порядковым регистрационным номером 36.
Резисторы, разработанные до 1968 г. и которые еще можно встретить в ЭС, обо-
значаются буквами. Первая буква (а в некоторых случаях и вторая) указывает на
материал резистивного элемента: Б — бору г лерод истый, К — композиционный,
М — металлопленочный, П — проволочный, У — углеродистый и др. Вторая буква
обозначает вид защиты резистора, например: В — вакуумный, Г — герметизирован-
ный, И — изолированный, Л — лакированный, Э — эмалированный. Третья буква
определяет особые свойства или назначение резистора: В — высоковольтный, М —
малогабаритный, Н — низкоомный, О — объемный, П — прецизионный, Т — тепло-
стойкий и др.
Например, БЛП — боруглеродистый лакированный прецизионный резистор;
ПЭВ — проволочный эмалированный высоковольтный; МЛТ — металлопленочный
лакированный теплостойкий, ММТ — медно-марганцевый терморезистор и т. п.
Маркировка резисторов осуществляется в соответствии с ГОСТ 28883-90 и рекомен-
дациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) буквенно-цифровым
способом и заключается в нанесении на корпус марки резистора, номинальной мощ-
ности и сопротивления, допустимого отклонения сопротивления и даты изготовления.
Следует заметить, что при малых размерах резисторов обычно применяют сокращен-
ную маркировку с использованием кодированных обозначений.
Кодированное обозначение сопротивлений состоит из трех или четырех знаков,
причем буква кода из латинского алфавита обозначает множитель, составляющий со-
противление, и определяет положение запятой десятичного знака: R — 1, К — 103,

68
Конструирование узлов и устройств электронных средств
М — 106, G — 109, Т — 1012. Так, в частности, надписи 56Д, 4ЙГ7, WOK, 3M3 обозна-
чают 56 Ом, 4,7 кОм, 110 кОм, 3,3 МОм соответственно.
Код допускаемого симметричного отклонения сопротивления от номинального зна-
чения маркируется буквами латинского алфавита в соответствии с табл. 2.2.2.
Таблица 2.2.2
Обозначение симметричных допусков на сопротивление
Буква
кода
Допуск,%
Е
±
0,005
L
±
0,01
Р
±
0,02
W
±
0,05
В
±
0,1
с
±
0,25
D
±
0,5
F
1
G
±
2
J
±
5
К
±
10
м
±
20
N
±
30
Кодированное обозначение даты изготовления резисторов состоит из двухзначного
кода год/месяц (см. табл. 2.2.3).
Таблица 2.2.3
Кодировка даты изготовления
Код года
А
1 В
С
1 D
1 Е
1 F
н
J
к
L
М
N
Год изготовле-
ния
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
Код года
Р
R
S
Т
и
F
W
X
А
В
С
D
Год изготовле-
ния
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Код месяца
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
N
D
Месяц изготов-
ления
январь
февраль
март
апрель |
май
июнь
июль
август |
сентябрь
октябрь 1
ноябрь
декабрь 1
Если необходимо обозначить год и неделю изготовления резистора, то используется
четырехзначный код год/неделя, причем первые два знака обозначают последние две
цифры года, а последние два знака — номер недели.
Например, нанесенная на корпус маркировка 56RJB означает резистор сопротивле-
нием 56 Ом с допуском ±.5 % 1991 г. изготовления, а маркировка 5KSFW0 определяет
резистор сопротивлением 5,9 кОм ±1 %, выпущенный в 2008 г. в октябре. На практике
встречаются случаи, когда у разных предприятий-изготовителей состав буквенно-
цифрового кода несколько отличается, и в этом случае расшифровка ведется согласно
изложенным выше общим правилам.
На миниатюрных резисторах постоянного сопротивления допускается маркировка
цветным кодом, состоящим из четырех, пяти или шести полос [16]. Маркировку осу-
ществляют по правилам, изложенным в ГОСТ 28883-90. Для исключения неопределен-

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
69
ности при чтении кода, маркировочные знаки сдвигают к одному из торцов резистора
(последняя полоса кода выполняется в полтора — два раза шире других) и располагают
слева направо в следующем порядке:
• при маркировке сопротивления с двумя значащими цифрами первая и вторая по-
лоса обозначают первую и вторую цифру сопротивления, третья полоса — множи-
тель, а четвертая полоса — допуск;
• при маркировке сопротивления с тремя значащими цифрами первая, вторая и
третья полосы обозначают первую, вторую и третью цифру сопротивления, чет-
вертая полоса — множитель, пятая полоса — допуск, а шестая — температурный
коэффициент сопротивления (ТКС).
В табл. 2.2.4 приведены значения маркируемых параметров и соответствующие им
цвета.
Таблица 2.2.4
Цветовая маркировка сопротивлений, допусков и ТКС
Цвет полосы
серебристый
золотистый
черный
коричневый
красный
оранжевый
желтый
зеленый
голубой
фиолетовый
серый
белый
1 без окраски
Сопротивление
—
—
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
—
Множитель
Ю-2
10"1
1
10
102
103
ю4
ю5
106
107
108
109
—
Допуск, %
±10
±5
—
±1
±2
—
—
±0,5
±0,25
±0,1
—
—
±20
ТКС, 10"e,C 1
—
—
±250
±100
±50
±15
±25
±20
±10
±5
±1
—
— |
На рис. 2.2.3 показан пример цветовой маркировки резистора 357 кОм с допуском
±1 % и значением ТКС ±50-10"6 °С. Необходимо заметить, что значение ТКС маркиру-
ется не всегда.
Рис. 2.2.3. Пример цветовой маркировки резистора
оранжевый (3)
зелёный (5)
фиолетовый (7)
оранжевый (103 Ом)
коричневый (±1% )
красный (±50-10"6 °С)

70
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Резисторы зарубежного производства маркируются аналогичным образом концен-
трическими четырьмя или пятью цветными кольцами. Цвета и расположение колец
соответствуют маркировке отечественных резисторов.
Для исключения идентификационных ошибок состав маркируемых параметров,
форму, порядок, ориентацию и место размещения маркировочных знаков необходимо
уточнять в государственных стандартах, технических условиях и на упаковочных ли-
стах на резисторы конкретных типов.
2.2.2. Конденсаторы
В соответствии с ГОСТ Р 52002-2003, конденсатором называется элемент электри-
ческой цепи, представляющий собой систему из двух электродов, разделенных диэлек-
триком и предназначенный для использования его электрической емкости.
Согласно ОСТ 11.074.008-76 и ГОСТ 21415-75 конденсаторы классифицируют по
следующим признакам [15].
1. По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянные (значе-
ния емкостей которых задано при изготовлении и не может регулироваться при экс-
плуатации) и переменные (значения емкостей которых можно изменять механически,
напряжением или температурой). ]
2. По целевому применению выделяют конденсаторы общего и специального назна-
чения. Конденсаторы общего назначения используются в большинстве низковольтных
электрических цепей ЭС. К конденсаторам специального назначения относятся высо-
ковольтные, дозиметрические, помехоподавляющие, проходные, пусковые и др.
3. По способу защиты от внешних факторов конденсаторы делят на незащищенные,
защищенные, неизолированные, изолированные, уплотненные и герметичные. Неза-
щищенные конденсаторы допускают эксплуатацию только в герметизированных ЭС,
а защищенные могут эксплуатироваться в аппаратуре любого конструктивного испол-
нения. Неизолированные конденсаторы не допускают касания своим корпусом токо-
проводящих частей ЭС, в отличие от изолированных конденсаторов, имеющих специ-
альное изоляционное покрытие. Уплотненные конденсаторы выполняют в корпусах
повышенной плотности. Конструкция корпуса герметичных конденсаторов исключает
воздействие окружающей среды на его внутреннее пространство.
4. По способу монтажа различают конденсаторы для навесного, печатного монтажа
и для микросборок.
5. По материалу диэлектрика различают конденсаторы с неорганическим, органи-
ческим, газообразным и оксидным диэлектриком.
В конденсаторах с неорганическим диэлектриком обкладки выполняют путем на-
пыления тонкого слоя металла или нанесения металлической фольги на диэлектрик
из керамики, слюды, стекла, стеклоэмали, стеклокерамики и других неорганических
материалов.
В конденсаторах с органическим диэлектриком в качестве основных диэлектри-
ческих материалов используют специальную конденсаторную бумагу, синтетические
пленки, полистирол, фторопласт, лавсан и их комбинации.
В конденсаторах с газообразным диэлектриком используются воздух, азот, фреон.
Достоинством газообразных диэлектриков являются малое значение тангенса угла
диэлектрических потерь и высокая стабильность электрических параметров, поэтому
основной сферой применения таких конденсаторов является высокочастотная и высо-
ковольтная аппаратура.
В оксидных (электролитических) конденсаторах в качестве диэлектрика исполь-
зуется оксидный слой, образованный электрохимическим способом на металличе-

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
71
ской обкладке — аноде из алюминия, тантала или ниобия. Второй обкладкой конден-
сатора — катодом служит бумажная или тканевая прокладка, пропитанная жидким
или гелеобразным электролитом, а также полупроводниковые материалы. Достоин-
ством оксидных конденсаторов является их большая электрическая емкость, поэтому
основная область их применения — фильтры источников электропитания, цепи раз-
вязки и др.
На рис. 2.2.4 приведены условно-графические обозначения отдельных типов кон-
денсаторов согласно ГОСТ 2.728-74.
а б в где ж
Рис. 2.2.4. Условно-графические обозначения конденсаторов: а — конденсатор
постоянной емкости; б — конденсатор постоянной емкости поляризованный;
в — конденсатор постоянной емкости двухсекционный; г — конденсатор про-
ходной; д — конденсатор подстроечный; е — конденсатор переменной емкости
двухсекционный; ж — вариконд
В качестве примера на рис. 2.2.5 показан внешний вид некоторых широко распро-
страненных разновидностей конденсаторов.
Рис. 2.2.5. Внешний вид различных конденсаторов: а — конденсаторы постоян-
ной емкости общего назначения керамические, слюдяные, бумажные, полисти-
ролъные специальные, лакопленочные; б — конденсаторы оксидные; в — кон-
денсатор подстроечный

72
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В соответствии с ОСТ 11.074.008-76, условное обозначение конденсаторов бывает
сокращенным и полным. Сокращенное обозначение состоит из трех элементов:
• первый элемент — буква или сочетание букв (К — конденсатор постоянной емко-
сти, КТ — конденсатор подстроечный, КП — конденсатор переменной емкости,
КН — конденсатор нелинейный, КС — конденсаторная сборка и др.), обозначаю-
щих подкласс конденсаторов;
• второй элемент — число, определяющее группу конденсаторов в соответствии с
табл. 2.2.5;
• третий элемент — регистрационный (порядковый) номер разработки.
Обозначение
1 подкласса
к?
кт,кп
кн
КС
Таблица 2.2.5
Обозначение конденсаторов
Обозначение
группы
10
15
21
22
26
31
32
40
41
42
50
51
52
53
60
61
70
71
72
73
75
76
77
78
1
2
3
4
1
2
—
Описание группы конденсаторов
керамические на напряжение до 1600 В
керамические на напряжение свыше 1600 В
стеклянные
стеклокерамические
тонкопленочные
слюдяные малой емкости
слюдяные большой емкости
бумажные фольговые на напряжение до 2000 В
бумажные фольговые на напряжение свыше 2000 В
бумажные металлизированные
оксидно-электролитические алюминиевые
оксидно-электролитические танталовые, ниобиевые и др.
объемнопористые
оксидно-полупроводниковые
с воздушным диэлектриком
вакуумные
полистирольные
полистирольные специальные
фторопластовые
полиэтилентерефталатные
комбинированные
лакопленочные
поликарбонатные
полипропиленовые
вакуумные
с воздушным диэлектриком
с газообразным диэлектриком
с твердым диэлектриком
вариконды
термоконденсаторы
—
Сокращенное обозначение разработанных до 1976 г. и выпускаемых по настоящее
время конденсаторов осуществляется по конструктивным, технологическим, экс-
плуатационным и другим признакам (КД — конденсаторы дисковые; ФТ — фторопла-

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
73
стовые теплостойкие; КТ — конденсаторы трубчатые, КСО — конденсатор слюдяной
опрессованный и т. п.).
Например, обозначение К10-17 означает керамический конденсатор на напряже-
ние до 1,6 кВ с порядковым номером разработки 17, а КН2-2 — термоконденсатор с
регистрационным номером 2.
Полное условное обозначение конденсатора состоит из:
• сокращенного обозначения;
• варианта конструктивного исполнения;
• значений основных параметров конденсатора;
• климатического исполнения;
• обозначения документа на поставку.
Основные параметры конденсаторов указываются в следующей последователь-
ности:
• номинальное напряжение;
• номинальная емкость;
• допускаемое отклонение емкости от номинального значения;
• группа по температурному коэффициенту емкости (ТКЕ).
Рассмотрим эти наиболее важные параметры конденсаторов в соответствии с тер-
минологией по ГОСТ 21415-75 более подробно.
Номинальное напряжение показывает, при каком максимальном значении электри-
ческого напряжения конденсатор может работать в течение минимальной наработки в
условиях, указанных в нормативно-технической документации. Значения номиналь-
ных напряжений конденсаторов выбираются из основных рядов предпочтительных
чисел, установленных ГОСТ 8032-84. Числа, указанные в табл. 2.2.6, и группы чисел,
кратные 10, образуют соответствующие им номинальные напряжения.
Таблица 2.2.6
Ряды предпочтительных чисел
Ряд
Д5
то
1,00
1,00
1,25
Номинал напряжений, В
1,60
1,60
2,0
2,50
2,50
3,15
4,00
4,00
5,00
6,30
6,30
8,00
10,00
10,00,
Номинальная емкость конденсатора определяет значение электрической емкости,
которую должен иметь конденсатор в соответствии с сопроводительной документа-
цией, и являющейся исходной для отсчета отклонений от этого значения. Как и для
резисторов, ГОСТ 28884-90 устанавливает для конденсаторов семь аналогичных рядов
номиналов емкостей: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192, причем предпочтительными
являются первые четыре, имеющие конкретные значения допусков. Цифра в обозна-
чении ряда указывает на число номинальных емкостей в ряду. Числа, указанные в
табл. 2.2.1, и группы чисел, кратные 10, образуют предпочтительные числовые ряды и
соответствующие им допускаемые отклонения.
Допускаемое отклонение емкости характеризует максимально допустимую разность
между значениями фактической и номинальной емкостей конденсатора, выраженное
в процентах. Так, например, для конденсаторов постоянной емкости с керамическим
диэлектриком ГОСТ Р 50292-92 устанавливает ряд стандартных допусков ±0,1; ±0,25;
±0,5; ±1 и ±2 пФ, используемых при значениях номинальной емкости конденсатора
до 10 пФ, а также ±1; ±2; ±5; ±10; ±20 для номинальных емкостей свыше 10 пФ.

74
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Температурный коэффициент емкости — величина, используемая для характери-
стики конденсаторов постоянной емкости, обладающих линейной зависимостью емко-
сти от температуры, и определяемая как относительное изменение емкости при изме-
нении температуры окружающей среды на 1 °С. При линейной зависимости емкости
от температуры конденсаторы разделяют на группы, каждая из которых характеризу-
ется своим значением ТКЕ. В случае нелинейной зависимости температурную стабиль-
ность емкости конденсатора характеризуют относительным изменением емкости при
переходе от нормальной температуры (±20 °С) к предельным значениям рабочих тем-
ператур. В табл. 2.2.7 приведены условные обозначения и характеристики основных
групп ТКЕ с нормируемыми и ненормируемыми значениями ТКЕ.
Например, полное условное обозначение К73-15-160В-0,33 мкФ±10 %-В ОЖ0.
461.107ТУ определяет полиэрилентерефталатный конденс&тор постоянной емкости
(К73) с порядковым номером разработки 15 на номинальное напряжение 160 В, номи-
нальной емкостью 0,33 мкФ и допускаемым отклонением ±10 %, всеклиматического
исполнения (В), поставляемого по ОЖ0.461.107ТУ.
Таблица 2.2.7
Характеристики температурной стабильности емкости
Обозначение
групп ТКЕ |
Номинальное
значение ТКЕ
(х10-6/°С) |
Обозначение
групп ТКЕ
Допускаемое
изменение ем-
кости, %, в ин-
тервале темпе-
ратур от -60
до +85 °С
Конденсаторы с нормируемым ТКЕ
П100
+100
П60
+60
пзз
+33
МПО
0
мзз
-33
|М47
-47
М75
-75
М150
-150
М220
-220
М330|М470
-330
1-470
М750
-750
М1500
-1500
М2200
-2200
Конденсаторы с ненормируемым ТКЕ
1 НЮ
±10
Н20 1
±20
нзо
±30
Н50 1
±50
Н70
±70
Н90
±90
Маркировка конденсаторов осуществляется в соответствии с ГОСТ 28883-90 и реко-
мендациями МЭК буквенно-цифровым способом и заключается в нанесении на корпус
марки конденсатора, значений номинального напряжения и емкости, допустимого от-
клонения емкости, группы ТКЕ и даты изготовления. Для конденсаторов малых раз-
меров обычно применяют сокращенную маркировку с использованием кодированных
обозначений. Незащищенные конденсаторы не маркируются, а их характеристики
указывают на упаковке.
Коды номинального напряжения, наносимые на корпус конденсатора в виде букв
латинского алфавита, приведены в табл. 2.2.8.
Кодированное обозначение номинальных емкостей состоит из трех или четырех
знаков, причем буква кода из латинского или греческого алфавита обозначает мно-
житель, составляющий емкость, и определяет положение запятой десятичного знака:
F— 1; т — 10"3; ц— 10"6; п — 10~9;р — 10"12. Например, надписир15, 10/>, 1д5, 100ц,
2р2 обозначают 0,15 пФ, 10 пФ, 1,5 нФ, 100 мкФ и 2,2 мкФ соответственно.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
75
Номиналь-
ное напря-
жение
1,0
1,6
2,5
3,2
4,0
Код
/
R
М
А
С
Код
Номиналь-
ное напря-
жение
6,3
10
16
20
25
для маркировки
Код
В
D
Е
F
G
Номиналь-
ное напря-
жение
32
40
50
63
80
[ напряжении
Код
Н
S
J
к
L
Номиналь-
ное напря-
жение
100
125
160
200
250
Код
N
Р
Q
Z
W
Таблица 2.2.8
Номиналь-
ное напря-
жение
315
350
400
450
500
Код
X
Т
Y
и
V
Код допускаемого симметричного отклонения емкости от номинального значения
маркируется буквами латинского алфавита по аналогии с резисторами в соответствии
с табл. 2.2.2. !
Кодировка группы ТКЕ также осуществляется с использованием букв латинского
алфавита согласно табл. 2.2.9, а кодированное обозначение даты изготовления конден-
саторов маркируется таким же образом, как и у резисторов (см. табл. 2.2.3).
Код маркировки ТКЕ
Таблица 2.2.9
Группа ТКЕ
П100 (П120)
П60
ПЗЗ
МПО
мзз
Код
А
G
N
С
Н
Группа ТКЕ
М47
М75
М150
М220
МЗЗО
Код
М
L
Р
R
S
Группа ТКЕ
М470
М750 (М700)
М1500 (М1300)
М2200
М3300
Код
т
и
V
к
Y
Группа ТКЕ
НЮ
Н20
НЗО
Н50
Н70
Н90
Код
В
Z
D
Е
X
F
Например, сокращенная буквенно-цифровая маркировка на конденсаторе 47pKV
обозначает номинальную емкость 47 пФ с допускаемым отклонением ±10 % и темпе-
ратурной нестабильностью группы М1500. Надпись m20KJ определяет конденсатор
емкостью 200 мкФ с допуском 10 % на 50 В.
Для маркировки миниатюрных конденсаторов широко используется цветовая ко-
дировка, которую выполняют по ГОСТ 26192-84 для обозначения номинальной емко-
сти и ее допустимого отклонения, номинального напряжения от 1,6 до 63 В и группы
ТКЕ (см. табл. 2.2.10). Маркировку наносят в виде цветных точек или полосок. Необ-
ходимо заметить, что в случае кодирования группы ТКЕ двумя цветами второй цвет
может быть представлен цветом корпуса конденсатора.
Цветовая маркировка конденсаторов зарубежного производства подобна мар-
кировке отечественных конденсаторов [16], однако для исключения ошибок состав
маркируемых параметров, форму, порядок, ориентацию и место размещения марки-
ровочных знаков необходимо уточнять в государственных стандартах, технических
условиях и упаковочных листах на конденсаторы конкретных типов.
2.2.3. Трансформаторы и дроссели
Трансформатором называется электрорадиоизделие, предназначенное для получе-
ния различных по амплитуде и мощности переменных напряжений. В бытовых и про-
мышленных ЭС наибольшее распространение получили трансформаторы малой мощ-
ности с выходной мощностью до 4 кВА [15].

76
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 2.2.10
Цветовые коды маркировки конденсаторов
Цветовой код
черный
коричневый
красный
оранжевый
желтый
зеленый
голубой
фиолетовый
серый
белый
серебристый
золотистый
красный с фиолетовым
голубой с красным
оранжевый с оранжевым
желтый с оранжевым
оранжевый с черным
оранжевый с красным
оранжевый с зеленым
оранжевый с голубым
оранжевый с фиолетовым
оранжевый с белым
Номинальная
емкость, пФ
Первая
и вторая
цифры
10
12
15
18
22
27
33
39
47
56
68
82
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Множи-
тель
1
10
102
103
ю4
ю5
106
ю7
Ю-2
ю1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Допускаемое
отклонение
емкости
±20 %
±1%
±2%
±0,25 пФ
±0,5 пФ
±5%
±1пФ
-20...+50%
-20...+80%
±10 %
—
—
~ \
—
—
—
—
—
—
—
—
эяда Е12
Номинальное
напряжение,
В
4Д)
6,3
10,0
16,0
40
25,0 или 20,0
32,0 или 30,0
1 50
3,2
63
2,5
1,6
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Группа
ТКЕ
мпо
мзз
М75
М150
М220
МЗЗО
М470
М750
ПЗЗ
—
—
—
пюо
М47
М1500
М2200
НЮ
Н20
НЗО
Н50
Н70
Н90
Трансформаторы классифицируют по различным признакам.
1. По функциональному назначению трансформаторы подразделяются на транс-
форматоры питания (силовые), согласующие и импульсные.
2. По рабочей частоте выделяют трансформаторы пониженной частоты (до 50 Гц),
промышленной частоты (50 Гц), повышенной промышленной частоты (400, 1000 Гц),
повышенной частоты (до 10 000 Гц) и высокочастотные (свыше 10 000 Гц).
3. По электрическому напряжению различают низковольтные трансформаторы,
у которых напряжение любой обмотки не превышает 1000 В, и высоковольтные транс-
форматоры, у которых напряжение на контактах любой из обмоток может быть свыше
1000 В.
4. По числу обмоток трансформаторы делят на одно-, двух- и многообмоточные.
Трансформатор с одной обмоткой называется автотрансформатором, гальванической
развязки между входной и выходной цепью у него нет. Двухобмоточный трансформа-
тор имеет первичную и вторичную обмотки. У многообмоточных трансформаторов есть
несколько вторичных обмоток.
5. По виду используемого магнитного сердечника выделяют трансформаторы с
пластинчатым, ленточным и прессованным сердечниками. Пластинчатый сердечник
(рис. 2.2.6, а) состоит из набора штампованных тонких (до 0,65 мм) одинаковых пла-

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
77
стин. Ленточный сердечник (рис. 2.2.6, б) с толщиной ленты до 0,1 мм представляет
собой витую конструкцию, а прессованный сердечник (рис. 2.2.6, в) получают из маг-
нитных порошков путем прессования. Наиболее предпочтительными являются, лен-
точные и прессованные сердечники, позволяющие эффективнее использовать свойства
магнитных материалов. Прессованные сердечники — самые дешевые по сравнению с
остальными, однако, они имеют свои недостатки: существенную зависимость индук-
ции от температуры, пропитки и заливки обмоток, а также подверженность механи-
ческим воздействиям. Прессованные сердечники применяются в высокочастотных
трансформаторах.
Рис. 2.2.6. Типы трансформаторных сердечников: а — пластинчатый;
б — ленточный; в — прессованный^
6. По конструктивному исполнению различают броневые, стержневые и тороидаль-
ные трансформаторы. Магнитопровод броневого трансформатора (рис. 2.2.7) выполня-
ется либо из Ш-образных пластин, либо из четырех ленточных полуколец с располо-
жением всех обмоток на среднем стержне. Достоинства броневых трансформаторов:
наличие одной катушки, высокое заполнение окна магнитопровода и частичная за-
щита катушки от механических повреждений.
Рис. 2.2.7. Конструкции магнитопровода броневого трансформатора:
а — из Ш-образных пластин; б — из ленточных полуколец

78
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Магнитопровод стержневого трансформатора изготавливают либо из П-образных
пластин, либо из двух ленточных полуколец, как показано на рис. 2.2.8.
Рис. 2.2.8. Конструкции магнитопровода стержневого трансформатора:
а — из П-образных пластин; б — из двух ленточных полуколец
Катушки располагаются на обоих стержнях, на каждом из которых помещается
половина витков первичной и вторичной обмоток, соединенных между собой последо-
вательно так, чтобы намагничивающие силы совпадали по направлению. Достоинство
стержневых трансформаторов — меньшая чувствительность к внешним магнитным
полям, а недостаток — наличие двух катушек. Для установки на магнитопроводы бро-
невых и стержневых трансформаторов катушек с обмотками конструкция магнито-
провод ов выполняется разборной.
На рис. 2.2.9 приведены У ГО некоторых разновидностей^ррансформаторов.
Рис. 2.2.9. Условно-графические обозначения трансформаторов: а — с одной
первичной и одной вторичной обмотками; б — с отводом от середины вторич-
ной обмотки; в — с двумя вторичными обмотками; г — автотрансформатор
однофазный; д — дроссель
Действующая система обозначения унифицированных трансформаторов питания
(УТП) включает в себя следующие элементы:
• первый — буква русского алфавита Т (трансформатор);
• второй — одна или две буквы, указывающие назначение трансформатора (А —
трансформатор питания анодных цепей, Н — накальных цепей, АН — анодно-
накальных цепей, ПП — для питания полупроводниковых устройств, С — сило-
вой для питания аппаратуры);

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
79
• третий — число, обозначающее порядковый номер разработки;
• четвертый — число, определяющее номинальное напряжение питания;
• пятый — число, показывающее рабочую частоту;
• шестой — буква или сочетание букв, определяющих вид климатического испол-
нения.
Например, запись ТА24-127/220-50-УХЛ обозначает трансформатор питания анод-
ных цепей с порядковым номером разработки 24, рассчитанный на напряжения 127 и
220 В частоты 50 Гц, изготовленный для эксплуатации в макроклиматических райо-
нах с умеренным и холодным климатом.
На рис. 2.2.10 показан вариант конструктивного исполнения броневых УТП, а на
рис. 2.2 Л1 — стержневых УТП.
L .. 1
Рис. 2.2.10. Конструкция броневых трансформаторов ТА, ТН, ТАН и ТПП:
1 — лента; 2 — магнитопровод из Ш-образных пластин; 3 — обойма;
4 — катушка.
Рис. 2.2.11. Конструкция стержневых трансформаторов ТА и ТАН:
1 — лента; 2 — катушка; 3 — шпилька; 4 — ленточный магнитопровод;
5 — винт; 6 — скоба

80
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Следует отметить, что климатическое исполнение и мощность определяют массу,
габаритные и присоединительные размеры трансформатора. Так, у трансформатора
УТП исполнения В габаритные размеры несколько больше, чем для исполнения УХ Л.
Система обозначения входных согласующих трансформаторов включает в себя сле-
дующие элементы:
• первый — буква Т;
• второй — сочетание букв ВТ (входной для устройств на транзисторах);
• третий — порядковый номер разработки.
Например: ТВТ-7 — входной согласующий трансформатор для согласования
устройств на транзисторах с номером разработки 7.
Магнитопровод трансформаторов ТВТ имеет броневую конструкцию. Трансформа-
торы монтируются на печатной плате путем распайки выводов без дополнительного
крепежа. Выводы трансформаторов расположены на боковой стороне в два ряда, нуме-
рация выводов осуществляется по часовой стрелке со стороны монтажа. Первый вывод
расположен в левом верхнем углу и маркирован красной точкой. Конструкция транс-
форматоров предусматривает их эксплуатацию во всех макроклиматических районах.
На рис. 2.2.12 приведен вариант конструктивного исполнения входных согласующих
трансформаторов.
Рис. 2.2.12. Конструкция трансформаторов ТВТ
Межкаскадные согласующие трансформаторы обозначаются следующим образом:
• первый элемент обозначения — буква Т;
• второй элемент — буква М и число (или только число). Буква М (миниатюрные)
вводится для обозначения трансформаторов с мощностью до 10 мВт. Числовое
значение после буквы М у миниатюрных трансформаторов означает мощность
в мВт, а число после буквы Т у остальных трансформаторов — мощность в Вт;
• третий элемент — порядковый номер разработки.
Например: ТМ10-55 — миниатюрный межкаскадный согласующий трансформатор
мощностью 10 мВт, порядковый номер разработки 55.
Конструкция трансформаторов предусматривает их эксплуатацию во всех видах
климата, магнитопроводы изготавливают на броневых сердечниках. Трансформаторы
типов ТМ2 и ТМ5 крепятся к печатной плате путем распайки выводов, их конструк-
тивное исполнение аналогично трансформаторам ТВТ, а остальные межкаскадные
согласующие трансформаторы имеют дополнительные отверстия для крепления вин-
тами, как показано на рис. 2.2.13.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
81
Рис. 2.2.13. Конструкция межкаскадных согласующих трансформаторов
Система обозначения выходных согласующих трансформаторов состоит из следую-
щих элементов:
• первый — буква Т;
• второй — сочетание букв ОТ (оконечный для транзисторных устройств);
• третий — порядковый номер разработки.
Например, обозначение ТОТ-35 означает выходной согласующий трансформатор
для транзисторных устройств с номером разработки 35.
Конструкция трансформаторов ТОТ аналогична рассмотренным выше трансфор-
маторам ТВТ и ТМ и предусматривает эксплуатацию во всех макроклиматических
районах.
Для импульсных малогабаритных трансформаторов предусмотрены следующие
обозначения:
• первый элемент — буква Т;
• второй элемент — буква И или сочетание букв ИМ. Буква И (импульсный) исполь-
зуется для обозначения трансформаторов на длительность импульсов от 0,5 мкс
до 100 мкс, а буквы ИМ — на длительность импульсов от 0,02 мкс до 100 мкс;
• третий элемент — порядковый номер разработки.
Например: ТИ-101 — трансформатор импульсный на длительность импульсов
от 0,5 до 100 мкс, порядковый номер разработки 101; ТИМ-241 — трансформатор им-
пульсный на длительность импульсов от 0,02 мкс до 100 мкс, порядковый номер раз-
работки 241.
Конструкция трансформаторов предусматривает их установку на печатную плату и
крепление пайкой выводов к печатным проводникам. Общее число выводов — восемь.
Выводы расположены по окружности, первый вывод удлинен на 2 мм и дополнительно
маркирован краской. Сердечниками импульсных трансформаторов являются пермал-
лоевые и ферритовые кольца. Трансформаторы изготавливаются в цилиндрических
металлических корпусах (рис. 2.2.14), в исполнении, пригодном для эксплуатации во
всех макроклиматических районах.
Для дросселей в конструкторской документации приводится полное условное обо-
значение, которое состоит из слова «дроссель», сокращенного обозначения в виде
буквы Д, порядкового номера, числа, указывающего индуктивность обмотки при

82
Конструирование узлов и устройств электронных средств
номинальном токе в генри, и числа, указывающего номинальный ток подмагничива-
ния в амперах. Например: дроссель Д8-0, 08-0*56.
Рис. 2.2.14. Конструкция импульсных трансформаторов ТИ и ТИМ
Магнитопроводы низкочастотных дросселей выполняются на броневых сердечни-
ках, высокочастотных — на пермаллоевых и ферритовых кольцах. Конструкция низ-
кочастотных дросселей подобна рассмотренной для броневых трансформаторов пита-
ния. Дроссели изготавливаются в исполнении, пригодном для эксплуатации в районах
с умеренно-холодным типом климата, а также во всеклиматическом исполнении.
В соответствии с ГОСТ 18685-73, ГОСТ 20938-75, а также ГОСТ 17596-72, устанав-
ливающими терминологию и определяющими основные параметры трансформаторов,
важнейшими параметрами трансформаторов являются следующие.
Для трансформаторов питания:
• номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора t/x;
• частота питающей сети /;
• номинальный ток первичной обмотки трансформатора /х;
• напряжение вторичной обмотки трансформатора £/2;
• ток вторичной обмотки трансформатора /2;
• напряжение холостого хода трансформатора U0 (напряжение на любой разомкну-
той вторичной обмотке при номинальных значениях частоты и напряжения на
первичной обмотке);
• номинальная мощность трансформатора Рн (сумма мощностей вторичных обмо-
ток);
• коэффициент трансформации п (отношение напряжений на первичной и вторич-
ной обмотках на холостом ходу).
На согласующие трансформаторы вводятся дополнительные параметры:
• полоса воспроизводимых частот AF;
• входное и выходное сопротивления RBX и Двых; ч
• индуктивность первичной обмотки Li;
• сопротивления обмоток постоянному току;
• коэффициент нелинейных искажений на граничных частотах полосы пропуска-
ния Кн.
На согласующие трансформаторы, используемые в качестве выходных, дополни-
тельно указывается коэффициент полезного действия.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
83
Номинальная мощность низкочастотных согласующих трансформаторов Рн выби-
рается из следующего ряда стандартных значений: 0,001; 0,002; 0,004; 0,008; 0,016;
0,032; 0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2; 4: 6,3; 10; 16; 25 ВА.
Коэффициент трансформации низкочастотных согласующих трансформаторов п
выбирается из следующего ряда: 0,012; 0,018; 0,025; 0,035; 0,05; 0,07; 0,1; 0,12; 0,14;
0,17; 0,2; 0,24; 0,28; 0,34; 0,4; 0,48; 0,56; 0,67; 0,8; 0,85; 1,0; 1,05; 1,25; 1,5; 1,8; 2,1;
2,5; 3,0; 3,5; 4,2; 5,0; 6,0; 7,0; 8,5; 10,0; 14,0; 20,0; 28,0.
Для низкочастотных согласующих трансформаторов указываются также значения
номинальных сопротивлений нагрузки, на которые рассчитаны трансформаторы. Эти
значения сопротивлений выбираются из ряда 2,0; 2,2; 3,2; 4,0; 6,3; 8,0; 9,0; 10,0; 12,5;
16,0; 18,0; 25,0; 30,0; 36,0; 50,0; 70,0; 100,0; 140,0; 200,0; 280,0; 400,0; 560,0; 600,0;
800,0 Ом, и ряда 1,1; 1,6; 2,2; 3,2; 4,5; 6,3; 9,0; 12,5; 18,0; 25,0; 36,0; 50,0; 70,0; 100,0;
140,0; 200,0; 280,0; 400,0; 560,0 кОм.
Допустимые сочетания номинального сопротивления нагрузки и коэффициента
трансформации установлены ГОСТ 17596-72. Общая характеристика этого сочетания
такова: чем больше коэффициент трансформации, тем на большую величину нагрузки
рассчитан трансформатор.
Для импульсных трансформаторов основными параметрами являются:
• длительность импульса ти;
• амплитуда импульса на первичной обмотке U\\
• частота следования импульсов F;
• длительность фронта выходного импульса т, и др.
Кроме электрических параметров трансформаторы и дроссели характеризуются
рядом эксплуатационных и других параметров (габариты, масса, температура окру-
жающей среды, наработка на отказ и др.).
Маркировка трансформаторов и дросселей заключается в нанесении на катушке
полного условного обозначения, знака предприятия-изготовителя, даты изготовления
и нумерации выводов обмотки.
К настоящему времени сложилась определенная система общих требований по при-
менению трансформаторов в проектируемых ЭС. Рассмотрим наиболее важные поло-
жения этих требований [15].
Трансформаторы, по сравнению с большинством других ЭРИ, характеризуются
значительной массой, которая в зависимости от типа трансформатора может состав-
лять от десятков граммов до нескольких килограммов, поэтому установка трансфор-
матора должна производиться на шасси или плату тем большей массы, чем больше
масса трансформатора. При этом место расположения трансформатора должно обеспе-
чивать хорошую конвекцию воздуха и быть удалено от мощных источников тепла. От-
вод тепла от трансформатора должен производиться через перфорационные отверстия
в корпусе блока. Для надежного крепления трансформаторов нужно применять фик-
сирующие элементы для предотвращения самоотвинчивания винтов и гаек.
При подключении трансформатора необходимо использовать гибкие изолирован-
ные многожильные провода, диаметр жилы которых должен быть рассчитан на про-
хождение максимально допустимых токов через обмотки. Перед запайкой проводники
закрепляют за выводы путем пропускания проводов через отверстия в выводах и по-
следующей закруткой. После припайки на вывод и часть провода надевается изоляци-
онная трубка.
Ток, протекающий через нагрузку, подключенную к вторичной обмотке, не должен
превышать максимально допустимой величины /доп, поэтому для защиты вторичных
обмоток от перегрузок целесообразно применять предохранители, рассчитанные на ве-
личину тока, не превышающую значение /доп.

84
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В процессе работы трансформаторов необходимо следить за строгим соблюдением
условий эксплуатации, особенно за температурой нагрева, которая для всех типов
трансформаторов не должна превышать +55 °С.
2.2.4. Коммутационные устройства с магнитным управлением
Коммутационные устройства (КУ) представляют собой ЭРИ, обладающие свойством
замыкать (размыкать) электрические цепи за счет изменения электрического сопро-
тивления контактов. КУ предназначены для переключения электрических цепей в бы-
товых и специальных ЭС различного назначения [15].
К КУ с магнитным управлением относятся электромагнитные реле и магнитоуправ-
ляемые герметические контакты (герконы).
Электромагнитными реле (далее реле) называются ЭРИ, предназначенные для
скачкообразной коммутации электрических цепей. Упрощенно реле состоит из трех
основных частей, как показано на рис. 2.2.15: электромагнита 1, преобразующего
электроэнергию в энергию магнитного поля, якоря 2 с противодействующей пружиной
для преобразования энергии магнитного поля в механическую энергию перемещения
якоря и электрических контактов 3, осуществляющих переключение электрических
цепей.
Рис. 2.2.15. Устройство электромагнитного реле
Электромагнитные реле классифицируют по ряду следующих признаков.
1. По назначению различают пусковые, максимальные, минимальные реле, а также
реле времени. Пусковые реле включаются с помощью кнопок с пультов управления.
Максимальное реле отключает электрическую цепь при превышении заданного зна-
чения напряжения (тока) в этой цепи. Минимальное реле отключает электрическую
цепь при уменьшении заданного значения напряжения (тока) в этой цепи. Реле вре-
мени создает требуемую выдержку времени, по истечении которой замыкает или раз-
мыкает управляемую цепь.
2. По времени срабатывания tcp различают безынерционное (*ср меньше 1 мс), бы-
стродействующее (£ср от 5 до 50 мс), нормальное (tcp от 50 до 150 мс) и замедленное (tcp
от 150 до 1000 мс) реле.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
85
3. По мощности коммутации выделяют реле малой (до 1 Вт), средней (от 1 до 10 Вт)
и большой (свыше 10 Вт) мощности.
4. По принципу действия различают реле постоянного тока, срабатывание которого
не зависит от направления тока в обмотке, и поляризованное реле, для срабатывания
которого ток через обмотку должен протекать в определенном направлении.
5. По возможности возврата в прежнее состояние после отключения реле разделяют
на од нестабильные и двухстабильные. Одностабильное реле, изменив свое состояние
после подачи напряжения на обмотку, возвращается в прежнее положение при отклю-
чении напряжения. Двухстабильное реле после отключения напряжения не возвраща-
ется в исходное положение.
6. По количеству обмоток реле делят на одно-, двух- и многообмоточные.
7. По числу контактных групп различают реле с одной, двумя или несколькими
группами.
8. По виду контактов реле подразделяют на замыкающие, размыкающие, переклю-
чающие, а также их сочетания.
9. По конструктивному исполнению различают завальцованное, герметичное, не-
герметичное, открытое, зачехленное, пылебрызгозащищенное, с герметизированными
и герметичными контактами (герконовое) реле.
10. По способу монтажа реле бывают для навесного и печатного монтажа.
На рис. 2.2.16 показан внешний вид широко распространенных электромагнитных
реле типов РЭС9, РЭС10 и РЭС49, а на рис. 2.2.17 — их УГО.
Рис. 2.2.17. Условно-графические обозначения электромагнитных реле:
а — РЭС9, б — РЭС10, в — РЭС49
Рис. 2.2.16. Внешний вид различных реле постоянного тока

86
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В соответствии с действующей системой обозначений сокращенное условное обо-
значение, присваиваемое реле, состоит из следующих элементов:
• первый — три буквы, указывающие на принцип действия (РЭС — реле постоян-
ного тока, РПС — реле поляризованное);
• второй — регистрационный номер разработки.
Полное условное обозначение реле включает в себя:
• сокращенное обозначение;
• основные параметры;
• документ на поставку.
Основными параметрами реле являются [15]:
1. Напряжение срабатывания С7ср — минимальное напряжение, поданное на ка-
тушку реле, при котором происходит замыкание (размыкание) его контактов.
2. Напряжение отпускания 1/отп — максимальное напряжение на катушке реле,
при котором происходит возвращение контактов в исходное положение. Напряжение
отпускания меньше напряжения срабатывания.
3. Рабочее напряжение С/раб — напряжение в обмотке реле, при котором происходит
надежное удержание контактов после срабатывания в заданных условиях эксплуата-
ции. Рабочее напряжение больше напряжения срабатывания.
4. Время срабатывания tcp — интервал времени от момента подачи напряжения на
обмотку реле до первого касания замыкающим контактом неподвижного контакта.
5. Время отпускания toru — интервал времени от момента снятия напряжения с об-
мотки реле до момента размыкания контакта.
6. Сопротивление обмотки реле постоянному току Добм-
7. Сопротивление электрических контактов RK.
8. Максимальная коммутируемая мощность Рк.
9. Диапазон коммутируемых токов А/к.
10. Диапазон коммутируемых напряжений С/к.
11. Диапазон частот коммутируемых напряжений Мик
12. Максимальное число коммутаций п.
13. Время непрерывного нахождения обмотки реле под током £7.
14. Значения механических и климатических эксплуатационных показателей, при
которых реле сохраняет свою работоспособность без ухудшения параметров (интервал
температур, атмосферное давление, относительная влажность, вибропрочность, ви-
броустойчивость, ударная прочность и др.).
15. Срок службы и хранения.
Основные параметры реле указываются в паспорте. Номер паспорта состоит из не-
скольких групп буквенно-цифровых знаков. Первая группа включает в себя набор
букв и цифр, а вторая и третья группы представляют собой трехзначные числа.
Например, обозначение РЭС9 РС4.524.205 РС0.452.042ТУ определяет электромаг-
нитное реле постоянного тока завал ьцованное, двухпозиционное, од нестабильное, для
коммутации цепей постоянного и переменного тока частотой от 50 до 1100 Гц. В техни-
ческих условиях РС0.452.042ТУ, в упаковочных листах или в справочной литературе
для паспорта РС4.524.205 приводятся значения основных параметров реле.
Маркировка реле заключается в нанесении на корпус полного условного обозначе-
ния, знака предприятия-изготовителя, даты изготовления и знака приемки ОТК или
заказчика. Если позволяют размеры корпуса, то наносится также схема подключения
реле. Для обеспечения правильной идентификации выводов малогабаритных реле слу-
жит ключ в виде цветной точки, метки, выступа, и т. п., указывающий на первый вы-
вод. У реле с большими габаритами выводы нумеруются. На рис. 2.2.18 приведен об-
разец маркировки малогабаритного реле типа РЭС49.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
87
Рис. 2.2.18. Маркировка электромагнитного реле
Электромагнитные реле являются сложными ЭРИ, поэтому необходимо придержи-
ваться ряда рекомендаций по выбору и использованию реле в конструкциях ЭС [15].
Колебания температуры и атмосферного давления окружающей среды приводят
к изменениям электрических параметров реле. При очень низких температурах воз-
можно обледенение контактов и конденсация влаги. При очень низких давлениях воз-
можна ионизация воздушного промежутка и его пробой. Для обеспечения надежной
работы реле на крайних значениях диапазонов температур и давления рабочее напря-
жение должно быть наибольшим.
Рабочее напряжение и электрическое сопротивление обмотки позволяют опреде-
лить мощность, выделяемую в обмотке: Робм = ^Раб/Д>бм- Обычно мощность в обмотке
лежит в пределах от долей до нескольких Вт.
Напряжение срабатывания определяет чувствительность реле, т. е. способность
срабатывать при определенном значении мощности, подаваемой в обмотку. При этом
напряжении реле должно переключать все контакты. Однако для удержания контак-
тов в этом положении нужно подавать в обмотку рабочее напряжение.
По напряжению отпускания судят о способности реле к возвращению в исходное со-
стояние. Для реле постоянного тока напряжение отпускания в несколько раз меньше
напряжения срабатывания.
Времена срабатывания и отпускания являются одними из важнейших параметров
реле. Эти два параметра характеризуют быстродействие реле, т. е. способность за ко^
роткое время переключать электрические цепи. По быстродействию все типы реле зна-
чительно уступают электронным ключам, однако в тех случаях, когда быстродействие
не имеет особого значения, применение реле дает существенные преимущества (воз-
можность одновременного переключения нескольких цепей, коммутация цепей пере-
менного тока, дистанционное управление цепями и др.). С увеличением числа витков,
а значит, и сопротивления обмотки, магнитодвижущая сила срабатывания увеличива-
ется, чувствительность реле повышается, и, соответственно, уменьшается время сра-
батывания.
При значительных токах, протекающих через контакты реле, происходит их нагрев
и снижение механической прочности материала контактов, поэтому для уменьшения
сопротивления контактов их поверхности покрываются специальными материалами.
Для коммутации токов свыше 100 мА применяются реле с контактами из материа-
лов: ПЛИ-10, Ср999, СрМгН-99, СМгНСрКд86-14, СрМгНЦр-99, ПДЦРХр-1 (буквы
кода материалов указывают наличие в нем определенных химических элементов:
Знак предприятия-изготовителя
Тип реле
Знаки приёмки заказчиком
Ключ-
Дата изготовления •
Паспорт реле •

88
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ПЛ — палладий, Ср — серебро, Мг — марганец, Н — никель, Кд — кадмий, Хр — хром
и т. д.). Наименьшее сопротивление и износ имеют контакты из золота и его сплавов.
При выборе реле надо стремиться найти такое, у которого сопротивление контактов
наименьшее.
При одном и том же максимальном числе коммутаций, что определяется коммути-
руемой мощностью, с ростом допускаемых коммутируемых токов допускаемое комму-
тируемое напряжение меньше. С ростом же коммутируемой мощности максимальное
число коммутаций уменьшается, что обусловлено усилением эрозии контактов. При
одинаковом значении тока максимальное число коммутаций контактов, работающих в
цепи переменного тока, выше, чем у контактов, работающих в цепи постоянного тока.
Это объясняется тем, что переменный ток меняет полярность с определенной частотой,
и поэтому дуга, возникающая в процессе переключения с такой же частотой, гаснет и
снова возникает, и тем самым создаются более благоприятные условия для коммута-
ции. Различные экземпляры или группы одного и того же типа реле могут иметь раз-
личные коммутируемые токи и напряжения при одном и том же максимальном числе
коммутаций. Это нужно учитывать при выборе реле. Имея заданное максимальное
число коммутаций, вначале рассматривают все коммутационные способности одного
типа реле, а уже затем переходят к следующему. Выбор реле по коммутационным спо-
собностям производится таким образом, чтобы удовлетворялись одновременно три
требования: коммутируемый ток должен находиться в диапазоне допускаемых комму-
тируемых токов, коммутируемое напряжение должно находиться в диапазоне допуска-
емых коммутируемых напряжений и максимальное число коммутаций должно быть
не меньше заданной величины. При выборе реле возможны случаи, когда указанным
трем требованиям удовлетворяют многие типы реле, тогда оптимальным вариантом
будет тот, в котором максимальное число коммутаций будет наибольшим. Изменение
условий эксплуатации реле приводит к изменению их коммутационных способностей.
Так, с ростом температуры максимальное число коммутаций уменьшается.
Время непрерывной работы реле под нагрузкой определяет продолжительность ра-
боты реле при включенной обмотке. Для реле постоянного тока время непрерывного
нахождения обмотки под нагрузкой составляет порядка нескольких сотен часов. От-
клонение параметров окружающей среды от номинальных значений существенно вли-
яет на время непрерывного нахождения обмотки под нагрузкой. С ростом температуры
и уменьшением атмосферного давления время непрерывного нахождения обмотки под
нагрузкой должно быть меньше. При выборе реле по времени непрерывной работы об-
мотки под нагрузкой руководствуются условиями работы реле в конкретной аппара-
туре согласно ГОСТ 16019-2001 и ГОСТ 15150-69.
Срок службы реле определяется максимальным числом и частотой коммутаций и
может колебаться в широких пределах.
Для большинства реле диапазон окружающей температуры, внутри которого нор-
мально функционируют реле, — от -60 до +80...-1-100 °С. За пределами указанного диа-
пазона температур эксплуатация реле недопустима. Использование реле вне пределов
диапазона атмосферного давления также должно быть исключено. Для большинства
реле возможна их работа при очень низких давлениях (порядка 10~4...10~6 Па), неко-
торые реле, особенно герконовые, выдерживают давление, в 2-3 раза превышающее
нормальное атмосферное. Все реле нормально функционируют при относительной
влажности, не превышающей 98 % при температуре +35 °С.
Монтаж реле производится или с помощью дополнительных крепежных элементов,
или непосредственно пайкой на печатную плату, при этом реле нельзя располагать
вблизи мощных источников электромагнитных полей, таких как трансформаторы и
дроссели.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
89
При выборе типа реле необходимо также учитывать особенности объекта уста-
новки ЭС. Например, ЭС, устанавливаемые на подвижных объектах, имеют значи-
тельно более жесткие требования по вибропрочности, виброустойчивости и ударным
воздействиям, чем стационарная аппаратура.
В различных ЭС широко используются магнитоуправляемые герметические кон-
такты (герконы) в конструкциях реле, датчиков неэлектрических величин, тумблеров,
концевых выключателей, клавишных переключателей, кнопок и др. Герметизация
контактов позволила повысить надежность коммутации и стабильность сопротивле-
ния контактов, а малые размеры подвижных частей — существенно повысить быстро-
действие [15].
Герконы классифицируют по ряду следующих признаков.
1. По типу коммутации выделяют замыкающие (рис. 2.2.19, а) и переключающие
(рис. 2.2.19, б) герконы.
а б
\
Рис. 2.2.19. Конструкция герконов: а — замыкающий: 1,4 — выводы; 2 — сте-
клянный баллон; 3 — контакты; б — переключающий: 1,5 — выводы; 2 — сте-
клянный баллон; 3 — неподвижные контакты; 4 — подвижный контакт
2. По состоянию поверхности контактов различают сухие и жидкостные (ртут-
ные) герконы. Внутри баллона сухих герконов находятся инертные газы, азот, водо-
род и др. Контакты представляют собой ферромагнитные пружины. В баллоне ртут-
ных герконов имеется капля ртути, которая, поднимаясь по капиллярам, смачивает
рабочие поверхности контактов, что обеспечивает малое и стабильное сопротивление.
Внутренний объем таких герконов, как правило, заполняется водородом под высоким
давлением. К недостаткам ртутных герконов можно отнести сравнительно высокую
стоимость, а также то, что они рассчитаны на работу в определенном, чаще всего в вер-
тикальном, положении, а минимальная температура окружающей среды не должна
быть ниже -39 °С, т. е. температуры замерзания ртути.
3. По конструкции в зависимости от длины баллона различают стандартные гер-
коны с длиной баллона до 50 мм, промежуточные (36 мм), миниатюрные (20 мм)
и сверхминиатюрные (10 мм). Габаритными размерами геркона являются длина, диа-
метр баллона и общая длина с выводами.
4. По назначению герконы подразделяются на маломощные (коммутируемая мощ-
ность до 60 Вт) и повышенной мощности (до 1000 Вт), низко- и высокочастотные, низ-
ковольтные (коммутируемое напряжение до 250 В) и высоковольтные (свыше 250 В),
а также герконы с «памятью», измерительные и специальные (например, с повышен-
ной устойчивостью к внешним факторам и характеру нагрузки).
На рис. 2.2.20 показан внешний вид миниатюрного маломощного низковольтного
сухого замыкающего геркона.
Полное условное обозначение герконов включает в себя шесть элементов:
• первый — сочетание букв, определяющих условное наименование геркона (МК —
магнитоуправляемый контакт герметизированный, КЭМ — контакт электромаг-

90
Конструирование узлов и устройств электронных средств
нитный, КМГ — контакт магнитоуправляемый с повышенным контактным на-
жатием для коммутации токов свыше 5 А);
Рис. 2.2.20. Внешний вид геркона
• второй элемент указывает на тип коммутации геркона (А — замыкающий, В —
размыкающий, С — перекидной, Д — переходной);
• третий элемент — буква Р (только для ртутных герконов);
• четвертый элемент — двузначное число, обозначающее длину баллона в милли-
метрах;
• пятый элемент показывает функциональное назначение геркона (1 — малой и
средней мощности, 2 — повышенной мощности, 3 — мощные, 4 — высоковольт-
ные, 5 — высокочастотные, 6 — «с памятью», 7 — специальные, 8 — измеритель-
ные). В обозначении пятого элемента могут указываться один или два признака,
например, повышенной мощности (цифра 2) и измерительные (цифра 8). В этом
случае цифры располагаются в порядке возрастания (28). Герконы, характери-
зующиеся одним признаком, обозначаются цифрой, после которой добавляется
ноль;
• шестой элемент обозначения — порядковый номер разработки.
Например, МКА-10103 — геркон замыкающий, сухой, сверхминиатюрный с дли-
ной баллона 10 мм, малой и средней мощности, порядковый номер разработки 3;
МКДР-45281 — геркон переходной, ртутный, с длиной баллона 45 мм, измерительный
повышенной мощности, порядковый номер разработки 1.
К основным параметрами герконов относят следующие [15]:
1. Магнитодвижущую силу (МДС) срабатывания.
2. Время срабатывания £ср.
3. Время отпускания £отп.
4. Допускаемый коммутируемый ток JK, напряжение UK и мощность Рк.
5. Электрическое сопротивление контактов 1^.
6. Электрическую прочность изоляции С/пр.
7. Максимальное число срабатываний п.
8. Максимальную частоту коммутации /.
9. Значения механических и климатических эксплуатационных показателей, при
которых геркон сохраняет работоспособность без ухудшения своих параметров (интер-
вал температур, атмосферное давление, относительная влажность, вибропрочность,
виброустойчивость, ударная прочность и др.).
10. Габаритные размеры, масса.
11. Срок службы и хранения.
Магнитодвижущая сила срабатывания зависит от конструктивных особенностей
контактного зазора, механических и магнитных свойств контактных деталей, тол-
щины контактного покрытия и т. д. МДС срабатывания для сверхминиатюрных гер-

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
91
конов лежит в пределах 10...30 ампер-витков, для мощных герконов эта величина со-
ставляет несколько сотен. Значение МДС позволяет выбрать число витков катушки
электромагнита, надеваемой на геркон: W = МДС//, где W — число витков, а / — ток
в катушке.
Время срабатывания геркона tcp складывается из времени замыкания, составляю-
щего порядка 0,2...1,8мс, и времени вибрации порядка 0,1...1,2мс, а время отпуска-
ния tOTn обычно лежит в пределах 0,1...0,7 мс.
Максимальная коммутируемая герконом мощность Рк определяется допустимой
температурой нагрева контактов, числом коммутаций и условиями окружающей
среды. Для маломощных герконов Рк находится в пределах 1...50 Вт, у герконов повы-
шенной мощности — до 250 Вт.
Верхние значения величин коммутируемых напряжений и токов также ограничи-
ваются. Максимальный коммутируемый ток /к, длительное время пропускаемый че-
рез контакты, не должен приводить к их слипанию и другим отказам. Максимальное
коммутируемое напряжение UK ограничивается электрическим пробоем разомкну-
тых контактов. Использование герконов одновременно с максимальными значениями
коммутируемых токов и напряжений недопустимо, так как при этом коммутируемая
мощность во много раз превышает максимально допустимую.
Электрическое сопротивление контактов RK состоит из сопротивления контакт-
контакт и переходного сопротивления контактов. Достоинством герконов является
высокая стабильность сопротивления, что обусловлено герметизацией контактов. Вы-
бор геркона производят таким образом, чтобы при выполнении всех других требова-
ний сопротивление JRK было наименьшим.
Электрическая прочность изоляции геркона — это максимальное значение элек-
трического напряжения С/пр, которое может быть приложено к электрическим контак-
там, не вызывая газового пробоя. Электрическая прочность изоляции зависит от рас-
стояния между контактами, их формы, материала, состояния поверхности баллона,
а также состава наполняющего газа и его давления. Электрическая прочность в не-
сколько раз больше максимального коммутируемого напряжения.
Максимальное число срабатываний (коммутаций) п ограничивается появлением
необратимых процессов на поверхности контактов, других деталях, на стекле баллона,
спае стекла с выводами и т. п. Максимальное число срабатываний является средней
величиной с большим разбросом. Максимальное число срабатываний существенно за-
висит от вида нагрузок в коммутируемой цепи. При индуктивной нагрузке, особенно
в режиме размыкания, возникают значительные перенапряжения, в результате чего
между контактами образуются разряды, значительно снижающие износоустойчивость
герконов. Ёмкостная нагрузка, особенно в режиме замыкания, дает большие «броски»
токов, часто приводящие к слипанию контактов. Броски токов характерны также при
коммутации ламп накаливания. На максимальное число срабатываний оказывает
также значительное влияние температура окружающей среды. При различной тем-
пературе скорость протекания физико-химических процессов в зоне соприкосновения
контактов и внутри баллона разная. По этой причине износостойкость геркона меня-
ется, поэтому для надежной работы ЭС надо выбирать герконы с максимально возмож-
ным числом коммутаций.
Частота коммутаций герконов / определяет предельные возможности переключе-
ний в цикле замыкание-размыкание и зависит в основном от времени срабатывания £ср.
Чем меньше £ср, тем больше частота коммутаций. Для большинства герконов верхний
предел частоты коммутаций колеблется в пределах 20 < / < 100 Гц. Невысокую частоту
коммутации (/<50Гц) имеют ртутные герконы, некоторые замыкающие герконы
больших размеров имеют еще меньшую величину частоты коммутаций (/=20 Гц).

92
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При известной частоте коммутационных циклов можно вычислить срок службы гер-
кона. При непрерывной работе геркона в режиме переключения сигнала с частотой /
срок службы геркона в часах составит Т = /г/3600/ . Следовательно, последовательный
коммутационный цикл замыкание-размыкание с большой частотой переключений
резко сокращает срок службы геркона.
При установке герконов в ЭС, размещаемых на подвижных объектах, и в ЭС, под-
верженных вибрациям, необходимо обязательно учитывать параметры, характеризу-
ющие вибрационные и ударные нагрузки, чтобы исключить сбой в работе герконов.
Температура окружающей среды оказывает влияние на геометрические размеры
деталей геркона, а также на механические характеристики, магнитные и электриче-
ские свойства этих деталей. Все это в итоге приводит к уменьшению надежности герко-
нов. Для большинства герконов диапазон температур нормального функционирования
составляет -60...+125 °С. Для ртутных герконов нижний предел диапазона температур
ограничен температурой замерзания ртути.
Управление герконами можно осуществлять с помощью постоянных магнитов, кату-
шек возбуждения или их комбинаций. Постоянный магнит располагается параллельно
оси геркона, он может быть плоским и кольцевым. При продольном перемещении по-
стоянного магнита контакты геркона замыкаются. Системой геркон-магнит можно
управлять с помощью подвижного экрана, размещаемого между герконом и магнитом.
Этот способ используется для размыкания контакта. Управление герконами с помощью
катушек возбуждения производится за счет образования магнитных потоков при про-
текании тока в этих катушках. Катушка одевается на баллон геркона и экранируется.
Наряду с магнитным полем, создаваемым катушкой возбуждения, используются допол-
нительные магнитные поля постоянных магнитов, встроенных в катушку.
При эксплуатации и монтаже герконов изгибать выводы следует на расстоянии
от баллона не менее 1 см, изгиб вывода допускается не более чем на 90°, отрезать вы-
воды надо аккуратно, так, чтобы не произошло растрескивание стеклянного баллона.
При использовании ртутного геркона необходимо строго выдерживать рекомендуемое
установочное положение, нужно также осторожно обращаться с капсулой, наполнен-
ной ртутью. Если при неаккуратном обращении разобьется капсула с ртутью, то ртуть
надо тщательно собрать и утилизировать.
2.2.5. Коммутационные устройства с механическим управлением
К коммутационным устройствам с механическим управлением относятся микропе-
реключатели и КУ с ручным управлением — кнопки и переключатели. Все КУ предна-
значены для замыкания или размыкания электрических цепей в аппаратуре различ-
ного назначения [15].
У выпускаемого промышленностью широкого спектра коммутационных устройств
имеются контакты различного типа (или их совокупность), поэтому система их
условно-графических обозначений имеет ряд особенностей. На рис. 2.2.21 представ-
лены УГО некоторых контактных элементов КУ в соответствии с ГОСТ 2.755-87 и
ГОСТ 2.721-74.
На рис. 2.2.22 показаны отдельные разновидности наиболее распространенных КУ
с механическим управлением.
Микропереключатели (рис. 2.2.22, а) применяются в качестве исполнительных
устройств дистанционного управления, а также в качестве базовых элементов в кон-
струкциях кнопок, кнопочных, клавишных и других переключателей. Механизм ми-
кропереключателя обеспечивает быстрое переключение его контактов независимо от
скорости перемещения приводного элемента.

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
93
Рис. 2.2.21. Условно-графические обозначения контактов: а — контакт замы-
кающий; б, в — контакты размыкающие; г, д — контакты переключающие;
е — контакт замыкающий с самовозвратом; ж — контакт размыкающий
с самовозвратом; з — контакт замыкающий нажимного кнопочного выклю-
чателя с автоматическим размыканием и возвратом элемента управления;
и — контакт замыкающий нажимного кнопочного выключателя с размыка-
нием повторным нажатием кнопки; к — контакт размыкающий нажимного
кнопочного выключателя с автоматическим замыканием и возвратом эле-
мента управления; л — выключатель трехполюсный с замыкающими контак-
тами, соединенными механической связью; м — выключатель трехполюсный с
двумя замыкающими и одним размыкающим контактами, соединенными ме-
ханической связью; н — переключатель однополюсный шестипозиционный
Рис. 2.2.22. Внешний вид КУ с механическим управлением: а — микропереклю-
чатель МП 1-1; б—перекидной микропереключатель МТ1; в — движковый
микропереключатель ПДМ 1-1; г — перекидной переключатель ТП1-2; д — ком-
мутационная кнопка НАЗ.604.019; е — кнопочный переключатель П2К;
ж — малогабаритный поворотный переключатель И2Г-3

94
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Классификация микропереключателей ведется по ряду признаков.
1. По принципу действия микропереключатели делятся на обычные и с магнито-
управляемыми контактами.
2. По принципу коммутации выделяют выключатели и переключатели.
3. По числу контактов различают однополюсные и двухполюсные микропереклю-
чатели.
4. По конструктивному исполнению микропереключатели подразделяются на ми-
кроминиатюрные, миниатюрные, малогабаритные и обычные.
5. По степени защиты от внешних воздействий микропереключатели бывают гер-
метичными и негерметичными.
Сокращенная система обозначения микропереключателей включает в себя следую-
щие элементы:
• первый — буква, указывающая на схему коммутации (П — переключатель, В —
выключатель);
• второй — буква М (микропереключатель);
• третий — совокупность букв, обозначающая тип контакта (МК — магнитоуправ-
ляемые контакты) или конструктивного исполнения (МГ — малогабаритный);
• четвертый — число, показывающее порядковый номер разработки;
• пятый — число, указывающее номер типа данной разработки;
• шестой элемент — буква В (всеклиматическое исполнение).
Для микропереключателей ранних разработок первые два элемента обозначения
имели сочетание букв МП.
Полное условное обозначение состоит из сокращенного обозначения и указания до-
кумента на поставку.
Примеры обозначений: ПМ2-1В — микропереключатель, порядковый номер разра-
ботки 2, номер типа разработки 1, всеклиматического исполнения; МП1-1В — микро-
переключатель, порядковый номер разработки 1, номер типа разработки 1, всеклима-
тического исполнения.
К основным параметрам микропереключателей относят [15]:
1. Максимальное коммутируемое напряжение С/к.
2. Максимальный коммутируемый ток /к.
3. Мощность коммутации Рк.
4. Максимальное число коммутаций п.
5. Диапазоны температур окружающей среды и атмосферного давления; макси-
мальную относительную влажность и др.
6. Габаритные размеры и масса, тип приводного элемента и др.
7. Срок службы и хранения.
Коммутационные возможности микропереключателей выше, чем у герконов, при
этом значение тока JK достигает 10 А, а максимальное значение переменного напряже-
ния UK для всех микропереключателей составляет 250 В.
По числу переключений п микропереключатели уступают магнитоуправляемым
контактам примерно на порядок, т. е. п = 104...106.
Требования к условиям эксплуатации микропереключателей нежесткие. Нижний
предел температуры окружающей среды для большинства микропереключателей со-
ставляет -60 °С, а верхний предел температуры достигает +125 °С. Вибрации, ускоре-
ния и удары приводят к снижению износоустойчивости микропереключателей.
Рекомендации по применению микропереключателей сводятся к следующему
[15]. В первую очередь, их нужно использовать в качестве исполнительных устройств
перемещающихся частей механизмов. Например, в конце хода или поворота детали
механизма специальное нажимное устройство давит на приводной элемент микропе-

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
95
реключателя и отключает цепь питания механизма, включая систему сигнализации
этого состояния. Поэтому микропереключатели широко используются в устройствах,
фиксирующих открытие или закрытие люков, дверей, крышек, перемещение одних
объектов относительно других.
Установка микропереключателей должна производиться на строго определенном
месте относительно внешнего механизма, при этом необходимо точно выдержать рас-
стояния, обеспечивающие ход приводного элемента. Для предотвращения деформаций
корпуса микропереключателя при затяжке винтов следует прокладывать металличе-
скую пластину между корпусом и головкой винта.
Как уже отмечалось выше, микропереключатели часто используются в качестве
базовых элементов различных КУ ручного управления, которые предназначены для
коммутации электрических цепей с помощью ручного привода. Радиоэлектронная
промышленность выпускает широкую номенклатуру КУ ручного управления различ-
ного назначения, и их классификация ведется по различным признакам [15].
1. По способу управления приводным механизмом КУ подразделяются на нажим-
ные — кнопочные (рис. 2.2.22, ду е), перекидные — тумблеры (рис. 2.2.22, б, г), движ-
ковые (рис. 2.2.22, в) и поворотные — галетные и барабанные (рис. 2.2.22, ж).
2. В зависимости от скорости перехода из одного состояния в другое КУ бывают
мгновенного и обычного действия. К КУ мгновенного действия относятся кнопки и
тумблеры на базе микропереключателей.
3. По частоте сигналов в коммутируемых цепях различают низкочастотные и высо-
кочастотные КУ.
4. По степени защиты от влияния окружающей среды выделяют пылебрызгозащи-
щенные и герметичные КУ на базе герконов.
Следует отметить, что каждый из способов управления имеет свои достоинства и
недостатки. Например, с точки зрения оперативности и удобства работы пользова-
теля наиболее предпочтительно нажимное управление, однако при этом усложняются
устройства надежной фиксации кнопок в определенных положениях, и возникает по-
требность в средствах индикации состояния кнопок и в специальной защите от слу-
чайного нажатия кнопок. При перекидном способе управления в тумблерах обеспе-
чивается более надежная фиксация положения приводного механизма, а индикация
состояния определяется положением рычага. Недостатками перекидного способа яв-
ляются значительные усилия на рычаг для перевода тумблера из одного положения в
другое, а также малое число положений при переключении (не более трех). Наиболь-
шее число фиксированных положений реализуется при поворотном способе управле-
ния в галетных и барабанных переключателях, особенности конструкции которых
обеспечивают малое и стабильное сопротивление контактов. При движковом способе
управления надежная фиксация переключателя обеспечивается в двух положениях.
Движковые переключатели удобно применять в ЭС, у которых выступающая часть
приводного механизма должна быть малой.
Сокращенная система условных обозначений КУ с ручным управлением включает
в себя следующие элементы:
• первый — буква (В — выключатель, П — переключатель);
• второй — буква или сочетание букв, указывающих на способ управления (КН —
кнопка, Т — тумблер, ГГ — поворотный галетный переключатель с гетинаксо-
выми платами, ГК — поворотный галетный переключатель с керамическими пла-
тами, Д — движковый и т. д.;
• третий — порядковый номер разработки;
• четвертый — номер типа конструктивного исполнения.
В полном условном обозначении указывается также документ на поставку.

96 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Некоторые типы переключателей обозначаются несколько иначе (или по-другому),
эти отличия от рассмотренной системы обозначений указаны в справочной литера-
туре, технических условиях и упаковочных листах. Так, в частности, система услов-
ного обозначения коммутационных и командных кнопок подобна системе обозначений
реле, а ряд перекидных и поворотных переключателей обозначаются согласно старой
системе обозначений.
Приведем примеры. Обозначение П2ГЗ-11П14Н ЦЕ0.360.016ТУ означает пере-
ключатель галетный на 11 положений и 14 направлений, поставляемый по документу
ЦЕ0.360.016ТУ. Как видно, это обозначение имеет некоторые отличия от рекомендуе-
мой системы. Другое ЭРИ, обозначенное записью ПТ57 АГ0.360.053ТУ, определяется
как перекидной переключатель — тумблер с порядковым номером разработки 5, типа
конструктивного исполнения 7 и документом на поставку АГ0.360.053ТУ. Эта запись
выполнена полностью в соответствии с рассмотренной системой условных обозна-
чений.
К основным параметрам КУ ручного управления относят следующие [15]:
1. Число положений переключения;
2. Способ фиксации;
3. Диапазон коммутируемых напряжений;
4. Диапазон коммутируемых токов;
5. Максимальная коммутируемая мощность;
6. Сопротивление электрических контактов;
7. Максимальное число переключений;
8. Электрическая прочность изоляции;
9. Климатические и механические эксплуатационные показатели;
10. Габаритные размеры, масса и др.
Установка КУ ручного управления в аппаратуру проводится в специально выпол-
ненные в панели отверстия (прорези) с последующей фиксацией крепежными элемен-
тами, при этом следует обеспечить защиту от самопроизвольного раскручивания кре-
пежа [15].
Если на панели расположено несколько однотипных КУ, то они должны разли-
чаться по форме, размерам и цвету приводных элементов. Начальное расположение
таких ЭРИ необходимо ориентировать с использованием графических изображений и
поясняющих надписей, указывающих на положение приводного органа и на соответ-
ствующие коммутируемые параметры.
Приводные элементы любых КУ обязательно должны изолироваться от корпуса,
наибольшее внимание при этом следует уделять КУ, коммутирующим электрические
цепи с напряжением свыше 36 В.
Вопросы для контроля
1. Какие электрорадиоизделия относят к группе пассивных элементов?
2. Как осуществляют классификацию резисторов?
3. Как обозначаются резисторы в КД на изделие в соответствии с действующей си-
стемой условных обозначений?
4. Какие параметры резисторов считаются наиболее важными?
5. Какие маркировочные знаки наносят на корпуса резисторов при буквенно-
цифровой и цветовой маркировке?
6. По каким признакам осуществляется классификация конденсаторов?
7. Как обозначаются конденсаторы в конструкторской документации?
8. Какие параметры конденсаторов являются наиболее важными?

Глава 2.2. Пассивные электрорадиоизделия
97
9. Как выполняют маркировку конденсаторов?
10. Как осуществляется классификация трансформаторов?
11. Какие типы магнитопроводов используются в конструкциях трансформаторов?
12. Как обозначаются различные типы унифицированных трансформаторов в КД на
изделие?
13. Какие основные параметры характеризуют трансформаторы?
14. Как осуществляется маркировка трансформаторов?
15. В чем заключаются особенности применения трансформаторов в конструк-
циях ЭС?
16. Какие ЭРИ относят к КУ с магнитным управлением?
17. В чем заключается принцип работы электромагнитного реле?
18. Как осуществляется классификация реле?
19. Как обозначают реле в конструкторской документации?
20. Какие основные параметры реле являются наиболее важными?
21. Как выполняют маркировку реле?
22. Каких рекомендаций необходимо придерживаться при установке реле в аппара-
туру?
23. На чем основан принцип функционирования геркона?
24. По каким признакам классифицируют герконы?
25. Как обозначаются герконы в КД на изделие?
26. Какие основные параметры определяют характеристики герконов?
27. В чем состоят основные требования к выбору и монтажу герконов?
28. Какие ЭРИ относят к КУ с механическим управлением?
29. По каким признакам классифицируют микропереключатели?
30. Как обозначаются микропереключатели в КД на изделие?
31. Какие параметры микропереключателей наиболее значимы?
32. Как осуществляют классификацию КУ с ручным управлением?
33. Как обозначаются КУ с ручным управлением в КД?
34. Какие параметры определяют свойства КУ с ручным управлением?
35. Каковы общие рекомендации по выбору и использованию всех типов КУ с меха-
ническим управлением?

Глава 2.3
АКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЯ
Диоды, транзисторы, тиристоры, ИМС, знакосинтезирующие индикаторы и не-
которые другие ЭРИ образуют большую группу активных элементов, основным свой-
ством которых является выполнение различных операций (усиление, преобразование,
детектирование сигнала и др.) с использованием дополнительных источников элек-
трической энергии.
2.3.1. Полупроводниковые диоды
Согласно ГОСТ 15133-77, диодом называют полупроводниковый прибор с одним
электрическим переходом и двумя выводами, обладающий несимметричной вольтам-
перной характеристикой и предназначенный для выпрямления переменного тока,
детектирования сигналов и др. В качестве выпрямляющего электрического пере-
хода, как правило, используется электронно-дырочный переход или контакт металл-
полупроводник. В диоде с электронно-дырочным переходом, кроме выпрямляющего
электрического перехода, имеются два невыпрямляющих перехода, через которые
р- и n-области диода соединяются с выводами. У диода с выпрямляющим электриче-
ским переходом в виде контакта металл-полупроводник, всего один невыпрямляющий
переход. Выпрямляющий переход характеризуется нелинейностью вольтамперной
характеристики, явлениями ударной ионизации и туннелирования носителей заряда
сквозь потенциальный барьер, а также барьерной емкостью. Эти свойства выпрямляю-
щего перехода используют для создания различных видов полупроводниковых диодов.
Полупроводниковые диоды классифицируются по различным признакам [17-19].
1. В зависимости от назначения диоды подразделяют на выпрямительные, высоко-
частотные, импульсные, универсальные, светоизлучающие, туннельные, а также ста-
билитроны, стабисторы, варикапы, тиристоры и др. [16-19]. Выпрямительные диоды
предназначены для выпрямления переменного тока низкой (до 50 кГц) частоты. Вы-
сокочастотные диоды служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот,
а также для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований сиг-
налов. Основное назначение импульсных диодов — преобразование импульсных сиг-
налов, например, в детекторах видеосигналов, ключевых и логических схемах. Уни-
версальные диоды обладают характеристиками, которые позволяют их использовать
в различных режимах, однако по своим параметрам они проигрывают специальным
группам диодов. Светоизлучающий диод (светодиод) предназначен для непосред-

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
99
ственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптиче-
ского излучения. В зависимости от выбранного материала и ширины запрещенной
зоны полупроводника излучение может лежать в видимой, инфракрасной или уль-
трафиолетовой областях спектра. Светодиоды используют в качестве световых инди-
каторов, осветительных приборов, источников излучения в оптоэлектронных парах
и устройствах автоматики. Туннельный диод выполняется на основе вырожденного
полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтам-
перной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифферен-
циальной проводимости. Это свойство позволяет использовать диод в усилителях и ге-
нераторах, а также в различных импульсных устройствах. Стабилитрон представляет
собой полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной
точностью при протекании через него тока в заданном диапазоне и предназначен для
стабилизации напряжения. У стабилитрона рабочим является пробойный участок
вольтамперной характеристики в области обратных напряжений, а у стабисторов —
прямой участок вольтамперной характеристики. Принцип работы варикапа основан
на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Варикапы исполь-
зуются в качестве элементов с управляемой электрической емкостью в устройствах
автоподстройки частоты, генераторах, гетеродинах с электронной перестройкой ча-
стоты. Тиристором называют полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми со-
стояниями, имеющий три или более перехода и обладающий способностью переклю-
чаться из открытого состояния в закрытое и наоборот. Тиристор, имеющий выводы
только анода и катода, называется диодным тиристором или динистором. При повы-
шении напряжения на динисторе до определенного значения ток через прибор резко
возрастает и динистор открывается. Если у тиристора имеется дополнительный вывод
от одного из средних слоев (управляющий электрод), то такой прибор называется три-
одным тиристором или тринистором. Тринистор способен переключаться из откры-
того состояния в закрытое при подаче сигнала отрицательной полярности на управ-
ляющий электрод. Симметричным триодным тиристором (симистором) называют
полупроводниковый прибор с пятислойной структурой, отпирание которого произво-
дится посредством сигналов управления, а запирание — снятием разности потенциа-
лов между силовыми электродами или изменением их полярности. Различные виды
тиристоров широко применяются в устройствах автоматики в качестве электронных
ключей, обладающих по сравнению с электромагнитными реле более высоким бы-
стродействием и повышенной надежностью.
2. В зависимости от способа защиты от внешних факторов различают неизолиро-
ванные диоды, не предусматривающие касания своим корпусом токоведущих и токо-
проводящих частей ЭС, изолированные диоды, имеющие специальное изоляционное
покрытие либо корпус, изготовленный из диэлектрического материала, и герметич-
ные диоды, полностью исключающие воздействие окружающей среды на полупрово-
дниковый кристалл.
3. По способу монтажа выделяют диоды для навесного, печатного монтажа и для
микросборок.
4. По площадир-п перехода различают плоскостные, у которых линейные размеры,
определяющие площадь перехода, значительно больше его толщины, и точечные диоды,
все размеры электрического перехода которых меньше характеристической длины,
определяющей физические процессы в переходе и окружающих его областях.
5. По материалу полупроводникового кристалла различают диоды на основе соеди-
нений германия, кремния, галлия и индия.
В качестве примера на рис. 2.3.1 представлен внешний вид различных диодов,
на рис. 2.3.2 показано конструктивное оформление точечного диода в стеклянном

100
Конструирование узлов и устройств электронных средств
корпусе, а на рис. 2.3.3 приведены условно-графические обозначения по ГОСТ 2.730-73
для некоторых разновидностей диодов.
Рис. 2.3.1. Внешний вид различных диодов: а — универсальные низкочастот-
ные плоскостные и точечные диоды; б — стабилитроны; в — выпрямительные
диоды; г — выпрямительный блок; д — тиристор триодный; е — светоизлуча-
ющие диоды
Рис. 2.3.2. Вариант конструктивного исполнения точечного диода
В соответствии с действующей системой обозначений по ОСТ 11.336.919-81 сокра-
щенное условное обозначение, присваиваемое отечественным диодам, должно состоять
из следующих элементов:
• первый — буква (при приемке ОТК) или цифра (при приемке заказчиком), обо-
значающая материал (Г или 1 — для германия, К или 2 — для кремния, А или
3 — для арсенида галлия, И или 4 — для соединений индия);
• второй — буква, определяющая группу приборов (табл. 2.3.1);
• третий — число, указывающее основные электрические параметры прибора
(табл. 2.3.2);

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
101
четвертый — число от 1 до 999, показывающее порядковый номер разработки
данного прибора (для стабилитронов и стабисторов четвертый элемент обозначе-
ния показывает значение номинального напряжения стабилизации);
пятый — буква русского алфавита (кроме 3, Ё, О, Ч, Ш, Щ, Ъ, Ы, Ь, Э, Ю, Я),
определяющая разброс параметров полупроводниковых приборов, изготовлен-
ных по единой технологии.
Рис. 2.3.3. Условно-графические обозначения некоторых диодов: а — диод;
б — стабилитрон; в — варикап; г — светодиод; д — тиристор триодный
с управлением по катоду; е — туннельный диод
Таблица 2.3.1
Второй элемент условного обозначения диодов
Второй элемент
обозначения
А
В
Г
д
и
л
н
о
с
У
1 ц
Расшифровка элемента
Сверхвысокочастотные диоды
Варикапы
Генераторы шума
Диоды выпрямительные и импульсные
Диоды туннельные
Приборы излучающие оптоэлектронные
Тиристоры диодные
Оптопары диодные
Стабилитроны и стабисторы
Тиристоры триодные
Выпрямительные столбы, блоки, сборки
Таблица 2.3.2
Третий элемент условного обозначения диодов
Группа
1
А
Третий элемент
обозначения
2
1
2
3
4
5
6
Расшифровка элемента
3
Сверхвысокочастотные диоды:
— смесительные;
— детекторные;
— усилительные;
— параметрические;
— переключательные и ограничительные;
— у множительные и настроечные;

102
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Продолжение таблицы 2.3.2
Группа
1
В
Г
Д
и
л
н
о
Третий элемент
обозначения
2
7
8
1
2
1
2
1
2
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
7
1
2
Р
Д
У
т
Расшифровка элемента
3
— генераторные;
— импульсные. |
Варикапы:
— подстроенные;
— умножите л ьные. |
Генераторы шума:
— низкочастотные;
— высокочастотные. |
Диоды выпрямительные со средним значением прямого
тока:
— до 0,3 А;
— 0,3...10А.
Диоды импульсные с временем восстановления обратного
сопротивления:
— до 500 не;
— 150... 500 не;
— 30... 150 не;
— 5...30 не;
— 1...5 не.
— диоды импульсные с эффективным временем жизни нео-
сновных носителей заряда менее 1 не.
Диоды туннельные:
— усилительные;
— генераторные;
— переключательные;
— обращенные.
Источники инфракрасного излучения:
— диоды излучающие;
— модули излучающие.
Приборы визуального представления информации:
— диоды светоизлучающие;
— индикаторы знаковые;
— табло знаковые;
— шкалы;
— экраны.
Тиристоры диодные с максимальным значением прямого
тока:
— до 0,3 А;
— 0,3...10А.
Оптроны:
— резисторные;
— диодные;
— тиристорные;
— транзисторные.

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
103
Окончание таблицы 2.3.2
Группа
1
с
У
ц
Третий элемент
обозначения
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
7
3
4
8
5
6
9
1
2
3
4
Расшифровка элемента
3
Стабилитроны мощностью до 0,3 Вт:
— с номинальным напряжением стабилизации до 10 В;
— с номинальным напряжением стабилизации 10... 100 В;
— с номинальным напряжением стабилизации свыше 100 В.
Стабилитроны мощностью 0,3...5 Вт:
— с номинальным напряжением стабилизации доЮ В;
— с номинальным напряжением стабилизации 10... 100 В;
— с номинальным напряжением стабилизации свыше 100 В.
Стабилитроны мощностью 5...10 Вт:
с номинальным напряжением стабилизации до 10 В;
— с номинальным напряжением стабилизации 10... 100 В;
— с номинальным напряжением стабилизации свыше 100 В.
Тиристоры триодные незапираемые с максимально
допустимым значением тока в открытом состоянии:
— среднего тока до 0,3 А, импульсного тока до 15 А;
— среднего тока 0,3...10 А, импульсного тока 15...100 А;
— среднего тока свыше 10 А, импульсного тока более 100 А.
Тиристоры триодные запираемые с максимально
допустимым значением тока в открытом состоянии:
— среднего тока до 0,3 А, импульсного тока до 15 А;
— среднего тока 0,3... 10 А, импульсного тока 15... 100 А;
— среднего тока свыше 10 А, импульсного тока более 100 А.
Тиристоры триодные симметричные с максимально
допустимым значением тока в открытом состоянии:
— среднего тока до 0,3 А, импульсного тока до 15 А;
— среднего тока 0,3...10 А, импульсного тока 15...100 А;
— среднего тока свыше 10 А, импульсного тока более 100 А.
Столбы выпрямительные со средним значением прямого
тока:
— до 0,3 А;
— 0,3...10А.
Блоки выпрямительные со средним значением прямого
тока:
— до 0,3 А;
— 0,3...10А.
Полное условное обозначение полупроводникового диода состоит из сокращенного
обозначения и указания документа на поставку.
Следует заметить, что после второго элемента обозначения для указания наборов
однотипных приборов в общем корпусе вводится буква С, для импульсных тиристо-
ров — буква И, а для СВЧ приборов с парным подбором добавляется буква Р после по-
следнего элемента условного обозначения.
Например, обозначение 2Д202Р УЖЗ.362.035 ТУ определяет кремниевый вы-
прямительный диод с приемкой заказчика, значением прямого тока в пределах
от 0,3 до 10 А, номером разработки 02 и разбраковкой по параметрам Р, поставляе-
мый по УЖЗ.362.035 ТУ. Запись КУ202Н УЖЗ.362.022 ТУ обозначает кремние-
вый триодный незапираемый тиристор с приемкой ОТК, максимально допустимым

104
Конструирование узлов и устройств электронных средств
значением среднего тока в открытом состоянии от 0,3 до 10 А, импульсного тока от 15
до 100 А, номером разработки 01, группой разбросов параметров Н, поставляемый по
УЖЗ.362.022 ТУ. Обозначению 2С147А СМ3.362.805ТУ соответствует кремниевый
стабилитрон мощностью до 0,3 Вт с приемкой заказчика, напряжением стабилизации
4,7 В и разновидностью А, поставляемый по документу СМ3.362.805ТУ.
Разработанный до 1964 г. ряд полупроводниковых диодов можно встретить при
сервисном обслуживании и ремонте старой аппаратуры, кроме того, некоторые
типы таких диодов еще выпускаются промышленностью и применяются не только
при ремонте устаревших ЭС, но и в новых разработках. В обозначениях этих дио-
дов первый элемент (буква Д) определяет весь класс полупроводниковых диодов
[18]. Второй элемент (число) указывает назначение прибора: от 1 до 100 — точечный
германиевый диод, от 101 до 200 — точечный кремниевый диод, от 201 до 300 — пло-
скостной кремниевый диод, от 301 до 400 — плоскостной германиевый диод, от 401
до 500 — смесительный СВЧ детектор, от 501 до 600 — умножительный диод, от 601
до 700 — видео детектор, от 701 до 749 — параметрический германиевый диод, от 750
до 800 — параметрический кремниевый диод, от 801 до 900 — стабилитрон, от 901
до 950 — варикап, от 951 до 1000 — туннельный диод, от 1001 до 1100 — выпрями-
тельный столб. Третий элемент (буква русского алфавита) характеризует разновид-
ность прибора по параметрам.
Например: Д815Б — стабилитрон разновидности Б, Д608А — видеодетектор с груп-
пой разброса параметров А, Д237Ж — плоскостной кремниевый диод с разбраковкой
по параметрам Ж.
Маркировка полупроводниковых диодов, если позволяют их габаритные размеры,
выполняется буквенно-цифровым кодом и заключается в нанесении на корпус марки
прибора, обозначения выводов и даты изготовления. Однако в настоящее время выпу-
скается большое количество миниатюрных и сверхминиатюрных диодов, на которые
буквенно-цифровую маркировку нанести трудно или невозможно. В таких случаях
осуществляют маркирование цветовым кодом в виде полос и точек, расположенных,
как правило, у анода. При этом цветовой код, с помощью которого маркируется опре-
деленный тип диода, устанавливается разработчиком или производителем диода, а его
расшифровка приводится в технических условиях, справочниках, на бирках и упако-
вочных листах. На рис. 2.3.2 показан диод Д9Ж, маркированный цветовым кодом.
Цвет полосы (зеленый) определяет марку диода, а расположение полосы указывает на
положительный вывод (анод) прибора.
В европейских странах широко используется система обозначений полупроводни-
ковых приборов Pro Electron, разработанная международной организацией Association
International Pro Electron. В этой системе принят буквенно-цифровой код, содержа-
щий две буквы и три цифры для полупроводниковых приборов широкого применения,
предназначенных для бытовой аппаратуры, и три бук^ы и две цифры для полупрово-
дниковых приборов, применяемых в ЭС специального назначения [16].
У полупроводниковых приборов широкого применения за первыми двумя буквами
следует трехзначный порядковый номер от 100 до 999. У полупроводниковых прибо-
ров специального назначения третья буква устанавливается в обратном порядке, за ко-
торой следует двухзначный порядковый номер от 10 до 99.
Если в одном корпусе собрано несколько идентичных приборов, например, сборка
транзисторов, то обозначение производится как единичного прибора, а когда в одном
корпусе размещены различные полупроводниковые приборы, то в обозначении в каче-
стве второй буквы используется буква G.
В соответствии с системой Pro Electron, условное обозначение состоит из следую-
щих элементов:

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
105
• первый — буква, обозначающая материал полупроводникового кристалла: А —
германий, В — кремний, С — арсенид галлия, D — сплавы на основе индия, R —
другие полупроводниковые материалы;
• второй — буква, устанавливающая функциональное назначение полупрово-
дникового прибора: А — диоды общего назначения, В — варикапы, С — транзи-
сторы маломощные низкочастотные, D — транзисторы мощные низкочастотные,
Е — диоды туннельные, F — транзисторы мощные низкочастотные, G — сборки
приборов, Н — магниточувствительные диоды, К — приборы на основе эффекта
Холла, L — транзисторы мощные высокочастотные, Р — фотодиоды, фототран-
зисторы, Q — светоизлучающие приборы, R — приборы, работающие в области
пробоя, S — транзисторы переключающие маломощные, Т — тиристоры, регу-
лирующие и переключающие мощные приборы; U — транзисторы мощные пере-
ключающие, X — диоды умножительные, У — диоды выпрямительные мощные,
Z — стабилитроны;
• третий элемент — буква, определяющая изготовителя.
Для стабилитронов, мощных выпрямительных диодов и тиристоров к основному
обозначению через дефис или через дробь добавляются дополнительные сведения.
Так, для выпрямительных диодов указывается максимальное амплитудное значение
обратного напряжения, а для тиристоров указывается меньшее из значений допускае-
мых напряжений, максимальное амплитудное значение обратного напряжения или
максимальное напряжение включения. У мощных выпрямительных диодов и тири-
сторов в конце обозначения иногда ставят букву R, указывающую на соединение анода
с корпусом.
В обозначениях стабилитрона после буквенно-цифрового обозначения типа буквен-
ным кодом указывается допускаемое отклонение напряжения пробоя и номинальное
напряжение стабилизации. Для обозначения допускаемого отклонения напряжения
пробоя используются следующие буквы: А (для отклонения ±1 % ); В (±2 % ); С (±5 % );
D (±10%); Е (±15%). Номинальное напряжение стабилизации указывается через
символ V, который используется в качестве децимальной запятой.
В качестве примера рассмотрим несколько обозначений полупроводниковых при-
боров по системе Pro Electron. Запись АА113 означает германиевый диод общего назна-
чения с регистрационным порядковым номером 113; обозначение BZY88C6V8 опреде-
ляет кремниевый стабилитрон для специальной аппаратуры (имеется третья буква У)
с регистрационным номером 88, допускаемым отклонением напряжения стабили-
зации ±5 %, на номинальное напряжение стабилизации 6,8 В. Обозначению BTY79-
400Д соответствует кремниевый тиристор для специальных ЭС с регистрационным
номером 79, максимальным амплитудным значением обратного напряжения 400 В и
анодом, соединенным с корпусом.
Основными общими электрическими параметрами всех видов полупроводниковых
диодов являются:
1. Постоянное прямое напряжение Uup — значение напряжения, обусловленное по-
стоянным прямым током диода.
2. Импульсное прямое напряжение [/дР — наибольшее мгновенное значение С/пр,
обусловленное импульсным прямым током диода.
3. Постоянное обратное напряжение С/^ — значение напряжения, приложенное к
диоду в обратном направлении.
4. Импульсное обратное напряжение C7q6p — наибольшее мгновенное значение С/обр»
обусловленное импульсным обратным током диода.
5. Пробивное напряжение С/проб — значение С/обр» вызывающее пробой перехода
диода.

106
Конструирование узлов и устройств электронных средств
6. Постоянный прямой ток /пр — значение тока, протекающего через диод в прямом
направлении.
7. Импульсный прямой ток /дР — максимальное мгновенное значение /пр.
8. Постоянный обратный ток i^p — значение тока, протекающего через диод в об-
ратном направлении при заданном С/0бр»
9. Импульсный обратный ток /q6p — наибольшее мгновенное значение /обр.
10. Прямая рассеиваемая мощность Рпр — значение мощности, рассеиваемой дио-
дом при протекании /пр.
11. Время обратного восстановления диода tJl™ — время переключения диода с за-
данного /пр на заданное [/обр от момента прохождения тока через нулевое значение до
момента достижения i^p заданной величины.
В зависимости от назначения диода выделяется ряд специфических параметров.
Так, для варикапов одним из основных специальных параметров является значение
его общей емкости при заданном Uo6p, а для стабилитронов и стабисторов — значения
напряжения UCT и тока /ст стабилизации.
При проектировании ЭС выбор конкретного типа диода осуществляется в соответ-
ствии с его основными параметрами. Например, при разработке выпрямителя вни-
мание следует уделить таким параметрам диода, как обратное напряжение, прямой
ток и прямая рассеиваемая мощность, причем их значения у выбранного типа диода
должны превышать максимально возможные величины в проектируемом устройстве
на 30-50 %.
При установке диодов в аппаратуру особую значимость приобретает обеспечение их
тепловых режимов, так как свойства полупроводниковых материалов существенно за-
висят от температуры. Поэтому диоды не следует располагать вблизи мощных источ-
ников теплового излучения. В случае, когда сам прибор рассеивает значительную мощ-
ность, его необходимо размещать на специальном теплоотводящем радиаторе. Если
корпус аппаратуры должен быть изолирован, то для уменьшения общего теплового
сопротивления лучше изолировать радиатор от корпуса изделия, чем диод от тепло-
отвода. Во избежание перегрева и выхода диода из строя температура припоя и время
пайки не должны превышать указанных в технической документации регламентиро-
ванных значений.
2.3.2. Транзисторы
Термин транзистор происходит от английских слов transfer и resistor и переводится
как «передающий резистор». Транзистор представляет собой полупроводниковый при-
бор с тремя (иногда четырьмя) выводами и предназначен для управления током в его
выходной цепи с помощью тока (или напряжения) во входной цепи.
В соответствии с ОСТ 11.336.919-81 и терминологией по ГОСТ 15133-77 транзи-
сторы классифицируются по ряду различных признаков.
1. По области применения выделяют транзисторы общего назначения, переключа-
тельные, генераторные, низко- и высокочастотные, высоковольтные, малошумящие,
малой, средней, большой мощности и др.
2. По способу управления различают биполярные (управляемые током, усилитель-
ные свойства которых обусловлены инжекцией и экстракцией неосновных носителей
заряда) и униполярные, или полевые (управляемые электрическим полем, усилитель-
ные свойства которых обусловлены потоком основных носителей, протекающим через
проводящий канал) [19]. Основанием биполярнога транзистора служит пластина по-
лупроводника (база), с двух сторон в которую вплавлена примесь, создающая области с
проводимостями, отличными от проводимости базы. Так получают транзисторы/?-/!-/?

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
107
и п-р-п типов, причем примыкающие к базе области делают неодинаковыми. Одну из
областей (эмиттер) изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила
инжекция носителей в базу, а другую область (коллектор) так, чтобы соответствую-
щий электронно-дырочный переход наилучшим образом осуществлял экстракцию ин-
жектированных носителей из базы. В отличие от биполярных, работа полевых тран-
зисторов основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике.
Различают полевые транзисторы с управляющим р-п переходом и транзисторы с изо-
лированным затвором. У полевого транзистора с управляющим р-п переходом затвор
отделен от проводящего канала р-п переходом, смещенным в обратном направлении.
Такой транзистор состоит из полупроводникового стержня с омическими контактами
по краям и одним (двумя) р-п переходами в центральной части. Между омическими
контактами образуется диффузионный проводящий канал с дырочной или электрон-
ной проводимостью, толщина которого управляется р-п переходом. Электрод, служа-
щий для регулирования поперечного сечения канала, называется затвором. Электрод,
из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод,
через который из канала уходят основные носители заряда — стоком. У полевого тран-
зистора с изолированным затвором слой диэлектрика (обычно оксид кремния) элек-
трически отделяет затвор от проводящего канала. Поэтому такие полупроводниковые
приборы часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-
оксид-полупроводник) транзисторами.
3. В зависимости от способа защиты от внешних факторов существуют неизолиро-
ванные, изолированные и герметичные транзисторы.
4. По способу монтажа выделяют транзисторы для навесного, печатного монтажа и
для микросборок.
5. По материалу полупроводникового кристалла различают транзисторы на основе
германия, кремния и их соединений.
На рис. 2.3.4 представлен внешний вид некоторых транзисторов, а У ГО их отдель-
ных разновидностей приведены на рис. 2.3.5.
Классификация и система обозначений отечественных типов транзисторов уста-
навливается отраслевым стандартом ОСТ 11.336.919-81, в основу которого положен
буквенно-цифровой код. В общем случае обозначение транзисторов включает в свой
состав следующие элементы:
• первый — буква или цифра, обозначающая полупроводниковый материал (Г или
1 — германий, К или 2 — кремний). В первом элементе обозначения транзистора
применение буквы или цифры зависит от вида приемки изделий на предприятии-
изготовителе. Транзисторы с приемкой ОТК имеют буквенное, а с приемкой за-
казчиком — цифровое обозначения;
• второй — буква, определяющая группу транзистора по способу управления (Т —
биполярные и П — полевые);
• третий — цифра, определяющая основные функциональные возможности тран-
зистора (табл. 2.3.3);
• четвертый — число, обозначающее порядковый номер разработки прибора. Для
обозначения порядкового номера разработки используются числа от 01 до 999;
• пятый элемент — буква, условно определяющая разброс параметров однотипных
транзисторов, изготавливаемых по единой технологии.
В конце условного обозначения для бескорпусных транзисторов через дефис добав-
ляется буква, определяющая конструктивное исполнение: 1 — с гибкими выводами
без подложки; 2 — с гибкими выводами на подложке; 3 — с жесткими выводами без
подложки; 4 — с жесткими выводами на подложке; 5 — с контактными площадками
без подложки и без выводов; 6 — с контактными площадками на подложке, но без

108
Конструирование узлов и устройств электронных средств
выводов. Для обозначения набора однотипных транзисторов, собранных в одном кор-
пусе стандарт предусматривает букву С, которая записывается после второго элемента
обозначения.
Рис, 2.3.4. Внешний вид различных транзисторов: а — маломощные биполяр-
ные и полевые транзисторы общего применения; б — биполярные транзисторы
средней мощности; в, г — мощные транзисторы; д — высоковольтный мощный
транзистор
Рис. 2.3.5. Условно-графические обозначения некоторых транзисторов: а — би-
полярный типа п-р-п; б — биполярный типа р-п-р; в — полевой с п-каналом;
г — полевой с р-каналом; д — полевой с п-каналом и соединением истока с под-
ложкой

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
109
Таблица 2.3.3
Третий элемент обозначения транзисторов
Третий элемент обозначения
Расшифровка элемента
Малой мощности (до 0,3 Вт) |
1
2
3
с граничной частотой не более 3 МГц
с граничной частотой 3...30 МГц
с граничной частотой свыше 30 МГц |
Средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) |
4
5
6
с граничной частотой не более 0,3 МГц
с граничной частотой 3...30 МГц
с граничной частотой свыше 30 МГц
Большой мощности (свыше 1,5 Вт)
7
8
9
с граничной частотой не более 3 МГц
с граничной частотой 3...30 МГц
с граничной частотой более 30 МГц
Например: КТ315Б — кремниевый биполярный транзистор с приемкой ОТК ма-
лой мощности, граничной частотой более 30 МГц, номером разработки 15 и классифи-
кационной группой Б; КПЗОЗИ — кремниевый полевой транзистор с приемкой ОТК
малой мощности, граничной частотой более 30 МГц, номером разработки 03 и класси-
фикационной группой И; 2ТС613Г — сборка кремниевых биполярных транзисторов с
приемкой заказчика средней мощности, граничной частотой более 30 МГц, номером
разработки 13 и группой разброса параметров Г.
За рубежом для обозначений транзисторов используется система Pro Electron, рас-
смотренная выше. Например, обозначение ВС547 означает кремниевый (В) маломощ-
ный низкочастотный транзистор (С) с регистрационным номером 547 (аналог отече-
ственного транзистора КТ3102А).
Транзисторы малой мощности в металлических корпусах, а также транзисторы
средней и большой мощности в металлических, пластмассовых и керамических кор-
пусах маркируются полным буквенно-цифровым обозначением на поверхности корпу-
сов в соответствии с рассмотренной выше классификацией.
Если корпус маломощного транзистора изготовлен из пластмассы, то такой транзи-
стор маркируется либо полным обозначением, либо специальным цветовым кодом, ко-
торый устанавливается заводом-изготовителем или разработчиком транзистора, а его
расшифровка приводится в технических условиях, справочниках, на бирках и упако-
вочных листах.
Идентификация (цоколевка) выводов транзисторов любого конструктивного испол-
нения приводится также в технических условиях и справочной литературе [16-19].
Основными группами параметров биполярных транзисторов являются следующие.
1. Параметры постоянного тока, характеризующие неуправляемые токи транзи-
стора, связанные с обратными токами перехода (обратный ток коллектора /кво — ток
через коллекторный переход при заданном обратном напряжении между коллектором
и базой при отключенном эмиттере; обратный ток эмиттера /Эво — ток через эмиттер-
еый переход при заданном обратном напряжении между эмиттером и базой при от-
ключенном коллекторе и др. параметры).
2. Малосигнальные параметры, характеризующие работу транзистора при воздей-
ствии сигнала, возрастание амплитуды которого в 1,5 раза приводит к незначительному

110
Конструирование узлов и устройств электронных средств
изменению параметра (малый сигнал). Сюда относят такие параметры, как входное со-
противление транзистора при короткозамкнутом выходе (Лц), коэффициент передачи
тока при включении транзистора с общим эмиттером (Л21э)и ДР-
3. Высокочастотные параметры, характеризующие работу транзистора на высоких
частотах (граничная частота /Vp, емкость коллекторного перехода Ск, коэффициент
шума Кт и др. параметры).
4. Параметры большого сигнала, характеризующие работу транзистора при изме-
нении токов и напряжений в широких пределах. К ним относят статический коэффи-
циент передачи тока и статическую крутизну прямой передачи.
5. Тепловые параметры, характеризующие устойчивость транзисторов при работе в
широком диапазоне температур и определяющие связь между рассеиваемой прибором
электрической мощностью и температурой его перехода. Основными тепловыми па-
раметрами являются максимальная ТтйХ и минимальная Tmin температуры перехода.
Так, для германия Ттах составляет 80... 100 °С, а для кремния — 150...200 °С.
6. Вольтамперные входные и выходные характеристики, содержащие информацию
о свойствах транзистора во всех режимах его работы при больших и малых сигналах.
По вольтамперным характеристикам можно определять ряд параметров, в том числе
неприводимых в справочных таблицах, а также рассчитать цепи смещения, стабили-
зации режима, оценить работу транзистора в широком диапазоне постоянных и им-
пульсных токов, мощностей и напряжений.
Для полевых транзисторов существует ряд специфических параметров, к основным
из которых относят следующие.
1. Начальный ток стока /с.нач — ток> протекающий через сток при нулевом напря-
жении между затвором и истоком, и напряжении на стоке, равном или превышающем
напряжение насыщения.
2. Напряжение отсечки UOTC — напряжение между затвором и истоком транзистора,
работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого
значения.
3. Остаточный ток стока /с.ост — ток> протекающий через сток при напряжении
между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки.
4. Ток утечки затвора /у#зт — ток, протекающий через затвор при заданном напря-
жении между затвором и остальными выводами, короткозамкнутыми между собой.
5. Крутизна характеристик полевого транзистора S — отношение изменения тока
стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному
току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.
6. Входная емкость полевого транзистора Свх — емкость между затвором и истоком
при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком.
7. Выходная емкость полевого транзистора Свых — емкость между стоком и истоком
при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком.
Частотные и тепловые параметры, шумовые свойства полевых транзисторов опре-
деляются по аналогии с биполярными транзисторами.
Зависимость параметров транзисторов от температуры, режима работы и частоты,
а также наличие технологического разброса параметров накладывают специфические
требования на принципы построения транзисторных схем, обеспечивающих высокую
надежность в эксплуатационных условиях.
Выбор типа транзистора определяется характером электрической схемы, требова-
ниями к ее выходным параметрам и эксплуатационным режимам [19]. Следует пом-
нить, что кремниевые транзисторы по сравнению с германиевыми лучше работают
при высоких температурах (вплоть до -1-125 °С), но их коэффициент передачи по току
сильно уменьшается при низких температурах. В области малых токов кремниевые

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
111
транзисторы имеют более резкую зависимость параметров от тока эмиттера. Не сле-
дует применять высокочастотные транзисторы в низкочастотных каскадах, поскольку
они склонны к самовозбуждению. Не рекомендуется применять мощные транзисторы
в тех случаях, когда можно использовать маломощные, так как при работе мощных
транзисторов на малых токах коэффициент передачи по току сильно зависит как от
тока, так и от температуры окружающей среды.
Выбор режима работы транзистора определяет его надежность и долговечность.
Не допускается превышение максимально допустимых значений напряжений, токов,
температуры, мощности рассеяния, указанных в предельно допустимых режимах. За-
щита транзисторов от электрических перегрузок предусматривает ограничение токов
и напряжений ниже максимально допустимых значений при их работе в переходных
режимах. Например, в режиме переключения на индуктивную нагрузку максималь-
ное напряжение на коллекторе может в несколько раз превышать постоянное напря-
жение питания, поэтому при включении транзистора энергия, накопленная в катушке
индуктивности, может привести к его повреждению. В этом случае необходимо ис-
пользовать специальные схемы защиты транзисторов от перенапряжения, основанные
на поглощении части накопленной катушкой индуктивности энергии или блокировке
транзистора от попадания в опасную высоковольтную область. Для защиты транзи-
стора от перегрузки по току вводят токоограничивающие резисторы последовательно
с выводами коллектора и эмиттера, а также используют параллельное включение не-
скольких транзисторов.
Обеспечение теплового режима транзисторов является одной из важнейших задач,
которая решается при проектировании ЭС. Теплоотводящие элементы конструкции
должны рассчитываться так, чтобы они обеспечивали достаточный отвод тепла от кор-
пуса транзистора в окружающую среду, а температура перехода транзистора не пре-
вышала допустимую. При свободной компоновке элементов внутри аппаратуры при-
меняют специальные радиаторы, или располагают транзисторы непосредственно на
шасси ЭС. При плотной компоновке элементов внутри ЭС или больших мощностях
рассеивания мощные транзисторы целесообразно располагать непосредственно на кор-
пусе прибора или на радиаторах, имеющих тепловой контакт с внешней средой. Для
эффективной работы радиатора контактирующая с транзистором поверхность должна
быть плоской, гладкой, без заусенцев и царапин. Транзисторы необходимо крепить
к радиатору при помощи предусмотренных конструкцией деталей (болты, фланцы
и др.). Для улучшения теплового контакта между транзистором и теплоотводом ис-
пользуют специальные пасты, например, пасту кремнийорганическую теплопроводя-
щую КПТ-8 ГОСТ 19783-74. Электрическая изоляция транзистора от радиатора дости-
гается установкой прокладок из слюды, металлокерамики, фторопластовой пленки,
а также использованием радиаторов с глубоким анодированием, при этом необходимо
стремиться к электрической изоляции радиатора от корпуса прибора, а не транзистора
от радиатора. Для увеличения эффективности отвода тепла за счет излучения радиа-
торы рекомендуется зачернять или покрывать черной матовой краской.
2.3.3. Интегральные микросхемы
Интегральные микросхемы по своей сущности представляют собой законченные
комплексные электронные устройства. При этом одна ИМС содержит большое коли-
чество активных микроминиатюрных элементов, количество которых может состав-
лять от нескольких десятков до сотен тысяч и даже миллионов единиц. Сложность
микросхемы определяется степенью интеграции и выражается формулой К = lgiV, где
К — коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего

112
Конструирование узлов и устройств электронных средств
большого целого числа; N — число входящих в микросхему элементов. Так, микро-
схему, содержащую до 10 элементов, называют ИМС первой степени интеграции, со-
держащую от 11 до 100 элементов, — второй степени интеграции и т. д. Иногда исполь-
зуются и другие определения. Например, ИМС, в которой более 150-200 элементов,
называется большой интегральной схемой (БИС), а имеющая более 1000 элементов, —
сверхбольшой интегральной схемой (СБИС). В настоящее время выпускаются ультра-
и гигаболыпие интегральные схемы, содержащие миллионы и даже миллиарды эле-
ментов в одном полупроводниковом кристалле. Так, в мае 2011 г. фирмой Alt era была
выпущена микросхема, состоящая из 3,9 млрд транзисторов.
Интегральные микросхемы классифицируются по ряду признаков [17, 20, 21].
1. По способу преобразования сигнала выделяют аналоговые, цифровые и аналого-
цифровые ИМС. Типичным примером аналоговых микросхем являются операционные
усилители, линейные интегральные стабилизаторы напряжения и ряд специализиро-
ванных микросхем — все они оперируют с непрерывным (или плавно изменяющимся)
сигналом. К цифровым ИМС относят логические микросхемы, счетчики, мультиплек-
соры и др. Аналого-цифровые микросхемы содержат элементы аналоговых и цифро-
вых ИМС. Типичными представителями аналого-цифровых микросхем являются циф-
ро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
2. По технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные, ги-
бридные ИМС и микросборки. Полупроводниковыми называют ИМС, все элементы
и внутренние соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупрово-
дникового кристалла (рис. 2.3.6). Пленочная ИМС — это микросхема, все элементы и
внутренние соединения которой выполнены в виде пленок. Выделяют толсто- и тон-
копленочные ИМС. Толстопленочная ИМС представляет собой микросхему, в которой
все пассивные элементы, проводники и контактные площадки выполнены по толсто-
пленочной технологии на диэлектрическом основании. Толстопленочная технология
заключается в образовании пленок толщиной от 1-2 до 10-25 мкм путем вжигания
резистивных, проводящих и диэлектрических паст в подложку. В тонкопленочной
ИМС все пассивные элементы, проводники и контактные площадки выполнены мето-
дом напыления тонких пленок в вакууме на поверхность диэлектрического основания.
Гибридной называется ИМС, в которой, кроме пленочных элементов, расположены
навесные, бескорпусные дискретные элементы, как видно из рис. 2.3.7. Микросборка
представляет собой особое миниатюрное изделие, компоненты которого — транзи-
сторы, диоды, резисторы и др. — имеют самостоятельные внешние выводы.
Рис. 2.3.6. Основание корпуса с кристаллом полупроводниковой ИМС

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
113
Рис. 2.3.7. Основание корпуса с подложкой гибридной ИМС
3. По способу защиты от внешних воздействий различают неизолированные, изо-
лированные и герметизированные микросхемы.
4. По способу монтажа выделяют микросхемы с однорядным расположением вы-
водов (SIL), параллельным двухрядным расположением выводов (DIL), параллельным
четырехрядным расположением выводов (QIL) и планарными выводами.
На рис. 2.3.8 приведены некоторые виды аналоговых и цифровых микросхем раз-
личного конструктивного исполнения.
Рис. 2.3.8. Внешний вид различных аналоговых и цифровых микросхем:
а — в пластмассовом корпусе 2101.24-1 (DIP-24); б — в металлокерамическом
корпусе 2101.14-1 (DIP-14); в — в пластмассовом корпусе 2101.8-1 (DIP-8);
г — в пластмассовом корпусе 2102.9-1; д — в пластмассовом корпусе 1504.9-1
(DBS-9P); е — в металлополимерном корпусе 1222.18-1; ж — в керамическом
корпусе 1109.9-1

114
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Система условных обозначений ИМС по ОСТ 11.073.915-80 предусматривает ис-
пользование шестиэлементного буквенно-цифрового кода:
• первый элемент — буква К, означающая, что микросхема предназначена для
широкого общепромышленного применения. Если микросхема выполнена в экс-
портном исполнении, то перед буквой К стоит буква Э. Отсутствие первого эле-
мента указывает, что микросхема предназначена для применения в специальной
продукции;
• второй — буква, характеризующая материал и тип корпуса (А — пластмассо-
вый планарный корпус; Е — металлополимерный корпус с параллельным двух-
рядным расположением выводов; И — стеклокерамический планарный корпус;
М — металлокерамический, керамический или стеклокерамический корпус с па-
раллельным двухрядным расположением выводов; Н — кристаллоноситель (без
выводов); Р — пластмассовый корпус с параллельным двухрядным расположе-
нием выводов (у цифровых микросхем данный элемент обозначения часто отсут-
ствует), С — стеклокерамический корпус с двухрядным расположением выводов,
Ф — микрокорпус);
• третий — цифра, указывающая на группу микросхем по конструктивно-техноло-
гическому признаку (1, 5, 6, 7 — полупроводниковые микросхемы; 2, 4, 8 — ги-
бридные микросхемы; цифра 3 — прочие);
• четвертый — две или три цифры, определяющие порядковый номер разработки
конкретной серии микросхем;
• пятый — две буквы, показывающие функциональное назначение микросхем по
выполняемым функциям (табл. 2.3.4);
• шестой элемент указывает порядковый номер разработки ИМС внутри конкрет-
ной серии микросхем.
Таблица 2.3.4
Функциональные подгруппы микросхем
Обозначение
1
Наименование
выполняемой функции
2
Обозна-
чение
3
Наименование
выполняемой функции
4
Формирователи
АА
АГ
АР
адресных токов
импульсов прямоугольной
формы
разрядных токов
АФ
АЛ
импульсов специальной формы
прочие
Схемы задержки
БМ
БР
пассивные
активные
БП
прочие
Схемы вычислительных средств
ВА
ВБ
ВВ
ВГ
BE
ВЖ
ВИ
ВК
сопряжение с магистралью
синхронизация
управление вводом-выводом
контроллеры
микроЭВМ
специализированные
времязадающие
комбинированные
ВМ
ВН
ВР
ВС
ВТ
ВУ
ВФ
ВП
микропроцессоры
управление прерыванием
функциональные расширители
микропроцессорные секции
управление памятью
микропрограммное управление
функциональные преобразователи
прочие

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
115
Продолжение табл. 2.3.4
Обозначение
1
ГГ
гл
гм
ДА
ДИ
ДС
ЕВ
БК
ЕМ
ЕН
ИА
ИВ
ид
ИЕ
ИК
кт
кн
ЛА
ЛБ
лд
ЛЕ
ЛИ
лк
МА
мс
МФ
нд
нт
HP
НЕ
Наименование
выполняемой функции
2
Обозна-
чение
3
Наименование
выполняемой функции |
4
Генераторы
прямоугольных сигналов
линейно изменяющихся
сигналов
шума
ГС
ГФ
гп
гармонических сигналов
сигналов специальной формы
прочие
Детекторы
амплитудные
импульсные
частотные
Дф
ДП
фазовые
прочие
Вторичные источники электропитания
выпрямители
стабилизаторы напряже-
ния импульсные
преобразователи
стабилизаторы напряже-
ния непрерывные
ЕТ
ЕУ
ЕП
стабилизаторы тока
схемы управления импульсными
стабилизаторами
прочие
Схемы арифметических и логических устройств
арифметико-логические
устройства
шифраторы
дешифраторы
счетчики
комбинированные
ИЛ
ИМ
ИР
ИП
полусумматоры
сумматоры
регистры
прочие
Коммутаторы и ключи
тока
напряжения
КП
прочие
Логические элементы
И-НЕ
И-НЕ/ИЛИ-НЕ
расширители
ИЛИ-НЕ
И
И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИ
ЛЛ
лм
лн
ЛР
лс
лп
ИЛИ
ИЛИ-НЕ/ИЛИ
НЕ
И-ИЛИ-НЕ
И-ИЛИ
прочие 1
Модуляторы
амплитудные
частотные
фазовые
ми
МП
импульсные
прочие
Наборы элементов
диодов
транзисторов
резисторов
конденсаторов
нк
НФ
нп
комбинированные
функциональные
прочие

116
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 2.3.4
Обозначение
1
ПС
пд
ПН
ПФ
ПУ
ПА
РА
РЕ
РТ
РУ
СА
СВ
СС
1 ТВ
тд
тк
| тл
УВ
УР
УН
УК
УИ
| УЕ
ФБ
ФН
ФЕ
ХА
хл
хк
хм
Наименование
выполняемой функции
2
Обозна-
чение
3
Наименование
выполняемой функции
4
Преобразователи сигналов
частоты
длительности
напряжения (тока)
фазы
уровня
аналого-цифровые
ПВ
ПЛ
ПК
ПЕ
ПР
ПП
цифро-аналоговые
синтезаторы частоты
делители частоты аналоговые
умножители частоты аналоговые
код-код
прочие
Схемы запоминающих устройств (ЗУ)
ассоциативные
постоянные
постоянные с электриче-
ским перепрограммирова-
нием
оперативные
РФ
РМ
РВ
РП
Схемы сравнения
амплитудные
временные
частотные
СК
СП
Триггеры
универсальные (JK-типа)
динамические
комбинированные
Шмитта
ТМ
ТР
ТТ
ТП
Усилители
высокой частоты
промежуточной частоты
низкой частоты
напряжения широкопо-
лосные
импульсных сигналов
повторители
УЛ
УМ
УТ
УД
УС
УП
Фильтры
верхних частот
нижних частот
полосовые
ФР
ФП
Многофункциональные 1
аналоговые
цифровые
комбинированные
цифровые матрицы
хн
XT
хп
постоянные с электрической за-
писью и УФ стиранием
матрицы оперативных ЗУ
матрицы постоянных ЗУ
прочие
компараторы
прочие
с задержкой (£>-типа)
с раздельным запуском (.RS-типа)
счетные (Т-типа)
прочие
считывания и воспроизведения
индикации
постоянного тока
операционные
дифференциальные
прочие
режекторные
прочие
ШС
аналоговые матрицы
комбинированные матрицы
прочие

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
117
Например, К555ЛАЗ — цифровая полупроводниковая микросхема общепромыш-
ленного применения, в пластмассовом корпусе с параллельным двухрядным располо-
жением выводов, содержит 4 элемента И-НЕ; 521САЗ — микросхема с приемкой за-
казчиком в металлическом корпусе, функциональное назначение — схема сравнения
по напряжению (компаратор), номер разработки 3.
Маркировка отечественных интегральных микросхем производится методом на-
несения на корпус микросхемы полного обозначения, даты изготовления и особого
условного символа (фирменного знака) завода-изготовителя. Дата изготовления со-
стоит из двух групп цифр, по две цифры в каждой группе, причем первая группа
указывает на месяц, а вторая группа — на год изготовления ИМС. Для правильной
идентификации выводов рядом с первым выводом на корпусе ставится специальная
метка (ключ) [16].
За рубежом существуют различные системы обозначений и маркировки ИМС [16].
Например, в странах ЕС обозначения ИМС присваиваются в соответствии с междуна-
родной системой Pro Electron, состоящей из трех элементов, за которыми следует се-
рийный номер:
• первый элемент отражает класс микросхемы по принципу преобразования сиг-
нала: S — цифровая, Т — аналоговая, U — аналого-цифровая;
• второй элемент обозначает рабочий диапазон температур микросхемы: А — без
нормирования рабочего диапазона, В — от -55 до +125 °С, С — от -25 до +70 °С,
D — от -25 до +85 °С, F — от -40 до +85 °С;
• третий элемент определяет тип корпуса: В — корпус SIL, С — цилиндрический
корпус, D — корпус DIL, F — плоский корпус, Р — корпус DIP, Q — корпус QIP,
U — бескорпусная микросхема.
Например, обозначение SFF2040D TIC означает, что изделие представляет собой
цифровую микросхему (S), диапазон рабочих температур которой составляет от -40
до +85 °С (F), с серийным номером F2040, типом корпуса DIL (£>), изготовленную фир-
мой Texas Instruments (TIC).
В зависимости от схемотехнической и технологической реализации цифровых ми-
кросхем выделяют ИМС на биполярных транзисторах и ИМС на униполярных (поле-
вых) транзисторах, которые, в свою очередь, по типу логики разделяют на следующие
типы [20, 21]:
• резисторно-транзисторной логики — РТЛ (resistor-transistor logic — RTL);
• резисторно-емкостной транзисторной логики — РЕТЛ (resistor-capacitor-transistor
logic — RCTL);
• диодно-транзисторной логики — ДТЛ (diode-transistor logic — DTL);
• транзисторно-транзисторной логики — ТТЛ (transistor-transistor logic — TTL);
• транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки — ТТЛШ (transistor-
transistor logic (with) Schottky (diodes) — TTLSh);
• эмиттерно-связанной логики — ЭСЛ (emitter-coupled logic — ECL);
• непосредственно-связанной транзисторной логики — НСТЛ (direct-coupled
transistor logic — DCTL);
• интегрально-инжекционной логики — ИИЛ или И2/Л (integrated injection logic —
IIL или I2/L);
• интегрально-инжекционной изопланарной логики — ИИИЛ или ИЗ/Л (isoplanar
injection integrated logic — IIIL или J3/L);
• комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводник —
КМОП (complementary metal-oxide semiconductor — CMOS);
• биполярной КМОП-логики (bipolar complementary metal-oxide semiconductor —
BiCMOS).

118
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Конструктор ЭС должен разбираться в особенностях цифровых ИМС различных ти-
пов, чтобы правильно обеспечить конструктивную реализацию схемотехнических ре-
шений, поэтому приведем краткие сведения о специфике логик различных типов.
На рис. 2.3.9 приведена схема логического элемента (ЛЭ) РТЛ, выполняющего
функцию 2ИЛИ-НЕ.
Рис. 2.3.9. Элемент 2ИЛИ-НЕ на основе РТЛ-логики
Принцип его работы заключается в следующем. Коллектор транзистора VT1 сое-
динен через резистор RS с шиной питания, а эмиттер с корпусом. К базе подключены
резисторы R1 и Д2, являющиеся входами. При отсутствии напряжения на всех вхо-
дах VT1 закрыт, и на выход через R3 поступает напряжение, близкое к напряжению
питания, то есть логическая единица на выходе при нулях на входе. При появлении
напряжения хотя бы на одном из входов VT1 открывается, и выходное напряжение
опускается почти до нуля. Резисторно-емкостная транзисторная логика подобна РТЛ,
основным отличием является добавление входных конденсаторов, пропускающих
только импульсы. Обычно ИМС PET Л-логики и РТЛ-логики взаимозаменяемы. До-
стоинствами РЕТЛ-логики является простота и низкая стоимость, а недостатками —
высокая рассеиваемая мощность, нечеткий уровень сигналов, широкий диапазон
разброса уровня логической единицы, крайне низкое быстродействие и помехоустой-
чивость, а также небольшая нагрузочная способность выходов (обычно не более трех
входов других элементов). Кроме того, ИМС РТЛ-логики реализуются по гибридной
технологии, поэтому после перехода на полупроводниковые ИМС РТЛ-логика практи-
чески исчезла и применяется только в специальных целях.
Показанная на рис. 2.3.10 схема представляет собой ДТЛ-элемент 2И-НЕ. Если
хотя бы на одном из его входов, уровень логического нуля, то ток течет через R1 и соот-
ветствующий диод во входную цепь. На анодах диодов VDly VD2 есть пониженное на-
пряжение (около 0,7 В при Ucc = 5 В), которого недостаточно для открывания транзи-
стора VT1, и на выходе формируется уровень логической единицы. Если на все входы
поступает уровень логической единицы, то ток течет через R1 на базу VT1, образуя на
анодах VD1, VD2 напряжение порядка 1,4 В. Поскольку напряжение уровня логиче-
ской единицы больше этой величины, входы диодов обратно смещены и не участвуют
в работе схемы. Транзистор открыт в режиме насыщения, и выходное напряжение па-
дает до уровня логического нуля.

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
119
Рис. 2.3.10. Схема ДТЛ-элемента 2И-НЕ
Основное преимущество ДТЛ перед более ранней технологией РТЛ — возможность
создания большого числа входов. Задержка прохождения сигнала по-прежнему до-
статочно высока из-за медленного процесса утечки заряда с базы в режиме насыще-
ния (когда все входы имеют высокий уровень) при подаче на один из входов низкого
уровня. Эту задержку можно уменьшить подключением базы транзистора через рези-
стор к общему проводу или к источнику отрицательного напряжения.
В более современной и эффективной технологии ТТЛ данная проблема решена пу-
тем замещения диодов многоэмиттерным транзистором (рис. 2.3.11). ТТЛ-логика яв-
ляется прямым наследником ДТЛ и использует тот же принцип действия. Входной
транзистор имеет несколько, обычно от 2 до 8, эмиттеров. Эти эмиттеры выполняют
функцию входных диодов в ДТЛ-логике. Многоэмиттерный транзистор по сравнению
с применявшейся в схемах ДТЛ сборкой из отдельных диодов занимает меньше места
на кристалле и обеспечивает более высокое быстродействие.
Рис. 2.3.11. Схема ТТЛ-элемента 2И-НЕ

120
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ТТЛШ-логика отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в цепях база — кол-
лектор (рис. 2.3.12), в которых барьер Шоттки не позволяет транзистору войти в ре-
жим насыщения (в результате чего диффузионная емкость и задержки переключения
малы, а быстродействие высокое), а также наличием демпфирующих диодов Шоттки
на входах (реже на выходах) для подавления импульсных помех, образующихся из-за
отражений в длинных линиях связи. Заметим, что длинной считается линия, время
распространения сигнала в которой больше длительности его фронта, для самых бы-
стрых ТТЛШ микросхем линия связи становится длинной при величине в несколько
сантиметров.
Диод Шоттки
Биполярный
транзистор
Транзистор
Шоттки
Рис. 2.3.12. Принцип реализации ТТЛШ-логики
Эмиттерно-связанная логика создана на основе дифференциальных транзисторных
каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной
на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, что транзисторы в ЭСЛ работают в
линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низ-
кие значения логических перепадов в ЭСЛ-логике способствуют снижению влияния на
быстродействие паразитных емкостей. Основная деталь ЭСЛ-логики — схема потенци-
ального сравнения (рис. 2.3.13). Схема представляет собой транзисторы, соединенные
эмиттерами и подключенные к питанию через резистор. При этом транзистор, у кото-
рого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один
транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению
логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Сигналы выходной
цепи схемы сравнения поступают на усилительный транзистор, а с него — на выход.
Особенностью ЭСЛ являются повышенное быстродействие и энергопотребление
по сравнению с ТТЛ, низкая помехоустойчивость, низкая степень интеграции (огра-
ниченная, в частности, большой потребляемой мощностью каждого элемента, что не
позволяет разместить в одном корпусе много элементов, так как это приведет к пере-
греву), и высокая стоимость.
Интегрально-инжекционная логика является развитием технологии НСТЛ, кото-
рую, в свою очередь, можно рассматривать как крайний вариант РТЛ, в котором от-
сутствуют резисторы между выходом (коллектором) транзистора и входом (базой)
следующего. В основе логики ИИ Л лежит использование «особых» транзисторов с
объединенной базой. Эти транзисторы не способны проводить ток из-за нехватки носи-
телей зарядов в базе. Поэтому рядом с транзистором находится инжектор — электрод,
«добавляющий» (инжектирующий) заряд в базу. При этом транзистор включается и
может выполнять полезную работу. При проектировании микросхем ИИЛ основную
роль отводят именно инжекторам, причем один инжектор может использоваться для
нескольких транзисторов. Эмиттеры, как правило, соединены — ими является под-
ложка микросхемы. На поверхности кристалла находятся только базы, а на базах
коллекторы. На рис. 2.3.14 показана схема элемента 2ИЛИ-НЕ. При поступлении

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
121
логических нулей на оба входа транзисторы VT1, VT2 закрыты, и на выходе образу-
ется логическая единица. При поступлении хотя бы на один из входов логической еди-
ницы соответствующий транзистор открыт и насыщен, и на выходе устанавливается
логический ноль. Достоинствами ИИЛ-логики являются высокая степень интеграции,
большое быстродействие, способность работать при очень малых значениях токов и
питающих напряжений.
Рис. 2.3.13. Базовый элемент ИЛИ ЭСЛ-логики
Рис. 2.3.14. Упрощенная схема 2ИЛИ-НЕ ИИЛ-логики
Совершенствование технологии ИИЛ привело к созданию элементов интегрально-
инжекционной изопланарной логики — ИЗ/Л, которые в настоящее время применя-
ются при производстве микропроцессоров и устройств памяти.
КМОП-логика основана на использовании полевых транзисторов с изолирован-
ным затвором с каналами разной проводимости. Первые микросхемы по технологии
КМОП были созданы в 1968 г. фирмой Fairchild Semiconductor. Долгое время КМОП

122 Конструирование узлов и устройств электронных средств
рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому
микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и дру-
гих устройствах с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным.
К 1990 г. с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеива-
ния энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном
положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и плотность мон-
тажа, недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах. Пода-
вляющее большинство современных логических микросхем, в том числе процессоров,
используют КМОП-логику. Достоинством технологии КМОП по сравнению с бипо-
лярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в
статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется
только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры
КМОП является наличие как п-, так ир-канальных полевых транзисторов; как след-
ствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопо-
треблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим про-
цессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.
В качестве цримера рассмотрим схему логического элемента 2И-НЕ, построенного
по технологии КМОП (рис. 2.3.15). Если на оба входа подан высокий уровень, то оба
транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединен
с землей. Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий
транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединен
с напряжением питания и отсоединен от земли. В схеме нет никаких нагрузочных со-
противлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только
токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При пе-
реключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов
и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна ча-
стоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).
Рис. 2.3.15. Схема КМОП элемента 2И-НЕ
Развитие технологии КМОП привело к появлению технологии, основанной на со-
вместном применении биполярных и полевых транзисторов на одном кристалле —
биполярной КМОП-логики. Технология позволяет создавать ИМС, имеющие в своем

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
123
составе цифровые и аналоговые схемы, объединяя достоинства различных типов тран-
зисторов. В последнее время технология получила распространение в микросхемах пи-
тания, например, в интегральных стабилизаторах напряжения. Широкое применение
получили ИМС, у которых логические элементы выполнены по КМОП-технологии,
а выходные каскады на биполярных элементах. Такой подход позволяет избежать су-
щественного недостатка схем на КМОП-элементах — больших сквозных токов в мо-
мент переключения из нулевого состояния в единичное, приводящих к возникнове-
нию мощных импульсных помех. Применение технологии биполярной КМОП-логики
позволяет объединить преимущества как КМОП, так и ТТЛ-технологий, избежав при
этом их недостатков.
В табл. 2.3.5 представлены серии отечественных микросхем, разработанные в пе-
риод с 1962 г. по настоящее время. Следует заметить, что хотя выпуск ИМС устарев-
ших серий не производится, такие микросхемы еще можно встретить при ремонте ЭС,
поэтому иногда возникает необходимость замены микросхемы устаревшей серии на
более современную.
Таблица 2.3.5
Серии микросхем по типам логик
Тип логики
РТЛ/РЕТЛ
дтл
ттл/ттлш
эсл
нстл/иил
КМОП
Серии
113,114,115,210
104,109,112,121,128, 146, 156, 205, 215, 217, 218, 221, 240, 511
106,130,131,133,134,136,155, 158,530, 531, 533, 555, 1530, 1531,
1533
100,137,138,187,229,500, 700, 1500, 1800, 1590
541,558,582, 584
164,176,561,564,1554, 1561, 1564, 1594,1874, 1876, 1890, 5554
Термцны и определения электрических параметров ИМС устанавливает
ГОСТ 19480-89. В соответствии с ним, основными общими параметрами микросхем
всех типов являются:
• напряжение питания Ucc (у микросхем разных серий может существенно разли-
чаться);
• входное напряжение U\\
• выходное напряжение U0;
• входной ток /j;
• выходной ток /0;
• ток потребления /сс;
• потребляемая микросхемой мощность Рсс.
Дополнительно для цифровых микросхем указывается ряд специфических пара-
метров, в частности, значения напряжений логического нуля и единицы, напряжение
сигнала считывания, время задержки распространения сигнала и т. п., а для аналого-
вых микросхем — те параметры, которые соответствуют ее функциональному назна-
чению [16, 17, 20-22]. Например, для усилителей указывают коэффициент усиления,
диапазон частот, коэффициент нелинейных искажений и другие параметры.

124
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При установке ИМС на печатную плату необходимо принять все меры предосторож-
ности для защиты ее корпуса от недопустимых механических воздействий. В боль-
шинстве случаев механическая устойчивость ИМС обеспечивается распайкой выводов
на контактные площадки, однако если ЭС эксплуатируется в условиях тряски, ви-
браций, ударов, то под ИМС необходимо устанавливать прокладку из электроизоля-
ционного материала, причем прокладка должна быть приклеена к плате и основанию
корпуса микросхемы. Для приклеивания ИМС рекомендуется использовать клеи ВК-9
ЩИО.026.400 ТУ, АК-20 ТУ6-10-1293-72 или мастику ЛН ТУ МКЛ.3052-55 [22].
Конструкция печатной платы и размещение на ней элементов должны обеспечи-
вать эффективный отвод тепла за счет конвекции воздуха или с помощью теплоотвода.
Конвекцию обеспечивают установкой корпусов с максимально допустимыми зазорами
между поверхностью платы и основанием корпуса. Размещение корпусов на плате
должно обеспечивать свободный доступ к любой ИМС для ее установки. ИМС с планар-
ными корпусами можно устанавливать на печатные платы вплотную, с зазором или на
прокладке, а последующее покрытие электроизоляционным лаком обеспечит допол-
нительное крепление микросхемы.
Для защиты ИМС от электростатических воздействий необходимо уменьшать воз-
можности для генерации зарядов статического электричества и обеспечивать отвод
накопленных зарядов с производственного оборудования и операторов. Для этого на
производственных участках, на которых осуществляется сборка ЭС, должны использо-
ваться материалы для отделки поверхнрстей полов, мебели, испытательного и техно-
логического оборудования с малым удельным поверхностным сопротивлением. Чтобы
снизить поверхностное сопротивление покрытий на рабочем месте операторов, реко-
мендуется поддерживать относительную влажность воздуха 65...70 %. Кроме того, не-
обходимо обеспечить непрерывный контакт оператора с «землей» при помощи специ-
ального антистатического браслета, заземленного через высоковольтный резистор.
Вопросы для контроля
1. Какие ЭРИ составляют группу активных элементов?
2. Как производится классификация полупроводниковых диодов?
3. Как обозначают диоды в соответствии с отечественной системой условных обо-
значений?
4. Как выполняется обозначение зарубежных диодов?
5. Какие маркировочные знаки наносят на корпуса диодов при буквенно-цифровой
и цветовой маркировке?
6. Какие электрические параметры диодов являются наиболее важными?
7. Каковы основные рекомендации по применению диодов в ЭС?
8. По каким основным признакам осуществляется классификация транзисторов?
9. Как обозначаются отечественные транзисторы в конструкторской докумен-
тации?
10. Как выполняется обозначение зарубежных транзисторов?
11. Как выполняют маркировку транзисторов?
12. Какими основными электрическими параметрами характеризуются транзи-
сторы?
13. В чем заключаются основные требования по применению транзисторов при про-
ектировании ЭС?
14. По каким критериям определяют сложность интегральной микросхемы?
15. Как осуществляется классификация интегральных микросхем?

Глава 2.3. Активные электрорадиоизделия
125
16. Как обозначаются различные типы отечественных интегральных микросхем в
конструкторской документации?
17. Как выполняют обозначение зарубежных ИМС?
18. Как осуществляется маркировка отечественных интегральных микросхем?
19. Какие основные типы логики используются при схемотехнической и технологи-
ческой реализации цифровых микросхем?
20. Какие основные электрические параметры ИМС Вы знаете?
21. В чем заключаются основные рекомендации по применению интегральных ми-
кросхем в электронной аппаратуре?

Часть III
ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ ПЕРВОГО УРОВНЯ
Глава 3.1
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
ПЕРВОГО УРОВНЯ
Следующий уровень конструкционной иерархии представлен электронными мо-
дулями первого уровня, выполненными на основе БНК первого уровня, представляю-
щими собой законченную конструкцию и обладающими определенными функциональ-
ными характеристиками. Типичным примером ЭМ1 служит функциональный узел на
печатном монтаже, т. е. печатная плата с установленными на ней модулями нулевого
уровня и электрическим соединителем.
3.1.1, Этапы конструирования электронных модулей первого уровня
В общем виде процесс конструирования ЭМ1 предусматривает выполнение следую-
щего ряда работ [9, 23]:
• проведение анализа электрической принципиальной схемы на предмет выявле-
ния однотипных подсхем с целью уменьшения номенклатуры различных типов
ЭРИ;
• выбор элементной базы;
• определение необходимого количества контактов электрического соединителя с
учетом резерва 5-10 % от общего числа выводов на возможную модификацию;
• определение габаритов печатной платы;
• выбор проводниковых и изоляционных материалов;
• выполнение необходимых конструкторских расчетов;
• выбор способов защиты конструкции ЭМ1 от внутренних и внешних вредных воз-
действий;
• оформление конструкторской документации.

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 127
Таким образом, в качестве результата проектирования модуля первого уровня яв-
ляется комплект конструкторской документации на функциональный узел на печат-
ном монтаже.
3.1.2. Общие сведения о печатных платах
Термины и определения основных понятий в области проектирования печатных
плат устанавливает ГОСТ Р 53386-2009, введенный в действие с 1 января 2011 г. В со-
ответствии с ним рассмотрим основную терминологию, понятия и определения, при-
меняющиеся во всех видах документации и литературе, в науке, технике и на произ-
водстве.
Печатная плата представляет собой изделие, предназначенное для электрического
соединения и механического крепления устанавливаемых на нем ЭРИ и состоящее из
одного (двух) проводящих рисунков, расположенных на поверхности основания, или
из системы проводящих рисунков, размещенных в объеме и на поверхности основания,
соединенных между собой в соответствии с электрической схемой печатного узла.
Печатный узел представляет собой печатную плату с подсоединенными к ней в со-
ответствии с чертежом электрическими и механическими элементами, а также дру-
гими ПП.
Основанием печатной платы называется элемент конструкции ПП, на поверхности
и (или) в объеме которого выполняется проводящий рисунок или система проводящих
рисунков.
Рисунком печатной платы называют конфигурацию проводникового и (или) диэ-
лектрического материала на печатной плате.
Проводящий рисунок образует конфигурация проводникового материала на по-
верхности или в объеме основания ПП, а непроводящий рисунок образует диэлек-
трический материал основания ПП. Проводящий рисунок образуют печатные про-
водники, контактные площадки, экраны, металлизированные отверстия и печатные
компоненты.
Печатным проводником называют одну полоску в проводящем рисунке ПП. Если
все электрические соединения элементов электронного узла выполнены печатными
проводниками, то такой монтаж называется печатным.
Печатный контакт представляет собой участок проводящего рисунка, служащий
частью электрического контакта.
Концевые печатные контакты образуют ряд печатных контактов, расположенных
на краю ПП и предназначенных для сопряжения с электрическим соединителем непо-
средственного сочленения.
Контактная площадка ПП — часть проводящего рисунка, используемая для элек-
трического подсоединения выводов ЭРИ.
Крепежные отверстия ПП — неметаллизированные отверстия для механического
крепления ПП к базовой несущей конструкции или для механического крепления
ЭРИ к печатной плате.
Монтажные отверстия — отверстия для электрического соединения выводов ЭРИ с
проводящим рисунком ПП.
Металлизированное отверстие ПП — отверстие в печатной плате, на стенку кото-
рого нанесен проводниковый материал.
Переходное отверстие ПП представляет собой металлизированное отверстие в пе-
чатной плате, служащее для электрического соединения проводящих рисунков, на-
ходящихся на разных проводящих слоях (под проводящим слоем ПП понимают про-
водящий рисунок печатной платы, расположенный в одной плоскости). Различают

128
Конструирование узлов и устройств электронных средств
сквозные переходные отверстия, соединяющие проводящие рисунки внутренних и
(или) внешних слоев ПП, имеющие выходы на обе стороны печатной платы, и глухие
переходные отверстия, имеющие выход только на одну из сторон ПП.
Печатным компонентом называется электронный компонент (например, резистор,
конденсатор и др.), являющийся частью проводящего и непроводящего рисунков ПП.
В соответствии с ГОСТ Р 53386-2009 различают односторонние печатные платы
(ОПП), двусторонние печатные платы (ДПП), многослойные печатные платы (МПП),
рельефные печатные платы (РПП), гибкие печатные платы (ГПП), гибко-жесткие
платы (ГЖП), а также гибкие печатные кабели (ГПК).
К ОПП относят платы, на одной стороне основания которой выполнен проводящий
рисунок (рис. 3.1.1). Они наиболее просты в изготовлении и применяются в относи-
тельно несложных ЭС, когда нет повышенных требований к миниатюризации и на-
дежности конструкции в целом.
Рис. 3.1.1. Односторонняя печатная плата
ДПП (рис. 3.1.2) отличается от ОПП тем, что проводящий рисунок и все требуемые
соединения выполняются на обеих сторонах основания платы. ДПП применяются в
более сложных конструкциях ЭС, а также в тех случаях, когда использование ОПП по
тем или иным причинам недопустимо.
Рис. 3.1.2. Двусторонняя печатная плата
МПП представляет собой печатную плату, состоящую из чередующихся слоев про-
водящих и непроводящих рисунков, между которыми выполнены все необходимые
соединения в соответствии с электрической схемой печатного узла (рис. 3.1.3). МПП
являются наиболее компактными и надежными ПП. Вследствие большой трудоемко-

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня
129
сти изготовления, высокой стоимости и сложности технологического оборудования,
низкой ремонтопригодности МПП применяются для отработанных конструкций слож-
ных ЭС, таких как электронно-вычислительное и телекоммуникационное оборудова-
ние, медицинская, авиационная и космическая техника.
РПП отличается от всех остальных видов печатных плат тем, что проводящий ри-
сунок или его часть утоплена в диэлектрическое основание ПП. Проводящий рисунок
состоит из медных проводников в виде металлизированных канавок и сквозных метал-
лизированных отверстий, имеющих форму сходящихся конусов (рис. 3.1.4). Канавки
и отверстия в процессе сборки заполняются припоем. Обычно РПП имеют два прово-
дящих и один непроводящий слои.
Рис. 3.1.4. Рельефная печатная плата
ГПП называется печатная плата с гибким основанием. По расположению печатных
проводников, контактных площадок и других элементов проводящего рисунка ГПП
аналогична ОПП, ДПП или МПП, но при этом она может изгибаться и принимать раз-
ную форму. Различают так называемые «статические» ГПП, гибкие свойства которых
используются только в процессе сборки, и «динамические» ГПП с числом перегибов
106-108 раз. ГПП применяются в тех случаях, когда при эксплуатации плата подвер-
гается изгибам, вибрациям, ударам, предъявляются особые требования к надежности,
электрическим свойствам платы, отведению тепла, снижению массы или специальные
требования к геометрической форме платы. Именно поэтому ГПП нашли применение
Рис. 3.1.3. Многослойная печатная плата

130
Конструирование узлов и устройств электронных средств
в мобильных телефонах, цифровых фотокамерах, средствах вычислительной техники,
автомобильной электронике, медицине, космической и военной технике.
ГПК представляет собой, по сути, ГПП, проводящий рисунок которой состоит из па-
раллельно расположенных печатных проводников, ширина и расстояние между кото-
рыми соответствует стандартным электрическим соединителям. ГПК широко приме-
няются для установления электрической связи между подвижными и неподвижными
печатными узлами, например, в принтерах, сотовых телефонах, фотовидеотехнике,
калькуляторах и т. п.
ГЖП конструктивно представляет собой комбинацию гибкого и жесткого основа-
ний, объединенных проводящим рисунком. ГЖП относятся к наиболее сложным со-
единительным структурам современных ЭС. В процессе изготовления жесткие платы
спрессовываются с гибкими, и выполняются необходимые сквозные межслойные
соединения. В простейшем случае ГЖП состоит из одного жесткого и одного гибкого
слоев, а сложные ГЖП могут содержать несколько десятков гибких соединительных
наборов между жесткими внешними слоями, поэтому ГЖП очень сложны в производ-
стве и, следовательно, обладают более высокой стоимостью по сравнению с другими
видами плат. ГЖП применяют для обеспечения высокой надежности аппаратуры спе-
циального назначения, например, на объектах авиационной, военной, медицинской и
космической техники.
В последние годы была разработана технология изготовления сверхплотных плат с
двухуровневой разводкой, у кбторых проводящие рисунки расположены в двух, разде-
ленных воздушными зазорами, уровнями. Электрическая связь между проводящими
рисунками уровней осуществляется с помощью металлических столбиков, образован-
ными одновременно с проводящими рисунками путем травления металлической пла-
стины.
В некоторых случаях, например, при необходимости плотной компоновки несколь-
ких электронных модулей, применяется так называемая объединительная ПП, с по-
мощью которой и осуществляется электрическая связь между различными печатными
узлами.
При выполнении чертежей печатных плат любого вида для определения положе-
ния элементов рисунка ПП в прямоугольной системе координат используется коорди-
натная сетка чертежа печатной платы. Шаг координатной сетки образует расстояние
между двумя соседними параллельными линиями координатной сетки, как показано
на рис. 3.1.5.
Шаг сетки
Рис. 3.1.5. Расположение печатного рисунка в координатной сетке

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 131
Шаг координатной сетки гарантирует совместимость ПП со всеми видами ЭРИ, ко-
торые на ней устанавливают. Согласно ГОСТ Р 51040-97, основными номинальными
шагами координатной сетки являются шаги 0,50 мм и 0,05 мм в обоих направлениях.
Номинальный шаг 0,05 мм необходимо использовать в том случае, если использование
номинального шага 0,50 мм не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции.
В случае использования элементной базы с шагом 0,625 мм допускается применение
шага координатной сетки 0,625 мм.
Необходимо подчеркнуть, что выбор значения шага координатной сетки опреде-
ляется наименьшим расстоянием между соседними выводами ЭРИ, устанавливаемых
на ПП. При необходимости применить координатную сетку, шаг которой отличается
от основных шагов, он должен быть кратным основным шагам координатной сетки.
Кратный шаг определяется путем умножения основного шага сетки на целочисленный
положительный коэффициент п.
Предпочтительными являются следующие шаги координатной сетки:
• п х 0,50 мм, где = 1, 2, 5, 6, 10;
• п х 0,05 мм, где = 5, 10, 15, 20, 25.
При использовании элементной базы зарубежного производства с шагом, кратным
2,54 мм, допускается применять координатную сетку с номинальным шагом 2,54 в
обоих направлениях, а в случаях, когда требуется координатная сетка с меньшим зна-
чением шага, допускается применять шаг 0,635 мм.
Например, анализ элементной базы показал, что наименьшее расстояние между
двумя соседними выводами ЭРИ составляет 1,25 мм, тогда предпочтительный шаг
координатной сетки в соответствии с ГОСТ Р 51040-97 будет составлять п х 0,05, где
п = 25.
Необходимо заметить, что рассмотренные термины и определения понятий дают
основные сведения о применяемой терминологии в области печатных плат и необхо-
димы для правильного понимания последующего материала пособия. Новым терми-
нам, которые встретятся далее по тексту, при необходимости, будут даны определения
по ходу изложения материала.
3.1.3. Требования к конструкционным параметрам печатных плат
Требования, предъявляемые к печатной плате как к несущей конструкции, на ко-
торой смонтированы ЭРИ, определяют механические и электрические характеристики
ПП для заданных условий эксплуатации [9, 23].
ГОСТ Р 53429-2009, распространяемый на все виды печатных плат, устанавливает
семь классов точности на размеры печатных плат, элементы конструкции ПП и по-
зиционные допуски их расположения, а также определяет основные электрические
параметры ПП: допустимую токовую нагрузку, рабочие напряжения, сопротивления
печатных проводников.
В таблице 3.1.1 представлены по классам точности наименьшие номинальные раз-
меры, предельные отклонения и позиционные допуски элементов конструкции ПП
для узкого места. Под узким местом понимают такой участок ПП, на котором эле-
менты печатного проводящего рисунка и расстояния между ними могут быть выпол-
нены только с минимально допустимыми значениями.
Класс точности ПП указывают в конструкторской документации на ПП. Выбор
класса точности обусловлен составом элементной базы, требованиями к миниатюриза-
ции аппаратуры, надежности, стоимости и всегда связан с уровнем технологического
оснащения конкретного производства.

132
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 3.1.1
Наименьшие номинальные значения элементов конструкции ПП
Наименование параметра
Ширина проводника, мм
Расстояние между проводни-
ками, мм
Ширина контактной площад-
ки (гарантийный поясок), мм
Предельные отклонения раз-
меров проводящего рисунка
(печатных проводников, кон-
тактных площадок, концевых
печатных контактов), мм
Предельные отклонения диа-
метров отверстий, мм
Позиционный допуск располо-
жения печатного проводника
относительно соседнего эле-
мента проводящего рисунка,
мм
Значения параметров по классам точности
1кл.
0,75
0,75
0,30
2кл.
0,45
0,45
0,20
Зкл.
0,25
0,25
0,10
4кл..
0,15
0,15
0,05
5кл.
0,100
0,100
0,025
бкл.
0,075
0,075
0,020
7кл. |
0,050
0,050
0,015
без металлического покрытия
±0,15
±0,10
±0,05
±0,03
+0
-0,03
+0
-0,02
+0
-0,015
с металлическим покрытием
+0,25
-0,15
+0,15
-0,10
±0,10
±0,05
±0,03
±0,02
±0,015
0 до 0,3 мм без металлизации
-
-
-
±0,02
±0,02
±0,02
±0,02
0 до 0,3 мм с металлизацией без оплавления
-
-
-
-0,03
-0,07
-0,03
-0,07
-0,02
-0,06
-0,02
-0,06
0 свыше 0,3 до 1,0 мм без металлизации
±0,10
±0,10
±0,05
±0,05
±0,05
±0,025
±0,02
0 свыше 0,3 до 1,0 мм с металлизацией без оплавления
+0,05
-0,15
+0,05
-0,15
+0
-0,10
+0v
-0,10
+0
-0,10
-0,025
-0,075
-0,02
-0,05
0 свыше 0,3 до 1,0 мм с металлизацией и оплавлением
+0,05
-0,18
+0,05
-0,18
+0
-0,13
+0
-0,13
+0
-0,13
-
-
0 свыше 1,0 мм без металлизации
±0,15
±0,15
±0,10
±0,10
±0,10
±0,05
±0,03
0 свыше 1,0 мм с металлизацией без оплавления
+0,10
-0,20
+0,10
-0,20
+0,05
-0,15
+0,05
-0,15
+0,05
-0,15
+0
-0,10
-0,02
-0,08
0 свыше 1,0 мм с металлизацией и оплавлением
+0,10
-0,23
+0,10
-0,23
+0,05
-0,18
+0,05
-0,18
+0,05
-0,18
-
-
наружный слой ОПП, ДПП, МПП |
0,2
0,10
0,05
0,03
0,02
0,01
0,005
внутренний слой МПП
0,3
0,15
0,10
0,08
0,05
0,02
0,010

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 133
Окончание табл. 3.1.1
Наименование параметра
Позиционный допуск располо-
жения центров контактных
площадок для наружного слоя
ОПП, ДПП, МПП, мм
Позиционный допуск располо-
жения центров контактных
площадок для внутреннего
слоя МПП, мм
Позиционный допуск на рас-
положение осей отверстий, мм
Значения параметров по классам точности
1 кл.
2кл.
Зкл.
4кл.
5кл.
вкл.
7кл.
размер ПП по большей стороне до 180 мм
0,35
0,25
0,15
0,10
0,05
0,03
0,02
свыше 180 до 360 мм
0,40
0,30
0,20
0,15
0,08
0,05
0,03
свыше 360 мм
0,45
0,35
0,25
0,20
0,15
0,10
0,08
размер ПП по большей стороне до 180 мм
0,40
0,30
0,20
0,15
0,10
0,08
0,05
свыше 180 до 360 мм
0,45
0,35
0,25
0,20
0,15
0,10
0,08
свыше 360 мм
0,50
0,40
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10 j
размер ПП по большей стороне до 180 мм
0,20
0,15
0,08
0,05 | 0,05
0,03
0,03
свыше 180 до 360 мм
0,25
0,20
0,10
0,08
0,08
0,05
0,05
свыше 360 мм
0,30
0,25
0,15
0,10
0,10
0,08
0,08
Размеры сторон ПП, если они не заданы в ТЗ, определяются с учетом количества
устанавливаемых ЭРИ, их установочных площадей, шага установки и должны со-
ответствовать размерам базовых несущих конструкций, для которых они предна-
значены. При этом размеры сторон ПП должны быть кратными 2,5 мм при длине
до 100 мм, 5 мм при длине до 350 мм и 10 мм при длине более 350 мм. Габариты ПП
согласуют с параметрами технологического оборудования, используемого для изготов-
ления и сборки ПП, например, с размерами ванн химической и гальванической метал-
лизации, шириной рабочей зоны установки для нанесения фоторезиста, пайки волной
припоя и пр.
Предельные отклонения сопрягаемых размеров контура ПП не должны быть более
12-го квалитета по ГОСТ 25347-82, а предельные отклонения несопрягаемых размеров
контура ПП не должны превышать 14-го квалитета. Отклонение от перпендикуляр-
ности сторон прямоугольной печатной платы не должно быть более 0,2 мм на 100 мм
длины.
Диаметры отверстий в ПП необходимо выбирать из ряда: 0,05; 0,075; 0,1; 0.2; 0.3;
0.4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;
2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0 мм, причем центры отверстий рекомендуется располагать в узлах

134
Конструирование узлов и устройств электронных средств
координатной сетки. При применении элементной базы с шагом выводов, некратным
шагу координатной сетки, по крайней мере одно из отверстий, принятое за основное,
необходимо располагать в узле координатной сетки, а остальные отверстия размещают
в соответствии с чертежом ЭРИ.
Толщина ПП выбирается в зависимости от применяемой элементной базы и внеш-
них воздействующих факторов, таких как удары, вибрации и пр. Толщина ОПП и
ДПП определяется толщиной материала основания с учетом толщины фольги и допол-
нительных покрытий. Толщина МПП зависит от числа слоев и их толщин.
3.1.4. Требования к электрическим параметрам печатных плат
Так как печатная плата по своей сути представляет собой коммутационно-
монтажное пространство, в котором размещены и соединены между собой электриче-
скими связями различные ЭРИ, то основными требованиями к электрическим параме-
трам ПП являются следующие [23-25]:
• минимальное сопротивление печатных проводников;
• максимальная допустимая токовая нагрузка на элементы печатного рисунка;
• максимально допустимое рабочее напряжение между элементами печатного ри-
сунка;
• максимально возможное сопротивление изоляции диэлектрического основа-
ния ПП;
• максимальная электрическая прочность изоляции;
• минимальная индуктивность проводников;
• минимальная взаимная емкость параллельно расположенных печатных прово-
дников.
Сопротивление печатных проводников, как правило, не оказывает влияния на ра-
боту низкочастотных схем, однако при значительной протяженности и минимальной
ширине проводника величина его сопротивления может достигнуть значения, способ-
ного внести искажения в работу устройства. Сопротивление печатного проводника
зависит также от его удельного сопротивления, а также температуры, частоты и др.
Величина удельного сопротивления печатных проводников зависит от технологии их
изготовления и различается в значительной степени при химическом, электрохимиче-
ском, вакуумном осаждении и для катаной фольги.
Следует заметить, что на ПП токопроводящие трассы выполняются из однородного
слоя проводящего материала, поэтому все проводники на каждом слое имеют одинако-
вую толщину. Если печатный проводник по всей длине имеет одинаковую ширину, то
его можно условно разделить на некоторое число квадратов п = l/t, где I — длина про-
водника, a t — его ширина. Тогда сопротивление печатного проводника, выполненного
из однородного металла, определяют по формуле
где р — удельное электрическое сопротивление печатного проводника;
h — толщина проводника.
Множитель р/Л из (3.1.1) постоянен для любого печатного проводника толщиной h
и получил название поверхностного сопротивления R8. Поэтому (3.1.1) можно перепи-
сать в виде
R = R8n,
где п = р/Л.

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 135
В случае п = 1 сопротивление между концами квадратной трассы будет также яв-
ляться сопротивлением слоя, следовательно, поверхностное сопротивление относится
к единичной площади проводника и означает, что сопротивление квадратного слоя не
зависит от значения стороны квадрата. Поэтому величину поверхностного сопротивле-
ния выражают в Ом/квадрат.
Поверхностное сопротивление зависит от объемного сопротивления и толщины
слоя. Так, например, поверхностное сопротивление медной фольги толщиной 35 мкм,
используемой для изготовления печатных плат, составляет 0,5 мОм. Тогда печатный
проводник длиной 300 мм и шириной 0,3 мм имеет 1000 квадратов и, соответственно,
сопротивление 0,5 Ом.
Сопротивление проводников с дополнительным покрытием рассчитывают как сум-
марную величину, если удельное сопротивление дополнительного покрытия значи-
тельно отличается от удельного сопротивления основного металла и если их толщины
соизмеримы.
Повышение плотности компоновки ЭРИ на ПП приводит к увеличению энергоем-
кости печатных узлов и, следовательно, к возрастанию токовой нагрузки на печат-
ные проводники, что в итоге увеличивает тепловыделение проводников. Допустимая
токовая нагрузка на элементы проводящего рисунка из медной фольги должна быть
100...250 А/мм2, для гальванически осажденной меди — 60... 100 А/мм2. Она выби-
рается в зависимости от допустимого превышения температуры проводника относи-
тельно температуры окружающей среды.
Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка, рас-
положенными в соседних слоях ПП, зависит от расстояния между ними, материала
основания ПП и не должно превышать значений, установленных ГОСТ Р 53429-2009
(табл. 3.1.2).
Таблица 3.1.2
Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего
рисунка в соседних слоях ПП
Расстояние между элементами про-
водящего рисунка в соседних слоях
ПП, мм
от 0,05 до 0,075 включительно
свыше 0,075 до 0,1 включительно
свыше 0,1 до 0,2 включительно
свыше 0,2 до 0,3 включительно
свыше 0,3 до 0,4 включительно
свыше 0,4 до 0,5 включительно
свыше 0,5 до 0,75 включительно
свыше 0,75 до 1,5 включительно
свыше 1,5 до 2,5 включительно
Допустимое рабочее напряжение, В
Материал на основе цел-
люлозной бумаги
75
150
250
350
500
Материал на основе сте-
клоткани и лавсана
10
15
25
50
150
200
350
500
650
Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка, на-
ходящимися на наружном слое ПП, зависит от расстояния между элементами печат-
ного монтажа, материала основания ПП, внешних воздействующих факторов и не
должно превышать значений, определенных ГОСТ Р 53429-2009 для плат с различ-
ным материалом основания — на базе целлюлозной бумаги, стеклоткани или лавсана
(табл. 3.1.3).

136
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 3.1.3
Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего
оисунка на наружном слое ПП
Расстояние между эле-
ментами проводя-щего
рисунка на наружном
слое ПП, мм
1
от 0,05 до 0,075
свыше 0,075 до 0,1
свыше 0,1 до 0,2
свыше 0,2 до 0,3
свыше 0,3 до 0,4
свыше 0,4 до 0,7
свыше 0,7 до 1,2
свыше 1,2 до 2,0
свыше 2,0 до 3,5
свыше 3,5 до 5,0
свыше 5,0 до 7,5
свыше 7,5 до 10,0
свыше 10,0 до 15,0
Допустимое рабочее напряжение, В
Нормальные
условия
бум.
2
30
100
150
300
400
500
660
1000
1300
1800
стекл.
3
10
15
25
50
150
300
400
600
830
1160
1500
2000
2300
Относительная
влажность воз-
духа 98 ± 2 %
при температу-
ре 40± 2 °С
бум.
4
20
50
100
230
300
360
500
650
830
1160
стекл.
5
6
9
15
30
100
200
300
360
430
600
830
1160
1600
Пониженное атмосферное дав-
ление
53 600 Па
(400 мм. рт. ст.)
бум.
6
25
80
110
160
200
250
330
500
560
650
стекл.
7
8
12
20
40
110
160
200
300
400
560
660
1000
1160
666 Па
(5 мм. рт. ст.)
бум.
8
20
30
58
80
100
110
150
200
230
300
стекл. J
9
5
8
10
30
50
80
100
130
160
210
250
300
330
Сопротивление изоляции между элементами проводящего рисунка ПП определя-
ется свойствами материала основания, взаимным расположением и совместной протя-
женностью проводников, воздействиями окружающей среды, наличием загрязнений
и характеризует величину тока утечки через участок диэлектрика, к которому при-
ложено определенное постоянное напряжение. Различают поверхностное сопротивле-
ние изоляции между параллельными печатными проводниками, расположенными в
одной плоскости и объемное сопротивление изоляции между проводниками, располо-
женными на разных сторонах ПП или слоя.
Поверхностное сопротивление изоляции определяется удельным поверхностным
сопротивлением диэлектрика, расстоянием между проводниками и длиной совмест-
ного прохождения проводников:
где росн — удельное поверхностное сопротивление материала основания;
D — расстояние между проводниками;
L — длина совместного прохождения проводников.
Сопротивление изоляции между элементами проводящего рисунка, расположен-
ными на внутренних или соседних проводящих слоях, определяется удельным объ-
емным сопротивлением материала основания, его толщиной и площадью проекции
одного элемента проводящего рисунка на поверхности другого:

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 137
где Н — толщина материала основания;
S — площадь проекции одного элемента печатного рисунка на поверхности другого.
Сопротивление изоляции ПП, рассчитанное по формулам (3.1.2)-(3.1.3), не должно
превышать установленных норм на материал основания платы и при этом оказывать
существенного влияния на работоспособность функционального узла. Так, согласно
ГОСТ 23752-79, сопротивление изоляции между двумя электрически несвязанными
элементами проводящего рисунка ПП в нормальных климатических условиях должно
быть не менее 5 000 МОм для гетинакса, 10 000 МОм для стеклотекстолита, лавсана и
полиамида. Существенное снижение сопротивления изоляции имеет место в условиях
повышенной влажности и температуры. Наличие на поверхности ПП загрязнений раз-
личной природы (отпечатков пальцев, остатков реактивов, пыли и др.) также приво-
дит к некоторому уменьшению поверхностного сопротивления изоляции.
Электрическая прочность изоляции ПП между элементами проводящего рисунка
должна обеспечивать отсутствие пробоев по объему и поверхности основания платы
при приложенном испытательном напряжении. Электрическая прочность изоляции
зависит от типа материала основания ПП, вида дополнительного покрытия и рас-
стояния между элементами проводящего рисунка, которое выбирают согласно ГОСТ
23752-79 в зависимости от приложенного напряжения и условий эксплуатации по
табл. 3.1.4. При определении расстояния между элементами проводящего рисунка на
плате необходимо принимать во внимание допустимое отклонение от номинального
значения в соответствии с классом точности ПП.
Таблица 3.1.4
Амплитудное испытательное напряжение для определения прочности изоляции
Расстояние между
элементами проводя-
щего рисунка на ПП,
мм
1
от 0,05 до 0,15
свыше 0,15 до 0,2
свыше 0,2 до 0,3
свыше 0,3 до 0,4
свыше 0,4 до 0,7
свыше 0,7 до 1,2
свыше 1,2 до 2,0
свыше 2,0 до 3,5
свыше 3,5 до 5,0
свыше 5,0 до 7,5
свыше 7,5 до 10,0
свыше 10,0 до 15,0
Рабочее напряжение, В, для материалов на основе целлюлозной
бумаги/стеклоткани и лавсана
в нормаль-
ных усло-
виях
2
—/100
—/200
280/400
500/700
700/900
900/1200
1200/1800
1500/2500
2000/3500
3000/4500
4000/6000
5500/7000
при относительной
влажности 93 ± 3 %
и температуре 40 ± 2 °С
в течение 48 час.
3
-/75
—/120
200/200
300/500
500/700
700/900
900/1100
1100/1300
1500/1800
2000/2500
2500/3500
3500/5000
при пониженном
атмосферном давлении
53 600 Па
(400 мм. рт. ст.)
4
—/50
—/100
100/150
250/350
350/500
500/600
600/900
750/1200
1000/1700
1500/2000
1700/3000
2000/3500
666 Па
(5 мм. рт. ст.)
' 5
—/30
-/75
75/100
100/150
175/250
250/300
300/400
350/500
450/650
600/750
700/900
900/1000
Как видно из табл. 3.1.4, наибольшее снижение электрической прочности изоляции
происходит при низком атмосферном давлении, а также в условиях высокой влажно-
сти и температуры, поэтому при проектировании ЭС, эксплуатирующихся в жестких
условиях, вопросу обеспечения требуемой электрической прочности изоляции необхо-
димо-уделить особое внимание.
Индуктивность — это один из наиболее значимых электрических параметров,
определяющий целостность сигнала и уровень электромагнитных помех в печатных

138
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где 1 — длина печатного проводника,
Lnor — погонная индуктивность печатного проводника, определить которую для прово-
дника толщиной 50 мкм можно по графику, представленному на рис. 3.1.6 [26].
Рис. 3.1.6. Зависимость индуктивности печатного проводника от его ширины
Для определения индуктивности можно воспользоваться также приближенной
формулой
где lytnh — длина, ширина и толщина печатного проводника в мм соответственно.
Еще одним источником паразитных реактивностей на ПП являются переходные от-
верстия, для расчета индуктивности которых удобно использовать формулу
где Н, d — толщина печатной платы и диаметр переходного отверстия в мм.
платах. В большинстве случаев задачей проектировщика является уменьшение ин-
дуктивности проводников, шин питания и заземление, а иногда требуется обеспечить
необходимое значение индуктивности для достижения заданного волнового сопротив-
ления. Такая задача может быть решена конструкторскими методами при разработке
топологии печатной платы и выбором материалов.
Индуктивность печатного проводника зависит от его ширины, длины и толщины,
а также магнитной проницаемости материала, и ее можно оценить по формуле

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 139
где Спог = ke — погонная емкость,
I — длина взаимного перекрытия проводников,
k — коэффициент, зависящий от параметров проводящего рисунка платы
(рис. 3.1.7),
б — диэлектрическая проницаемость среды.
Рис. 3.1.7. Зависимость коэффициента h от параметров проводящего рисунка
Электрическая емкость уединенного проводника характеризует его способность на-
капливать электрический заряд и определяется как отношение заряда проводника к
его потенциалу при условии, что все другие заряженные проводники бесконечно уда-
лены. Однако проводящий рисунок ПП, в особенности многослойной, представляет со-
бой сложную конфигурацию различных по размерам элементов проводящего рисунка,
расположенных как в одной плоскости, так и в соседних плоскостях, что вызывает
сложную перекрестную связь и создает большие затруднения в вычислении электри-
ческой емкости проводников [24, 25].
Два расположенных параллельно друг другу печатных проводника представляют,
в сущности, конденсатор, образованный этими проводниками на поверхности ПП.
Ёмкость такого конденсатора определяется величиной емкости между торцами прово-
дников и зависит от формы проводников, их толщины, длины, ширины, расстояния
между проводниками, диэлектрической проницаемости воздуха и диэлектрической
проницаемости диэлектрика и защитного покрытия, например, лака. Эта емкость при-
близительно равна

140 Конструирование узлов и устройств электронных средств
где U — значение переменного синусоидального напряжения, В,
со = 2nf, с'1 — круговая частота,
/ — частота, Гц,
С — емкость участка диэлектрика, Ф;
tg6 — тангенс угла диэлектрических потерь, представляющий собой отношение
величин активного и реактивного токов на векторной диаграмме токов в
диэлектрике и характеризующий изоляционный материал.
Для низкочастотных ЭС наиболее важны такие параметры ПП, как сопротивление
изоляции и его стабильность, электрическая прочность изоляции. В высокочастот-
ных ЭС первое место занимают параметры, характеризующие паразитные реактивно-
сти, диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери изоляционного мате-
риала.
Рассмотренные выше электрические параметры плат в целом относятся к катего-
рии основных, их расчет выполняется при проектировании любых плат, однако в не-
которых случаях требуется оценить и ряд других электрических параметров, напри-
где е0 = 8,85 пФ/м — диэлектрическая постоянная,
е — диэлектрическая проницаемость материала между слоями ПП,
S — площадь поверхности слоев, образующих емкость, м2,
h — расстояние между слоями, м.
Переходные металлизированные отверстия на ПП также являются источником па-
разитных емкостей. Электрическая емкость такрго отверстия зависит от его диаметра
и глубины, диэлектрической проницаемости материала основания ПП и может состав-
лять от 0,2 до 1 пФ.
При проектировании ПП минимальные емкостные взаимодействия между пе-
чатными проводниками обеспечивают путем их рационального размещения в
коммутационно-монтажном пространстве.
Еще одним из важных параметров, характеризующих электрические характери-
стики печатных плат, является мощность, рассеиваемая в материале основания ПП
под действием напряжения на печатных проводниках, определяемая диэлектриче-
скими потерями изоляционного материала [23]. Мощность потерь ПП определяют по
формуле
Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика поляри-
зоваться под действием приложенного электрического напряжения. Величина диэлек-
трической проницаемости зависит от структуры диэлектрика, температуры, частоты
приложенного напряжения и имеет большое значение при передаче высокочастотных
сигналов, так как влияет на уровень потерь и др.
Для внешних слоев ПП без дополнительного покрытия е = 0,5(ев + ем), где ев — диэ-
лектрическая проницаемость воздуха, ем — диэлектрическая проницаемость матери-
ала основания, а в случае покрытия плат электроизоляционным лаком е = 0,5(ел + ем),
где ел — диэлектрическая проницаемость лака.
Ёмкость конденсатора, образованного двумя печатными проводниками располо-
женными на разных слоях ПП, зависит от диэлектрической проницаемости диэлек-
трика, толщины слоя изоляции между проводниками, площади пересечения прово-
дников и определяется по формуле

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 141
мер взаимную индуктивность печатных проводников, межслоевую емкость в МПП,
добротность материала основания платы и др.
Теоретическим и практическим вопросам расчета электрических параметров пе-
чатного монтажа при разработке конструкции печатных плат посвящено много спе-
циализированной литературы различного уровня сложности, например [23-26].
3.1.5. Общетехнические и технологические требования к печатным
платам
Общетехнические и технологические требования к параметрам печатных плат фор-
мируют ряд условий, позволяющих изготовить ПП в соответствии с рекомендациями
ГОСТ Р МЭК 61192-1-2010 к качеству печатных узлов. Рассмотрим наиболее важные
технологические требования к ПП [23, 27, 28].
Паяемостью называется свойство соединяемых между собой материалов вступать
в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем с образованием каче-
ственного соединения контактной площадки с выводами ЭРИ. Необходимо отметить,
что качественное контактное соединение можно получить только на хорошо подготов-
ленной поверхности проводящего рисунка при правильно выбранных температурном
и временном режимах пайки, флюсующей среде и марке припоя. При этом необходимо
принимать меры для минимизации риска повреждения от теплового удара как компо-
нентов, так и платы, например, путем предварительного нагрева печатного узла.
В целях достижения максимальной паяемости печатной платы ГОСТ Р МЭК 61192-
1-2010 рекомендует использовать материал ПП и методы нанесения финишного по-
крытия на поверхность печатной платы, обеспечивающие пригодность поверхности
ПП как для устанавливаемых ЭРИ, так и для сборочного оборудования и технологи-
ческих процессов пайки. Любые антиоксидантные покрытия или покрытия предвари-
тельного флюсования, наносимые на плату, должны быть допустимыми для последова-
тельности планируемых технологических процессов сборки. Все паяемые поверхности
ПП должны быть чистыми и свободными от шлама и Других загрязнений.
Прочность сцепления проводников с диэлектриком на поверхности и в отвер-
стиях — одна из основных характеристик качества ПП. Низкая прочность сцепле-
ния может приводить к отслаиванию печатного проводника от материала основания
платы. При химической металлизации отверстий прочность сцепления обусловлена
сорбционным взаимодействием меди и диэлектрика, которое не обеспечивает высокой
и равномерной прочности сцепления, что имеет место при металлизации в вакууме
(кроме катодной и плазменной металлизации). Высокая прочность сцепления прово-
дников с диэлектриком достигается при вжигании специальных токопроводящих паст
на керамическое основание, а также при клеевом соединении фольги с диэлектриком.
Прочность сцепления зависит также от типа диэлектрика, марки клея, качества под-
готовки поверхности и пр. и определяется усилием отрыва проводника от ПП.
Устойчивость к перепайкам определяется количеством допустимых перепаек, кото-
рые должны выдержать контактные площадки при ремонте. Так, ПП с металлизиро-
ванными отверстиями должны допускать не менее четырех, а МПП — трех перепаек.
ПП без металлизированных отверстий должны обеспечивать не менее трех, а МПП —
двух перепаек. При этом необходимо учитывать режимы процесса пайки, т. е. прило-
женное тепло не должно повреждать целостность сцепления между медным покры-
тием и основанием ПП.
Пригодностью к пайке называется способность печатных плат сохранять паяемость
в течение определенного времени, налример, при хранении заготовок ПП. Все ЭРИ,
платы и технологические материалы должны храниться в условиях, рекомендованных

142
Конструирование узлов и устройств электронных средств
изготовителем, и не дольше рекомендованного срока годности при хранении. Так, пе-
чатные платы рекомендуется хранить в горизонтальном положении вдали от загрязня-
ющих внешних условий при относительной влажности воздуха <80 % и температуре
от +5 до 39 °С. Для предохранения проводящего рисунка ПП от воздействия внешней
среды при длительном хранении на печатные платы наносят защитное технологиче-
ское покрытие, которое удаляется после сборки и пайки, перед покрытием электрои-
золяционным лаком. Для этих целей чаще всего используют лаки на основе канифоли,
обладающие флюсующими свойствами.
Поверхность ПП не должна иметь дефектов: вздутий, пузырей, посторонних вклю-
чений, сколов, выбоин, трещин, а также расслоения материала основания. Все эти де-
фекты приводят к ухудшению электрических характеристик ПП, в первую очередь,
снижают электрическое сопротивление и прочность изоляции. Допускаются лишь
одиночные вкрапления металла и следы его удаления на свободных от проводников
участках, поверхностные сколы и просветления диэлектрика, ореолы, возникающие в
результате механической обработки, если расстояние от проводника до указанного де-
фекта составляет не менее 0,3 мм. Допускаются также отдельные дефекты материала
основания, обнаруженные после травления и предусмотренные техническими услови-
ями на фольгированные материалы.
Края печатных проводников должны быть ровными, хотя иногда допускаются не-
ровности по краям проводников, не уменьшающие минимальной ширины проводни-
ков и расстояния между ними, предусмотренных конструкторской документацией
на ПП. Отклонение размеров контактной площадки от заданных по ширине или длине
возможно, но при этом расстояние до ближайших проводников или контактных пло-
щадок в любом месте не должно быть меньше минимальных величин, указанных в
конструкторской документации на ПП.
Толщина слоя меди, гальванически осажденной на металлизируемых участках ПП,
должна быть в пределах от 40 до 100 мкм, а на линиях земли, экранах и проводниках,
лежащих по краям платы, толщина медного слоя допускается до 150 мкм.
В целях повышения механической жесткости ПП необходимо, чтобы отношение ее
длины к ширине не превышало 3:1.
Каждая ПП должна иметь маркировку с указанием индекса или номера платы,
а также дату изготовления и штамп ОТК о приемке. Клеймо ОТК ставится в любом сво-
бодном от маркировочных знаков месте платы.
Вопросы для контроля
1. Какие основные работы выполняются при конструировании электронных моду-
лей первого уровня?
2. Чем отличается печатная плата от печатного узла?
3. Дайте определения типов отверстий, использующихся в печатных платах. В чем
их различие?
4. Какие элементы проводящего рисунка Вы знаете?
5. Что представляет собой основание печатной платы?
6. Какие виды печатных плат Вам известны?
7. Что представляет собой, с конструктивной точки зрения, односторонняя печат-
ная плата?
8. Какие основные конструктивные признаки двухсторонних печатных плат?
9. В чем состоят особенности конструкции многослойных печатных плат?
10. Чем отличается гибкий печатный кабель от гибкой печатной платы?
11. Какова область применения гибко-жестких печатных плат?

Глава 3.1. Основы конструирования электронных модулей первого уровня 143
12. Как осуществляются межслоевые соединения в печатных платах?
13. В чем состоит специфика конструкции рельефной печатной платы?
14. Что представляет собой координатная сетка?
15. Какие основные шаги координатной сетки устанавливает ГОСТ Р 51040-97?
16. Как осуществляется выбор шага координатной сетки?
17. Сколько классов точности на размеры печатных плат устанавливает ГОСТ Р
53429-2009?
18. Как осуществляют выбор габаритных размеров печатной платы?
19. Какие основные требования накладывают на электрические параметры печатной
платы?
20. Как определить сопротивление печатного проводника?
21. Что понимают под электрической прочностью изоляции?
22. Что характеризует сопротивление изоляции печатной платы?
23. Какие источники паразитных реактивностей на печатных платах Вам известны?
24. Что представляют собой и в каких единицах выражают погонную емкость и по-
гонную индуктивность?
25. Что характеризуют диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектри-
ческих потерь?
26. Какие электрические параметры печатных плат оказывают наиболее существен-
ные воздействия на низкочастотные и высокочастотные ЭС?
27. Что понимают под термином «паяемость»?
28. Как обеспечить устойчивость платы к перепайкам?
29. Как обеспечить устойчивость сцепления печатных проводников с основанием?
30. Как обеспечить пригодность печатной платы к пайке?
31. Какие требования предъявляют к качеству поверхности печатной платы?

Глава 3.2
КОНСТРУКТОРСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Печатная плата представляет собой несущую конструкцию, на которой установ-
лены ЭРИ различного назначения, поэтому проектирование конструкции ПП — одна
из наиболее ответственных задач при разработке ЭС. Для обеспечения нормального
функционирования печатного узла без ухудшения его электрических и механических
характеристик необходимы не только правильные схемотехнические решения, но и
учет влияния внешней среды, эксплуатационных факторов, электромагнитной и те-
пловой совместимости электронных компонентов. Особое внимание следует обратить
на тесную взаимосвязь современной элементной базы с конструкцией и технологией
изготовления ПП, которые совместно должны обеспечить требования к быстродей-
ствию, частотному диапазону, помехозащищенности. Разработка конструкции ПП
всегда связана с конкретным производством и оборудованием, на котором плату будут
изготавливать, выполнять сборку электронного модуля первого уровня, осуществлять
его контроль и испытания, поэтому следует помнить о связи требований к конструк-
ции ПП с технологическими возможностями ее изготовления. Следует заметить, что
спроектировать и изготовить ПП, отвечающую передовым отечественным и междуна-
родным требованиям, предъявляемым к печатным платам, без использования средств
автоматизации практически невозможно. Системы автоматизированного проектиро-
вания широко применяются на всех этапах проектирования ПП — от размещения ЭРИ
в коммутационно-монтажном пространстве, трассировки электрических соединений
и инженерных вычислений до выпуска КД на изделие. Отмеченные особенности кон-
струирования печатных плат могут быть успешно реализованы только в результате
активного взаимодействия специалистов различного профиля — схемотехников, кон-
структоров, технологов и программистов.
3.2.1. Состав технического задания на проектирование печатных плат
Исходные данные для конструирования ПП и, соответственно, электронных моду-
лей первого уровня определяются в соответствии с конструкцией модулей более высо-
кого конструктивного уровня иерархии, например, ЭМ2 — блока; при этом конструк-
торско-технологические ограничения и требования, предъявляемые к ПП, должны

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
145
полностью соответствовать требованиям ТЗ на ЭС в целом [23]. Поэтому ТЗ на про-
ектирование ПП обязательно содержит пункты, определяющие условия нормального
функционирования при воздействии внешних и внутренних факторов, как напрямую
оказывающих воздействие на ЭМ1, так и косвенно на него влияющих. В общем виде,
в ТЗ на проектирование ПП обязательно указывают:
• назначение и область применения;
• группу ЭС по объекту установки, для которой разрабатывается ПП и, соответ-
ственно, ЭМ1 (стационарная, возимая, носимая и др.);
• условия эксплуатации, хранения, транспортировки;
• механические воздействия (вибрации, удары и др.);
• климатические воздействия (температура окружающей среды, влажность, атмос-
ферное давление);
• специальные воздействия (солевой туман, плесень, грызуны, ионизирующее из-
лучение и др.);
• схему электрическую принципиальную ЭМ1, для которого разрабатывается ПП
с указанием элементной базы и выделением электрических параметров, влияю-
щих на конструкцию ПП (максимальные значения электрического тока и напря-
жения, частотный диапазон, рассеиваемая мощность, быстродействие и др.);
• варианты установки ЭРИ и их установочные площади;
• способ закрепления ЭМ1 в модулях более высокого уровня конструктивной ие-
рархии;
• необходимые конструкторско-технологические ограничения.
ГОСТ Р 53429-2009, а также руководящий документ по стандартизации РД-50-
708-91 рекомендуют конструирование ПП проводить по следующим основным этапам.
1. Анализ назначения, объекта установки и условий эксплуатации ЭС, в состав ко-
торого входит разрабатываемая ПП.
2. Выбор группы жесткости ПП.
3. Анализ схемы электрической принципиальной.
4. Выбор элементной базы и вариантов ее установки.
5. Выбор типа конструкции и класса точности ПП.
6. Выбор материала основания.
7. Определение габаритных размеров ПП.
8. Определение толщины основания ПП.
9. Расчет элементов проводящего рисунка.
10. Определение мест и способов нанесения маркировочных знаков.
11. Обеспечение защиты ПП от внешних дестабилизирующих факторов.
Следует подчеркнуть, что все этапы конструирования должны предусматривать
возможность их исполнения ручным, автоматизированным и автоматическим мето-
дами. Автоматизированный метод конструирования предусматривает выполнение
отдельных операций при взаимодействии человека и ЭВМ, а автоматический ме-
тод обеспечивает выполнение всех проектных этапов на ЭВМ без участия человека
[1, 3]. Доля ручного проектирования в общем объеме проектно-конструкторских
работ неуклонно снижается, а автоматическое проектирование возможно лишь в
отдельных частных случаях для относительно простых объектов. Именно поэтому
в настоящее время автоматизированное проектирование является наиболее распро-
страненным.
Далее по тексту учебного пособия рассмотрим перечисленные выше этапы кон-
структорского проектирования ПП более подробно, заостряя внимание на наиболее
ключевых моментах, которые имеют непосредственное влияние на конечный резуль-
тат проектно-конструкторских работ.

146
Конструирование узлов и устройств электронных средств
3.2.2. Анализ назначения, объекта установки и условий
эксплуатации ЭС
В зависимости от назначения, объекта установки и условий эксплуатации ЭС опре-
деляются ограничения и принципиальные возможности конструирования, изготовле-
ния и эксплуатации изделия. Например, требования к элементной базе стационарных
ЭС существенно отличаются от требований к возимой на подвижных объектах или но-
симой оператором аппаратуры.
К настоящему времени сложилось несколько различных подходов к классифика-
ции ЭС по объекту установки. Согласно одному из подходов, все ЭС условно разделяют
на три класса — наземной, морской и бортовой аппаратуры, внутри которых выделя-
ются дополнительные группы (рис. 3.2.1) [29].
Электронные средства
Судовые
Буйковые
Наземные
Стационарные
Возимые
Бортовые
Самолетные
Ракетно-космические
Носимые
Бытовые
Рис. 3.2.1. Классификация ЭС по объекту установки
Морские ЭС эксплуатируются в условиях высокой влажности воздуха, повышен-
ной температуры, солевого тумана и непрерывной вибрации от двигателей. При этом
возможно возникновение ударных перегрузок, линейных ускорений, акустических,
магнитных и радиационных воздействий. Поэтому морская аппаратура должна раз-
рабатываться в тропическом исполнении, предусматривать коррозионную стойкость,
защиту от попадания воды и брызг, иметь стойкость к образованию плесени и обладать
защищенностью от высокочастотных и низкочастотных электромагнитных полей.
Буйковые ЭС служат навигационным и другим целям и характеризуются длительной
необслуживаемой эксплуатацией, работой в морской воде в плавающем или погружен-
ном состоянии и воздействием сильных ударов, возникающих как при штормах, так и
при установке радиобуя (путем сбрасывания). Поэтому к буйковым ЭС предъявляются
требования к особой прочности, герметичности и коррозионной стойкости корпуса.
Класс наземных ЭС представлен группами стационарной, возимой, носимой и быто-
вой аппаратуры. Стационарные ЭС устанавливают в отапливаемых и неотапливаемых
помещениях, складах, подвалах, помещениях с повышенной влажностью, производ-
ственных цехах и на открытом воздухе. Условия эксплуатации и транспортирования
такой аппаратуры характеризуются широким диапазоном температур, влажности,
вибраций. Для возимых ЭС характерна работа в условиях вибраций, ударов, запылен-
ности и высокой влажности. Возимая аппаратура должна иметь ограниченные габа-
Морские

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
147
риты и массу, а также ограниченную мощность рассеяния, в то же время обеспечивая
простоту и надежность электрических соединений, устойчивость к ударам и вибра-
циям, образованию на внутренних и внешних поверхностях конденсата влаги. Для
носимых ЭС требование к миниатюризации выходит на первое место, поэтому мини-
мальные габариты и масса, устойчивость к случайным ударам, перепаду температур,
воздействию инея, дождя, пыли составляют основные требования к такой аппаратуре.
Бытовые ЭС должны иметь невысокую стоимость, небольшие габариты и массу, быть
простыми в эксплуатации, поэтому требования к технологичности конструкции, мас-
со-габаритным показателям являются наиболее значимыми.
Класс бортовых ЭС состоит из групп самолетной и ракетно-космической электрон-
ной техники. Общими особенностями аппаратуры этого класса являются высокая
функциональная сложность при минимальных габаритах и массе, жесткие условия
эксплуатации в разреженной атмосфере. Самолетные ЭС испытывают также зна-
чительные вибрационные, ударные и линейные перегрузки, воздействие перепадов
температур. ЭС данной группы характеризуются кратковременностью непрерывной
работы и длительной предполетной подготовкой, поэтому к ним предъявляются тре-
бования высокой контроле- и ремонтопригодности. Ракетно-космические ЭС должны
обладать особой ограниченностью объема и массы, предусматривать комплексную за-
щиту от перегрузок, вибраций и акустических шумов, радиации, быть рассчитанными
на продолжительную работу в условиях повышенных и пониженных предельных тем-
ператур, иметь чрезвычайно высокую безотказность и ремонтопригодность в предстар-
товый период.
Иногда ЭС в зависимости от объекта установки разделяют на классы стационарных,
портативных и транспортируемых, внутри которых выделяют группы, разновидности
которых показаны на рис. 3.2.2 [9]. Основным отличием этой классификации от рас-
смотренной выше является другой подход к разделению ЭС на классы и группы. Так,
в частности, отсутствует специальное выделение группы бытовой электронной аппара-
туры, т. е. бытовые ЭС могут относиться к любому классу, и требования к стойкости к
внешним воздействиям будут определяться в рамках этого класса и соответствующей
группы. Кроме того, судовая аппаратура вошла в состав транспортируемых ЭС, а не
представлена отдельным классом.
Стационарные
Для отапливае-
мых помещений
Для неотапливае-
мых помещений
и открытого
воздуха
Электронные средства
Рис. 3.2.2. Альтернативная классификация ЭС по объекту установки
Портативные
Переносные,
работающие
в помещении
Переносные,
работающие
на открытом
воздухе
Транспортируемые
На авто-
транспорте
На морских и
речных судах
Наж/д
транспорте
На авиационных
и космических
аппаратах

148
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В различной литературе, например, в [30], встречаются также и другие способы
классификации ЭС по объекту установки, представляющие по существу различные
модификации представленных вариантов классификации.
Необходимо отметить, что численные значения показателей воздействующих фак-
торов для ЭС различных групп представленных выше видов классификаций опреде-
ляются предприятием-изготовителем как на основе различного рода нормативных до-
кументов — стандартов, технических условий, инструкций, так и по согласованию с
заказчиком изделия.
Кроме рассмотренных подходов к классификации ЭС по объекту установки, суще-
ствуют и стандарты, устанавливающие классы и группы электронной аппаратуры и
четко определяющие в них место конкретного ЭС. Так, согласно ГОСТ Р МЭК 61192-
1-2010 все электронные средства разделяются на три класса:
• А — электронные средства общего назначения (электронная аппаратура ши-
рокого потребления, в том числе персональные компьютеры и периферийные
устройства, а также электронные модули и блоки, функционирующие в составе
общих комплексов);
• В — специализированные электронные средства (высококачественная коммуни-
кационная аппаратура, сложные вычислительные средства и электронная аппа-
ратура с длительным сроком службы и возможностью бесперебойной эксплуа-
тации);
• С — электронные средства ответственного назначения (все виды ЭС, для которых
требование к высочайшей надежности функционирования обязательно, недопу-
стимы сбои и отказы в исключительно жестких условиях эксплуатации).
Например, к классу А следует отнести весь спектр бытовой радиоэлектронной ап-
паратуры, к классу В — аппаратуру передающих теле-радиоцентров, серверы, сетевое
оборудование, источники бесперебойного питания и др., а к классу С — системы жиз-
необеспечения, сложную медицинскую аппаратуру, авиационные и космические ЭС.
Внутри каждого класса ГОСТ 16019-2001 устанавливает требования к аппаратуре
по стойкости к воздействию механических и климатических факторов и определяет
семь групп аппаратуры в зависимости от объекта установки:
• С1 — стационарная, эксплуатируемая в отапливаемых наземных и подземных
сооружениях;
• С2 — стационарная, размещаемая под навесом на открытом воздухе, а также в не-
отапливаемых наземных и подземных сооружениях;
• ВЗ — возимая во внутренних помещениях речных судов;
• В4 — возимая на автомобилях, мотоциклах, сельскохозяйственной, дорожной и
строительной технике;
• В5 — возимая на железнодорожном транспорте;
• Н6 — носимая в одежде или под одеждой оператора, а также в отапливаемых на-
земных и подземных сооружениях;
• Н7 — носимая на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подзем-
ных сооружениях.
Например, источник бесперебойного питания серверного оборудования относится
к классу В и группе С1, автомагнитола — к классу А и группе В4, сотовый телефон —
к классу А и группе Н6, а блок управления химическим реактором следует отнести к
классу С и группе С1.
Необходимо подчеркнуть, что при разработке электронных средств класса А чис-
ленные значения воздействующих механических и климатических факторов следует
брать согласно ГОСТ 16019-2001, а при проектировании аппаратуры В и особенно С
классов характер и значения внешних воздействий определяет заказчик изделия.

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
149
В табл. 3.2.1-3.2.3 представлены для всех групп ЭС по объекту установки допустимые
значения механических, климатических и ряда других влияющих на электронную ап-
паратуру факторов.
Таблица 3.2.1
Значения механических воздействующих факторов по группам ЭС
Груп-
па ЭС
С1
С2
ВЗ
В4
В5
Н6
Н7
Синусоидальная вибрация
диапазон
частот,
Гц
10-70
10-100
10-70
амплиту-
да уско-
рения,
м/с2
19,6
39,2
19,6
длитель-
ность
воздей-
ствия,
мин
90
Механические удары
при эксплуатации
(транспортировке)
пиковое
ударное
ускоре-
ние, м/с2
-(147)
98 (250)
147 (250)
250 (250)
98 (250)
длитель-
ность
удара, мс
-(6)
16(6)
10(6)
6(6)
16(6)
число
ударов
-(4000)
1000
(4000)
Высота свободного
падения, мм,
при массе
до 2 кг
1000
до 5 кг
500
ДО
10 кг
-
250
Условия эксплуатации также накладывают ряд дополнительных ограничений на
конструкцию изделия. ГОСТ 15150-69 определяет исполнения машин, приборов и дру-
гих технических изделий для различных климатических районов, устанавливает ка-
тегории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования с учетом воздействия
климатических факторов внешней среды. Стандартом предусмотрено одиннадцать
вариантов климатических исполнений, обозначаемых русскими или латинскими бук-
вами (цифрами):
• У (N или 0) — макроклиматический район с умеренным климатом;
• УХЛ (NF или 1) — макроклиматический район с умеренным и холодным климатом;
• ХЛ (F) — макроклиматический район с холодным климатом;
• ТВ (ТН или 2) — макроклиматический район с тропическим влажным климатом;
• ТС (ТА или 3) — макроклиматический район с тропическим сухим климатом;
• Т (Т или 4) — макроклиматический район как с влажным, так и с сухим тропиче-
ским климатом;
• О (U или 5) — общеклиматическое исполнение для макроклиматических районов
суши, кроме районов с очень холодным климатом;
• М (М или 6) — макроклиматический район с умеренно-холодным морским кли-
матом;
• ТМ (МТ или 7) — макроклиматический район с тропическим морским кли-
матом;
• ОМ (МU или 8) — макроклиматический район с умеренно-холодным и тропиче-
ским морским климатом;
• В (W или 9) — всеклиматическое исполнение для всех макроклиматических рай-
онов суши и моря, кроме районов с очень холодным климатом.

150 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 3.2.2
Значения климатических воздействующих факторов по группам ЭС
Группа
ЭС
С1
С2
вз
В4
В5
Н6
Н7
Пониженные
температуры при
их воздействии
в течение 2 часов
для 1 (2) групп
жесткости
рабочая
темпера-
тура, °С
+5 (+5)
-25 (-40)
-10 (-10)
-25(-40)
-25 (-40)
+5 (-10)
-10 (-25)
пре-
дельная
темпе-
рату-
ра, °С
-40
(-55)
Повышенные
температуры при
их воздействии
в течение 2 часов
рабо-
чая
темпе-
рату-
ра, °С
+40
+55
+40
+50
предель-
ная тем-
перату-
ра, °С
+55
+65
+55
Изменение темпе-
ратуры при трех
циклах их воз-
действия для 1 (2)
групп жесткости
диапазон
изменения
темпера-
тур/С
-
-40...+55
С-55...+55)
-40...+65
(-55...+65)
-40...+55
(-55...+55)
время
вы-
держки
в каме-
ре^
-
3
0,5
Влажность при повы-
шенной температуре
в постоянном режиме
для 1 (2) групп жестко-
сти
относи-
тельная
влаж-
ность,
%
-
93
темпе-
ратура,
°С
-
+25
(+40)
дли-
тель-
ность
воздей-
ствия, ч
-
144
48
144
Таблица 3.2.3
Значения прочих воздействующих факторов по группам ЭС
Группа
ЭС
С1
С2
ВЗ
В4
В5
Н6
Н7
Соляной
туман
длитель-
ность воз-
действия
цикла
тумана
(влажно-
сти), ч
2(22)по
3 цикла
Песок и пыль
соотно-
шение
песка
и пыли
-
1:1
-
1: 1
-
1:1
дли-
тель-
ность
воздей-
ствия,
ч
-
1
-
1
-
1
темпе-
ратура,
°С
-
35
-
35
-
35
Погружение
вводу
глуби-
на по-
груже-
ния, м
0,5
0,4
дли-
тель-
ность
воздей-
ствия,
ч
1,0
0,5
Дождевые осадки
интен-
сивность
дождя,
мм/мин
—
3
дли-
тель-
ность
воздей-
ствия,
мин
—
10
Иней и роса
темпе-
ратура,
°С
-
-25
дли-
тель-
ность
воздей-
ствия,
ч
-
2

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 151
Стандартом устанавливаются границы макроклиматических районов земного
шара, а также характеристики типов климата по температуре и влажности. Несколько
макроклиматических районов могут быть объединены в группу макроклиматических
районов (например, УХЛ, О). Допускается из макроклиматического района с умерен-
ным климатом выделять подрайон с теплым умеренным подтипом климата (ТУ), для
которого средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна
или выше минус 25 °С.
Для всех вариантов климатического исполнения дополнительно выделяются укруп-
ненные (табл. 3.2.4) и дополнительные категории (табл. 3.2.5) в зависимости от места
размещения изделий при эксплуатации в воздушной среде на высотах до 4 300 м, в том
числе в подземных и на подводных объектах.
Таблица 3.2.4
Укрупненные категории размещения изделий
Обозначение
1
1
2
3
4
5
Характеристика категории
2
Для эксплуатации на открытом воздухе
Для эксплуатации цод навесом или в помещениях, где изменения темпе-
ратуры и влажности воздуха несущественно отличаются от их изменений
на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ наружно-
го воздуха при отсутствии прямого воздействия солнечного излучения и
атмосферных осадков (палатки, кузова, прицепы, металлические поме-
щения без теплоизоляции)
Для эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляцией
без искусственно поддерживаемых климатических условий, где коле-
бания температуры, влажности воздуха, воздействие песка и пыли су-
щественно меньше, чем на открытом воздухе, отсутствует воздействие
атмосферных осадков и прямого солнечного излучения. Допускается
также эксплуатация в помещениях, в которых отсутствует или суще-
ственно снижено воздействие ветра, рассеянного солнечного излучения
и конденсации влаги (каменные, бетонные, деревянные, металлические
с теплоизоляцией помещения)
Для эксплуатации в помещениях с искусственно поддерживаемыми кли-
матическими условиями, где отсутствует воздействие прямого солнеч-
ного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного
воздуха. Допускается эксплуатация в помещениях, в которых отсутству-
ет или существенно снижено воздействие рассеянного солнечного из-
лучения и конденсации влаги (закрытые отапливаемые (охлаждаемые)
и вентилируемые производственные и другие, в том числе подземные,
помещения)
Для эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью, в которых
возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на
стенах и потолке (неотапливаемые и невентилируемые подземные поме-
щения, в том числе шахты, подвалы, судовые, корабельные и другие по-
мещения, в частности, некоторые трюмы, некоторые цехи текстильных,
гидрометаллургических производств и т. п.)

152
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 3.2.5
Дополнительные категории размещения изделий
Обозначение
1.1
2.1
3.1
4.1
4.2
5.1
Характеристика категории
Для хранения изделия в помещениях категории 4 и эксплуатации как
в условиях категории 4, так и кратковременно в других условиях, в том
числе на открытом воздухе
Для эксплуатации в виде встроенных элементов внутри изделий категорий
1; 1.1; 2, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги
на встроенных элементах (например, ячейки в блоках ЭС)
Для эксплуатации в нерегулярно, отапливаемых помещениях
Для эксплуатации в помещениях с кондиционированным воздухом
Для эксплуатации в лабораторных, капитальных жилых и других подоб-
ных помещениях
Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри изделий катего-
рии 5, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на
встроенных элементах (например, ячейки в блоках ЭС)
Для объектов, эксплуатируемых в безвоздушной среде и (или) при атмосферном дав-
лении менее 53,3 кПа (400 мм рт. ст.), в том числе на высотах более 4300 м, понятие ка-
тегории размещения изделий не применяют для всех стадий их эксплуатации. Изделия,
предназначенные для эксплуатации на высотах более 1000 м при пониженном атмосфер-
ном давлении (в том числе изделия, эксплуатируемые как на высотах более 1000 м, так
и на высотах до 1000 м) изготавливают по группам в зависимости от пониженного атмос-
ферного давления или высоты над уровнем моря. ГОСТ 15150-69 определяет 15 групп
пониженного давления, обозначаемых буквами от «а» до «п» (таблица 3.2.6).
Таблица 3.2.6
Группы пониженного давления .
Обозначение
групп
1 а
б
1 в
г
Д
1 е
1 ж
3
и
к
Атмосферное давление
нижнее значение,
кПа (мм рт. ст.)
70(525)
60(450)
53,3 (400)
26,7(200)
12(90)
4,4(33)
2(15)
6 10х(5)
1,3 1041)
1,3 Ю-2 (101)
среднее значение,
кПа (мм рт. ст.)
75,6 (567)
65,8(493)
59,3(445)
29(218)
13,3(100)
5,5(41)
2,2(16)
6 1045)
1,3 10-41)
1,3 Ю-2 (Ю-1)
Высота над уровнем
моря, м
2 400
3 500
4 300
9 400
14 400
20 000
26 000
34 000
45 800
63 600 |

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 153
Окончание табл. 3.2.6
Обозначение
групп
л
м
н
о
п
Атмосферное давление
нижнее значение,
кПа (мм рт. ст.)
1,3 10"4(10-3)
1,3-10"7 (Ю-6)
1,3 1010(10-9)
1,3 Ю"13 (Ю-12)
1,3- Ю-14 (Ю-13)
среднее значение,
кПа (мм рт. ст.)
1,3 10"4(10-3)
1,3- Ю-7 (Ю-6)
1,3 1010(10-9)
1,3 1013 (Ю-12)
1,3 10"14(1013)
Высота над уровнем
моря, м
91 700
200 000
космическое про-
странство
Совокупность исполнения, категории и группы по пониженному давлению назы-
вают видом климатического исполнения изделия (например, вид климатического ис-
полнения УХЛ4.2 или климатическое исполнение по виду ТВ205а).
Нормальные значения температур окружающего воздуха внешней среды при экс-
плуатации изделий для всех вариантов климатического исполнения и категорий раз-
мещения представлены в таблице 3.2.7.
Таблица 3.2.7
Значения температуры воздуха
Климатиче-
ское испол-
нение
У, ТУ
хл
УХЛ
ТВ
т,тс
Категория размещения
1; 1.1; 2; 2.1; 3
3.1
5; 5.1
1; 1.1; 2; 2.1; 3
3.1
5; 5.1
1; 1.1; 2; 2.1; 3
3.1
4
4.1
4.2
5; 5.1
1; 1.1; 2; 2.1; 3; 3.1
4
4.1
4.2
5; 5.1
1; 1.1; 2; 2.1; 3; 3.1
4
4.1
4.2
5; 5.1
Температура воздуха при эксплуатации, °С
диапазон рабочих
температур, °С
от +40 до -45
от+40 до-10
от +35 до -5
от +40 до -60
от +40 до — 10
от +35 до -10
от +40 до -60
от+40 до-10
от +35 до +1
от+25 до+10
от+35 до+10
от +35 до -10
от+40 до +1
от +40 до+1
от +25 до +10
от +45 до +10
от+35 до+1
от +50 до -10
от +45 до +1
от +25 до +10
от+45 до+10
от+35 до+1
диапазон предельных
рабочих температур, °С
от +45 до -50
от +45 до -10
от +35 до -5 ]
от +45 до -70
от +45 до -10
от +35 до -10
от +45 до -70
от +45 до -10
от+40 до+1
от+40 до+1
от+40 до+1
от +35 до -10
от +45 до +1
от +45 до +1
от+40 до+1
от +45 до +10
от +35 до +1
от +60 до -10
от +55 до +1
от+40 до+1
от +45 до +10
от +35 до +1

154
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 3.2.7
Климатиче-
ское испол-
нение
О
м
тм
ом
в
Категория размещения
1; 1.1; 2; 2.1
4
4.1
4.2
5; 5.1
1; 1.1; 2 2.1; 3; 5; 5.1
4; 3.1
4.1
4.2
1; 1.1; 2; 2.1; 3; 5; 5.1
4
4.1
4.2
1; 1.1; 2; 2.1; 3; 5; 5.1
4; 3.1
4.1
4.2
1; 1.1; 2; 2.1; 3
3.1
4
4.1
4.2
5; 5.1
Температура воздуха при эксплуатации, °С
диапазон рабочих
температур, °С
от +50 до -60
от +45 до+1
от +25 до +10
от +45 до +10
от+35 до-10
от +40 до -40
от +40 до -10
от+35 до+15
от +40 до +1
от +45 до +1
от +45 до +1
от +25 до +10
от +45 до +1
от +45 до -40
от +45 до -10
от+35 до+15
от+40 до +1
от +50 до -60
от+50 до-10
от+45 до-10
от+25 до+10
от +45 до +1
от +45 до -40
диапазон предельных
рабочих температур, °С
от +60 до -70
от+55 до+1
от +40 до +1
от+45 до+1
от +35 до -10
от +45 до -40
от+40 до-10
от +40 до +1
от+40 до+1
от+45 до+1
от+45 до+1
от+40 до+1
от +45 до+1
от +45 до -40
от +45 до -10
от+40 до+1
от+40 до+1
от +60 до -70
от+60 до-10
от +55 до -10
от+40 до+1
от +45 до +1
от +45 до -40
Рабочие значения сочетаний относительной влажности воздуха и температуры при-
ведены в табл. 3.2.8.
Таблица 3.2.8
Значения относительной влажности воздуха
Климатическое
исполнение
У,УХЛ,ХЛ,ТУ
тс
Категория разме-
щения
1;2
1.1
2.1; 3; 3.1
5
5.1
1; 2 1.1; 3; 3.1
4; 4.1; 4.2
5
5.1
Относительная влажность
среднегодовая
75% при 15 °С
70% при15°С
75% при15°С
90% при15°С
90% при15°С
40% при27°С
40% при27°С
90% при15°С
90% при15°С
предельная
100 % при 25 °С
98 % при 25 °С
98 % при 25 °С
100 % при 25 °С
98 % при 25 °С
100 % при 25 °С
80 % при 25 °С
100 % при 25 °С
80 % при 25 °С

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
155
Окончание табл. 3.2.8
Климатическое
исполнение
ТВ, Т, О, В, ТМ,
ом
УХЛ
ТВ, Т, В, ТМ, ОМ
ТВ, О, В, ТМ, ОМ
М
Категория разме-
щения
1;2;5
1.1
2.1; 5.1
4; 4.1; 4.2
3
3.1
4
4.1
4.2
1;2
1.1
2.1
3;4;3.1
4.1
4.2
5
5.1
Относительная влажность
среднегодовая
80% при27°С
75% при27°С
80% при27°С
60 % при 20 °С
75% при27°С
75% при27°С
75% при27°С
60 % при 20 °С
75% при27°С
80 % при 22 °С
75 % при 22°С
80 % при 22 °С
75 % при 22 °С
60 % при 20 °С
75 % при 22 °С
80 % при 22 °С
80 % при 22 С
предельная
100 % при 35 С
98 % при 35 °С
98 % при 35 °С
80 % при 25 °С
98 % при 35 °С
98 % при 35 °С
98 % при 35 °С
80 % при 25 °С
98 % при 35 °С
100 % при 25 °С
98 % при 25 °С
98 % при 25 °С
98 % при 25 °С
80 % при 25 °С
98 % при 25 °С
100 % при 25 °С
98 % при 25 °С
Так, в частности, для климатического исполнения УХЛ 4.1 нормальными значе-
ниями климатических факторов внешней среды при эксплуатации являются рабочие
температуры воздуха от +10 °С до -1-25 °С при относительной влажности не более 80 %.
Рассмотренные стандарты взаимно дополняют друг друга и используются со-
вместно при проектировании ЭС, в основном, гражданского назначения. Предприятия
оборонно-промышленного комплекса используют специально разработанные стан-
дарты, ориентированные на специфику выпускаемой ими продукции. На рис. 3.2.3
показана структура классификации ЭС в соответствии с представленными выше стан-
дартами.
Например, анализ назначения, объекта установки и условий эксплуатации охран-
ной сигнализации складского помещения, расположенного в умеренном климате, по-
зволил сделать вывод, что данное устройство относится к ЭС класса В, группе С2 и виду
климатического исполнения УХЛЗ.
3.2.3. Обоснование и выбор группы жесткости
В зависимости от условий эксплуатации ЭС специалист-проектировщик выбирает
по ГОСТ 23752-79 группу жесткости ПП, чтобы выработать соответствующие ей требо-
вания к конструкции ПП, материалу основания и необходимости применения допол-
нительной защиты от климатических воздействий [9, 23, 29, 30].
В результате совместного воздействия высокой температуры и влажности может
возникнуть цилиндрическое или сферическое искривление основания ПП — кривизна
(рис. 3.2.4, а). Допустимая величина изгиба ПП на жестком основании на основе сте-
клоткани толщиной 1,0...1,5 мм на длине 100 мм не должна превышать 0,9 мм для ОПП,
0,8 мм для ДПП и 0,5 мм для МПП. Если толщина основания составляет от 1,5 до 2 мм,
то допустимый изгиб ПП может достигать 0,8 мм, 0,6 мм и 0,1 мм, а при толщине осно-
вания свыше 2 мм — 0,6 мм, 0,5 мм и 0,1 мм для ОПП, ДПП и МПП соответственно.

156
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Электронные средства
Классы электронных средств
класс А
класс В
классС
Группы электронных средств
С1 (стационарная)
ВЗ (возимая)
Н6 (носимая)
С2 (стационарная)
В4 (возимая)
Н7 (носимая)
В5 (возимая)
Варианты исполнений электронных средств
У (умеренный климат)
М (умеренный и холодный
морской климат)
ТВ (тропический
влажный климат)
УХЛ (умеренный
и холодный климат)
ТМ (тропический
морской климат)
ТС (тропический
сухой климат)
ХЛ (холодный климат)
ОМ (общеклиматический
морской)
Т (тропический влажный
и сухой климат)
О (общеклиматический)
В (всеклиматический)
Рис. 3.2*3. Классификация ЭС на основе стандартов
Рис. 3.2.4. Виды деформации печатных плат: а — кривизна; б — коробление

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 157
Спиральное искривление противоположных кромок основания ПП — коробление
(рис. 3.2.3, б)9 может привести к разрыву проводников, осложнить процесс изготовле-
ния ПП и установки ЭРИ при сборке ЭМ1. Величина деформации определяется меха-
нической прочностью фольгированного диэлектрика, характером напряженного со-
стояния после стравливания фольги, правильностью режимов нагрева и охлаждения,
а также климатическими воздействиями окружающей среды в процессе эксплуатации
изделия.
ГОСТ 23752-79 устанавливает требования по устойчивости ПП к климатическим
воздействиям и определяет четыре группы жесткости, как показано в таблице 3.2.9.
Таблица 3.2.9
Группы жесткости климатических факторов
Труппа
жест-
кости
1
2
3
4
Значения воздействующих факторов
температура окружающей среды, °С
верхняя граница
55
85
100
120
нижняя граница
-25
-40
-60
относительная
влажность
воздуха, %
75
98
перепад
температур,
°С
от-25
до+55
от-40
до +85
от-60
до +100
от-60
до+120
атмосферное
давление, Па
(мм рт. ст.)
101 325
(760)
53 600
(400)
666
(б) |
Как видно из таблицы, группа жесткости ПП определяется только по четырем па-
раметрам: температуре окружающей среды, смене температур, относительной влаж-
ности воздуха и атмосферному давлению. Первая группа жесткости характеризуется
наиболее мягкими климатическими режимами и соответствует условиям эксплуата-
ции большинства ЭС. Четвертая группа жесткости выбирается для ПП, входящих в
состав аппаратуры, функционирующей в условиях значительного перепада темпера-
тур, высокой влажности и низкого давления, например, в горах или на авиационной
технике.
3.2.4. Анализ схемы электрической принципиальной
Конструктивное исполнение электронного модуля первого уровня зависит не
только от внешних воздействующих факторов, но и от внутренних ограничений, кото-
рые необходимо учитывать при компоновке функционального узла. К таким ограни-
чениям, в первую очередь, необходимо отнести тепловые, электрические, магнитные
и электромагнитные взаимовлияния ЭРИ [23, 29-31]. Именно с целью выявить подоб-
ные вредные факторы и проводят анализ схемы электрической принципиальной ЭМ1,
по результатам которого определяют:
• сложность ЭМ1, обычно оцениваемую по числу ЭРИ и связям между ними;
• наиболее важный параметр или группу параметров, определяющих конструкцию
ПП (быстродействие, рассеиваемая мощность, частота и т. п.);
• особенности будущей конструкции ПП.

158
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Анализ схемы электрической принципиальной предполагает получение следую-
щей информации:
• о целевом назначении ЭМ1 и выполняемых им функциях;
• о типе функционального узла (аналоговый, цифровой, или аналого-цифровой);
• о принципе работы ЭМ1;
• о параметрах, влияющих на размещение ЭРИ, конструкцию ЭМ1 и ПП;
• о типах электрических цепей;
• о направлении распространения полезного сигнала;
• о тепловой нагрузке электронных компонентов;
• о наиболее чувствительных ЭРИ к внешним электромагнитным и другим воздей-
ствиям;
• об источниках возникновения и путях распространения возможных паразитных
связей и наводок, в первую очередь, индуктивных и емкостных;
• о мощности, потребляемой от источника электропитания;
• о значениях питающих напряжений и токов, протекающих в цепях питания;
• о значениях уровней логических сигналов цифровых узлов.
Собранную информацию группируют и заносят в таблицу 3.2.10 произвольной
формы.
Таблица 3.2.10
Схемотехническая информация
Общие параметры
Напряжение питания, В
Сила тока, А
Потребляемая мощность, Вт
Максимальная частота, Гц
Быстродействие, с
Чувствительность, мВ
Входное сопротивление, Ом
Сопротивление нагрузки, Ом
Уровень логической «1», В
Уровень логического «0», В
Электрические цепи
Входная
Выходная
Земля
Питание
Высокочастотные
Низкочастотные
Импульсных сигналов
Обратной связи
ЭРИ
Теплонагруженные
Критичные к нагреву
Критичные к помехам
С наибольшей массой
Крупногабаритные
Информация о назначении, типе функционального узла и его принципе действия
позволяет получить приблизительное представление о будущей конструкции ПП. На-
пример, в аналоговой аппаратуре обычно не применяется сверхплотное размещение
ЭРИ для исключения самовозбуждения схемы, а само размещение ЭРИ отражает по-
следовательную связь каскадов, что находит выражение в конструкции ПП — геоме-
трической форме, классе точности, материале основания, методе изготовления платы
[23, 24].
К наиболее значимым параметрам, влияющим на размещение ЭРИ в коммутационно-
монтажном пространстве ПП, в первую очередь, следует отнести частотный диапазон,

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 159
быстродействие, рассеиваемую мощность, чувствительность, коэффициент усиления
и величины действующих напряжений и токов. Так, знание частотных характери-
стик позволяет, исходя из требований электромагнитной совместимости, определить
ограничения на взаимное расположение элементов линий связи и компонентов и вы-
брать материал основания ПП. Для низкочастотных схем рекомендуется применять
стеклотекстолит, а для высокочастотных — фторопласт, полиимид и др. Требования
к быстродействию в цифровых устройствах обеспечиваются правильным выбором ма-
териала основания ПП, так как скорость распространения сигналов обратно пропор-
циональна диэлектрической проницаемости материала, из которого выполнена плата.
Кроме того, на быстродействие оказывает влияние компоновка ПП, длины линий
связи, число слоев МПП и класс точности печатной платы. Знание величин действую-
щих напряжений и токов необходимо для обоснованного выбора материала основания
платы, ее конструкции и класса точности, а также правильного выполнения расчёта
элементов проводящего рисунка.
Все типы электрических цепей имеют свои особенности. Например, входные и вы-
ходные печатные проводники сигнальных цепей не должны прокладываться рядом
или параллельно друг другу, чтобы избежать возникновения паразитных обратных
связей, шины «земля» и «питание» должны иметь минимально возможное сопротив-
ление и использовать крайние контакты соединителей, при этом шину «земля», по
которой текут суммарные токи, следует выполнять максимальной ширины. В МПП
шины «земля» и «питание» должны находиться в соседних слоях, при этом жела-
тельно, чтобы шина «земля» занимала все свободное место в слое.
Знание направления распространения полезного сигнала позволит правильно раз-
местить ЭРИ на ПП. Например, в усилительных устройствах размещение электрон-
ных компонентов обычно проводят в соответствии с последовательностью прохожде-
ния сигнала.
Определение тепловой нагрузки электронных компонентов связано с расчетом рас-
сеиваемой мощности. Для ИМС и транзисторов максимальные значения рассеиваемой
мощности указаны в справочниках. Заметим, что при эксплуатации рассеиваемая
мощность должна составлять 0,5-0,8 от максимальной. У диодов рассеиваемую мощ-
ность определяют перемножением значения прямого тока, протекающего через диод,
на величину падения напряжения на.р-п переходе.
При проведении анализа не менее важно выделить ЭРИ, наиболее чувствительные
к внешним электромагнитным воздействиям. Наличие таких ЭРИ предполагает вне-
сение в конструкцию ПП защитных экранов, развязывающих цепей и пр. Наиболь-
шую опасность представляют емкостные и индуктивные паразитные связи. Следует
помнить, что основными источниками емкостных помех являются большие перепады
напряжений, значительные выходные сопротивления, а также емкость параллельно
расположенных участков печатных проводников. Индуктивные помехи обусловлены
большими перепадами токов в линиях связи, большой индуктивной связью при близ-
ком расположении протяженных параллельных участков печатных проводников.
3.2.5. Выбор элементной базы и вариантов ее монтажа
Конструктивные и массогабаритные показатели ПП во многом определяются ти-
пом используемой элементной базы и способами ее монтажа. Сведения о ЭРИ изделия
содержатся в схемной КД, в частности, в перечнях элементов к схемам, формируются
на этапе схемотехнического проектирования и для вновь разрабатываемого устройства
носят рекомендательный характер [23]. Окончательный выбор элементной базы осу-
ществляется на этапе разработки конструкции ЭС на основании анализа:

160
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• совместимости ЭРИ по конструктивным, электрическим, электромагнитным, те-
пловым и другим параметрам;
• совместимости ЭРИ по надежности;
• соответствия ЭРИ условиям эксплуатации, хранения, транспортировки, указан-
ным в ТЗ на изделие.
Например, одно и то же изделие может изготавливаться в разных вариантах —
в виде стационарной и возимой аппаратуры, а также для эксплуатации в различных
климатических условиях. Соответственно, и требования к элементной базе стацио-
нарных ЭС существенно отличаются от требований к возимым на подвижных объек-
тах. Условия эксплуатации также накладывают ряд дополнительных ограничений на
выбор элементной базы. Так, изделия, эксплуатируемые в условиях умеренного кли-
мата, должны сохранять свои технические параметры при положительных (до +40 °С)
и отрицательных (до -45 °С) температурах, относительной влажности воздуха не
более 75 %. В случае эксплуатации ЭС в тропическом влажном климате требуется
устойчивость ЭРИ и материалов к повышенной влажности, температуре, образованию
конденсата. Следовательно, зная объект установки и условия эксплуатации проекти-
руемого устройства, необходимо при выборе элементной базы учитывать ее климати-
ческое исполнение, конструкцию и материал корпуса, устойчивость к тепловым и ме-
ханическим воздействиям (см. § 4.8.1, § 4.8.2 и § 4.8.4).
Собранную информацию по элементной базе заносят в таблицу 3.2.11 произвольной
формы. Результатами анализа является выработка решений:
• об окончательном выборе типов ЭРИ;
• о применяемом шаге координатной сетки;
• о форме монтажных отверстий и контактных площадок;
• о вариантах установки ЭРИ.
Таблица 3.2J1
Результаты анализа элементной базы
Наименование
ЭРИ
Количество, шт.
Конструктивные пара-
метры
Число выводов, шт.
Диаметр выводов, мм
Масса, г
Установочная площадь, мм2
Интенсивность отказов,
X 10"6 1/ч
Условия эксплуатации
Диапазон температур, °С
Диапазон частот вибрации, Гц
Линейное ускорение, g
Ударные перегрузки, g
Атмосферное давление, Па
Относительная влажность, %
Окончательно тип ЭРИ выбирается в соответствии с заключением о пригодности
элемента нормально функционировать в условиях, определенных заказчиком. Если
какой-либо параметр ЭРИ, например, рабочая температура, не соответствует реаль-

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
161
ным условиям эксплуатации, то необходимо осуществить замену данного типа элек-
тронного компонента на другой тип, у которого все эксплуатационные параметры со-
ответствуют ТЗ, при этом электрические параметры ЭРИ нового типа должны быть
аналогичными ЭРИ заменяемого типа.
Скорректированный состав элементной базы позволяет определиться с шагом ко-
ординатной сетки для гарантированной совместимости ПП со всеми типами устанав-
ливаемых на ней ЭРИ (см. § 3 Л .2), а также с формой монтажных отверстий и контакт-
ных площадок.
Варианты установки и формовки выводов стандартных ЭРИ при конструировании
ЭМ1 выбираются согласно ГОСТ 29137-91, а также ОСТ 45.010.030-92. В соответствии
с этими стандартами общими требованиями к установке изделий электронной техники
на ПП являются следующие.
1. Каждому выводу устанавливаемого ЭРИ должно быть предусмотрено отдельное
монтажное отверстие или контактная площадка.
2. При формовке выводов ЭРИ в качестве размера от корпуса ЭРИ до места изгиба
вывода 10 принимается размер от корпуса ЭРИ до центра окружности изгиба вывода
(рис. 3.2.5). Для резисторов и конденсаторов /0 = 0,5, для микросхем 10 =1,0, а для по-
лупроводниковых приборов 10 = 2,0 мм, при этом минимальный внутренний радиус
изгиба R для выводов диаметром до 0,5 мм принимается равным 0,5 мм, для выводов
диаметром от 0,5 до 1,0 мм R = 1,0 мм, а для выводов диаметром свыше 1,0 мм радиус
изгиба составляет 1,5 мм.
Рис. 3.2.5. Определение размеров при формовке выводов и установке ЭРИ
наПП
3. При установке ЭРИ на печатные платы размером от корпуса до места пайки вы-
вода считают размер от корпуса ЭРИ вдоль оси вывода до места приложения паяль-
ника (размер между точками а и Ъ вдоль оси вывода), как показано на рис. 3.2.5. Ми-
нимальное расстояние от корпуса ЭРИ до места пайки должно быть не менее 2,5 мм.
4. При формовке выводов и установке ЭРИ на ПП следует обращать внимание на то,
чтобы маркировка ЭРИ просматривалась после сборки.
5. При расположении элементов проводящего рисунка и металлизированных от-
верстий под корпусами ЭРИ, устанавливаемых вплотную, необходимо предусмотреть
их электроизоляционную защиту с применением эмали или приклеенных к ПП элек-
троизоляционных прокладок.
6. Технические требования к формовке выводов и установке ЭРИ на ПП обязательно
указывают в КД со ссылкой на стандарт.

162
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ГОСТ 29137-91 устанавливает 62 варианта формовок выводов и установок ЭРИ
на ПП, обозначение которых в КД проводится в соответствии со структурой, приведен-
ной на рис. 3.2.6. В случае отсутствия какого-либо из компонентов кода вместо него
записывают нули.
XXX XX ХХХХ XX XX
Вариант формовки и установки |
Номер чертежа
Шифр позиции ЭРИ
•
Глубина формовки
Наличие дополнительной формовки
Рис. 3.2.6. Структура кода условного обозначения варианта формовки выводов
и установки ЭРИ на ПП
Все компоненты кода определяются в соответствии с таблицами ГОСТ 29137-91 или
ОСТ 45.010.030-92 и записываются в технических требованиях сборочного чертежа
ЭМ1 в следующем виде. Установку элементов производить по ГОСТ 29137-91: поз.
1 — вариант 140.02.0203.00.02; поз. 2 — вариант 301.20.0000.00.00; поз. 3 — вариант
370.24.1302.12.00 и т. п.
Рассмотренные стандарты обязательны при использовании стандартной элемент-
ной базы. Однако в ряде случаев проектировщику приходится решать вопрос об уста-
новке на ПП нестандартных ЭРИ, а иногда, по тем или иным причинам, применять
типовые варианты установки не представляется возможным. Например, зачастую, ка-
тушки индуктивности, трансформаторы и дроссели изготавливаются под конкретную
аппаратуру, так как номенклатура стандартных типов моточных изделий весьма огра-
ничена. Другими примерами могут служить установка на ПП мощного транзистора на
теплоотводе или фиксация элемента клеем. В этих случаях конструктор вправе раз-
работать собственные варианты установки конкретных ЭРИ с их обязательным пред-
ставлением на сборочном чертеже (рис. 3.2.7) и ссылкой в технических требованиях,
фрагмент списка которых приведен на рис. 3.2.8.
Рис. 3.2.7. Примеры нестандартных вариантов установки ЭРИ

Глава 3,2. Конструкторское проектирование печатных плат 163
5. Элемент поз. 11 установить по виду А; \
элемент поз 24 установить по виду Б, \
6. Паять припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76. !
10. Клеить клеем ВК-32-200 ТУ 6-10-1293-78
ПООСТ4ГО.054.21О-83
Рис. 3.2.8. Фрагмент списка технических требований
Следует подчеркнуть, что при использовании элементной базы стандартных типов
необходимо, по возможности, использовать типовые варианты формовок выводов и
установок элементов. Если вследствие каких-либо причин все же требуется установить
ЭРИ нестандартным способом, то необходимо руководствоваться рекомендациями
ГОСТ 29137-91 по формовке выводов, по выбору расстояния от корпуса ЭРИ до платы,
креплению и др.
3.2.6. Выбор типа конструкции и класса точности печатной платы
По своему назначению ЭМ1 обычно предназначены для установки в электронные
модули более высокого уровня конструктивной иерархии, поэтому выбор типа кон-
струкции ЭМ1 напрямую связан с вариантом конструкции блока, в состав которого
входит разрабатываемый модуль и ПП соответственно [23].
При использовании системы унифицированных базовых несущих конструкций
(УБНК) ЭМ1 выполняются на основе унифицированного ряда ПП. Выбор варианта
конструкции модуля зависит:
• от параметров, характеристик и требований, указанных в ТЗ на изделие: назна-
чение функционального узла, класс аппаратуры, группа по объекту установки,
условия эксплуатации, механические воздействия и др.;
• от требований нормативно-технической документации на проектирование и изго-
товление изделий данной группы;
• от требований обеспечения технологичности конструкции изделия.
Основу любого ЭМ1 составляет печатная плата, от параметров и характеристик
которой зависит качество и надёжность ЭМ1 в целом, следовательно, выбор типа кон-
струкции ПП является одним из наиболее ответственных этапов проектирования ПП.
Как уже отмечалось в § 3.1.2, ГОСТ Р 53386-2009 определяет следующие основные
типы конструкции ПП: односторонние, двусторонние, многослойные и гибкие. При
выборе типа конструкции ПП учитывают:
• объект установки и условия эксплуатации;
• вариант компоновочной структуры ЭМ1;
• возможность выполнения всех электрических соединений, при этом число вну-
трисхемных пересечений элементов печатного рисунка (перемычек) должно быть
минимальным. При малой конструкторской сложности узла (до 8 корпусов ИМС)
при традиционном монтаже применяются ОПП, при средней (от 8 до 20 ИМС) —
ДПП, при высокой (от 20 до 50 ИМС) применяют как ДПП, так и МПП, при сверх-
высокой, свыше 50 корпусов ИМС, рекомендуется использовать МПП;

164
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• технико-экономические показатели (себестоимость, срок окупаемости, техноло-
гичность, уровень унификации и стандартизации и др.);
• возможность автоматизации процессов сборки, регулировки и контроля.
Выбор класса точности ПП осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 53429-2009
(см. § 3.1.3). Основными критериями при выборе класса точности ПП являются:
• конструкторская сложность функционального узла (насыщенность ЭРИ);
• состав элементной базы (дискретные элементы, микросхемы, поверхностно-
монтируемые компоненты — ПМК и смешанная);
• тип ЭРИ (корпусные, бескорпусные, смешанные);
• тип выводов (штыревые, планарные, безвыводные, матричные и др.);
• геометрическая форма сечения выводов (прямоугольная, круглая и пр.);
• количество и шаг выводов ЭРИ;
• электрические параметры функционального узла;
• быстродействие;
• показатели надежности и качества;
• условия эксплуатации;
• массо-габаритные характеристики;
• экономические показатели;
• уровень технологического оснащения конкретного производства.
Самыми несложными и надежными являются ПП первого и второго классов точ-
ности, они просты при изготовлении и сборке и, следовательно, наиболее дешевые.
Для ПП третьего класса точности необходимо использовать высококачественные ма-
териалы, более точные инструмент и технологическое оборудование. ПП четвертого
и пятого классов требуют специальных материалов, прецизионного оборудования и
особых условий при изготовлении. ПП высших классов — это особые высокоплотные
конструкции, для которых нужны материалы, оборудование и технологии с уникаль-
ными характеристиками.
3.2.7. Выбор материала основания печатной платы
Наиболее распространенными для изготовления ПП являются прессованные слои-
стые материалы, состоящие из двух и более слоев пропитанной основы, спрессованных
при определенной температуре и давлении [23, 32, 33]. В зависимости от применяемого
наполнителя эти изделия носят названия: гетинакс, текстолит и стеклотекстолит, од-
нако каждый из них обладает различными электрическими и физико-механическими
свойствами. В зависимости от назначения и области применения слоистые электро-
технические материалы выпускаются на основе специальных пропиточных бумаг,
хлопчатобумажных, стеклянных и асбестовых тканей. В качестве связующих при-
меняются термореактивные искусственные смолы — фенолформальдегидная, кре-
зол оформальдегидная, феноланилиноформальдегидная или их смеси, совмещенные
эпоксидно-фенольные лаки, кремнийорганические смолы и др.
Гетинакс представляет собой слоистый материал, полученный путем горячего прес-
сования двух и более слоев сульфатной бумаги, пропитанной фенол формальдегид ной
смолой.
Текстолит получают путем горячего прессования двух и более слоев пропитанной
фенолформальдегидной смолой хлопчатобумажной ткани типа бязь, шифон и др. Об-
ладает более высокими электрическими и механическими характеристиками по срав-
нению с гетинаксом.
Стеклотекстолит представляет собой листовой слоистый материал, полученный пу-
тем горячего прессования бесщелочной стеклоткани, пропитанной (в зависимости от

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 165
назначения) фенолоформальдегидным лаком, эпоксидно-фенолальдегидной смолой
или кремнийорганическими лаками с последующей термообработкой. Стеклотексто-
литы, пропитанные кремнийорганическими лаками и совмещенными фенолформаль-
дегидными смолами, находят широкое применение в ЭС, когда требуются материалы
с повышенными механическими и диэлектрическими свойствами и высокой тепло- и
влагостойкостью.
Для изготовления ПП субтрактивным методом слоистые материалы облицовывают
с одной или двух сторон красномедной электролитической фольгой.
В настоящее время российскими и зарубежными производителями выпускается
огромный спектр фольгированных и нефольгированных слоистых материалов под раз-
ными торговыми названиями.
Отечественцый материал основания для ОПП и ДПП выбирают по ГОСТ 10316-78
и ТУ на материалы конкретного вида с учётом электрических и физико-механических
параметров ПП при механических нагрузках, воздействиях климатических факторов
и химически агрессивных сред в процессе производства и эксплуатации, а также обе-
спечения автоматизации процесса установки ЭРИ.
Система условных обозначений фольгированных материалов состоит из шестиэле-
ментного буквенно-цифрового кода:
• первый элемент — от двух до четырех букв, определяющих марку материала (Г —
гетинакс, С — стеклотекстолит; Ф — фольгированный; Т — теплостойкий; Н —
нагревостойкий; ТН — теплостойкий негорючий; ОН — общего назначения);
• второй элемент — цифра 1 или 2, означающая облицовку фольгой с одной или
двух сторон соответственно;
• третий элемент — цифры, показывающие толщину фольги (35, 50 или 70 мкм);
• четвертый элемент — буква Г, означающая гальваностойкую фольгу;
• пятый элемент — цифры, показывающие толщину основания в мм;
• шестой элемент — римская цифра (I или II), означающая номер класса качества
материала.
Например, обозначение СФ-2-35Г-2,0 I кл. означает стеклотекстолит толщи-
ной 2 мм, облицованный с двух сторон гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм
I класса.
На российском рынке отечественные слоистые фольгированные и нефольгирован-
ные материалы представлены предприятиями ОАО «Карболит», ЗАО «Электроизо-
лит», ОАО «Бобровский изоляционный завод», НТЦ «Элифом». Помимо отечествен-
ных материалов, для изготовления печатных плат широко применяются диэлектрики
различных зарубежных производителей. К наиболее известным следует отнести
группу компаний «Isola», фирмы «Rogers Corporation», «Taconic», «Arlon» и другие.
Основными критериями при выборе материала основания ПП служат:
• пригодность для изготовления выбранного типа конструкции ПП;
• соответствие требуемым электрическим и механическим характеристикам;
• возможность эксплуатации в заданных ТЗ условиях;
• стоимость.
Специалисту-проектировщику следует стремиться выбрать такой материал, кото-
рый был бы наиболее оптимален для конкретной разрабатываемой конструкции ПП и
при этом обладал бы наименьшей стоимостью.
Отечественные материалы обладают значительно более низкой стоимостью по срав-
нению с импортными, но имеют гораздо худшие электрические и механические ха-
рактеристики. Их следует выбирать для изготовления недорогих ПП не выше третьего
класса точности, эксплуатирующихся в нежестких условиях. Из российских предпри-
ятий наиболее качественную продукцию выпускает НТЦ «Элифом», фольгированные

166
Конструирование узлов и устройств электронных средств
и нефольгированные диэлектрики которой соответствуют международным стандартам
IEC 61249-2-6 (2003), NEMA Ы 1-1998 и др. и поставляются, в основном, для изделий
специального назначения (ядерная энергетика, авиационная и космическая техника).
Особое место занимает продукция ЗАО «Завод «Молдавизолит», выпускающего ши-
рокий ассортимент фольгированных материалов для печатных плат, электротехниче-
ских электроизоляционных материалов, диэлектриков СВЧ-диапазона, композицион-
ных материалов на основе полимерных пленок, картона и стеклоткани, пропитанных
наполнителей (препрегов), электроизоляционных лаков, смол, эмалей и компаундов.
Вся продукция полностью соответствует требованиям отечественных и международ-
ных стандартов и сертифицирована на безопасность в системе сертификации ГОСТ Р
Российской Федерации. Материалы, выпускаемые предприятием, пригодны для про-
изводства печатных плат всех типов конструкций, в том числе многослойных и гиб-
ких, всех классов точности, функционирующих в составе ЭС различного, в том числе,
специального назначения.
3.2.8. Определение габаритных размеров печатной платы
Как уже отмечалось ранее, печатная плата, в сущности, представляет собой несу-
щую конструкцию модуля первого уровня. На этапе определения габаритных разме-
ров ПП возможны три случая. В первом из них, при вхождении ЭМ1 в состав электрон-
ной аппаратуры, сконструированной на основе УБНК, размеры и форма ПП также
определяются системой унифицированных типовых конструкций модулей. Размеры
плат ЭМ1, устанавливаемых в ЭС с применением УБНК приведены в ГОСТР 51623-
2000 и в международных стандартах МЭК (IEC) 60297 на 19-дюймовые конструкции и
МЭК (IEC) 60917 на метрические конструкции. В другом случае габариты и форму ПП
определяет разработчик, исходя из имеющихся представлений о конструкции изделия
в целом. В третьем случае габаритные размеры ПП жестко определены в ТЗ (напри-
мер, при модернизации существующей аппаратуры).
В первых двух случаях, когда габаритные размеры ЭМ1 заранее неизвестны, то их
необходимо определить, используя для этого следующую информацию [23]:
• количество и тип устанавливаемых на ПП корпусов, число их выводов ЭРЭ;
• количество и тип устанавливаемых на ПП корпусов ЭРИ, число их выводов;
• способ установки ЭРИ (автоматизированный или ручной), так как при автомати-
зированной установке ЭРИ максимальные размеры сторон ПП выбирают с учетом
параметров технологического оборудования;
• уровни паразитных связей между элементами печатного монтажа;
• условия эксплуатации на объекте установки, чтобы собственная частота ПП, за-
висящая от ее длины, ширины, толщины, массы и способа закрепления в моду-
лях более высоких конструктивных уровней, не входила в спектр частот внешних
вибрационных воздействий;
• технико-экономические показатели.
Приблизительно площадь ПП на ранних стадиях проектирования можно оценить
по формуле
где St — установочная площадь i-ro ЭРИ;
п — число ЭРИ,
k — коэффициент, определяющий плотность установки ЭРИ, обычно k составляет
от 1 до 3.

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 167
Установочную площадь St определяют как площадь прямоугольника, размеры ко-
торого зависят от внешних предельных очертаний установочной проекции i-ro ЭРИ на
поверхность ПП, включая отформованные выводы и минимально необходимые зазоры
для установки соседнего ЭРИ, исходя из того, что расстояние между корпусами двух
соседних ЭРИ на ПП должно быть не менее 1 мм, а расстояние по торцу — не менее
1,5 мм.
При размещении ЭРИ на ПП необходимо, по возможности, предусмотреть:
• выполнение наиболее простой трассировки;
• требуемую плотность установки ЭРИ;
• обеспечение тепловых режимов;
• устойчивость к механическим воздействиям;
• минимизацию взаимного влияния элементов печатного монтажа на электриче-
ские параметры ПП;
• выполнение технологических требований, предъявляемых к ЭС;
• обеспечение высокой надежности и ремонтопригодности, малых габаритных раз-
меров и массы.
Существуют следующие общепринятые рекомендации к размещению элементной
базы на печатных платах [9, 23, 24, 29]:
• ЭРИ с максимальным числом внешних связей располагают вблизи соединителя;
• функционально связанные ЭРИ устанавливают на минимальном расстоянии друг
от друга;
• крупногабаритные ЭРИ устанавливают вблизи электрического соединителя или у
элементов крепления ячейки;
• корпусные ЭРИ располагают рядами;
• ИМС и компоненты для поверхностного монтажа располагают симметрично от-
носительно контактных площадок;
• первый вывод корпуса многоконтактных элементов совмещают с первой контакт-
ной площадкой, обозначенной на ПП ключом;
• размещение ЭРИ выполняют с учетом электрических связей, теплового режима,
взаимных паразитных связей, равномерного распределения массы ЭРИ на ПП,
минимальной длины связей и количества межслоевых переходов;
• пассивные ЭРИ размещают вокруг соответствующих активных;
• шаг установки многоконтактных ЭРИ определяется размерами и типом корпуса,
тепловым режимом блока, механическими воздействиями, методом разработки
топологии ПП, числом задействованных выводов и пр.;
• определяют и устанавливают ЭРИ с особыми требованиями к их расположению
(с экранированием, вертикально и др.).
Более точно рассчитать геометрические размеры ПП можно исходя из компоновки
конструкторско-технологических зон на ПП для размещения ЭРИ, элементов элек-
трического соединения, крепления, контроля функционирования и фиксации ячейки,
а также размеров краевых полей. Для определения геометрических размеров ПП не-
обходимо учесть размеры всех конструкторско-технологических зон. Так как число
и расположение зон определяет конструктор, то их состав для разных ПП может су-
щественно различаться. В качестве примера на рис. 3.2.9 представлена разбивка
коммутационно-монтажного пространства на шесть конструкторско-технологических
зон различного назначения [23]:
• Sx — зона размещения ЭРИ (обычно наибольшая большая зона);
■ • S2 — зона шириной у± для размещения элементов электрического соединения
(электрического соединителя, контактных площадок, колодок для подключения
кабеля и т. п.);

168
Конструирование узлов и устройств электронных средств
53 — зона шириной у2 для расположения элементов контроля и крепления ПП
(контрольные колодки, одиночные контакты, пистоны и др.);
54 и S5 — зоны шириной Xi и лг2, для установки ЭМ1 в блок;
S6 — зона расположения дополнительных элементов крепления (ПП, теплоот-
вода, стоек и др.).
Рис. 3.2.9. Конструкторско-технологические зоны ПП
Определив размеры всех зон, например, по формуле (3.2.1), можно получить ориен-
тировочные габариты будущей ПП. Зная размеры 1Х и 1у> используя ГОСТ Р 53429-2009,
определяют окончательные размеры ПП. Так, размеры каждой из сторон ПП должны
быть кратными 2,5 при длине до 100 мм, 5 при длине до 350 мм и 10 при длине свыше
350 мм. Предельные отклонения на сопрягаемые размеры контура ПП должны быть не
выше 12 квалитета, а на несопрягаемые — не выше 14 квалитета по ГОСТ 25347-82.
3.2.9. Определение толщины основания печатной платы
Толщина печатной платы определяется толщиной материала основания и прово-
дящего рисунка без учета дополнительных покрытий. Суммарную толщину образует
совокупность толщин ПП и непроводящих покрытий наружных слоев. Толщина ПП
зависит от конструктивных и технологических особенностей, а также механических
нагрузок, вибраций и ударов при эксплуатации и транспортировке, которые могут
привести к деформации и отказу ПП. Предпочтительными значениями номинальных
толщин ОПП и ДПП являются 0,8; 1,0; 1,5 и 2,0 мм. Допуск на толщину ОПП, ДПП
и ГПК устанавливают по техническому условию (ТУ) на материал, а для МПП — по
ГОСТ Р 53429-2009 (табл. 3.2.12).
Таблица 3.2.12
Допуск на толщину МПП
Толщина МПП, мм
до 1,5
от 1,5 до 3
от 3 до 4,5
Свыше 4,5
Значение допуска, мм
±0,2
±0,3
±0,5
±0,65

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
169
При выборе толщины ПП необходимо учитывать:
• соответствие толщины диаметрам применяемых металлизированных отверстий
(для выполнения качественной металлизации отношение диаметра металлизиро-
ванного отверстия к толщине ПП должно быть не менее 1:3);
• длину выводов ЭРИ (для получения качественной пайки минимальная длина
участка вывода, выступающего из отверстия, должна составлять не менее
0,5 мм);
• установочный размер соединителя прямого сочленения (слота) для получения на-
дежного контакта между концевыми печатными контактами ПП и слотом;
• механические нагрузки, действующие на ПП в процессе транспортировки и экс-
плуатации;
• используемую элементную базу (типы корпусов, расположение и тип выводов, ва-
рианты установки, массо-габаритные показатели и пр.);
• диапазон рабочих частот функционального узла, для которого проектируется
плата (для ЭС, работающих на частотах свыше 107...108 Гц для увеличения значе-
ния волнового сопротивления толщина ПП должна быть увеличена).
Толщину многослойной печатной платы определяют по формуле
где Нс — толщина слоя МПП с учетом дополнительных покрытий, мм;
п — число слоев;
Нир — толщина прокладки с пропиткой, мм;
т — количество прокладок.
Суммарную толщину ПП образует совокупность толщин ПП и непроводящих по-
крытий наружных слоев.
3.2.10. Расчет элементов проводящего рисунка
Этап расчетов элементов печатного рисунка является одним из наиболее значимых
при конструировании ПП, так как параметры проводящего рисунка, оказывая суще-
ственное влияние на качество, надежность и электрические характеристики печатного
монтажа, влияют на конструкцию ЭС в целом. Операции расчета элементов проводя-
щего рисунка стандарты ГОСТ Р 53429-2009 и РД-50-708-91 рекомендуют проводить в
следующей последовательности.
1. Определение расстояния от края ПП до элементов проводящего рисунка.
Элементы проводящего рисунка, кроме экранов, шин земли, концевых печатных
контактов, знаков маркировки и технологических печатных проводников, рекоменду-
ется располагать от края ПП на расстоянии Q, минимальное значение которого должно
быть не менее толщины ПП с учетом допуска на размеры сторон.
2. Определение расстояния от края паза, выреза или не металлизированного
отверстия до элементов проводящего рисунка.
. Элементы проводящего рисунка, кроме экранов, шин земли, концевых печатных
контактов, знаков маркировки и технологических печатных проводников, рекомен-
дуется располагать от края паза, выреза или неметаллизированного отверстия на рас-
стоянии, минимальное значение которого рассчитывается по формуле

170
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где q — ширина ореола или скола, выбирается по ГОСТ 23752-79 для ПП с первого по
пятый класс точности (табл. 3.2.13) или ТУ на ПП высших классов точности;
k — наименьшее расстояние от ореола или скола до соседнего элемента прово-
дящего рисунка определяется по ГОСТ 23752-79 для ПП с первого по пятый
класс точности (табл. 3.2.13) или ТУ на ПП высших классов точности;
TD — позиционный допуск расположения центров контактных площадок по ГОСТ
Р 53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1);
Td — позиционный допуск расположения осей отверстий по ГОСТ Р 53429-2009
(см. §3.1.3, табл. 3.1.1);
AtBO — верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника в соот-
ветствии с классом точности ПП согласно ГОСТ Р 53429-2009 (см. §3.1.3,
табл. 3.1.1).
Табл. 3.2.13
Допустимые значения параметров дефектов (ореолов и сколов)
Толщина
материала
основания ПП
ДО 0,5
свыше 0,5 до 0,8
свыше 0,8 до 1,0
свыше 1,0 до 1,5
свыше 1,5 до 2,0
свыше 2,0 до 2,5
свыше 2,5
Допустимая ширина q
поверхностных сколов и ореолов
по классам точности ПП, мм
1-2
0,3
0,5
0,8
1,0
1,2
1,4
1,7
3-4
0,15
0,20
0,25
0,35
0,50
0,70
0,80
5
0,10
0,15
0,20
0,25
0,35
0,50
0,60
Минимальное расстояние k от ско-
ла (ореола) до соседнего элемента
проводящего рисунка по классам
точности ПП, не менее, мм
1-2
0,3
3-4
0,15
5
0,1
где AdH.0 — нижнее предельное отклонение диаметра отверстия для данного класса
точности ПП по ГОСТ Р 53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1);
d9 — максимальное значение диаметра вывода устанавливаемого ЭРИ (для пло-
ского вывода за диаметр принимается диагональ его сечения);
г — разность между минимальным значением диаметра отверстия и максималь-
ным значением диаметра вывода устанавливаемого ЭРИ (значение г должно
находиться в пределах от 0,1 до 0,4 мм при ручной установке ЭРИ и от 0,4
до 0,5 мм при автоматической).
Полученное значение d необходимо округлить в сторону увеличения и свести к
предпочтительному ряду отверстий (см. § 3.1.3), при этом у металлизированного от-
верстия отношение его диаметра к толщине ПП должно составлять не менее 1:3.
3. Определение диаметров монтажных отверстий.
Номинальный диаметр монтажных отверстий d устанавливают, исходя из следую-
щего соотношения:

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 171
4. Определение диаметров фиксирующих отверстий.
Кроме монтажных и переходных отверстий ПП должна предусматривать так на-
зываемые фиксирующие отверстия, как правило, имеющие двойное назначение: для
фиксации заготовки платы на технологическом оборудовании в процессе ее изготов-
ления и для крепления собранной ПП в модулях высшего уровня. На ПП должно быть
не менее двух фиксирующих отверстий с центрами, расположенными в узлах коорди-
натной сетки, причем одно из отверстий может иметь овальную или прямоугольную
форму.
Номинальные значения диаметров фиксирующих отверстий устанавливают с уче-
том параметров применяемого оборудования и требований к креплению ПП. Предель-
ные отклонения диаметров фиксирующих отверстий устанавливают по допуску HI2,
а позиционный допуск на расположение осей фиксирующих отверстий ПП, предна-
значенных для автоматической установки навесных ЭРИ, устанавливают не ниже 4-го
класса точности по ГОСТ Р 53429-2009 (см. §3.1.3, табл. 3.1.1) вне зависимости от
класса точности ПП.
5. Определение размеров и расположения печатных проводников.
Ширина печатного проводника зависит от совокупности электрических, конструк-
тивных и технологических требований. Наименьшее номинальное значение ширины
печатного проводника определяют по формуле:
гДе *м.д — минимально допустимая ширина печатного проводника, рассчитываемая в
зависимости от допустимой для него токовой нагрузки или от допустимого па-
дения напряжения на нем;
Д£н.о — нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника в зави-
симости от класса точности ПП согласно ГОСТ Р 53429-2009 (см. §3.1.3,
табл. 3.1.1).
Значение допустимой токовой нагрузки на печатный проводник следует выбирать
из условия допустимого превышения температуры проводника над температурой окру-
жающей среды. При этом значение допустимой токовой нагрузки необходимо умень-
шать на 15 % для печатных проводников, расположенных на расстоянии, равном или
меньшем их ширины, на 40 % для печатных проводников, выполненных из гальва-
нически осажденной меди на тонкомерной фольге и в 2 раза для печатных проводни-
ков, полученных аддитивным методом химического осаждения меди. Так, для медной
фольги значение допустимой токовой нагрузки составляет от 100 до 250 А/мм2, а для
гальванически осажденной меди — от 60 до 100 А/мм2.
Минимально допустимую ширину печатного проводника по постоянному току для
цепей питания и заземления с учетом допустимой токовой нагрузки определяют по
формуле:
где Jmax — максимальный постоянный ток, протекающий в цепи, определяемый по ре-
зультатам анализа схемы электрической принципиальной;
у*д — допустимая токовая нагрузка в зависимости от метода изготовления ПП;
Л — толщина печатного проводника.
Минимально допустимую ширину печатного проводника можно также рассчитать,
исходя из значения допустимого падения напряжения на нем, по формуле

172
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где р — удельное сопротивление печатного проводника (для медной фольги р =
= 1,72 • 10~8 Ом • м, для гальванически осажденной меди р = 1,9 • 10"8 Ом • м,
а для меди, осажденной химическим способом, р = 2,8 • 10"8 Ом • м);
Lmax — заданная в ТЗ максимально допустимая длина проводника;
С/д = 0,1ч-0,2С/п — допустимое рабочее напряжение;
Un — величина напряжения питания.
Полученное по формуле (3.2.2) наименьшее номинальное значение ширины печат-
ного проводника не должно превышать величины, указанной в ГОСТ Р 53429-2009 для
соответствующего класса точности (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1). По возможности, ширину
всех печатных проводников желательно увеличивать до максимально возможных зна-
чений, при этом стремиться выполнять ее постоянной на всем протяжении трассы,
а в узком месте ПП печатные проводники следует выполнять наименьшей номиналь-
ной ширины на возможно меньшей длине.
Печатные проводники шириной свыше 3 мм, расположенные на ОПП и ДПП со
стороны пайки или на внутренних слоях МПП, рекомендуется выполнять с вырезами
по правилам выполнения экранов. При этом оставшаяся часть поперечного сечения
должна соответствовать расчетному значению наименьшей номинальной ширины.
В случае невозможности проведения всех трасс или с целью уменьшения сложно-
сти проводящего рисунка допускается применение объемных перемычек в количестве
не более 5 % числа точек подсоединения ЭРИ к печатной плате.
Печатные проводники необходимо располагать по возможности равномерно на
максимально достижимом расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка по
следующим предпочтительным направлениям:
• параллельно линиям координатной сетки или под углом к ним;
• во взаимно перпендикулярных направлениях на соседних проводящих слоях (для
уменьшения паразитной емкости);
• по оси, перпендикулярной касательной к контуру круглой или близкой к ней
формы контактной площадки или одной из сторон многоугольной контактной
площадки.
6. Выполнение и размещение экранов.
Экран выполняют как в одной плоскости с печатными проводниками, так и на отдель-
ных слоях. Все экраны выполняют с вырезами в виде сетки или произвольной формы,
равномерно распределенными по всей площади экрана (рис. 3.2.10). Вырезы выполняют
таким образом, чтобы их площадь составляла не менее 50 % от общей площади экрана.
На экранах наружных и внутренних слоев МПП при попадании в зону экрана от-
верстия, электрически с ним не связанного, необходимо вокруг этого отверстия сде-
лать срез фольги такой ширины, чтобы обеспечить требуемую электрическую проч-
ность изоляции.
Не занятые проводящим рисунком и другими элементами конструкции участки
ПП рекомендуется заполнять сетчатым рисунком, подобным сетчатому экрану.
7. Определение размеров и расположения контактных площадок.
Все монтажные и переходные отверстия располагаются в зонах контактных площа-
док, которые могут иметь прямоугольную, квадратную, круглую или близкую к ним
форму. Контактные площадки, помимо выполнения своей основной функции, также
имеющие другое назначение, например, обозначение первого вывода многоконтакт-
ного ЭРИ (функция ключа), выполняют другой формы, отличной от остальных кон-
тактных площадок.

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
173
Рис. 3.2.10. Конструкция экрана
Наименьшее номинальное значение диаметра контактной площадки определяют
по формуле
где dBO — верхнее предельное отклонение диаметра отверстия по ГОСТ Р 53429-2009
(см. § 3.1.3, табл. 3.1.1);
AtBtQ и Afн.о — верхнее и нижнее предельные отклонения диаметра контактной
площадки по ГОСТ Р 53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1);
Ь — гарантийный поясок, т. е. минимально допустимая ширина контактной пло-
щадки согласно ГОСТ Р 53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1);
AdTp — величина подтравливания диэлектрика в отверстии (0,03 мм для МПП и 0
для всех остальных типов плат).
При расчете контактных площадок некруглой формы наименьший номинальный
диаметр определяется диаметром вписанной окружности с центром в узле координат-
ной сетки. При определении номинального диаметра контактной площадки под отвер-
стие с зенковкой в формулу (3.2.3) вместо значения d и AdB.0 следует подставить диа-
метр зенковки и его верхнее предельное отклонение соответственно.
Полученное значение диаметра контактной площадки округляют в большую сто-
рону до десятых долей миллиметра.
При установке на плату ПМК номинальные размеры сторон контактных площадок
с точками подсоединения MnN рассчитывают по формулам:
где B(D)max — максимальная ширина (диаметр) контактирующей части ПМК;
Т9 — позиционный допуск расположения геометрического центра корпуса уста-
навливаемого ПМК относительно номинального положения, определяемый
используемым оборудованием;

174
Конструирование узлов и устройств электронных средств
AtH.0 — нижнее предельное отклонение ширины контактной площадки по ГОСТ Р
53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1);
Р — минимальное расстояние от края контактной площадки до контактирующей
части корпуса ПМК, устанавливаемое для обеспечения качественной пайки
равным 0,3 мм (пайка паяльной пастой) или 0,6 мм (пайка припоем);
Qn — гарантированный размер контактной площадки, необходимый для совме-
щения с контактирующей частью ПМК и устанавливаемый в пределах от 0,1
до 0,3 мм;
AZ — верхнее предельное отклонение длины контактирующей части устанавливае-
мого ПМК по техническим условиям на ПМК конкретного типа.
Номинальные размеры сторон контактных площадок под установку ПМК с тремя и
более точками подсоединения вычисляют по формулам:
и
гДе bk max — максимальная ширина контактирующего ПМК по техническим условиям
на ПМК данного типа.
Расстояния между наружными и внутренними сторонами контактных площадок
под установку ПМК с двумя точками подсоединения определяют по формулам:
и
где LmeiXnLmin — максимальная и минимальная длина корпуса устанавливаемого
ПМК;
Ti — позиционный допуск расположения элемента проводящего рисунка относи-
тельно реперного знака по ГОСТ Р 53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1).
Расстояния между наружными и внутренними сторонами контактных площадок
под установку ПМК с тремя и более точками подсоединения вычисляют по формулам:
и
где ifэ. тах и Нэ. min — максимальное и минимальное расстояние между внешними
сторонами контактирующих элементов, расположенных на противополож-
ных сторонах ПМК, устанавливаемое по техническим условиям на конкрет-
ный тип.
8. Определение расстояния между элементами проводящего рисунка.
Расстояние между соседними элементами проводящего рисунка зависит от элек-
трических, конструктивных и технологических требований, предъявляемых к ПП.
Наименьшее номинальное расстояние между двумя соседними элементами проводя-
щего рисунка определяют по формуле

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат
175
где Dx и D2 —диаметры контактных площадок первого и второго отверстий.
На этом этап выполнения расчета и размещения элементов проводящего рисунка
заканчивается. По результатам этого этапа окончательно выбирают метод и техноло-
гический процесс изготовления ПП.
3.2.11. Определение мест и способов нанесения маркировки
Печатная плата любого типа на заключительных стадиях изготовления подвер-
гается маркированию, т. е. нанесению специальных маркировочных знаков как на
одной, так и на обеих сторонах ПП. Наносимую маркировку разделяют на основную и
дополнительную. Основная маркировка наносится обязательно и должна содержать:
• обозначение ПП (условный шифр);
• дату изготовления ПП;
• порядковый номер изменения чертежа, относящегося только к изменению прово-
дящего рисунка ПП;
• обозначение слоя МПП.
Дополнительная маркировка наносится в случае необходимости и может включать
в себя:
• порядковый (заводской) номер ПП (партии ПП);
• позиционные обозначения ЭРИ на схеме или условный адрес их установки (В7,
ГЗ, А12ит. п.);
• цифровое обозначение первого вывода ЭРИ, а также точек контроля;
• обозначение знаком «+» положительного вывода полярного ЭРИ.
Иногда дополнительная маркировка может содержать и другие сведения (изобра-
жения контуров, условно-графических обозначений ЭРИ и т. п.).
Наименьшее номинальное расстояние для прокладки п печатных проводников
между двумя отверстиями с контактными площадками рассчитывают по формуле
где Д)1 и £>02 — диаметры зон вокруг отверстий, свободных от печатных проводников,
а диаметр каждой зоны рассчитывают по формуле
где Sminj) — минимально допустимое расстояние между соседними элементами про-
водящего рисунка, выбирается в зависимости от приложенного напряжения
и условий эксплуатации в соответствии с ГОСТ Р 53429-2009 (см. §3.1.4,
табл. 3.1.3);
Д£н.0 — верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника в зави-
симости от класса точности ПП согласно ГОСТ Р 53429-2009 (см. §3.1.3,
табл. 3.1.1);
Тг — позиционный допуск расположения печатных проводников, который учи-
тывается только при наличии печатных проводников в узком месте по ГОСТ Р
53429-2009 (см. § 3.1.3, табл. 3.1.1).
Наименьшее номинальное расстояние между центрами двух неметаллизированных
отверстий диаметром до 1,5 мм без контактных площадок для прокладки n-го числа
проводников определяют по формуле

176
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Маркировочные знаки основной и дополнительной маркировки рекомендуется
выполнять тем же способом, каким выполняется проводящий рисунок, но символы
дополнительной маркировки — только при наличии свободного места. Маркировоч-
ные знаки, выполненные из проводникового материала, не должны уменьшать мини-
мально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.
Допускается частичное одностороннее соприкасание контура символа с соседним эле-
ментом проводящего рисунка.
Маркировку, выполненную краской, допускается располагать на печатных про-
водниках, экранах и шинах земли. Используемая краска должна быть устойчивой к
воздействию расплавленного припоя, нейтральных растворителей (спирта, фреона, то-
луола, бензина) или их смесей.
Обозначение печатной платы должно наноситься шрифтом размером не менее
2,0 мм. Маркировочные символы позиционных обозначений ЭРИ располагают вне
изображения контура над ним или справа от ЭРИ таким образом, чтобы они читались
слева направо или снизу вверх. Расстояние от контура маркировочного знака, выпол-
ненного краской, до края контактной площадки со стороны пайки или концевого кон-
такта должно быть не менее 0,5 мм. Обозначение первого вывода многоконтактного
ЭРИ и точек контроля рекомендуется располагать вне проекции контура устанавли-
ваемого элемента.
Место расположения маркировки и указания о маркировке ПП на чертеже приво-
дят в соответствии с ГОСТ 2.314-68.
3.2.12. Обеспечение защиты от внешних воздействий
Все виды ЭС подвергаются воздействию внешних дестабилизирующих факторов —
климатических воздействий, механических нагрузок, ионизирующего излучения
и др., которые передаются к каждому элементу конструкции, в том числе к ЭМ1.
Механические воздействия имеют место в работающей аппаратуре, установленной
на подвижном объекте, или при ее транспортировке в нерабочем состоянии. Защита
ЭМ1 от вибраций, тряски и ударов предполагает использование элементной базы,
устойчивой к заданным значениям механических нагрузок, грамотное размещение
ЭРИ в коммутационно-монтажном пространстве ПП, правильный способ фиксации
ПП в изделии. В некоторых случаях, при особенно жестких условиях работы, может
потребоваться внесение в конструкцию амортизаторов.
Обеспечение защиты конструкции ПП от внешних климатических воздействий
предполагает защиту от действия влаги, перепадов температур, пыли и пр. [23, 27-30,
32, 33]. Проникновение влаги, пыли в зазоры контактных соединений может повлечь
за собой нежелательные изменения электропроводности, вызвать химические и элек-
трохимические разрушения конструкции и в конечном итоге привести к отказу. Про-
никающая через отверстия и щели в корпус ЭС пыль может вызвать снижение сопро-
тивление изоляции и появление электрических пробоев в конструкции. Воздействие
пыли на ПП проявляется, главным образом, в виде засорения подвижных частей меха-
низмов некоторых ЭРИ (подстроечные резисторы и конденсаторы, катушки индуктив-
ности), увеличивая износ и вызывая заедания. Кроме того, пыль в воздушном зазоре
электромеханического реле может препятствовать его срабатыванию. Гигроскопиче-
ские свойства некоторых частиц пыли способствуют развитию коррозии металличе-
ских корпусов ЭРИ.
Биологические воздействия внешней среды выражаются в поражении конструктив-
ных элементов плесневыми грибами, появлении мха и других образований. Хорошую
стойкость против плесени имеют уретановые лаки и лаки с введенными в них ядами —

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 177
фунгицидами. Особую опасность представляют грызуны и насекомые, которые могут
нарушить целостность конструкции и явиться причиной коротких замыканий, возго-
раний и т. п.
Более подробная информация о внешних воздействующих факторах и способах за-
щиты от них изложена в главе 4.8 настоящего учебного пособия.
3.2.13. Автоматизация конструирования печатных плат
Среди систем автоматизированного проектирования (САПР) печатных плат для
платформы операционной системы Windows в настоящее время наиболее известны и
распространены САПР OrCAD, P-CAD и Protel 99SE (Protel International), программы
SPECCTRA и РСВ Design Studio (Cadence Design Systems), а также некоторые другие
[1,3].
С помощью ряда редакторов, имеющихся в OrCAD, выполняется интерактивное
проектирование печатных плат. Имеются программы размещения компонентов, авто-
трассировки проводников и создания управляющих файлов для фотоплоттеров. В со-
став САПР входят также средства анализа и оптимизации электронных схем и про-
ектирования устройств на ПЛИС. Поэтому систему OrCAD часто называют системой
сквозного проектирования ЭС.
Программа SPECCTRA компании Cadence — одна из наиболее мощных программ
проектирования ПП. С ее помощью можно выполнять размещение и трассировку как
в интерактивном, так и в автоматическом режимах. Размещение происходит за не-
сколько итераций, во время которых выявляются и устраняются конфликты типа пе-
ресечений проводников в одном слое или нарушения проектных норм.
Широко известна система проектирования печатных плат P-CAD, позволяющая
выполнить полный цикл проектирования печатных плат, включая интерактивное раз-
мещение компонентов, трассировку проводников и выпуск документации. Автомати-
ческое размещение компонентов на плате и трассировка проводников осуществляются
с помощью отдельно поставляемого пакета SPECCTRA. В системе P-CAD имеются
библиотеки корпусов ЭРИ, в том числе современных импортных элементов, которые
можно пополнить библиотеками отечествецной элементной базы, препроцессоры под-
готовки информации для изготовления фотошаблонов для фотоплоттеров. Поддержка
текстовых форматов DXF и PDIF позволяет обмениваться информацией с другими
САПР, например, AutoCAD, Компас, OrCAD, Viewlogic и др. Следует заметить, что не-
смотря на свою популярность, система P-CAD в настоящее время считается устарев-
шей, и вместо нее в 2008 г. фирма-разработчик Altium предложила конструкторам ЭС
использовать комплексную САПР Altium Designer.
Последняя на сегодняшний день 10-я версия Altium Designer позволяет реализовы-
вать проекты ЭС на уровне схемы или программного кода при проектировании програм-
мируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или печатных плат. Отличительной
особенностью данной САПР является проектная структура и сквозная целостность ве-
дения разработки на разных уровнях проектирования. Также следует отметить инте-
грацию между САПР различных предметных областей (САПР для радиоэлектроники,
машиностроения, моделирования сложных физических процессов, инженерных вы-
числений и др.). Интересной особенностью стала возможность разработки печатной
платы в трехмерном виде. Пакет Altium Designer состоит из двух продуктов; возмож-
ность работы с тем или иным из них зависит от типа приобретенной лицензии. Это
Altium Designer Custom Board Front-End Design для проектирования ПЛИС, схемотех-
нического проектирования и моделирования и система Altium Designer Custom Board
Implementation, назначение которой — проектирование всех типов печатных плат

178
Конструирование узлов и устройств электронных средств
и ПЛИС. В состав комплекса Altium Designer входит весь необходимый инструмента-
рий для разработки» редактирования и отладки проектов на базе электрических схем
и ПЛИС. Редактор схем позволяет вводить схемы любой сложности и выполнять сме-
шанное аналого-цифровое моделирование. Библиотеки программы содержат более 90
тысяч готовых компонентов, у многих из которых имеются модели посадочных мест,
а также трехмерные модели. Редактор печатных плат Altium Designer содержит мощ-
ные средства интерактивного размещения компонентов и трассировки проводников,
которые совместно с визуализированной системой установки правил проектирования
максимально упрощают процесс разработки ЭС. Алгоритмы трассировки учитывают
все требования, предъявляемые к современным конструкциям ПП, например, в слу-
чае трассировки дифференциальных пар или высокочастотных участков плат. Работа
над всеми частями проекта ведется в единой управляющей оболочке Design Explorer,
что позволяет специалисту контролировать целостность проекта на всех этапах про-
ектирования. Таким образом, изменения, внесенные на любом этапе разработки, авто-
матически передаются на все связанные стадии проекта. Кроме того, Altium Designer
имеет широкие возможности импорта и экспорта сторонних систем проектирования
и поддерживает практически все стандартные форматы выходных файлов (Gerber,
ODB++, DXF и т. д.), а также обеспечивает полную поддержку всех наработок в виде
схем, плат и библиотек, разработанных в последних версиях P-CAD.
Вопросы для контроля
1. Какие требования указывают в техническом задании на проектирование ПП?
2. По каким основным этапам осуществляется конструирование ПП?
3. В каких целях проводится анализ назначения, объекта установки и условий экс-
плуатации ЭС?
4. Как осуществляют альтернативную классификацию ЭС по объекту установки?
5. Какие классы ЭС выделяет ГОСТ Р МЭК 61192-1-2010?
6. Какие группы по объекту установки определяет ГОСТ 16019-2001?
7. В чем состоит специфика ЭС различных групп?
8. Возможна ли эксплуатация ЭС группы В4 в неотапливаемом помещении?
9. Как влияют условия эксплуатации на конструкцию изделий?
10. Какие варианты климатических исполнений устанавливает ГОСТ 15150-69?
11. В чем выражается специфика ЭС различных вариантов климатических испол-
нений?
12. Для каких целей выделяют укрупненные и дополнительные категории вариан-
тов климатического исполнения?
13. Как обозначается вид климатического исполнения?
14. Можно ли эксплуатировать изделие общеклиматического исполнения в условиях
умеренно-холодного морского климата?
15. По каким стандартам проводят полную классификацию ЭС?
16. Какие требования к конструкции ПП накладывает группа жесткости?
17. Какие эксплуатационные факторы определяют выбор группы жесткости?
18. В каких целях при конструировании ПП выполняют анализ схемы электриче-
ской принципиальной?
1ft. Какие схемотехнические характеристики и параметры оказывают наиболее зна-
чимое влияние на конструкцию ПП?
20. Какие задачи решаются разработчиком ЭС при выборе элементной базы?
21. На каких основаниях делается заключение об окончательном выборе типов эле-
ментной базы?

Глава 3.2. Конструкторское проектирование печатных плат 179
22. Какими нормативно-техническими документами определяются требования к
формовке выводов ЭРИ и их установке на ПП?
23. В чем состоят общие требования, предъявляемые к установке изделий электрон-
ной техники на ПП?
24. Какова структура кода условного обозначения варианта формовки выводов и
установки ЭРИ на ПП согласно ГОСТ 29137-91?
25. Как определяют способ установки на ПП нестандартных ЭРИ?
26. Можно ли осуществить установку на ПП типового ЭРИ .нестандартным спо-
собом?
27. В какой конструкторской документации на изделие и каким образом указывают
способ установки ЭРИ?
28. От каких условий зависит выбор типа конструкции ПП и ее класса точности?
29. Какие материалы применяются для изготовления ПП и в чем заключаются их
особенности?
30. Как осуществляют обозначение марок фольгированных материалов?
31. Какие критерии рассматриваются при выборе материала основания ПП?
32. Какой информацией должен владеть разработчик при выборе геометрической
формы и габаритных размеров ПП?
33. Как оценить площадь ПП на ранних стадиях проектирования?
34. Как определить площадь ПП, исходя из компоновки конструкторско-технологи-
ческих зон?
35. Каких общих рекомендаций необходимо придерживаться при размещении ЭРИ
наПП?
36. Чем определяется толщина ПП различных конструкций?
37. Какие факторы должен учитывать конструктор при выборе толщины печатной
платы?
38. В какой последовательности согласно ГОСТ Р 53429-2009 и РД-50-708-91 выпол-
няют расчет элементов проводящего рисунка?
39. Как определить расстояние от края ПП до проводящего рисунка?
40. Как определить диаметры монтажных отверстий?
41. Для каких целей в конструкцию ПП вводят фиксирующие отверстия?
42. Как рассчитывают размеры и определяют расположение печатных провод-
ников?
43. Как выполняют расчет контактных площадок?
44. Какие требования необходимо учитывать при выполнении и размещении экра-
нов?
45. В каких целях и каким образом определяют расстояния между элементами про-
водящего рисунка?
46. Какие сведения содержит основная и дополнительная маркировки?
47. Какими способами на ПП наносят маркировочные знаки?
48. Каких требований необходимо придерживаться при нанесении маркировки?
49. Когда и в каких целях необходимо предусматривать защиту ЭС от воздействия
дестабилизирующих факторов?
50. Какие САПР используются для автоматизированного проектирования печатных
плат?

Глава 3.3
ПОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ
После завершения всех этапов конструкторского проектирования печатной платы и
выполнения трассировки электрических соединений выполняют ряд поверочных рас-
четов, учитывающих особенности топологии, на соответствие полученных значений
параметров конструкции заложенным в техническом задании на ЭС, чтобы внести,
при необходимости, соответствующие коррективы до изготовления фотошаблонов ПП.
Обычно проводят оценку конструкции ЭМ1 на вибро- и ударопрочность, анализ тепло-
вого режима электронных компонентов, установленных на ПП, а также выполняют
расчет надежности и оценивают качество электронного модуля в целом (методам обе-
спечения требуемого уровня надежности и качества ЭС отведены отдельные главы 5.1
и 5,2 данного учебного пособия).
3.3.1. Оценка устойчивости к вибрационным нагрузкам
В процессе эксплуатации печатная плата в составе ЭМ1 и модуля более высокого
конструктивного уровня подвергается различного рода механическим воздействиям —
вибрациям, ударам и линейным перегрузкам, обусловленным спецификой размеще-
ния на объекте-носителе [23].
Под вибрацией понимают механические колебания всей конструкции или отдель-
ных ее элементов. Вибрация характеризуется виброперемещением, виброскоростью и
виброускорением. Способность конструкции ЭС выполнять все свои функций и сохра-
нять значения всех параметров в заданных пределах после воздействия вибрации на-
зывается вибропрочностью. Если конструкция ЭС способна выполнять свои функции и
сохранять значения параметров в заданных пределах во время воздействия вибрации,
то в этом случае говорят об устойчивости конструкции к вибрациям — виброустойчи-
вости.
Расчет ЭМ1 на устойчивость к воздействию вибрации состоит из нескольких основ-
ных этапов [23, 34-37].
1. Расчет основной резонансной частоты колебаний прямоугольной ПП.
При определении частот собственных колебаний в качестве расчетной модели ПП
рассматривается пластина с равномерным распределением массы, и выбирается спо-
соб ее закрепления в соответствии с рис. 3.3.1. Защемлением или зажатым краем ПП
можно считать ее крепление прижимной планкой или установку в разъем электриче-

Глава 3.3. Поверочные расчеты
181
ского соединителя. Условия; опертого края имеют место при установке боковых сте-
нок ПП в направляющие. Креплению ПП на резьбовых втулках винтами наиболее
точно соответствует схема свободного опирания в указанных точках.
Считая, что вибрации действуют перпендикулярно плоскости ЦП, определяем ча-
стоту собственных колебаний равномерно нагруженной ПП по формуле
(3.3.1)
где Ка — поправочный коэффициент, зависящий от способа крепления ПП;
цилиндрическая жесткость ПП, Н • м;
М = рЛ + ^РИ — распределенная по площади масса платы с установленными на
аЪ ней ЭРИ, кг • м"2;
Е — модуль упругости материала ПП, Н/м2;
ц — коэффициент Пуассона, зависящий от материала ПП;
р — удельная плотность материала ПП, кг • м"3;
тэри — масса установленных на ПП ЭРИ, кг;
а, 6, h — длина, ширина и толщина ПП соответственно, м.
Значения Е, р, ц для разных материалов приведены в справочниках по конструк-
ционным материалам, например, в [38]. При расчетах резонансных частот печатных
плат, выполненных из стеклотекстолита (гетинакса), можно использовать значения
Е = 3,02 • 1010 (2,1 • 1010) Па, р = 1,85 • 103 (1,4 • 103) кг • м"3 и ц = 0,22 (0,18). Масса
ЭРИ определяется на этапе выбора элементной базы ЭМ1 (см. § 3.2.5):
п
i=l
где ть — масса ЭРИ i-ro типа;
Nt — количество ЭРИ i-vo типа;
п — число установленных на ПП ЭРИ.
В таблице 3.3.1 представлены формулы для вычисления поправочного коэффици-
ента Ка для вариантов закрепления ПП в соответствии с рис. 3.3.1.
Рис. 3.3.1. Варианты крепления расчетных моделей ПП

182 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 3.3.1
Расчетные формулы для определения коэффициента Ка
№ вариан-
та крепле-
ния платы
1
2
3
1 4
1 5
6
7
8
9
10
11
Формула для определения Ка
#а=9,87Л1 + 2,56б(^) + 5'138(f)
Ка = 22,37^1+ 0,4в(|) + 0'19(§)
Ка- 22,37 Jl + 0.57(f) + 0'47(f) •
tfa=15,47^1 + l,19(f)2+2,l(f)
ЛГа = 1 б, 42 Jl + 0,95(f) + 0>41(f)
Ка = 9,82 Jl + 2,3з(|) + 2,44(|)
Ка = 3,52^1 + 5,97(f) +4,0б(|)
Ка= 22,37 Jl + 0Д4(|) +0,02(f)
i.a=22,37^1 + 0,6l(f)2 + (f)4
'•-W7f4!),+(f)4
Ka= 9,87 Jl + 0,43(f)
№ варианта
крепления
платы
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Формула для определения
«.-«"MfHf)]
ЛГа = 22,37^1 + 0,l(f)
'.«22.87(f)1
Ка =22,37
*а=3,57(|)2
tfa=3,52
^a=15,42(f)2
#„ =15,42
*°=9'87(?Г
#„=9,87
^a=9,87[l + (f)2]
В случае крепления ПП в четырех, пяти или шести точках по углам платы, вместо
(3.3.1) удобно использовать формулы (3.3.2-3.3.4) [35]:

Глава 3.3. Поверочные расчеты
183
(3.3.2)
(3.3.3)
(3.3.4)
2. Определение амплитуды вибросмещения основания ПП.
Амплитуда вибросмещения основания печатной платы при максимальной частоте
вибрационных колебаний определяется по следующей формуле:
(3.3.5)
где а3 — заданное в ГОСТ 16019-2001 для соответствующей группы ЭС виброускоре-
ние, м/с2 (см. § 3.2.2, табл. 3.2.1).
3. Определение виброускорения и виброперемещения ЭРИ.
При оценке механических характеристик конструкции ЭМ1 необходимо знать дей-
ствующие на установленные ЭРИ вибрационные нагрузки. Обычно максимальные
значения таких нагрузок испытывают ЭРИ, расположенные рядом с геометрическим
центром ПП, поэтому расчеты проводят для элемента, местоположение которого наи-
более близко к центру платы.
Тогда относительные координаты центра выбранного элемента будут равны £х = х/а
и £>у = У/Ь соответственно и коэффициент передачи по ускорению
(3.3.6)
где Kij(C,x) и К^у), i=l9n, j = l9m — коэффициенты формы колебаний, зависящие от
способа закрепления ЭРИ, и формы колебаний, определяемые в соответствии
с зависимостями (рис. 3.3.2) по относительным координатам центра выбран-
ного элемента;
п — число вариантов крепления;
т — количество форм колебаний;
коэффициент механических потерь;
- коэффициент расстройки.

Здесь g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.
Виброперемещение ЭРИ рассчитывается по формуле
Рис. 3.3.2. Графики зависимостей коэффициентов форм колебаний Кц
от относительных координат С,х, t>y и способов закрепления ЭРИ
184 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Определим виброускорение, действующее на выбранный элемент:

Глава 3.3. Поверочные расчеты
185
4. Оценка максимального прогиба в центре ПП.
Расчет максимального прогиба ПП проводится, исходя из предположения, что наи-
большее виброперемещение будет испытывать ЭРИ в центре ПП. Тогда максимальный
прогиб ПП будет составлять
(3.3.9)
5. Расчет устойчивости выводов ЭРИ к воздействию вибрации.
При вибрационных нагрузках, действующих на ЭМ1, возможны разрушения вы-
водов навесных элементов вследствие усталостных явлений. Установка навесных эле-
ментов на ПП зависит от их конструктивных особенностей. Например, при установке
ЭРИ на ДПП корпус элемента приподнимают над поверхностью платы, а при монтаже
на ОПП корпус ЭРИ прижимают к поверхности платы и фиксируют с помощью клее-
вого соединения. Механические напряжения в выводах элемента могут возникать за
счет возникновения инерционных сил, действующих на установленный элемент, при-
поднятый над поверхностью платы, а также из-за деформации ПП в условиях возник-
новения механического резонанса. В большинстве случаев расчетную модель ЭРИ, за-
крепленного на выводах, можно представить в следующем виде (рис. 3.3.3) [34-37].
Рис. 3.3.3. Расчетная модель ЭРИ
Основная резонансная частота колебаний выводов для данной схемы закрепления
ЭРИ определяется по формуле
(3.3.10)
где т — масса ЭРИ, кг;
Е — модуль упругости материала выводов, Па;
* = —r— — экваториальный момент инерции сечения вывода;
Ь4
с = h/l — безразмерный коэффициент отношения размеров участков АВ и ВС
(рис. 3.3.3).
Резонансные колебания на основной частоте являются самыми опасными, так как
на вывод ЭРИ совместно действуют изгибающий момент, обусловленный поворотом
сечения платы на угол ср, и сила, вызванная деформацией платы z (см. рис. 3.3.3).
Поэтому изгибающие моменты определяют в наиболее опасных сечениях — в точках

186
Конструирование узлов и устройств электронных средств
пайки выводов к плате А, их изгиба В и соединения с корпусом элемента С, в предполо-
жении, что наибольшие нагрузки испытывает ЭРИ, расположенный в центре платы:
(3.3.11)
Здесь ф — угол изгиба ПП в точке крепления вывода А;
z — деформация выводов за счет прогиба платы:
(3.3.12)
(3.3.13)
где х — значение координаты х в точке крепления вывода А;
Ki№xAAVA)> Кц(С»х Ау ) — коэффициенты формы колебаний (см. рис. 3.3.2) в точ-
ках крепления вывода А и соединения вывода с корпусом
ЭРИ С соответственно.
Тогда действующие значения механических напряжений, Н/м2 в точках А, В и С
соответственно будут определяться как
(3.3.14)
где ЛГр — число циклов до разрушения (по кривым усталости для материала вывода
(рис. 3.3.4));
fi — резонансная частота колебаний вывода ЭРИ, Гц.
Ю2 Ю3 Ю4 Ю5 10е ю7 N
Рис. 3.3.4. Кривая усталости холоднотянутой медной проволоки
где d — диаметр вывода ЭРИ.
Время работоспособности до усталостного разрушения вывода ЭРИ можно рассчи-
тать по формуле

Глава 3.3. Поверочные расчеты
187
6. Проверка выполнения условий вибропрочности и виброустойчивости.
Для обеспечения устойчивости конструкции ЭМ1 к воздействию вибраций необхо-
димо выполнение следующих пяти условий.
1. Собственная резонансная частота колебаний ЭМ1, должна превышать макси-
мальную частоту /тах указанных в техническом задании значений действующих на
конструкцию вибраций, т. е. £ >/тах.
2. Действующее виброускорение на ЭРИ в центре платы ав должно быть меньше до-
пустимого ав для этого элемента, т. е. а>в < авДОП-
3. Максимальный прогиб в центре ПП W0 не должен превышать допустимой вели-
чины Wn =0,03Ь, т. е. Wn < Wn .
4. Механические напряжения в точках пайки выводов к плате А, их изгиба В и сое-
динения с корпусом элемента С не должны превышать допустимых значений для кон-
кретного ЭРИ, т. е. °а,в,с <адоп.
5. Время функционирования вывода до усталостного разрушения не должно быть
меньше допустимого, т. е. *р > tp m.
Таким образом, выполнение всех перечисленных условий позволяет сделать вывод,
что ЭМ1 удовлетворяет требованиям ТЗ по вибропрочности (виброустойчивости) и в
дополнительных мерах по повышению жесткости ПП нет необходимости. Если хотя
бы одно условие не выполняется, то необходимо повысить жесткость ПП, например, за
счет выбора другого способа закрепления платы, изменения геометрических размеров,
соотношения сторон, применения ребер жесткости, демпфирующих вставок, примене-
ния ЭРИ других типов и др.
Рассмотрим пример. Пусть требуется оценить устойчивость ЭМ1 к воздействию
гармонической вибрации с максимальной частотой /тах = 200 Гц и виброускорением
а3 = 19,6 м/с2. Печатная плата ЭМ1 выполнена из стеклотекстолита, модуль упруго-
сти которого Е = 3,02 • 1010 Па, удельная плотность р = 1,85 • 1б3 кг • м~3 и коэффици-
ент Пуассона ц = 0,22. Длина, ширина и толщина ПП составляют а = 0,2 м, Ъ = 0,1 м
и Л =0,0015м соответственно. Масса установленных ЭРИ составляет тЭри = 0,35 кг.
Печатная плата закреплена в четырех точках по углам.
В соответствии с исходными данными, используя (3.3.2), определяем основную ре-
зонансную частоту колебаний ПП:
Первое условие вибропрочности не выполняется, так как расчетное значение fi су-
щественно ниже заданной максимальной частоты вибрации /тах. Поэтому необходимо
изменить способ закрепления ПП, например, поместив ее между жесткими металли-
ческими рамками. Такому способу крепления наиболее точно соответствует расчетная
схема 9-го варианта в соответствии с рис. 3.3.1 и соответствующая ему расчетная фор-
мула для определения коэффициента Ка:

188
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Подставляя известные значения в (3.3.1), получим
Теперь первое условие вибропрочности выполняется, так как собственная резо-
нансная частота ПП fi существенно выше верхней границы /тах диапазона частот дей-
ствующих вибраций.
Амплитуду вибросмещения основания ПП при максимальной частоте вибрацион-
ных колебаний вычисляем, используя формулу (3.3.5):
Максимальные вибрационные нагрузки испытывают ЭРИ, размещенные в окрест-
ностях геометрического центра ПП. Пусть изучение КД показало, что наиболее
близко к центру ПП расположен резистор типа С2-33 мощностью 0,25 Вт, как пока-
зано на рис. 3.3.5, расчетная модель которого соответствует рис. 3.3.3. Масса рези-
стора т = 3 • 10~3 кг, его длина L = 7 • 10~3 м, диаметр выводов d = 1 • 10"3 м, линейные
размеры выводов h = 5,3 • 10~3 м, I = 2 • 10~3 м, а допустимые значения: виброускоре-
ния ав оп = 20g; механического напряжения адоп = 200 Н/м2 и времени до разрушения
tp = 100 с. Выводы выполнены из холоднотянутой медной проволоки, модуль упруго-
сти которой Е = 1,23 • 1011 Па.
Рис. 3.3.5. Схема размещения резистора на ПП
Абсолютные координаты центра резистора в соответствии с рис. 3.3.5 составляют
х = 0,095 иу = 0,055 м. Тогда относительные координаты его центра будут равны
„ 0,095 Л А„к г 0,055 ЛСС та
С=-2 = 0,475 и С = = 0,55 соответственно. В предположении воздействия
0,2 у 0,1
полусинусоидальной формы импульса колебаний (у = 1), для первого варианта кре-
пления резистора (i = 1) по графику на рис. 3.3.2 определяем коэффициенты формы

Глава 3.3. Поверочные расчеты
189
колебаний К^(С,х9С,у): К11(С9Х)»К11(СЛ)^1929. Коэффициент механических потерь соста-
вит б = -т=- = , = 0,062, а коэффициент расстройки r| = -JSS2L = = 0,77. Тогда, исполь-
^ft V259 Д 259
зуя выражение (3.3.6), определим коэффициент передачи по ускорению:
Угол изгиба печатной платы в точке А крепления вывода резистора определим из
L 7-Ю3
выражения (3.3.12) при абсолютной координате хА-х Z = 0,095 210"3 =
= 0,086:
Чтобы рассчитать деформацию выводов, возникающую из-за прогиба платы, не-
обходимо определить значения коэффициентов форм колебаний (см. рис. 3.3.2) в точ-
ках крепления вывода А К1У(£Ха), Кц&у ) и соединения вывода с корпусом резистора С
^и(Схс)> Ки(£>ус)* Как видно из рис. 3.3.5, абсолютные и относительные ординаты для
Действующие на резистор виброускорение и виброперемещение вычислим, под-
ставляя заданные и рассчитанные значения величин в формулы (3.3.7) и (3.3.8):
Второе условие вибропрочности выполняется, так как расчетное значение вибро-
ускорения ав значительно ниже допустимого аВдоп для этого ЭРИ.
Тогда максимальный прогиб ПП, оцениваемый по формуле (3.3.9), будет состав-
лять
Третье условие вибропрочности также выполнено, так как полученное значение
наибольшего прогиба ПП WQ существенно меньше допустимого прогиба
Для оценки устойчивости выводов ЭРИ к воздействию вибрации определим основ-
ную резонансную частоту колебаний медных выводов для расчетной схемы закрепле-
ния резистора (см. рис. 3.3.3) по формуле (3.3.10):

190
Конструирование узлов и устройств электронных средств
точек А и С резистора совпадают с абсолютными и относительными ординатами его
О 055
геометрического центра: уА=ус = у = 0,055, С,Уа = С,ус = С,у = -J-— = 0,55, поэтому Кг1(С>УА) =
= Kn(C)yc) = Ku(t;y)*ly29.
Абсолютные абсциссы точек пайки вывода резистора А и соединения вывода с кор-
L 7-10"3
пусом С составляют хА = 0,086 и хс =х = 0,095 — = 0,088 соответственно. Тогда
* * г °>086 л.о г °>088 плл
их относительные абсциссы будут равны С = = 0,43 и С, = —т-г- = 0,44, а коэффи-
А 0,2 0,2
циенты форм колебаний /£п(£Хд)« 1,285 и Яц(С*с)~ 1>275. Подставляя полученные зна-
чения в формулу (3.3.13), получим
Тогда изгибающие моменты в опасных сечениях согласно (3.3.11) будут составлять
Действующие значения механических напряжений в точках А, Б и С соответственно
будут определяться по формулам (3.3.14):

Глава 3.3. Поверочные расчеты
191
Поскольку заданное время до разрушения выводов резистора (определяемое заказ-
чиком ЭС) меньше рассчитанного, т. е. £р оп < £р, то пятое условие вибропрочности также
выполняется.
Таким образом, проведенные расчеты показывают, что как ПП, входящая в состав
ЭМ1, так и сам ЭМ1 удовлетворяют предъявляемым требованиям к воздействию ви-
брационных нагрузок, и дополнительные меры защиты предпринимать не нужно.
3.3.2. Определение устойчивости к ударным воздействиям
Печатная плата в составе ЭМ1 и (или) ЭМ2 может подвергаться ударным воздей-
ствиям при изготовлении, транспортировке, хранении и эксплуатации. При ударе как
сама ПП, так и установленные на ней ЭРИ испытывают нагрузки в течение малого
промежутка времени при больших значениях ускорений, что может привести к значи-
тельным повреждениям ЭС. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы,
амплитуды и длительности ударного импульса [23,34-37], поэтому все конструктив-
ные элементы ЭС, работающие в условиях ударов, должны отвечать требованиям уда-
ропрочности и удароустойчивости.
Способность конструкции ЭС функционировать и сохранять значения своих пара-
метров в заданных пределах после воздействия ударов, называется ударопрочностью.
Если конструкция ЭС способна выполнять требуемые функции и сохранять значения
своих параметров в заданных пределах во время воздействия ударов, то такую кон-
струкцию называют удароустойчивой.
Ударные воздействия характеризуются формой и параметрами ударного импульса
(рис. 3.3.6). Следует иметь в виду, что максимальное воздействие на механическую си-
стему оказывает импульс прямоугольной формы.
Рис. 3.3.6. Формы ударного импульса: 1 — полусинусоидальная;
2 — четвертьсинусоидальная; 3 — прямоугольная; 4 — треугольная;
5 — трапецеидальная
Так как все расчетные значения механических напряжений аА в с < адоп, то чет-
вертое условие вибропрочности выполнено (значение судоп устанавливается заказчи-
ком ЭС).
По кривой усталости (рис. 3.3.4) для максимального значения механического на-
пряжения сттах=ас находим число циклов до разрушения JVp«5105 и по формуле
(3.3.15) время до разрушения вывода

192
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где К у — коэффициент передачи для ударного импульса соответствующей формы.
5. Проверка условий устойчивости конструкции ЭМ1 к ударным воздействиям.
Осуществляют как для отдельных ЭРИ, так и ПП с установленными ЭРИ в целом.
Для ЭРИ определяют минимально допустимую ударную перегрузку адоп (по результату
анализа элементной базы — см. § 3.2.5) и сравнивают ее с расчетным значением удар-
ного ускорения ау. При этом должно выполняться условие адоп > ау.
Для ПП в целом должно выполняться условие ударопрочное™ Zmax < 0,0036, где
Ь — ширина ПП. При размещении ЭРИ параллельно одной из сторон ПП Zmax < 0,003/,
где I — размер стороны ПП, параллельно которой установлены ЭРИ.
Если ударное ускорение и максимальное относительное перемещение меньше для
отдельных ЭРИ и ПП в целом, то требования ТЗ по устойчивости конструкции ЭМ1
к воздействию удара выполняется. В противном случае требуется введение дополни-
тельных мер защиты ЭМ1 от ударных воздействий.
В качестве примера выполним проверку выполнения условий устойчивости к удар-
ным воздействиям конструкции ЭМ1. Форма ударного импульса — прямоугольная,
где ап — пиковое ударное ускорение, выбираемое согласно ГОСТ 16019-2001 (см.
§ 3.2.2, табл. 3.2.1) для соответствующей группы ЭС.
4. Определение максимального относительного перемещения.
Максимальное относительное перемещение ПП в метрах составляет
где v = коэффициент расстройки,
2nfx
fi — частота собственных колебаний (берется из расчета ПД на устойчивость к ви-
брационным воздействиям).
3. Определение ударного ускорения.
Ударное ускорение, м/с2 (или в единицах g), определяется выражением
а для импульса прямоугольной формы — по формуле
2. Расчет коэффициента передачи при ударе.
Для полусинусоидального импульса коэффициент передачи определяют по фор-
муле
Оценку устойчивости конструкции ЭМ1 к ударным воздействиям выполняют за не-
сколько этапов [23, 34-37].
1. Определение условной частоты ударного импульса.
Условная частота ударного импульса, с-1, определяется для наихудшего случая,
т. е. при наименьшей длительности удара для соответствующей группы ЭС согласно
ГОСТ 16019-2001 (см. § 3.2.2, табл. 3.2.1) по формуле

Глава 3.3. Поверочные расчеты
193
длительность удара ту = 10 мс, пиковое ударное ускорение ап = 147 м/с2. Остальные
исходные данные те же, что и в предыдущем примере (§ 3.3.1) расчета ЭМ1 на вибра-
ционные воздействия.
Условную частоту ударного импульса вычислим по формуле (3.3.16):
Для прямоугольного ударного импульса коэффициент передачи определим из вы-
ражения (3.3.18):
Подставляя полученное значение Ку в (3.3.19), получим
Тогда максимальное относительное перемещение согласно (3.3.20) составит
Так как минимально допустимая ударная перегрузка для резистора С2-33 адоп =
= 20#, а расчетное значение ау составляет 4,25g, т. е. адоп > ау, то условие устойчивости
ЭРИ к ударным воздействиям выполняется.
Для ПП в целом должно выполняться условие Zmax < 0,0036. В случае нашего при-
мера 0,003& = 3 • 10~4, поэтому это условие устойчивости конструкции к ударным воз-
действиям также выполняется.
Таким образом, ударное ускорение и максимальное относительное перемещение
меньше допустимых значений для ЭРИ и ПП в целом, поэтому конструкция ЭМ1 удо-
влетворяет требованиям ТЗ по устойчивости к воздействию удара.
Необходимо отметить, что частным случаем ударного воздействия является удар
при падении блока ЭС. Действующая при этом перегрузка оценивается следующим об-
разом:
а) определяется относительная скорость соударения блока ЭС с поверхностью:
где Vy = yJ2gH — скорость блока в момент удара о поверхность, м/с;
Н — высота падения ЭС, м;
VOT = kBVy — скорость отскока, м/с;
[Т
kB = J— — коэффициент восстановления скорости;
Л — высота, на которую блок ЭС поднимется после удара.
Значения коэффициентов восстановления скорости для различных соударяющихся
тел получают экспериментально. Например, при падении металлического блока ЭС на
бетонную поверхность kB « 0,9.
б) вычисляется действующее на блок ЭС ускорение:

194
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Условие ударопрочности проверяется по неравенству ау < адоп, т. е. вычисленное
ускорение ау, действующее на блок ЭС при падении его с заданной высоты, должно
быть существенно меньше допустимого ускорения адоп для самого уязвимого ЭРИ ис-
следуемого ЭС. В этом случае проектируемое устройство отвечает необходимым требо-
ваниям ударопрочности при падении.
3.3.3. Анализ теплового режима
Оптимальный тепловой режим ЭМ1 является одним из важнейших факторов, опре-
деляющих эксплуатационную надежность ЭС в целом. Обеспечение теплового режима
связано с выбором такой конструкции ЭМ1, которая бы способствовала рассеиванию
теплоты в окружающее пространство. Увеличение функциональной и конструктивной
сложностей узла, тепловыделения ЭРИ, и, соответственно, повышения температуры
внутри корпуса ЭС, способствует росту отказов элементной базы за счет превышения
допустимого нагрева отдельных ЭРИ. Поэтому целью анализа теплового режима явля-
ется оценка температур нагретой зоны и наиболее критичного к нагреву элемента [23,
36, 37, 46].
Расчет температуры поверхности корпуса ЭРИ проводится в следующей последова-
тельности.
1. Определяется эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля,
в котором расположен ЭРИ.
При отсутствии теплопроводящих шин для установки ИМС
а при наличии теплопроводящих шин
(3.3.22)
где А^ — коэффициент теплопроводности материала основания ПП, Вт/(м • К);
Х,ш — коэффициент теплопроводности материала теплопроводящей шины,
Вт/(м К);
Vu — объем ПП с учетом теплопроводящих шин, м3;
Vm — объем теплопроводящих шин на ПП, м3;
А = Sm/Su — коэффициент поверхностного заполнения ПП теплопроводящими
шинами;
Sm — суммарная площадь, занимаемая теплопроводящими шинами на ПП, м2;
Su — площадь ПП, м2.
В табл. 3.3.2 приведены значения коэффициентов теплопроводностей для некото-
рых материалов.

Глава 3.3. Поверочные расчеты
195
Таблица 3.3.2
Коэффициенты теплопроводности материалов
Материал
Алюминий
Алюминиевые сплавы
Золото
Латунь
Медь
Серебро
[Сталь
Коэффициент
теплопроводности
при 293 К, Л, Вт/м К
220 - 230
120-200
320
97-111
382 - 390
430
47
Материал
Стеклотекстолит
Гетинакс
Слюда
Текстолит
Стекло
Термопаста КПТ-8
Керамика
Коэффициент
теплопроводности
при 293 К, А,, Вт/м К
0,24-0,3
0,17-0,23
0,46-0,58
0,23-0,34
0,5-0,7
0,7
0,17-0,19
2. Вычисляется коэффициент распространения теплового потока
(3.3.23)
где ах и а2 — коэффициенты теплообмена с 1-й и 2-й стороной ПП (при естественном
теплообмене ах + а2 = 17 Вт/(м2 • К));
h — толщина ПП.
3. Под считываете я эквивалентный радиус корпуса ЭРИ:
(3.3.24)
где Sq9 — площадь основания ЭРИ.
4. Оценивается перегрев поверхности корпуса наиболее уязвимого ЭРИ:
(3.3.25)

196
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 3.3.7. Зависимость коэффициента теплоотдачи ka от площади
поверхности корпуса ЭРИ
Рис. 3.3.8. Модифицированные функции Бесселя второго рода
где В иМ — условные величины, учитывающие способ установки элементов (при од-
ностороннем монтаже В = 8,5яД2, М = 2, при двухстороннем В = О, М = 1);
Г1Д4, 1<SR
**~ ii qj? —эмпирический коэффициент, выбираемый в зависимости от
L * ~ расстояния / между центром корпуса ЭРИ и торцами ПП;
N — число корпусов ЭРИ, расположенных вокруг корпуса рассчитываемого эле-
мента на расстоянии rt не более, чем 10/т;
кщ — коэффициент теплоотдачи от корпуса i-то ЭРИ, определяемый по графику
рис. 3.3.7;
KjimR^nKjimrt), ; = 0Д —модифицированные функции Бесселя второго рода
(функции Макдональда) (рис. 3.3.8);

Глава 3.3. Поверочные расчеты
197
QsPHi — мощность, рассеиваемая i-м ЭРИ;
^эри^ — площадь поверхности i-ro ЭРИ;
53f — зазор между i-м ЭРИ и ПП;
Х3. — коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.
5. Определяется температура поверхности корпуса ЭРИ:
где 10 — среднеобъемная температура окружающего рассматриваемый ЭРИ пространства.
В качестве примера рассмотрим анализ теплового режима ЭМ1, в состав которого
входит печатная плата, выполненная из стеклотекстолита толщиной h = 2,0 • 10~3 м,
с односторонним размещением ЭРИ. Коэффициент теплопроводности материала
основания ПП ХП = 0,25 Вт/м • К. ЭМ1 эксплуатируется в условиях УХЛ 3.1 по ГОСТ
15150-69, при которых верхнее предельное значение рабочей температуры tQ может
достигать 45 °С.
Изучение КД на ЭМ1 показало, что в центре ПП находится микросхема DD7, для
которой тепловой режим является наихудшим из-за влияния рядом расположенных
ЭРИ, поэтому наиболее целесообразно выполнить тепловой расчет именно для этого,
наиболее уязвимого, элемента конструкции.
Эквивалентный коэффициент теплопроводности ПП с рассматриваемой ИМС при
отсутствии теплопроводящих шин определим по формуле (3.3.21):
Необходимо отметить, что при наличии в конструкции ПП специальных шин, вы-
полненных из материала с высокой теплопроводностью и предназначенных для отвода
тепла от размещенных элементов расчет эквивалентного коэффициента теплопрово-
дности следует проводить в соответствии с (3.3.22).
Коэффициент распространения теплового потока при естественном теплообмене,
согласно (3.3.23), составит
Наибольшее влияние на рассматриваемую ИМС будут оказывать ЭРИ, расположен-
ные вокруг ее корпуса на расстоянии, не большем, чем rt = 10/т « 0,05 м. Таких эле-
ментов оказалось два — микросхемы DD8 и DD9, причем DD8 находится на расстоя-
нии г = 0,002 м, a DD9 — на расстоянии г = 0,004 м от микросхемы DD7.
Используя справочную информацию по данным элементам, например, [16, 17, 21,
22], а также ГОСТ 18472-88, ГОСТ 17467-88, ГОСТ 29137-91, определяем площади
оснований и площади поверхностей для данных ЭРИ:
•для ИМС DD7 в корпусе 2103.16-6 с размерами 19,5x7,5x5 мм S0 =
= 146,25 10"6 м2, а 5ЭРИ =562,5 10"6 м2; ЭРИ
• дляИМСБВ8вкорпусе4105.14-15сразмерами6,7х 10 х 1,97мм50эри =67 10"6 м2
, а 5ЭРИ = 199,8 10~6 м2;
•для ИМС DD9 в корпусе 4112.16-32 с размерами 9,3 х 11,5 х 2,5 мм S0 =
= 106,95 10~6 м2, а5эри =317,9 10"6 м2.

198
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Тогда по (3.3.24) эквивалентный радиус корпуса данных ЭРИ составит:
Для ИМС DD8:
Для ИМС DD9:
Значения рассеиваемых мощностей <Ээри У всех микросхем приблизительно одина-
ково .и по справочным данным составляет около 0,005 Вт.
По графику, представленному на рис. 3.3.7 определяем значение коэффициента те-
плоотдачи:
• для ИМС DD7 ka * 30 Вт/м2 • К;
• для ИМС DD8 ka * 40 Вт/м2 • К;
• для ИМС DD9 ka * 35 Вт/м2 • К.
Численные значения функций Макдональда устанавливаем с помощью графика на
рис. 3.3.8.
Для ИМС DD7:
Воздушный зазор 83 между рассматриваемыми микросхемами и ПП одинаковый
и составляет 0,001 м, а коэффициент теплопроводности заполняющего зазоры сухого
воздуха Х3 при температуре +20 °С принимается равным 0,025 Вт/м • К. Для нашего
примера будем считать, что центр корпуса каждой из рассматриваемых ИМС отстоит
от торцов ПП на расстоянии более, чем ЗД, поэтому значение эмпирического коэффи-
циента k примем равным 1.
Для снижения громоздкости записи и адаптации к условиям рассматриваемого
примера трансформируем формулу (3.3.25) к виду
где A*dd7> A*dd8> A*dd9 ~ перегревы отдельно взятых микросхем DD7-DD9 относи-
тельно среднеобъёмной температуры окружающего их про-
странства, °С.

Глава 3.3. Поверочные расчеты
199
Тогда, используя известные значения величин, для ИМС DD7 получим:
Следовательно, суммарный перегрев поверхности корпуса наиболее теплонагру-
женной ИМС DD7 составит
Подставляя рассчитанное значение ATDD7 в (3.3.26), определим искомую темпера-
туру корпуса данной микросхемы:
Согласно техническим характеристикам данной микросхемы верхнее допустимое
значение ее рабочей температуры не должно превышать 70 °С, поэтому введения до-
полнительной системы охлаждения не требуется.
Для ИМС DD9:
Для ИМС DD8:

200
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Вопросы для контроля
1. В каких целях выполняют поверочные расчеты?
2. Что понимают под вибростойкостью и виброустойчивостью конструкции ЭС?
3. Из каких основных этапов состоит расчет конструкции на устойчивость к воздей-
ствию вибрации? ""
4. Как определяют основную резонансную частоту колебаний печатной платы?
5. Каким образом особенности закрепления ПП влияют на значение собственной
частоты колебаний?
6. Как рассчитывают виброускорение и виброперемещение ЭРИ?
7. Как определяют максимальный прогиб в центре ПП?
8. Как оценивают устойчивость выводов ЭРИ к воздействию вибрации?
9. По каким критериям осуществляют проверку выполнения условий вибропроч-
ности и виброустойчивости?
10. Что представляет собой ударопрочность и ударостойкость конструкции ЭС?
11. Какие основные формы ударных импульсов рассматриваются при анализе кон-
струкции к ударным воздействиям?
12. Какие основные этапы включает в себя расчет конструкции на устойчивость к
воздействию ударов?
13. Как определяют максимальное относительное перемещение ПП?
14. Как оценить перегрузку, возникающую при падении блока ЭС?
15. По каким критериям проверяют выполнение условий устойчивости конструкции
к ударным воздействиям?
16. В каких целях проводят анализ теплового режима электронного модуля?
17. В какой последовательности выполняют расчет температуры поверхности кор-
пуса ЭРИ?
18. Какие ЭРИ считаются наиболее уязвимыми с точки зрения воздействия на них
неблагоприятных тепловых режимов?
19. Как оценить перегрев поверхности корпуса наиболее уязвимого ЭРИ?
20. По каким критериям производят оценку теплового режима конструкции элек-
тронного модуля?

Часть IV
ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ ВТОРОГО
И ТРЕТЬЕГО УРОВНЕЙ
Глава 4.1
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО УРОВНЕЙ
4.1.1. Общие сведения о несущих конструкциях
Несущей конструкцией (НК) принято называть элемент конструкции или совокуп-
ность элементов, предназначенные для размещения составных частей электронных
средств (ЭС) и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуа-
тации [39]. НК является одной из основных частей электронного блока, определяющей
не только его форму и механические характеристики, но и такие важнейшие показа-
тели качества ЭС, как надежность, ремонтопригодность, технологичность, удобство
эксплуатации. Для блока несущая конструкция, образно говоря, является его «скеле-
том» [40]. В процессе создания электронного блока работа над несущей конструкцией
следует непосредственно за этапом его компонования [40] и предшествует разработке
лицевой панели сборочного и электромонтажного чертежей, оценке качественных ха-
рактеристик.
Исходным пунктом для разработки НК является компоновочная схема блока, по-
лучаемая предварительно в процессе компонования. Вместе с компоновочной схемой
студенту надо иметь (или получить) принципиальную схему блока и техническое за-
дание, определяющее условия его эксплуатации.
Электронный блок — конструкция второго уровня — представляет собой радиоэ-
лектронное средство или его часть, имеющее определенную функциональную, схем-
ную и конструктивную завершенность, свое четкое назначение и состав выполняемых
задач, органов управления и информации и, как правило, свою лицевую панель. Блок

202
Конструирование узлов и устройств электронных средств
должен иметь свою принципиальную электрическую схему с обозначением (номером),
соответствующим его сборочному чертежу. Конструкция блока — пространственно-
ограниченная, защищающая составные части блока от внешних воздействий.
По исполнению блок может быть рассчитан на автономное использование. Тогда у
него имеются кожух, футляр, крышки, приспособление для переноски. Для обозначе-
ния такой конструкции используется термин «моноблок». Исполнение также может
быть носимое (в руках, сумках, ранцах), настольное и напольное (в том числе и в под-
вижных средствах). В других случаях блок заранее рассчитывается на использование в
составе конструкции следующего (высшего) уровня. Он может входить в стойку (шкаф)
и быть вдвижным, «врубным» (рис. 4.1.1), откидным (рис. 4.1.2), может крепиться на
какой-то общей раме с другими блоками, может входить в общий контейнер.
При разработке НК исполнение блока и внешние воздействия должны быть задан-
ными. При вхождении блока в шкаф, стойку, контейнер задаются также установоч-
ные размеры посадочного гнезда.
Все крупные пространственно-ограниченные составные части блока будем назы-
вать конструктивами. В качестве конструктивов могут выступать: модули (конструк-
ции первого уровня), печатные узлы (конструкции нулевого уровня), а также крупные
ЭРИ (например, трансформаторы, конденсаторы, вариометры, электронно-лучевые
трубки, полупроводниковые изделия с радиаторами, электронные лампы со своими
панелями), различные механизмы. Специфическим конструктивом можно считать ли-
цевую панель. Ее минимально необходимые габариты будут обуславливаться суммар-
ной площадью, необходимой для удобного размещения всех выносимых на нее элемен-
тов схемы. Глубина такого конструктива определяется по наибольшему его элементу,
например, переключателю, кнопке и т. п.
Рис. 4.1.1. Пример «врубного» блока Рис. 4.1.2. Пример «откидного» блока
(т.е. врубающегося своими ловителями (открывающегося в шкафу, стойке
и соединителями в соответствующие на шарнирах)
гнезда шкафа, стойки)
Все конструктивы имеют свои габариты, массу, определенный способ крепления и
подсоединения к схеме. При проектировании НК эти сведения, как и перечень кон-
структивов, считаются заданными.
Конструктивы блока имеют между собой не только механические, но и электриче-
ские (электромагнитные) связи, как функциональные, так и паразитные (вредные, ме-
шающие). В результате процесса компонования находится так называемое наилучшее
(или предпочтительное) взаимное размещение конструктивов, т. е. компоновочная
схема, максимизирующая функциональные связи и минимизирующая паразитные.
Примерный вид компоновочной схемы приведен на рис. 4.1.3. Здесь конструктивы

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней , 203
изображаются в изометрии параллелепипедами по своим габаритам в масштабе пока
еще без учета конкретного способа крепления друг относительно друга.
Несущая конструкция (НК) обеспечивает возможность жесткого закрепления кон-
структивов друг относительно друга согласно заданной компоновочной схеме, т. е.
реализует идеи, заложенные при компоновке блока. Компоновочная схема при разра-
ботке НК является заданной.
Рис. 4.1.3. Компоновочная схема видеокамеры: а 1 — видеоматрица; а 2 — блок
формирования сигналов; а 3 — предварительный усилитель; а 4 — узел
автоматической регулировки режимов видеоматрицы; а 5 — усилитель-
формирователь; а 6 — генератор 1; а 7 — генератор 2; а 8 — источник пита-
ния; а 9 — батарея
Одновременно НК должна обеспечить защиту конструктивов блока от внешних воз-
действий'(в основном, механических), а также обеспечить раскрываемость всей кон-
струкции в целях ремонтопригодности, т. е. свободный доступ для осмотра и ремонта
к любому конструктиву, креплениям, к пайкам любого разъема. НК должна созда-
ваться с ориентацией на наименьший вес, простоту, технологичность, оптимальную
жесткость и оптимальные запасы прочности.
НК в электронном блоке выполняет также еще одну весьма специфическую роль,
а именно, «общей массы», т.е. заземления. Это предопределяет в качестве матери-
ала для НК хорошо проводящий металл или же применение металлизирующих по-
крытий для НК из изоляционных материалов. Разнообразие типов НК показано на
рис. 4.1.4 [39].
4.1.2. Разновидности несущих конструкций
Все разнообразие НК целесообразно подразделять с двух точек зрения. Они, с одной
стороны, различаются отношением конструкции к месту и способу установки блока.
Можно выделить, исходя из этого, НК моноблоков, т. е. изделий, применяемых от-
дельно и выполняемых, как уже было ранее отмечено, в переносном, настольном и на-
польном исполнениях с креплением к месту установки или без него. Такие НК пред-
усматривают всегда индивидуальную защиту блока от внешней среды крышками,
съемными панелями, амортизаторами и т. п. Это во многом определяет их конструк-
тивные особенности. Свои характерные особенности имеют и НК блоков для стоек и
шкафов (ловители, приспособления сопряжения разъемов, поворотные кронштейны,
направляющие и т. п.).

204
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Несущие конструкции ЭС
Каркасные
Панельные
Жесткие
неразборные
Жесткие
сборные
Бесаркасные
Панельные с шасси
Раскрыва-
ющиеся
Нераскрыва-
ющиеся
Коробчатые
Шасси —
лицевая панель
Шасси — лицевая
панель — стенки
Рис. 4.1.4. Разновидности несущих конструкций ЭС
С другой стороны, НК характеризуются способом образования пространственно-
ограниченного рабочего объема блока или способом взаимного расположения своих
деталей. С этой точки зрения можно выделить несколько наиболее употребительных
типов НК: 1) каркасный; 2) панельный; 3) коробчатый; 4) типа «шасси-панель»; 5) бес-
каркасный.
Каждый из них имеет свою преимущественную сферу применения и соответству-
ющую конструкции преимущественную технологию изготовления и сборки. Дадим
краткую характеристику каждому типу.
1. Каркасная НК. Преимущественная область применения — блоки для шкафов и
стоек врубные, вдвижные, иногда откидные. Основа такой конструкции — жесткий
каркас (рис. 4.1.5), крепящийся к лицевой панели. Элементарная защита конструк-
тивов от внешних воздействий образуется ребрами каркаса. Способы выполнения раз-
личны. Иногда это цельнолитая конструкция из алюминиевых сплавов с последую-
щей фрезерной обработкой (применяется для тяжелых блоков мощных устройств с
массой 10...20 кг). Иногда — для менее массивных блоков — это каркас из стальных
или алюминиевых профилей на сварке, заклепках или винтах. Для облегчения в каче-
стве образующих каркаса применяют нередко и гнутые из листового материала уголки
с узкими полками. Иногда каркас выполняют из штампованных или литых (прессо-
ванных) деталей. Особенно это характерно для блоков, укомплектованных полностью
модулями (ячейками на печатных платах).
Рамочные
Комбинация
панелей
Из >
штамповочных
деталей >
Из
фасонного
профиля
Сварные
Литые

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 205
Способы «наполнения» такого неразъемного каркаса могут быть самыми разно-
образными. Важно только, чтобы в любом случае они обеспечивали свободный доступ
к конструктивам и элементам блока, к тяжелым несъемным конструктивам за счет
свободного пространства около них, для печатных узлов и плат — применение спосо-
бов «плотной упаковки» с оперативным выемом их для ремонта и осмотра. Тяжелые
элементы можно крепить на вставных или приварных полках (кронштейнах), лапах.
Кое-какие тяжелые элементы могут быть вдвижными по направляющим.
Рис. 4.1.5. Каркасная НК Рис. 4.1.6. Каркас с направляющими
планками для печатных узлов
Каркасы блоков, где преобладающим типом конструктивов являются печатные
узлы, ориентируются на применение панелей с направляющими планками для печат-
ных узлов (рис. 4.1.6) или же на устройство поворотных кронштейнов с рамками для
ПП (рис. 4.1.7). Первый из этих способов проще и дешевле, но требует для ремонтов
и проверок переходных кабелей или плат. Так называемая «книжная конструкция»
(рис. 4.1.8) поворота печатных узлов отличается лишь устройством сложного многосту-
пенчатого поворотного устройства. Другими вариантами «плотной упаковки» ПП для
размещения в каркасе являются «веерная» (рис. 4.1.9) и «раскладная» (рис. 4.1.10)
конструкции.
Надо отметить, что показанные на рис. 4.1.8-4.1.10 кронштейны и рамки кон-
структивно достаточно сложны, изготавливаются преимущественно литьем под давле-
нием (прессованием) и целесообразны только в крупносерийном производстве.
Рис. 4.1.7. Крепление печатных узлов (модулей) Рис. 4.1.8. «Книжная» НК
на поворотных шарнирах: 1 — модуль; 2 — за-
дняя панель; 3 — двойной шарнир; 4 — корпус;
5 — ручка

206
Конструирование узлов и устройств электронных средств
2. Панельная НК. Представляет собой чаще всего сборку из литых или штампован-
ных панелей-плоскостей, на которые опираются печатные узлы и другие конструк-
тивы блока. Не исключается в отдельных случаях не сборка, а сочетание панелей, гну-
тых из общего листа или сваренных. При конструировании сборных каркасов следует
обращать внимание на достаточность в креплении панелей площадей прилегающих
друг к другу мест для обеспечения элементарной жесткости.
Рис. 4.1.9. «Веерная» НК Рис. 4.1.10. «Раскладная» НК
При весьма плотном заполнении объема блока конструкции выполняются раскры-
вающимися, например, как показано на рис. 4.1.11. Менее заполненные блоки допу-
скают открытые нераскрывающиеся НК, жесткость которых обеспечивается угловыми
косынками или стяжными стержнями (рис. 4.1.12). Не исключается также примене-
ние боковых стенок и рамок (рис. 4.1.13).
Литье применяется, в основном, тонкостенное из легких алюминиевых сплавов с
большим числом облегчающих отверстий и ребрами жесткости. При мелкосерийном
или опытном производстве панели изготавливаются из листовых материалов слесар-
ным путем. НК панельного типа применяются для моноблоков, в частности, для из-
мерительной аппаратуры.
3. Коробчатая НК представляет собой подобие «чемодана» или «кейса-дипломата»,
внутри которого располагаются конструктивы блока (рис. 4.1.14). Форма такой «ко-
робки» может быть, конечно, усложнена. Возможно широкое варьирование применяе-
мых материалов (листовые стали и листовые алюминиевые сплавы, литьевые сплавы,
пластмассы), а также способов изготовления; штамповка, прессование, слесарное из-
готовление. Преимущественная область применения — переносная аппаратура малых
и средних габаритов.
Рис. 4.1.11. Раскрывающаяся НК Рис. 4.1.12. НК со стяжными
стержнями

Глава 4 J. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 207
Рис. 4.1.13. Рамочная НК
4. НК типа «шасси-панель* отличается наличием в составе деталей так называе-
мого шасси, представляющего собой коробок без дна. Внутренность такого коробка —
«подвала шасси» — используется для объемного монтажа деталей, крепления, выхода
выводов конструктивов и их разъемов. Жесткое сопряжение шасси с лицевой панелью
достигается с помощью косынок (рис. 4.1.15); могут применяться и боковые стенки.
Глубина шасси, а также его расположение относительно панели могут варьироваться в
зависимости от требований компоновки.
Рис. 4.1.14. Пример коробчатой НК
Рис. 4.1.15. НК комбинированного типа
«шасси-панель»: 1 — шасси; 2 — панель
лицевая; 3 — косынки
При малом числе выводных разъемов местом их установки, а также и ловителей,
является задний торец шасси. При большом числе выводов можно ввести заднюю
стенку. Для крепления системы печатных узлов применяют направляющие стойки.
Конструкция удобна как для установки крупных конструктивов неодинаковых габа-
ритов, так и для размещения модулей, вынимающихся вверх или со стороны лицевой
панели (рис. 4.1.16). Область применения — некрупные врубные конструкции, моно-
блоки приборной аппаратуры. НК с шасси пригодна как для серийного, так и для ин-
дивидуального производства.
5. Бескаркасные НК ориентированы на соединение друг с другом конструктивно
законченных модулей (т.е. несущая конструкция у них, как таковая, отсутствует).
Модули стягиваются общими винтами или защелками, закрываются общим кожухом.

208
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Модули должны быть так подогнаны друг к другу, чтобы получилась жесткая единая
конструкция (рис. 4.1.17). Область применения — измерительная бытовая аппаратура.
Бескаркасные комбинации печатных узлов могут быть также использованы в рамках
какой-либо панельной конструкции. Лицевая панель как конструктив здесь, как пра-
вило, отсутствует. Она входит либо в состав одного из конструктивов, либо заменя-
ется «фалып-панелью», т. е. планкой с надписями, поясняющими названия органов
управления, закрепленных в разных конструктивах, но при сборке оказывающихся в
одной передней плоскости. Тип кассетной конструкции (КК) по месту установки блока
задается, тип НК по способу образования объема выбирается.
Рис. 4.1.16 НК с выемными модулями Рис. 4.1.17. Бескаркасная конструкция
6. Унифицированные НК. В ряде отраслей отечественной промышленности в целях
улучшения отраслевой организации производства, его специализации, сокращения
сроков проектирования ЭС и освоения их в серийном производстве предложены так на-
зываемые унифицированные несущие конструкции (УНК). Они же называются базо-
выми (БНК), если на базе типового решения изготавливается целый типоразмерный
ряд разновидностей. В рамках отрасли организуется централизованное изготовление
и поставка заготовок. В качестве унифицированной обычно выбирают хорошо проду-
манную, высокотехнологичную и экономичную конструкцию, например, показанную
на рис. 4.1.18.
Рис. 4.1.18. Пример унифицированной (базовой) НК

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 209
Каждая отрасль имеет свою систему УНК (БНК). Материал по УНК, а также прин-
ципы составления типоразмерных рядов даются в лекционном курсе на примере одной
из отраслей. В учебном практикуме БНК находят ограниченное применение, так как
ограничивают творческую инициативу конструктора (студента), развитие которой и
является основной задачей учебного процесса. В рабочем проектировании на произ-
водстве применение БНК сложностей не вызывает и регламентируется отраслевыми
или государственными стандартами.
4.1.3. Материалы для изготовления несущих конструкций
Как уже отмечалось выше, выбранный тип НК предопределяет вид материала и ха-
рактер его технологической обработки [39, 41].
Для литья под давлением используются: магниевые сплавы МЛЗ, МЛ5, МЛ6,
МА1, МАЗ, МА5; латуни — ЛС59-1Л, ЛН80-ЗЛ; алюминиевые сплавы — АЛ2, АЛ4,
АЛ9, АЛ11, АЛ28, АЛ32. У этих материалов толщина стенок может быть доведена
до 0,5 мм.
Для штамповки пригодны: сталь 08КП; титановые сплавы ВТ4 и ВТ5; алюминие-
вые сплавы АМг и АМц.
Шероховатость обрабатываемых поверхностей при этом Rz = 3,2... 1,6 мкм, точность
по квалитетам 6-9.
Для обработки на универсальном металлорежущем оборудовании при индивиду-
альном и мелкосерийном производстве используются: алюминиевый сплав Д16, тита-
новый сплав ВТ4.
В крупносерийном производстве находят применение для прессования металличе-
ские порошки и пластмассы, например, пресс-порошок АГ-4 или ударопрочный поли-
стирол. Пластмассовые детали могут металлизироваться путем химического осаждения,
вакуумного или горячего распыления. Свойства наиболее часто применяемых конструк-
ционных материалов приведены в следующих таблицах (табл. 4.1.1 и 4.1.2) [39, 41].
Таблица 4.1.1
Показатели прочности и жесткости конструкционных материалов
Материалы
Сталь углеродистая
Сталь легированная
Сталь сверхпрочная
| Сплавы титана
Бронзы конструкци-
онные
| Латуни
Сплавы алюминие-
вые литейные
Деформируемые
Сплавы магниевые
литейные
Удель-
ная
плот-
ность,
г/см3
7,85
-
-
4,5
8,8
8,65
2,8
-
1,8
Предел
прочности,
МПа
340... 1780
1000... 1760
2000 ... 3500
700 ... 1800
300 ... 700
240 ... 500
180 ... 300
400 ... 700
150... 200
Модуль
упруго-
сти, ЕЮ2,
МПа
203
-
-
113
110
106
72
-
45
Модуль
сдвига,
МПа
80
-
-
42
42
-
25
-
18
Удель-
Ноя экест—
кость,
м/с2
25,8
-
-
25,1
12,5
12,3
25,8
-
25,0
Удель-
ная проч-
ность,
м/с2
10
23
45
40
8
58
110
250
110
Фактор
жестко-
сти
4,2
1,4
0,65
0,8
23
6
3,6
-
2,5

210
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 4.1.1
Материалы
Деформируемые
Текстолит
Стеклотекстолит
Ситаллы
Пресс-порошок АГ-4
Полистирол ударо-
прочный
Удель-
ная
плот-
ность,
г/см3
-
1,6
1,8
3,0
1,8.
1,1
Предел
прочности,
МПа
100 ... 350
10
250
500 ... 800
50
3,5
Модуль
упруго-
сти, ЕЮ2,
МПа
-
12
21
150
35
2,6
Модуль
сдвига,
МПа
-
2,2
1,5
■-
-
-
Удель- Удель-
ная жест-гаая проч-
кость, ность,
м/с2 м/с2
-
75,0
14,0
50,0
19,5
2,4
200
6
14
260
28
3
Фактор
жестко-
сти
-
-
2,0
-
-
-
Таблица 4.1.2
Характеристики блоков различных сечений (значение относительно осей)
Вид блока
Эскиз
Соотношение
в сечении
Отноше-
ние В/Н
Значение G относительно
осей
*i-*i
#2"""*2
у-у
Блок с кожу-
хом
А = Я/3
1:1
1:1,5
1:2
0,773
0,557
0,482
0,52
0,385
0,324
Л = Я/4
1:1
1:1,5
1:2
0,712
0,512
0,44
0,512
0,375
0,31
ft = В/5
1:1
1:1,5
1:2
0,674
0,52
0,462
0,408
0,312
0,266
ft = В/4
1:1
1:1,5
1:2
0,681
0,522
0,464
0,414
0,315
0,268
0,688
0,736
0,77
0,684
0,72
0,75
0,82
0,924
1,005
0,844
0,94
1,025
Блок с кар-
касом
ft = Я/10
1:1
1:1,5
1:2
0,554
0,421
0,368
0,357
0,273
0,232
ft = Я/8
1:1
1:1,5
1:2
0,578
0,433
0,390
0,370
0,279
0,242
0,48
0,357
0,554
0,631
0,691
0,575
0,652
0,726
0,48

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 211
Окончание табл. 4.1.2
Вид блока
Эскиз
Соотношение
в сечении
Отноше-
ние В/Н
Значение G относительно
осей
*i-*i
х2-х2
у-у
Блок
с крышками
Л = Я/3
Лх = В/10
1:1
1:1,5
1:2
0,750
0,560
0,458
0,493
0,357
0,291
0,677
0,704
0,737
Л = Я/4
ht = B/10
1:1
1:1,5
1:2
0,702
0,526
0,431
0,490
0,355
0,287
0,673
0,699
0,728
А = Я/3
Лх = Б/10
1:1
1:1,5
1:2
0,865
0,602
0,522
0,448
0,338
0,265
0,680
0,717
0,745
Л = Я/4
hi = В/10
1:1
1:1,5
1:2
0,833
0,584
0,502
0,440
0,317
0,254
0,677
0,710
0,735
Примечание: 1 — кожух; 2 — каркас; 3 — крышка П-образной формы; 4 — плоская
крышка; 5 — винты; 6* — шасси. Оси *i-#i и у-у проходят через середину блока, т. е.
на расстоянии Я/2, В/2 соответственно'.
Характеристики материалов: р — удельная плотность; GB — предел прочности;
G0>2 — предел текучести; Е — модуль упругости; G — модуль сдвига; удельная жест-
кость, удельная прочность и фактор жесткости должны быть известны студенту из
курсов физики, прикладной механики.
При статическом нагружении в качестве критерия прочности для случая, когда
остаточные деформации достаточно малы и не нарушают работу детали, чаще всего
применяют условный критерий текучести. Современная практика конструирования
отходит от оценки прочности по величине разрушающего напряжения GB, ибо задолго
до разрушения деталь выходит из строя в результате значительных пластических де-
формаций. Предел G0,2 непропорционален GB и для различных материалов составляет
(0,5...0,9) GB. Детали, подвергающиеся длительной знакопеременной нагрузке, раз-
рушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности GB при стати-
ческом нагружении. Если изделие установлено на вибрирующем основании (самолет,
автомобильное, морское, железнодорожное транспортные средства и т. п.), то детали
подвергаются повторно-переменным (циклическим) нагрузкам с большей или мень-
шей частотой и амплитудой. Число циклов напряжений, которое материал выдержи-
вает до разрушения, зависит от максимального напряжения и интервала между край-
ними значениями напряжений цикла. По мере уменьшения величины напряжений
число циклов, вызывающих разрушение, увеличивается и становится неограниченно
большим при некотором достаточно малом напряжении. Это напряжение, называемое
пределом выносливости, полагают в основу прочностного расчета деталей, подвержен-
ных циклическим нагрузкам. Наиболее распространен способ определения предела
выносливости (усталости) при симметричном цикле, который обозначается G_x. Пре-
дел выносливости не является постоянной, присущей данному материалу характери-
стикой и подвержен гораздо большим колебаниям, чем механические характеристики
в статическом нагружении, так как его величина зависит от условий нагружения, типа

212
Конструирование узлов и устройств электронных средств
цикла, методики испытания, формы и размеров образца, технологии его изготовле-
ния, состояния поверхности и других факторов. Между характеристиками усталости
и статической прочности нет строгой зависимости, но для большинства предваритель-
ных расчетов можно использовать соотношения, приведенные в табл. 4.1.3.
Таблица 4.1.3
Значения G_x / GB для различных материалов и характеров нагружения
Материал детали
Сталь
Алюминиевые сплавы
Род напряжения
Растяжение
Сжатие
Изгиб
Кручение
Изгиб
Значения
G-!/GB
0,28
0,4
(0,24...0,5)
Для особо точных расчетов необходимо пользоваться справочными данными, при-
водимыми в специальной литературе.
Прочность оценивается коэффициентом запаса надежности, который представляет
собой отношение предельных напряжений к напряжению, возникающему в сечении
детали при эксплуатации:
где Gnpefl — предельные нормальные напряжения при расчете деталей на проч-
ность, МПа;
G — расчетные нормальные напряжения в сечениях детали или напряжения, ко-
торые могут быть в условиях эксплуатации, МПа.
При предварительном расчете в качестве характеристики прочности используется
также представление о допустимых напряжениях.
Допустимым напряжением называется такое безопасное напряжение, которое де-
таль может выдержать в течение заданного срока эксплуатации. В зависимости от
характера материала и характера цикла за допустимые напряжения принимают на-
пряжения, соответствующие условному пределу текучести G0t2 или G_x. Необходимо
стремиться к полному и точному выяснению фактических напряжений, действующих
в детали. В помощь аналитическому методу привлекают экспериментальные методы.
По мере совершенствования и уточнения расчетных методов число неизвестных фак-
торов уменьшается, а число определяющих увеличивается. Обязательным является
уточнение расчетных режимов на основе тщательного изучения возможных в эксплуа-
тации случаев перегрузок и методов их устранения.
Жесткость — это способность системы сопротивляться действию внешних нагру-
зок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности [39]. Величина
допустимой деформации деталей в изделиях зависит от взаимодействий их с другими
деталями, от назначения и других параметров. В процессе разработки НК стремятся
иметь минимальные деформации большинства деталей. Жесткость оценивается ко-
эффициентом жесткости А,, который представляет отношение силы Р, приложенной к
детали, к максимальной деформации AZ, вызываемой этой силой. Величина коэффици-
ента жесткости зависит от вида нагружения, размеров детали и параметров материала.
Коэффициент жесткости определяется по формулам табл. 4.1.4 [39].

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 213
Таблица 4.1.4
Коэффициенты жесткости
Вид нагружения
коэффициент жест-
кости, X
Растяжение, сжатие
Р EF
М~ 1
Изгиб
Р EJ
Кручение
MKp_GJp
Ф 1
Примечание: Е и G — модуль упругости и модуль сдвига соответственно, МПа; J — момент инерции сечения
детали, мм4; Jp — полярный момент инерции, мм4; / — длина балки, мм; у — угол закручивания, ряд; а — коэффици-
ент, зависящий от условий нагружения при изгибе; F — площадь сечения детали, мм2.
Модуль упругости Е и модуль сдвига G являются устойчивыми характеристиками
материала; они зависят от плотности кристаллической решетки, т. е. от величины
межатомного расстояния. Значения коэффициента жесткости для нескольких слу-
чаев, нагружения изгибом приведены в табл. 4.1.5. За единицу принято А,изг, соответ-
ствующее изгибу двухопорного бруса, нагруженного сосредоточенной силой Р в сере-
дине пролета.
Из анализа табл. 4.1.5 [41] видно, что на жесткость системы при изгибе сильно вли-
яет длина балки, тип и расположение опор. Например, жесткость консольной балки
составляет только 0,063 жесткости балки со свободно опертыми концами, жесткость
балки с защемленными концами в четыре раза выше, чем со свободно опертыми.
Таблица 4.1.5
Значения коэффициента жесткости при различных характерах нагружениях (А,)
Жесткость конструкции согласно табл. 4.1.4 определяют следующие факторы:
• модуль упругости материала Е и модуль сдвига G;
• геометрические характеристики сечения деформируемого тела (сечение Fy мо-
мент инерции J при изгибе, полярный момент инерции Jp при кручении);
• линейные размеры деформируемого тела I;
• вид нагрузки и тип опор (коэффициент а).
В процессе конструирования необходимо помнить об этих факторах и стремиться к
рациональному применению того или иного материала, формы и размеров деталей.
Масса НК имеет наибольшее значение в носимой, портативной и бортовой ЭС (само-
летной, ракетной и космической), где каждый лишний килограмм уменьшает полез-
ную грузоподъемность, скорость, дальность действия, тактические возможности. Но
в других областях использования ЭС уменьшение массы означает снижение расхода
материала и стоимости изготовления.
Наибольшие возможности экономии материала (особенно металлов) заложены в
снижение массы изделий массового выпуска, бытовых приемников, радиол и других
Характер нагружения
Величина коэффици-
ента а
Коэффициент жестко-
сти X
3
0,063
48
1
192
4

214
Конструирование узлов и устройств электронных средств
изделии, но и уменьшение массы изделии единичного и мелкосерийного выпуска
также дает большие выгоды.
Выбирая материал, надо также учитывать массу будущего изделия одновременно с
его прочностью. Если по условиям эксплуатации деталь, работающую на растяжение
или сжатие, можно выполнить из двух различных по плотности материалов, то окон-
чательное решение принимают, сравнивая их массы:
Следовательно, при одинаковой силе Р и длине двух деталей та из них будет иметь
меньшую массу, материал которой будет иметь величину G/p наибольшей. Величина
G0,2/P называется удельной прочностью и должна учитываться при выборе материала,
когда заданы жесткие ограничения по массе. Для случая изгиба и кручения крите-
рием их является отношение G2/8/p. Ввиду того, что оценка эта является приближен-
ной, обычно для всех видов нагружения пользуются более простым по структуре кри-
терием, соответствующим случаю напряжения сжатия.
Важное значение для нормального функционирования ЭС, особенно если оно рабо-
тает в условиях вибрационных воздействий, имеет также жесткость НК. Сравним по
жесткости две детали, имеющие одинаковую массу и длину:
Следовательно,
Величина E/G0y2 носит название фактора жесткости материала. Из вышеизложен-
ного следуют практические рекомендации.
Алюминиевые деформируемые сплавы по удельной прочности близки к легирован-
ным стальным сплавам. Детали, выполненные литьем из алюминиевых и магниевых
сплавов, имеющих массу, равную массе деталей из углеродистых сплавов, равны им и
по прочности.
Отношение Е/р носит название удельной жесткости. Если будем сравнивать две де-
тали равной прочности и равной длины, то
где F — площадь сечения, мм2;
р — плотность материала, кг/мм2;
I — длина детали, мм;
Р — сила, действующая на деталь в эксплуатации, Н;
G — нормальное напряжение в сечении, МПа; тогда

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 215
Конструкционные бронзы и латуни имеют низкие критерии удельной прочности,
их использовать нужно очень ограниченно. Из неметаллических материалов наивыс-
шую удельную прочность имеют ситаллы. По критерию удельной жесткости стали и
алюминиевые сплавы равны. Сплавы титана и магния уступают им на 5 %.
Выбирая материал, учитывают также его стоимость. Задачей конструктора явля-
ется, создание таких изделий, которые могут быть изготовлены из недорогих и неде-
фицитных материалов, но в то же время соответствуют всем требованиям условий экс-
плуатации и обеспечивают заданную долговечность. Конструктору в процессе своей
работы приходится находить оптимальное решение: выбирать высококачественный
материал с высокой стоимостью или брать более дешевый и различными способами
придавать детали недостающие свойства (прочность, жесткость, коррозионную стой-
кость и др.).
Жесткость деталей повышают введением дополнительных механических опера-
ций, таких как придание детали швеллерной или уголковой формы, отбортовка краев
детали или отверстий, введение ребер жесткости и т. д.
Повышение коррозионной стойкости достигается выбором защитных и защитно-
декоративных покрытий, которые придают деталям хороший внешний вид. Специ-
альные покрытия могут повысить электропроводность детали, придать ей способность
к пайке и т. д. В ряде случаев целесообразно заменять металлические детали пласт-
массовыми. Пластмассовые детали не требуют антикоррозионных покрытий, имеют
меньшую удельную плотность; изготовление их менее трудоемко. Окончательный вы-
бор необходимых материалов проводится на основе официальных документов — стан-
дартов, в том числе межведомственных, отраслевых и государственных.
4.1.4. Требования к несущим конструкциям и их оценки
Проектируя несущие конструкции, не следует забывать об их, в общем-то, вспо-
могательной роли в составе блока электронной аппаратуры. Мы требуем от НК жест-
кого и надежного (прочного) закрепления конструктивов по заданной компоновочной
схеме, требуем защиты конструктивов от внешних механических воздействий, т. е.
жесткости и прочности конструкции в целом. При этом сама НК должна по возможно-
сти занимать как можно меньший объем в составе электронного блока и заодно иметь
возможно меньшую массу. Полезными считаются только объем и масса, занимаемые
ЭРИ электрической схемы. Отсюда вывод, что проектирование НК должно идти под
девизом: «Легче, жестче, прочнее!».
Критериями оценки НК с этой точки зрения будут, в первую очередь, показатели
массы, жесткости, прочности, коэффициенты использования объема и массы.
Специфическими, как уже указывалось выше, являются требования раскрываемо-
сти конструкции, а также хорошей электропроводности материала и надежного элек-
трического контакта составных частей НК. Общим требованием является технологич-
ность.
Оценки по вышеуказанным критериям предпочтительны числовые. Только по чис-
ленным оценкам в условиях многокритериального сравнения можно выбрать предпо-
чтительный вариант. По численным оценкам же производится и последующая коррек-
ция и уточнение конструкторских решений по НК и составляющим ее деталям.
Первым из критериев, выбираемых для оценки НК, является жесткость. Как из-
вестно, степень жесткости оценивается деформацией конструкции при воздействии на
нее внешних сил. Но для сравнения профилей различных НК в [39] рекомендуется так
называемая характеристика жесткости <?ж , пригодная как для сравнения профилей
по жесткости, так и для сравнения рациональности профилей по массе:

216
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где Р — площадь сечения профиля;
J — момент инерции сечения.
Вычисление момента инерции в общем случае представляет собой довольно гро-
моздкую задачу. Поэтому в практической и учебной работе студенту рекомендуется
пользоваться расчетными таблицами. Пример каркасной конструкции из уголков с ко-
жухом, а также системы «панель-шасси» с кожухом показан на рис. 4.1.19. В системе
«панель-шасси» характеристика вж в большой степени зависит от соотношения вы-
соты к ширине и от выбора расположения шасси, а в каркасном варианте — от ширины
полок уголков и их толщины. Так, для каркасного варианта Gm = 0,4 при В/Н = 0,5
и Gm = 0,73 при В/Н = 2. Характеристика вж в вышеуказанной таблице приводится
относительно осей «jCi-Xj», «j/-i/» (оси симметрии) и «х2-х2» (ось плоскости крепле-
ния). Для оценки сечения целесообразно выбирать направление преимущественного
действия на блок сил. Ориентировка в оценках: чем меньше значение характеристики,
тем больше жесткость и одновременно тем профиль экономичнее по массе. В противо-
речивости оценки отражается противоречие между массивностью жесткой конструк-
ции и стремлением конструктора уменьшить массу НК. Поэтому бж преимущественно
используется для сравнения профилей по экономичности, а допустимый предел жест-
кости оценивают по фактической деформации 5, рассчитываемой отдельно. Подробные
характеристики различных сечений блоков см. в при л. 2. Жесткость лицевой панели
хорошо оценить отдельно. Панель при этом представляют как балку на двух опорах.
Пример сравнения сечений трех лицевых панелей (рис. 4.1.20) приведен в [39].
Рис. 4.1.19. Упрощенные схемы сечений НК для вычисления характеристики
жесткости: а — каркасная НК; б — шасси
Вариант 3 оказывается более экономичным по площади и массе, так как при Н =
= 0,1Б и S = 0,01В Gnl = 5,2; Gnl = 7,02; Gn3, = 4,4, т. е. при сохранении необходимой
жесткости от деталей НК следует требовать минимальной массы.
Следующей оценочной характеристикой НК является масса. При определении
массы деталей следует учитывать влияние покрытия. Не следует думать, что суще-
ственного влияния оно не оказывает. Например, если к углеродистым сталям кадмие-
вое покрытие добавляет 6,6 % массы основного материала, то к магниевым сплавам
серебряное покрытие добавляет уже 49 %. Для облегчения деталей следует широко
применять облегчающие отверстия.

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 217
Рис. 4.1.20. Разъемные конструкции передних панелей блоков
В качестве третьей оценочной характеристики НК следует использовать обобщен-
ный коэффициент материала. Он представляет собой произведение удельных прочно-
сти и жесткости:
где G0,2 — условный предел текучести, вызывающий остаточную деформацию 0,2 %;
Е — модуль упругости;
р — плотность материала.
Как пример сравнения материалов можно привести следующие оценки: для тита-
новых сплавов Kqq • 104 = 678; для магниевых сплавов К^ • 104 = 306; для углеродистых
сплавов .Коб * Ю4 = 162.
Использование объема блока, обеспечиваемое НК, т. е. соотношение между общим
объемом блока и полезным, а также соответствующее сравнение по массе принято оце-
нивать коэффициентами. В том числе применяются:
а) коэффициент заполнения объема блока
где Уэрэ, Vhk9 V6jl — объемы, занимаемые ЭРИ, несущей конструкцией и всем блоком
соответственно;
б) коэффициент использования объема
где Мг — масса отдельного i-ro ЭРИ;
Мбл — масса всего блока. ,
Нужно отметить, что допустимые (приемлемые) значения коэффициентов исполь-
зования объема весьма разнятся в зависимости от назначения и характера аппаратуры,
например, см. табл. 4.1.6 [41].
в) коэффициент использования массы

218
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 4.1.6
Значения ДСиспидля разных типов ЭС
Аппаратура
передающая
приемная
релейная
питания
**-исп v |
стационарная
0,2
0,4
0,7
0,5
возимая
0,4
0,5
0,7
0,6...0,7
бортовая
0,6...0,7
0,7...0,8
0,8...0,9
До1
В аппаратуре с большими тепловыделениями сознательно ограничивают K3an v для
обеспечения путей охлаждающего воздухопотока. Так, увеличение К3йП в 1,5 раза
с 0,24 до 0,37 ухудшает теплообмен примерно на 40 %.
Свойство раскрываемости НК следует сначала грамотно описать для последую-
щего анализа. Делается это с помощью сборочных признаков. Сборочным признаком
называется технологически осуществимый способ декомпозиции прообраза (прооб-
раз — предполагаемый внешний вид в сочетании с заданной компоновочной схемой
конструктивов), для обеспечения доступа к функциональным узлам, электрорадиоэле-
ментам, электрическим соединениям и другим составным частям изделия. Сборочный
признак описывается тремя характеристиками:
• наименование перемещаемого (раскрываемого) фрагмента прообраза — X (ответ
на вопрос «Что перемещаем?»);
• характер перемещения фрагмента У («Как перемещаем?»);
• направление перемещения фрагмента Z («Куда перемещаем?»).
Например, для компоновочного эскиза, приведенного на рисунке, и прямоугольной
формы блока может быть предложено не менее пяти схем НК, обеспечивающих рас-
крываемость и представленных в табл. 4.1.7 [41].
Таблица 4.1.7
Раскрываемость несущей конструкции
№
п/п
1.
2.
3.
Описание сборочного признака
Х={Хр}
Верхняя поло-
вина паралле-
лепипеда
Левая, пра-
вая, боковые
грани
Левая, пра-
вая, боковые
грани. Верх-
няя грань
Y={Yr)
Поворот
Поворот
Отбрасыва-
ние, поворот
Z={Zr}
Относительно линии раз-
реза, параллельной наи-
большему ребру
Относительно нижних
наибольших ребер
Относительно заднего
верхнего ребра
Эскиз

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 219
Окончание табл. 4.1.7
№
п/п
4.
5.
Описание сборочного признака
Х={Хр}
Левая, пра-
вая, боковые
грани. Верх-
няя грань
Левая, пра-
вая, боковые,
верхняя грани
Y={Yr)
Отбрасыва-
ние, поворот
Отбрасыва-
ние
Z={Zr]
Относительно переднего
верхнего ребра
Эскиз
Соответствующие варианты и решения показаны на рис. 4.1.21. Оценку раскрыва-
емости целесообразно проводить в баллах (или рангах) по усмотрению разработчиков в
пределах массива сравнения. Также в баллах (рангах) на первоначальных этапах раз-
работки следует оценивать и технологичность конструкций (хотя в дальнейшем этот
показатель и будет просчитан более строго).
Рис. 4.1.21. Практическая реализация вариантов раскрытия блока
(по табл. 4.1.7) при неизменной компоновочной схеме

220
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Все вышеуказанные критерии и оценки используются при многовариантном и мно-
гокритериальном сравнении при выборе предпочтительного варианта НК (см. раздел
методических указаний). Выбранному варианту НК предстоит еще проверка на проч-
ностные характеристики по граничным условиям, т. е. допустимым значениям.
При несоблюдении граничного значения конструкторское решение должно быть
забраковано или пересмотрено (доработано).
Проверка осуществляется расчетами. Целью расчетов является определение факти-
ческих деформаций в элементах конструкции при действии на блок вибрации, ударов
и линейных ускорений в соответствии с заданными для блока условиями по норматив-
ным документам. В перечень основных расчетов включаются:
• расчет жесткости наиболее критичного элемейта несущей конструкции блока
(например, панель, шасси) и величины его прогиба при нагружении комплексом
конструктивов в режиме статической или динамической нагрузки; для блока в
целом эта характеристика проверяется только в каких-либо сомнительных слу-
чаях, например, когда один из габаритных размеров блока много больше других;
превышения какого-либо из габаритных размеров над другими более чем вдвое
рекомендуется не допускать;
• расчет на вибропрочность;
• расчет ударного воздействия при падении блока; как правило, такой расчет дела-
ется только для моноблоков групп 6-7 по ГОСТ 16019-2001.
4.1.5» Конструкторские методы обеспечения требований к несущим
конструкциям по прочности и жесткости
Жесткость определяет работоспособность конструкции в такой же, а иногда и в
большей степени, как и прочность. Повышенные деформации могут нарушить нор-
мальную работу задолго до возникновения опасных для прочности напряжений. Не-
жесткость корпусов расстраивает взаимодействие расположенных внутри них узлов и
блоков. Жесткость имеет особенно большое значение для изделий облегченного вида
(авиационной, ракетной и др. ЭС). Стремясь облегчить конструкцию и максимально
использовать прочностные свойства материалов, конструктор повышает напряжения,
что сопровождается увеличением деформаций.
Величину деформаций можно рассчитать только в простейших случаях методами
сопротивления материалов и теории упругости. В большинстве случаев приходится
иметь дело с нерасчетными деталями, сечения которых определяются условиями изго-
товления (например, технологии литья или прессования), и имеющими сложную кон-
фигурацию, затрудняющую определение напряжений и деформаций.
Здесь приходится прибегать к моделированию, эксперименту, анализу аналогич-
ных конструкций, а нередко полагаться только на чутье, вырабатывающееся с тече-
нием времени у конструктора. Опытный конструктор, зная направление и величину
действующих усилий, оценивает более или менее правильно направление и величину
деформаций, выявляет слабые места и, пользуясь разнообразными приемами и мето-
дами, увеличивает жесткость, компонуя рациональные изделия.
Основными конструкторскими методами повышения прочности и жесткости явля-
ются:
• правильный выбор материалов по их удельным прочностным критериям;
• придание детали равнопрочности во всех сечениях, исключение участков концен-
трации напряжений;
• выбор рациональных сечений с разноской материала по направлению действия
максимальных напряжений;

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 221
• устранение напряжений изгиба и кручения, замена напряжениями растяжения-
сжатия;
• устранение по возможности консольных нагружений, невыгодных по величине
деформаций и напряжений и упрочнение опасных сечений;
• устранение макро- и микродефектов структуры материалов, введение стабилизи-
рующей термообработки.
Равнопрочность — случай, когда напряжения в каждом сечении детали по ее про-
дольной оси одинаковы. Такой идеальный случай возможен только при некоторых ви-
дах нагружения, когда нагрузка воспринимается всем сечением (растяжение-сжатие,
отчасти срез).
При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напряжения по сече-
нию распределяются неравномерно. Они имеют максимальную величину в крайних
точках сечения и могут снижаться до нуля на нейтральной оси. В этих случаях можно
только приблизиться к условиям равнопрочности выравниванием напряжений, уда-
лением материала с наименее нагруженных сечений и сосредоточением его в наиболее
нагруженных местах. В качестве примера рассмотрим цилиндрическую деталь, под-
вергаемую растяжению, изгибу или кручению. При растяжении-сжатии нормальные
напряжения во всех точках сечения массивной детали равны
Рис. 4.1.22. Распределение напряжений по сечению
Удаление слабонагруженного центрального участка сечения обеспечивает более
равномерное распределение напряжений на остающихся участках (рис. 4.1.22, б). Чем
тоньше стенки кольца (меньше величины d = 4£>), тем равномернее распределение
напряжения. Но при сохранении постоянным нагруженного диаметра напряжения
в сечении повышаются и могут превысить предел прочности. Приведение уровня на-
пряжений к допустимой величине может быт)ь получено увеличением наружного диа-
метра и соответственно момента сопротивления сечения (рис. 4.1.22, в).
Для несущих конструкций наибольший интерес представляют круглые, квадрат-
ные и /-образные сечения профилей. Рассмотрим и сравним показатели прочности,
жесткости и массу и оценим целесообразность их применения в условиях растяжения
где Р — сила, приложенная к детали, Н;
F — площадь поперечного сечения, мм2.
При изгибе нормальные напряжения распределяются по закону прямой линии,
проходящей через центр сечения (рис. 4.1.22, а).

222
Конструирование узлов и устройств электронных средств
сжатия, изгиба и кручения. Расчетные формулы для основных профилей даны в
табл. 4.1.8 [39]. При растяжении-сжатии напряжения зависят только от площади се-
чения F, меньшие габариты будут у круга. Для изгиба напряжения обратно пропор-
циональны моменту сопротивления Wu.
Таблица 4.1.8
Расчетные соотношения для основных профилей
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Эскиз
Площадь попе-
речного сечения
F
В2
Ti>2*0,785D2
4
В2С,
где С = Н/В
В2(1-ец),
где е = Ь/В
0,785£>2(1-<х2),
где a = d/D
ВЩ1-ец),
где е = Ь/В,
T = h/H
Моменты сопро-
тивления
W
В3/6
0Д£>3
В3С2/6
£3(1-е4)
6
0,LD3(l-a4)
ВН2 (1-ец3)
6
Моменты инерции
J
В4/12
0,05D4
В4С3/12
В4(1-е4)
12
0,05D4(1 - a4)
ВН3(1-ец3)
12

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 223
При одной и той же площади наибольшее значение момента Wu у /-образного се-
чения, пустотелого квадрата и круга. Наименее выгодными будут сплошное круго-
вое и квадратное сечения. Устранение напряжений изгиба (рис. 4.1.23, а, б) и за-
мена растяжением-сжатием возможны в случае применения ферменной системы
(рис. 4.1.23, в, г). У ферменной системы верхний стержень работает на растяжение,
нижний — на сжатие. Если сравнить напряжения и прогибы в консольной балке и
ферме, где стержни имеют равный диаметр и равный вылет, то напряжения в стерж-
нях фермы будут в 85 раз меньше, чем максимальное напряжение в сечении балки,
прогиб в 260 раз меньше у фермы, чем у балки в точке приложения силы [39]. Для того
чтобы сделать системы равнопрочными, сечение балки надо увеличить в 18,3 раза, при
этом масса балки становится в 8 раз больше массы ферменной системы, а деформация
балки при этом будет больше, чем у фермы, так как деформация при изгибе пропор-
циональна третьей степени длины, а при растяжении — первой степени.
Рис. 4.1.23. Повышение прочности и жесткости НК. Принципы и примеры:
а, б — консольная балка (работа на изгиб); в, г — ферменная система (работа
на растяжение—сжатие); д, е — пример консольного крепления передней па-
нели к шасси; ж — повышение жесткости консольной конструкции; з — увели-
чение жесткости введением опорной плоскости (Б)

224
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Связь между прогибом ферменной системы /ф и консольной балки /б при одинако-
вых сечениях можно выразить отношением
где I — длина вылета фермы или балки;
d — диаметр стержней;
а — половина угла при вершине ферменной системы.
Конструкция, аналогичная балке, показана на рис. 4.1.22, д, на рис. 4.1.22, е> —
эпюра изгибающего момента балки. При ее замене на форму согласно рис. 4.1.22, ж,
материал детали будет работать преимущественно на растяжение-сжатие, хотя жест-
кость ее будет отличаться от идеальной ферменной системы.
Если нельзя полностью устранить изгиб, то надо стремиться заменить консольную
балку на двухопорные балочные конструкции (рис. 4.1.22, з).
Наибольшие напряжения у консольной балки возникают в месте заделки, у двух-
опорной — в точке приложения силы, на заданном расстоянии от опор, и меньшие —
в месте заземления. Если применения консольного крепления нельзя избежать, то сле-
дует принять все меры, чтобы устранить ее недостатки. Для этого уменьшают вылет
консоли, увеличивают жесткость и прочность опасного сечения.
Необходимая жесткость и прочность наиболее нагруженного сечения обеспечива-
ется увеличением размеров или, при снижении массы и уменьшении размеров, введе-
нием местных вы давок. Применение рельефов жесткости или зигов получило большое
распространение при холодном штамповании. Рельефные валики следует располагать
вдоль действия изгибающего момента. Повышение прочности и жесткости фланцев
тонкостенных цилиндрических деталей проводят отбортовкой. Повышение жестко-
сти и прочности участков приложения сосредоточенных сил (опорных площадок, мест
крепления) можно обеспечить местными выдавками или с помощью различных упроч-
няющих накладок. Прогиб тонкостенных деталей на участке малой жесткости, осла-
бленном отверстиями, предупреждают разбортовкой отверстий. Для увеличения жест-
кости литых и прессованных из пресспорошков корпусных деталей применяют ребра
жесткости. Упрочнение консольного шасси отогнутыми боковыми стенками представ-
лено на рис. 4.1.24.
Жесткость и прочность конструкции будут наибольшими при ребре на всю длину
консоли. Дополнительное повышение жесткости может быть получено за счет введе-
ния рельефов на плоскостях шасси и боковых стенок.
Рис. 4.1.24. Влияние боковых стенок на прочность НК из листового
материала

Глава 4.1. Основы конструирования электронных модулей второго и третьего уровней 225
Крупногабаритные детали (каркасы стоек, шкафов, приборов, крупногабаритных
блоков) для большей жесткости и прочности можно выполнить из балочных открытых
или замкнутых профилей (рис. 4.1.25). Профили получают гибкой из тонколистового
материала на спецоборудовании, прессованием из порошков. Замкнутые профили, вы-
полненные из листового материала с последующим соединением контактно-точечной
или электродуговой сваркой, имеют более высокие прочность и жесткость, и большую
трудоемкость.
Рис. 4.1.25. Примеры различных профилей для НК: а — гнутые из листа
декоративные; б — замкнутые балочные полые (из листового материала);
в — гнутые балочные открытые; г — прессованные
Вопросы для контроля
1. Что называется несущей конструкцией?
2. Что такое конструктив блока?
3. Какова классификация НК?
4. Что такое каркасная НК?
5. Что такое панельная НК?
6. Что такое коробчатая НК?

226 Конструирование узлов и устройств электронных средств
7. Что такое панель—шасси НК?
8. Что такое бескаркасная НК?
9. Какие существуют материалы для изготовления НК?
10. Какие предъявляются требования к НК?
11. Как предъявляются критерии для оценки НК?
12. Что такое раскрываемость несущей конструкции?
13. Какие существуют конструкторские методы повышения прочности и жестко-
сти НК?

Глава 4.2
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
4.2.1. Рациональный выбор несущих конструкций
Рациональный выбор формы блоков. Блоки современных ЭС в зависимости от
объема, выделяемого на объекте установки, и конструкции имеют различную конфи-
гурацию и размеры. Они бывают в форме шара, цилиндра, многогранной призмы, пря-
моугольного параллелепипеда или их частей. Корпуса указанных блоков обычно из-
готавливают из тонколистового материала одинаковой толщины. Для рационального
выбора формы блоков рассмотрим три параметра: приведенную площадь наружной по-
верхности, коэффициент приведенных площадей и коэффициент заполнения объема.
Приведенная площадь Snp — площадь наружной поверхности, приходящаяся на
единицу объема блока любой конфигурации:
(4.2.2)
где S — наружная поверхность блока, мм2;
V— объем блока, мм3.
Так, наружная поверхность S и объем Яблока, имеющего форму шара, будет опре-
деляться из выражений S =' nd2 nV= nds/6, где d — диаметр шара, мм. Приведенная
площадь шара по (4.2.1) Snp = nd2/(nds/6) = 6/d. Аналогичным способом определяются
значения Snp и для блоков, имеющих другую конфигурацию. Формулы для опреде-
ления Snp для блоков различной конфигурации, используемых в ЭС, приведены в
табл. 4.2.1 [39]. В этой таблице также даны значения Snp для блоков длиной I, равной
одному, двум, трем и пяти диаметрам d и стольким же значениям ширины Ъ блоков.
Из рассмотрения указанных данных видно, что: чем Snp меньше, тем форма блока
оптимальнее по массе; для шара, полушара и куба значения Snp являются постоянной
величиной, зависящей только от диаметра d или ширины Ъ; при увеличении длины
цилиндра, призм и параллелепипеда значения Snp уменьшаются; при 1 = d = b наибо-
лее оптимальными по массе являются параллелепипед, шар, куб, цилиндр и прямая
призма. Расчеты показывают, что при одинаковых объемах блока шар имеет мини-
мальное значение Snp. Тогда коэффициент приведенных площадей Кпру который пока-
зывает, во сколько раз Snp любого блока больше 5пр#ш шара, будет равен

228
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Значения Кпр для блоков различной конфигурации приведены в табл. 4.2.1, где да-
ется по две величины: для dub, равных диаметру шара dm (или части его); для Z, рав-
ной диаметру dm (или нескольким &). Из таблицы видно, что наилучшие значения Кпр
присущи блокам, имеющим форму цилиндра, восьми- и шестигранника.
Таблица 4.2.1
Значения приведенной площади Snp и коэффициентов Кпр и К30 блоков
различной конфигурации
Конфи-
гурация
блока
Эскиз блока
Формула
приведен-
ной пло-
щади
Значение S^ при
1 =
= d =
1 =
= 2d=|
= 2Ь
1 =
= 3d=|
= ЗЬ
1 =
= 5Ь
Коэффици-
енты при-
веденных
площадей
Значения
Кзм для объ-
емов, имею-
щих форму
парал-
леле-
пипеда!
Шар
^пр- 1
52,3
Полушар
6/6
npnd =
= 1,26<*ш
52,3
К„
1,19
Цилиндр
(l,d)4
(d/2 + l)/l
6/d
5/d
Кбб/q
4,4/d
при d = du
78,5
K,
np
1,16
Полуци-
линдр
8,5/d
7,5 / d
7,18/cfl6,9/d
при d = dm
Knp =1,33
78,5
при J = dm
JSTnp =1,26
Шести-
гранная
призма
(1/d)
(4,611 +
+ 2d)/l
6,61/
d
5,61/
d
5,27/
d
5,01/
d
при d = dm
#np=l,18
65
при I = dnj
#„„=1,19
(1/d)2,54
(2,571 +
4-0,78cD/l
6/rf

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
229
Окончание табл. 4.2.1
Конфи-
гурация
блока
Эскиз блока
Формула
приведен-
ной пло-
щади
Значение <Snp при
1 =
= <* =
= Ь
1 =
= 2<*=|
= 2Ь
1 =
= ЗЬ
1 =
= 5d =
= 5Ь
Коэффици-
енты при-
веденных
площадей
Значения
Кзл для объ-
емов, имею-
щих форму
парал-
леле-
пипеда
ци-
лин-
дра
Восьми-
гранная
призма
(l/d)
(4,321 +
2d)/l
6,32/
d
5,32/
d
4,98/
d
4,72/
d
при d = dm
#„P=1,16
70,7
89,9
при / = dm
#„p=1,17
Куб
6/ft
при& =
- 0,806 dm
tf„p=l,26
100
63,7
Прямоу-
гольная
призма
(ft/2 + 1)/*
6/b
5/b
4,66/M
4,4 /b
при 6 = dm
-Knp =1»3
100
63,7
При I = dm
#пр=1,25
Прямой
паралле-
лепипед
<*/Ь) 2
(bh + ft/ +
+ Ы) / ft/i/
5/ft
46 0,66 /Ы
3,4 /ft
при J = 2ft
ft = 0,37dm
•Knp = If 32,
Л = 2Ь
100
50,9
при 1 = 3b
b = 0,37dm
Knp — 1,37,
h = 2b
При h = 2ft
при Z = 5ft
ft = 0,37<*ш
^np= 1,51,
A = 26

230 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Между Snp и Кпр существует следующая зависимость:
а б
Рис. 4.2.1. К определению коэффициента заполнения объема
Аналогичные выражения получаются и для объема V^ цилиндрической формы
(рис. 4.2.1, б), в который вставляется аппаратура в виде шестигранной призмы с объ-
емом Уж- Чаще всего под размещение аппаратуры отводится объем, имеющий форму
параллелепипеда. Для специфических объектов (буи, ИСЗ, ракеты) обычно исполь-
зуют объем Vo6 цилиндрической формы. Значения Кэо для блоков различной конфигу-
рации, размещаемых в объемах, имеющих форму параллелепипеда и цилиндра, при-
ведены в табл. 4.2.1
Для рационального выбора формы блоков рекомендуется пользоваться формулами
(4.2.1)-(4.2.3) и данными табл. 4.2.1.
Рациональный выбор профилей несущих конструкций. В технической литера-
туре при выборе наиболее экономичных по площади профилей обычно применяется
отношение момента сопротивления W к площади сечения профиля F, т. е. W/F, при
этом чем больше отношение, тем профиль более экономичен. Однако такое отношение
является размерным (миллиметры) и зависит от размеров элементов профиля, что не
позволяет сопоставлять сечения, имеющие различные формы и размеры.
В [39] приводятся формулы, дающие возможность сопоставлять различные сечения
независимо от формы и габаритов. Для определения рациональных характеристик
профилей НК, работающих на изгиб, можно пользоваться следующими формулами:
где индексами 1 и 2 обозначены блоки двух любых конфигураций. Данное соотноше-
ние позволяет сравнивать между собой блоки любой конфигурации: если отношение
Knpi/Knp2 > 1, то второй блок более оптимальный по площади наружной поверхности;
если отношение Кир1/Кир2 < 1, то первый блок более оптимальный.
Коэффициент заполнения объема К3т0 показывает, сколько процентов от объема V^,
отводимого на объекте, занимает непосредственно аппаратура Van9 т. е.
Например, объем V^* отводимый на объекте, имеет форму прямоугольной призмы
(рис. 4.2.1, a): V^ = h х Ъ х I, а изделие — форму цилиндра V^ = nd2l/4. Их отношение
и будет ЛГз.о.-

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
231
• при расчете на прочность
• при расчете на жесткостьм
(4.2.4)
(4.2.5)
где Gnp и Gm — рациональные характеристики профилей;
J — момент инерции сечения [39].
Характеристики различных профилей при работе блока на изгиб, рассчитанные по
(4.2.4) и (4.2.5), приведены в табл. 4.2.2 [39].
Таблица 4.2.2
Характеристика различных профилей
Название
профиля
Эскиз профиля
Соотношение
размеров
Относительно осей
х—х
у-у
х—х
Прямоугольник
b/h=1/1
b/h=1/2
b/h=1/3
b/h=1/4
3,3
2,4
2,27
2,1
3,3
4,16
4,74
5,27
3,5
2,5
2
1,73
Квадрат с ква-
дратным отвер-
стием
а/А = 0,8
а/А = 0,9
а/А = 0,95
1,9
1,4
1
1,9
1,4
1
1,7
1,1
0,8
Круг
3,7
3,7
3,6
Кольцо
d/D = 0,8
d/D = 0,9
d/D = 0,95
1,92
1,4
1,1
1,92
1,4
1,1
1,7
1,1
0,8

232
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 4.2.2
Название
профиля
Угольник
Тавр
Эскиз профиля
Соотношение
размеров
b = h
b/h =
1/2
b = h
b/h =
1/2
S/h =
од
S/h =
0,05
S/h =
0,1
S/h =
0,05
S/h =
0,1
S/h-
0,05
S/h =
0,1
S/ft =
0,05
i
jc—*
2,3
1,37
1,8
1,32
2,3
1,37
1,8
1,32
Относительно осей
2,3
1,37
4,1
3,1
2,7
2,4
8,2
7,2
1,45
0,9
1,2
0,8
1,45
0,9
1,2
0,8
y-y
1,45
0,9
2,89
1,95
2,1
1,51
6,4
3,1
Из анализа выражений (4.2.4) и (4.2.5) и табл. 4.2.2 можно сделать ряд следующих
выводов:
1. Чем величины при Gnp и Gm меньше, тем профиль более рациональный по пло-
щади, следовательно, и по массе.
2. Величины Gnp и вж позволяют сравнивать между собой любые профили, имею-
щие различные формы и размеры. Например, круглый профиль (табл. 4.2.2) имеет
вж = 3,6, а квадратный (с квадратным отверстием при отношении а/А = 0,9) — бж =1,1.
Беря отношение величины вж круглого профиля и квадратного (с квадратным отвер-
стием), видим, что для обеспечения одной и той же жесткости круглый профиль будет
иметь в 3,6/1,1 = 3,27 раза большую площадь сечения.
3. Величины Gnp и вж позволяют проводить анализ различных: профилей для вы-
явления определенных зависимостей. Так, на рис. 4.2.2 показана зависимость значе-
ний Gm от толщины стенок кольца, из которой видно, что чем стенки тоньше, тем про-
филь более экономичен по площади (по массе).
Часто на ЭС, устанавливаемое на подвижных объектах, по различным осям дей-
ствуют различные усилия, которые передаются на элементы несущей конструкции
(НК). Если на деталь действуют различные усилия, то необходимо применять несим-
метричные профили, рационально выбирая их по осям х и у. Если, например, на балку
с несимметричным профилем (рис. 4.2.3) относительно оси у-у действует усилие Ру,
а относительно оси х-х усилие Рх, то между усилиями Рх и Pv будет зависимость
(4.2.6)
где G^y п G^x — характеристики профиля при расчете на жесткость по осям у-у и
х-х соответственно;
п = fx/fy, где fxnfy — деформации балки по осям х-х и у-у.

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
233
Рис. 4.2.2. Зависимость GM от толщины стенок кольца
Рис. 4.2.3. Несимметричный профиль
Пользуясь (4.2.4)-(4.2.6), можно подобрать несимметричный профиль относи-
тельно-осей х-х и у-у, чтобы он в равной мере воспринимал усилия Рх и Pv
Обычно конструктор при разработке новой ЭС всегда рассматривает несколько ва-
риантов НК как самого блока, так и отдельных его элементов. Для выбора оптималь-
ного по площади (массе) варианта каркаса можно также воспользоваться выражением
(4.2.5), так как НК блока обычно рассчитывается на жесткость.
Основными НК блоков бывают: каркас 1 (рис. 4.2.4, а) с передней панелью 2, кото-
рый вставляется в кожух 3 по направляющим 4, и каркас 3 (рис. 4.2.4, б) с передней 1
и задней 2 панелями, который закрывается крышками 4 и 5.

234
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.2.4. НК различных блоков
Анализ указанных и других блоков, применяемых как в бортовой, так наземной и
морской ЭС, показывает, что плоскости крепления или симметрии проходят через се-
редину блока (оси Xi~xlt у-у) или через основание — ось х2-х2 на рис. 4.2.4, в. Поэтому
расчет характеристик сечений блоков G6jl будем производить относительно осей X\-Xi;
х2-х2 и у-у. Характеристики блоков различных сечений, рассчитанные по (4.2.5), при-
ведены в табл. 4.1.2.
Пользуясь выражением (4.2.5) и данными табл. 4.1.2, можно достаточно быстро
сравнивать значения G6jI любых каркасов при различных соотношениях В : Н, для
чего строятся зависимости значений G6jI от соотношений размеров ширины Б и вы-
соты Н. На рис. 4.2.5, а приведены кривые 1 и 2 значений G6jI для блоков сечения 2
и 3 (табл. 4.1.2) соответственно. Из кривых видно, что блок сечения 3 является более
рациональным для всех соотношений В : Н.
Кривые значений G6jI от отношения В : Н также позволяют подбирать оптимальные
сечения блоков при воздействии на них различных перегрузок па разным осям. Так,
например, на блок сечения 1 (табл. 4.1.2) по оси у-у действует перегрузка в три раза
больше, чем по оси Xi~xv Блок крепится за основание (ось х2-х2). В процессе констру-
ирования шасси может быть поднято вверх на расстояние hm от оси х2-х2.
Кривая зависимости G6jI от высоты Лш установки шасси для блока сечения 1, имею-
щего соотношение В : Н-1 : 1,5, приведена на рис. 4.2.4, б. Принимая п = fx/fy = 1/1,5
и беря значение G6jI (относительно оси у-у) из табл. 4.1.2, подставляем их в выражение
(4.2.5), тогда 3/1 = (1/1,5) (0,722/GJC2). Решая это уравнение, получаем Gx- 0,34. На-
нося это значение на кривую (рис. 4.2.5, б,), находим, что шасси поднято относительно
оси х2-х2 на высоту hm = 1,5/г.
Если представить себе любую переднюю панель как балку на двух опорах, нагру-
женную определенной силой в середине панели, то рациональные характеристики их
можно также определить по (4.2.5). Так, для панели 1 (рис. 4.1.19), имеющей высоту
Н = 0,1В и толщину S = 0,01В, характеристика Gn = 5,20; для панели 2 при тех же со-
отношениях Gn = 7,02; для панели 3 Gn = 4,40.
Следовательно, последняя панель более экономична по площади (по массе).
Снижение массы несущих конструкций. При создании ЭС с минимальной массой
НК целесообразно придерживаться следующих правил.
Простота несущих конструкций.
Оптимальные запасы по прочности. Известно, что допустимое напряжение а при
расчете деталей на прочность определяется по формуле а = апр / п, где апр — предель-
ное напряжение; п — запас прочности.

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
235
Gfi,
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,5 1 1,5 2 В:Н
а
0,5 1,5 3,5 К
б
Рис. 4.2.5. Зависимость G6jl от отношения В/Н (а) и высоты расположения
шасси (б)
Увеличение запаса прочности п ведет к неоправданному увеличению массы де-
талей, а уменьшение его — к ухудшению надежности работы расчетных элементов,
а следовательно, всего аппарата. Поэтому запас прочности п необходимо выбирать с
учетом вида ЭС и объекта установки его, долговечности, сохраняемости и других пара-
метров аппаратуры.
Равнопрочностъ деталей. Равнопрочная деталь, работающая на растяжение—
сжатие, должна иметь одинаковые напряжения во всех сечениях. Например, в детали,
показанной на рис. 4.2.6, напряжения в сечениях I, II и III будут определяться:
Рис. 4.2.6. Равнопрочная деталь

236
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При изгибе, кручении и других сложных напряженных состояниях напряжения
по сечению распределяются неравномерно. В этом случае равнопрочными считаются
детали, у которых напряжения в каждом сечении, определяемые по формуле, будут
одинаковыми, т. е. а = Ми/ Wx = const, где Ми — изгибающий момент, действующий
на каждое сечение; Wx — момент сопротивления данного сечения.
Оптимальная жесткость деталей. Жесткость оценивается коэффициентом жест-
кости X, который для случая растяжения—сжатия ЛрСЖ = EF/1, для случая изгиба
Л,и = AEJ/13, где Е — модуль упругости материала; F и I — сечение и длина балки; А —
коэффициент, зависящий от вида балки и условий нагружения (табл. 4.2.4) [39].
Таблица 4.2.4
Значения коэффициента Л
Вид балки и нагрузки
Схема балки
Консоль (сила приложена на конце)
Балка, свободно опертая по концам
(сила — в середине пролета)
Балка, свободно опертая по концам
(сплошная равномерная нагрузка)
Оба конца жестко защемлены
(сила — в середине пролета)
192
77
8
3
A

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
237
Условие равножесткости деталей, изготовленных из одинакового материала:
• для случая растяжения—сжатия Я-р#сж, F/l = const.
• для случая изгиба А,и, J/Is = const.
Из приведенных выражений видно: жесткость зависит от вида балки и нагрузки
(коэффициент А лежит в широких пределах — от 3 до 192); влияние длины детали не-
велико для случая растяжения—сжатия (жесткость обратно пропорциональна пер-
вой степени длины) и значительно при изгибе (жесткость обратно пропорциональна
третьей степени длины); на жесткость влияют размеры и форма сечения (для случая
растяжения—сжатия жесткость пропорциональна квадрату, а при изгибе — четвер-
той степени размеров сечения). Поскольку линейные размеры деталей НК определя-
ются габаритами блоков, стоек, шкафов, то жесткость конструкции будет зависеть от
формы и размеров сечений деталей.
Оптимальную жесткость деталей необходимо получать способами, не требующими
увеличения массы.
В листовых деталях необходимо вводить отбортовки, вы давки, ребра жесткости и
другие элементы, повышающие жесткость. Если на листовой детали шириной 100 мм
ввести отбортовки I и II (рис. 4.2.7, а) и выдавки III и IV, то момент инерции Jx таких
деталей в зависимости от высоты h отбортовок и выдавок по сравнению с моментом
инерции Jx листа увеличится в десятки—сотни раз [39, 41] (см. рис. 4.2.7, где кривые
I-IV относятся к соответствующим профилям (рис. 4.2.7, а).
Рис. 4.2.7. Отбортовки и выдавки (а) и зависимость AQy от их высоты h(6)
Для сопряжения стержневых деталей каркасов и рам необходимо вводить косынки,
которые значительно повышают жесткость последних.
Необходимо напряжение изгиба в деталях заменять на напряжение растяжения—
сжатия, вводя дополнительные стержни. Например, прогиб консольной балки I,
имеющий диаметр d (рис. 4.2.8, а), значительно уменьшится, если снизу подпереть
ее стержнем 2 (рис. 4.2.8, б), который будет работать на сжатие. При этом диаметр
стержня dx уменьшится, а общая масса стержней 1 и 2 станет меньше массы стержня
с диаметром d.

238
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Необходимо широко применять гнутые профили проката, которые изготавлива-
ются из листового материала и являются более экономичными по массе по сравнению
со стандартными профилями [39].
Рис. 4.2.8. Замена изгиба балки сжатием
Выбор формы профилей деталей НК, несущих конструкций блоков и конфигура-
ций передних панелей необходимо проводить с учетом их рациональных характери-
стик.
Облегчающие отверстия. Во все детали необходимо вводить облегчающие отвер-
стия, выемки, проточки, чтобы изъять лишний материал, не несущий нагрузки. Часто
в деталях ЭС, таких как кожухи, крышки, шасси, перегородки и другие, для сниже-
ния массы или улучшения охлаждения выполняют отверстия различной формы. На
рис. 4.2.9, в показана зависимость выигрыша AQm массы листовых деталей от введе-
ния облегчающих отверстий различных размеров, где а — размеры квадратного от-
верстия (рис. 4.2.9, a) a d — диаметр круглого отверстия (рис. 4.2.9, б). Из рис. 4.2.9,
в видно, что выигрыш AQm составляет от 28 до 78 % .
Выбор материалов. Материалы НК необходимо выбирать с учетом удельных проч-
ности и жесткости или обобщенного коэффициента [41, 42]. Удельная прочность
определяется из выражения студ= а0,2/р> гДе <*о,2 — условный предел текучести, пред-
ставляющий собой напряжение, вызывающее в испытываемом образце остаточную де-
формацию 0,2 %; р — плотность материала.
Удельная жесткость £уд = Е/р. Обобщенный коэффициент представляет собой про-
изведение удельных прочности и жесткости: Коб = ауд ЕУД = o0f2 Е/р2. Значения указан-
ных показателей для различных материалов приведены в табл. 4.2.5.
При выборе материала деталей, работающих на прочность, необходимо пользо-
ваться значениями ауд, работающими на жесткость, — Еуд. Поскольку значения Еуд
для ряда материалов отличаются незначительно, при выборе материалов необходимо
пользоваться обобщенным коэффициентом Коб, который характеризует способность
материалов нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе.

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
239
Рис. 4.2.9. Облегчающие отверстия (а и б) и зависимость AQm от размеров
облегчающих отверстий (в): 1 — для квадратных отверстий;
2 — для круглых отверстий
Таблица 4.2.5
Показатели прочности и жесткости различных материалов
Материалы
Стали углеродистые
Стали легированные
Титановые сплавы
Алюминиевые сплавы
Магниевые сплавы
Стеклопластик
о0>2» МПа
200-500
600-1200
600-1200
250-450
150-250
270-400
Е • 103, МПа
200
115
70
40
30
р, г/см3
7,85
4,5
2,8
1,8
1,8
СТУД
63,7
152,8
266
160
138
222
Яуд'Ю3
25,4
25,5
25
22,2
16,6
* об • Ю4
162 j
388
678
400
306
368
Выбор покрытий. Обычно конструкторы при выборе как гальванических, так и
лакокрасочных покрытий не обращают внимание на их массу, а она составляет суще-
ственный процент от общей массы деталей. В табл. 4.2.6 даны значения массы покры-
тия в процентах от массы листа из различных материалов, имеющего площадь 1 м2
и толщину 1 мм. Из таблицы видно, что суммарная масса гальванических и лакокра-
сочных покрытий составляет от 8,1 до 55,5 % от массы покрываемого материала.

240
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Материал
Стали углеро-
дистые
Титановые
сплавы
Алюминиевые
сплавы
Магниевые
сплавы
Условия
эксплуа-
тации
по ГОСТ
9.03-84
ж,ож
С, Л\
*К, ОлС
ПТЛ
«/XV
с
л
Масса различных покрытий
Гальванические
покрытия
Вид
покрытия
Кадмиевое
Никелевое
Серебряное
Серебряное
Кадмиевое
Никелевое
Серебряное
Кадмиевое
Никелевое
Серебряное
Масса по-
крытия по
отношению
к массе ма-
териала, %
6,6
9,6
10,2
8
27,4
16
25
47,5
47,7
49
Таблица 4.2.6
Лакокрасочное
покрытие
Вид по-
крытия
Эмаль
МЛ-12
с подсло-
ем грунта
Масса по-
крытия по
отношению
к массе ма-
териала, %
1,5
2,6
4,3
6,5
Масса галь-
ванического
и лакокра-
сочного по-
крытий по
отношению
к массе ма-
териала, %
8,1
ИД
11,7
10,6
31,7
20,3
29,3
54
54,2
55,5
Сравнение различных вариантов конструкции. В процессе конструирования необ-
ходимо сравнивать различные варианты конструкций и их элементов, выбирая вари-
ант, имеющий минимальную массу. Для сравнения можно пользоваться формулами
относительно выигрыша AQm (в процентах) от уменьшения массы. При сравнении
двух вариантов конструкции AQm = (1- т2/т{) • 100, где тг и т2 — масса конструкции
первого и второго вариантов. Если известна масса Am, на которую можно уменьшить
конструкцию, то AQm= (Am/m{) • 100.
Этими же формулами можно пользоваться при сравнении вариантов конструкций
по объему V, площади F и длине L, тогда вместо тх , т2 и Am необходимо подставлять
значения соответствующих величин.
4.2.2. Направляющие в несущих конструкциях
Направляющими называются детали или их части, обеспечивающие такое подвиж-
ное соединение, при котором одна деталь под действием приложенной силы переме-
щается относительно другой по определенной траектории. Перемещающаяся деталь
направляющих называется ползуном.
В НК ЭС чаще всего применяются направляющие для прямолинейного движения.
Например, блок 1 из стойки 2 выдвигается с помощью телескопических направляю-
щих 3, а ячейка 4 — с помощью направляющих 5 (рис. 4.2.10).
В направляющих с трением скольжения при перемещении тела 1 с скоростью V по
телу 2 (рис. 4.2.11, а) от действия силы Р возникает сила трения скольжения F, кото-
рая определяется из выражения
F = fN,
где N — сила нормального давления одного тела на другое;
/ — коэффициент трения скольжения, значения которого для различных матери-
алов даны в табл. 4.2.7 [39].

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
241
Рис. 4.2.10. Стойка
Таблица 4.2.7
Значения коэффициента трения скольжения
Материалы
Сталь кон-
струкционная
Сталь инстру-
ментальная
Латунь
Бронза
оловянная
Сталь
кон-
струк-
ционная
0,18
0,16
0,19
0,16
Сталь
инстру-
мен-
тальная
0,16
0,17
0,14
0,15
Сталь
хромо-
никеле-
вая
0,15
0,17
0,16
0,15
Латунь
0,19
0,14
0,17
0,16
Бронза
оловян-
ная
0,16
0,15
0,16
0,2
Алюми-
ниевый
сплав
0,2
0,17
0,22
0,22
Тек-
столит
0,22
0,22
0,23
0,23
Гети-
накс
0,2
0,25
0,28
0,26
Резина
0,5...0,8
0,5...0,8
-
-
Рис. 4.2.11. Схемы направляющих

242
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 4.2.7
Материалы
Алюминиевый
сплав
Алюминий
Карболит
Капрон
Тефлон
Сталь
кон-
струк-
ционная
0,2
0,18
0,22
-
-
Сталь
инстру-
мен-
тальная
0,17
0,17
0,25
0,17
0,06
Сталь
хромо-
никеле-
вая
0,21
0,16
-
-
-
Латунь
0,26
0,17
0,3
-
-
Бронза
оловян-
ная
0,22
0,22
0,27
-
-
Алюми-
ниевый
сплав
0,22
0,22
0,27
-
Тек-
столит
0,3
-
-
-
-
Гети-
накс
0,29
-
-
-
-
Резина
-
-
-
-
-
Примечание. Коэффициенты трения, приведенные в таблице, соответствуют движению тел при отсутствии
между ними смазки. Наличие смазки снижает коэффициент трения примерно в 1,5-2 раза.
Реакция R при этом отклоняется на угол р, для которого tgp = /. Для предотвра-
щения заклинивания (самоторможения) ползуна в направляющих при разработке
вдвигаемых устройств ЭС необходимо соблюдать определенную зависимость между
силами, приложенными к устройству, коэффициентом трения и размерами ползуна и
направляющих [39].
Рассмотрим два примера.
На рис. 4.2.11,0 показана расчетная схема направляющей 1 и ползуна 2 для случая,
когда движущая сила Р параллельна оси направляющей, но смещена на расстояние h,
а сила полезного сопротивления Q направлена по оси симметрии направляющей.
При равномерном движении (V = const) должны соблюдаться условия равновесия
Из первого равенства определяем опорные реакции N = Ph/L. Зная коэффициент тре-
ния /, силу Q и размеры h и Ъ, можно определить движущую силу P = Q + 2F = Q + 2fN =
= Q + 2Pfh/L, откуда
Заклинивание ползуна происходит при условии Р = оо, тогда 1 - fh/L = О, откуда
критическое значение отношения (h/L)Kp = Z/2/. Допустимое значение отношения
h/L < l/2fKj где К — коэффициент запаса против заклинивания, значения которого
для плоских призматических направляющих принимают К = 5.
На рис. 4.2.11, в, изображена расчетная схема направляющей 1 и ползуна 2 для
случая, когда движущая сила Р направлена под углом у к оси симметрии направляю-
щих, и точка приложения ее к ползуну находится за пределами направляющих.
Составляем систему уравнений равновесия ползуна:

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
243
Решая систему, получаем:
откуда критический угол давления, при котором Р = оо,
Рекомендуется принимать утах < 30°.
Схема восьми видов направляющих, которые можно классифицировать по форме
рабочих поверхностей ползуна направляющей и по конструктивному выполнению, по-
казана на рис. 4.2.12.
Ползун
Направляющая
Рис. 4.2.12. Классификация направляющих: а — печатная плата, б — прилив
на корпусе устройства; в — боковые поверхности устройства; г — ползун с по-
лукруглым пазом; д — ползун с прямоугольным пазом; е — штырь; А, В — на-
правляющие с прямоугольным пазом (узким и широким соответственно);
Б — упругая направляющая; Г — полукруглая направляющая; Д — прямоуголь-
ная направляющая; Е — втулка
По конструкции направляющие бывают: индивидуальные, применяемые для
одного ползуна (рис. 4.2.13, а); групповые, рассчитанные на несколько ползунов
(рис. 4.2.13, б), и совмещенные, выполняющие несколько функций, например, с от-
ветной частью разъема (рис. 4.2.13, в). Направляющие изготавливают из различных
пластмасс, сортов стали (в том числе и нержавеющей), алюминиевых сплавов. Упругие

244
Конструирование узлов и устройств электронных средств
направляющие (вид Б на рис. 4.2.12) делают из пружинной стали, из нагартованной
латуни и бронзы.
Рис. 4.2.13. Конструктивные виды направляющих
Обычно все металлические детали НК имеют гальванические или химические по-
крытия. Металлические направляющие также должны обладать указанными покры-
тиями. Для уменьшения износа трущихся поверхностей они должны быть износоустой-
чивыми. К таким покрытиям относятся: хромирование, химическое никелирование,
твердое анодирование и др.
4.2.3. Требования к компоновке блоков ЭС
Методику компоновки ячеек в блоки, рассмотренную в настоящем разделе для бло-
ков в негерметичном исполнении, следует также использовать и при конструировании
блоков в герметичном исполнении.
Выбор варианта конструкции блока и компоновки ячеек в блоке, а также взаимное
расположение других конструктивных зон должны осуществляться, исходя из тех-
нических требований, анализа основных определяющих факторов, специфичных для
разрабатываемого ЭС (надежность, ремонтопригодность, габаритные и установочные
размеры, масса, тепловые режимы, условия эксплуатации и т. д.). В основном, блоки
конструируются прямоугольной формы, за исключением блоков, устанавливаемых
в специальные отсеки. Форма блока может отклоняться от прямоугольной только в
технически обоснованных случаях, так как такое отклонение делает невозможным
применение автоматизированных методов проектирования и исключает возможность

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
245
использования типовых технологических процессов сборочно-монтажных и регулиро-
вочных работ, а также применения высокопроизводительного технологического обо-
рудования, что в целом увеличивает себестоимость и сроки освоения аппаратуры.
Наиболее трудоемкими в процессе проектирования блоков являются выбор рацио-
нального варианта компоновки ячеек в блоке, обеспечение минимальной длины цепей
электрической коммутации и нормальных тепловых режимов блоков и разработка,
или выбор, базовых несущих конструкций (БНК) блока, которая, в свою очередь, обе-
спечивает два первых требования.
Действующая в настоящее время нормативно-техническая документация позво-
ляет с минимальными затратами и временем определить необходимую БНК блока в
соответствии с заданным видом аппаратуры и назначением. Эта документация опре-
деляет общие технические требования к БНК, основные габаритные, установочные
и присоединительные размеры, конструктивное исполнение, а также руководство по
применению БНК в аппаратуре.
Следует отметить, что БНК блоков предназначаются для размещения, механиче-
ского крепления, защиты от механических перегрузок и внешних воздействий ячеек,
а такухсе блоков в шкафах, стойках и стеллажах. Элементы НК должны обеспечивать
надежное крепление ячеек с ИМС, микросборками и другими ЭРИ и элементами элек-
трической коммутации, а также минимальную массу, максимальное использование
однотипных деталей и их унификацию.
Материалы и покрытия, применяемые для изготовления элементов НК блоков,
должны выбираться в зависимости от назначения и условий эксплуатации аппаратуры.
Элементы БНК изготовляются литьем под давлением, штамповкой, прессованием и
сваркой профильных материалов. Однако в последнее время широкое применение по-
лучают профильно-сборные конструкции, что обусловливается ростом номенклатуры
прессованных профилей и их низкой себестоимостью.
Вопросы осуществления внутриблочной электрической коммутации с применением
прогрессивных методов монтажа рассмотрены в главе 4.4. Важную роль на этапе про-
ектирования имеет правильный выбор межблочного электрического соединителя, ко-
торый зависит от метода межблочной коммутации (петлевой, накидной или врубной)
и БНК блока, определяемой видом аппаратуры. Для электрических межблочных сое-
динений следует использовать следующие соединители: РПКМ, СНП34, РП15, МР1,
РСАТ, РСГТ и РСГАТ, РСГС, РСГБТ и РСГБАТ, ГРПМ2, ГРПМЗ и ГРПМ9. С соеди-
нителями 2РМТ-А1 и 2РМДТ-А1 могут быть использованы плоские гибкие шлейфы и
отпрессованные кабели.
Обеспечение нормальных тепловых режимов блоков различного конструктивного
исполнения и назначения приведено в главе 4.5.
4.2.4. Основные компоновочные схемы и конструкции блоков ЭС
Под компоновкой блоков следует понимать взаимную ориентацию ячеек или дру-
гих конструктивных зон (электрической коммутации, механических элементов
и т. п.) в заданном объеме блока. Чтобы определить факторы, влияющие на габариты и
конструктивное построение блоков, и установить их взаимосвязь, необходимо рассмо-
треть существующие конструкции блоков. Рассмотрим разъемный и книжный вари-
анты конструкции, наиболее часто используемые в ЭС (рис. 4.2.14, 4.2.15).
С учетом требований по эксплуатационному назначению, группам, характеризую-
щим место установки (носитель) для конкретной аппаратуры (см. § 3.2.2), предусма-
тривается определенное использование элементов НК [39].

246
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.2.14. Вариант блока разъемной конструкции
Рис. 4.2.15. Вариант блока книжной конструкции ЭС
Требования по механическим воздействиям влияют на выбор зазоров между ячей-
ками с учетом деформации печатных плат ячеек элементов НК (рамки, ребра жест-
кости и т. д.), элементов крепления (приливы, кронштейны, шарниры, бобышки
и т. д.), элементов конструкции корпуса блока и элементов крепления блоков в стойке,
шкафу и т. д.
По климатическим требованиям условия эксплуатации оказывают влияние на ва-
риант исполнения корпуса блока: герметичный, негерметичный. Повышение требо-
ваний по механическим и климатическим воздействиям на аппаратуру приводит к
увеличению вспомогательного объема блока, что, в свою очередь, влечет за собой уве-
личение полного объема блока.
Следующим основным фактором, влияющим на габариты блоков, является при-
меняемая элементная база и число элементов, размещаемых в блоке. Широкое раз-
нообразие разработанных и серийно выпускаемых отечественных и зарубежных ИМС
различной степени интеграции в сочетании с микросборками позволяет даже при
значительном увеличении числа элементов в принципиальной электрической схеме
блоков сокращать их габариты, что достигается повышением плотности компоновки
элементов. Дальнейшее увеличение степени интеграции ИМС позволяет создавать со-
вершенное по своим тактико-техническим и экономическим характеристикам ЭС.
Элементы электрических соединений в блоках влияют на размеры зон электриче-
ской коммутации, которые разделяются на внутриблочные и межблочные. Внутри-
блочная зона образуется элементами электрической коммутации между ячейками
внутри блока, межблочная — элементами электрической коммутации между блоками

Глава 42. Разработка конструкции электронных средств
247
в шкафу, стойке, пульте и т. д., с учетом объемов, занимаемых частью межблочных
электрических соединителей, входящих в полный объем блоков. Межблочные элек-
трические соединения могут осуществляться: жгутовыми соединениями с помощью
объемных проводов, разъемами, соединителями и гибкими шлейфами или гибкими
кабелями и коммутационной печатной платой.
Электрические соединители в ячейках занимают в блоках зону, равную 25-35 мм,
что увеличивает одну из сторон блока в зависимости от выбранного варианта компо-
новки. Жгутовые соединения, гибкие печатные и коммутационные платы увеличи-
вают габариты корпуса блока на 15-20 мм в двух взаимно перпендикулярных направ-
лениях. Для обеспечения в блоках ЭС нормального теплового режима применяются
различные системы охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды,
максимально допустимой температуры ЭРИ, варианта исполнения корпуса блока (гер-
метичный, негерметичный) и варианта конструкции и компоновки ячеек в блоке.
Воздушная система охлаждения при естественной конвекции вызывает необходи-
мость выполнения зазоров между ячейками 6-8 мм для обеспечения нормального те-
плового режима внутри блока. Воздушная система охлаждения с принудительным
охлаждением позволяет уменьшить зазоры между ячейками до 2 мм, однако вызывает
увеличение объема блока на 10-15 % за счет установки вентилятора или воздуховодов.
В сочетании с перечисленными системами охлаждения применяются кондуктивные
теплостоки, т. е. вводятся радиаторы, теплоотводящие шины, тепловые трубки, оре-
брение корпусов блоков и т. д., что также увеличивает габариты блоков (на 20-25 %)
и влияет на размеры их НК. Метод изготовления элементов НК блоков (штамповка,
литье, прессование, механическая обработка) влияет на их габариты. Особое внимание
следует обратить на габариты блоков и конструктивное исполнение вариантов ком-
поновки ячеек и зоны внутриблочной электрической коммутации в полезном объеме
блока (рис. 4.2.16) [41].
Рис. 4.2.16. Схемы блоков: L,H,B — длина, высота и ширина блока; Lk, Hk,
Bk — части блока, занимаемые элементами внутриблочного электрического
соединителя (коммутации)

248
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Как видно из рисунка, полезный объем блока можно условно представить в виде
двух объемов: объема Уъ занимаемого функциональными ячейками, и объема V2, за-
нимаемого под элементы электрического соединения и их электрический монтаж.
Для рассматриваемых вариантов I и II компоновки эти объемы можно выразить
следующим образом:
для вариантов III и IV:
для вариантов V и VI:
(4.2.1)
(4.2.2)
(4.2.3)
где Ля — шаг установки ячеек.
При рассмотрении вариантов компоновки I, III-V следует отметить, что для книж-
ных конструкций предпочтительнее варианты IV и V, так как данные конструкции
должны иметь относительно небольшое число печатных плат (ячеек) по сравнению с
разъемными конструкциями, что связано с невозможностью получения достаточной
раскрываемости ячеек. При естественной конвекции для блоков разъемной конструк-
ции применяют вариант компоновки III. При необходимости использования принуди-
тельного охлаждения в разъемных конструкциях применяется вариант компоновки I.
При естественной конвекции в книжных конструкциях используются варианты ком-
поновки IV и V. Эти варианты могут быть использованы и при необходимости прину-
дительного охлаждения с условием установки вентилятора на заднюю или лицевую
Однако практика конструирования блоков ЭС показала, что варианты компоновки
II и VI не применяются, так как имеют очень плохие условия как для естественной
конвекции, так и при принудительном охлаждении из-за перекрытия зоны прохожде-
ния потока воздуха внутри блока.
Варианты компоновки I и III позволяют установить значительно большее число
ячеек по сравнению с вариантами IV, V. С учетом условия (4.2.4) это следует из нера-
венства
Отсюда получаем следующие неравенства:
Из рассмотрения формул (4.2.1)-(4.2.2) видно, что наиболее рационально исполь-
зовать варианты компоновки V и VI и наименее рационально варианты I, II, поскольку
в блоках ЭС, как правило,

Глава 42, Разработка конструкции электронных средств
249
панель блока для варианта IV, и при обеспечении воздушного потока снизу для вари-
анта V.
Как отмечалось ранее, на выбор варианта компоновки оказывает влияние необходи-
мое число выходных контактов с печатной платы ячейки. С этой точки зрения для разъ-
емной конструкции предпочтительным является вариант компоновки I и для книжной
конструкции вариант компоновки IV. Но, как видно из условий (4.2.5) и (4.2.6), при
использовании вариантов компоновки I и IV уменьшается полезный объем, поэтому на
данном этапе проектирования блоков ЭС следует идти на компромисс.
Следующим фактором, влияющим на выбор варианта компоновки блока, является
соотношение его линейных размеров: длины, ширины и высоты. В качестве примера
можно указать, что книжные конструкции, выполненные по варианту компоновки V,
имеют максимальную плотность компоновки элементов в блоке, но в этом варианте
недостаточно рациональное соотношение сторон печатной платы ячейки приводит к
определенным трудностям при проектировании печатного монтажа. Поэтому печатные
проводники на плате становятся длинными, что ведет к увеличению паразитных емко-
стей и шага установки ИС на печатной плате по сравнению с вариантом компоновки IV.
Минимальная ширина блоков книжных конструкций должна быть не менее 120 мм.
Для блоков разъемных конструкций минимальные размеры высоты и ширины блоков
должны быть: для варианта компоновки I: Hmin> 180 мм; £min> 120 мм; для варианта
компоновки III: ЯпцП < 180 мм; Bmin< 180 мм.
Таким образом, все рассмотренные факторы влияют на выбор варианта конструк-
ции блоков и, соответственно, на его габариты. И правильность выбранной конструк-
ции в процессе эскизной проработки должна определяться комплексом абсолютных
(объем, масса блока, надежность и т. д.) и относительных (коэффициент использова-
ния полезной площади, объема, массы и т. п.) конструктивных показателей, а также
коэффициента плотности упаковки.
Как уже отмечалось выше, конструкции ячеек предусматривают возможность
установки их в различных видах аппаратуры, обеспечивая при этом необходимое тре-
бование по габаритным, установочным и присоединительным размерам, а также по
условиям эксплуатации. Выполнение требований, предъявляемых к блокам в отноше-
нии их конструктивного исполнения, габаритов и других параметров, учитывающих
внешние воздействия (климатические, механические и др.), обеспечивает возможно-
сти создания аппаратуры с межвидовой унификацией на уровне блоков. Существуют
все основные предпосылки для создания конструкций, отвечающих требованиям меж-
видовой унификации на уровне блоков для различных видов аппаратуры. В основу
унифицированной БНК 2 уровня заложена универсальная часть корпуса, применяе-
мая в блоках всех видов аппаратуры [39].
Это направление обеспечивает дальнейшую возможность повышения технологич-
ности ЭС, сокращение сроков ее проектирования и освоения в серийном производстве.
Как и при классификации ячеек, для возможности кодирования БНК2 принята услов-
ная классификация, приведенная на рис. 4.2.17.
Такая классификация предназначена для кодирования конструкций блоков или,
как принято их называть, базовых несущих конструкций, которые при соответству-
ющем их описании могут быть заложены в банк исходных данных, что обеспечивает
возможность их выбора в зависимости от вида аппаратуры при автоматизированном
проектировании на уровне блоков.
Классификация понятий типа и типоразмера конструкции аналогична классифи-
кации, введенной для ячеек. В случае принадлежности БНК второго уровня к опреде-
ленному виду аппаратуры в условной классификации рис. 4.2.17 вместо БУ принима-
ется обозначение Б1, Б2 и т. д.

250
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Б У X XX X
Модификация конструкции
передней панели корпуса блока
Типоразмер корпуса блока
Тип конструкции корпуса блока
Унифицированный корпус блока
Корпус блока
Рис. 4.2.17. Условная классификация БНК второго уровня
Вопросы для контроля
1. Как производится рациональный выбор формы блоков?
2. Как производится рациональный выбор профилей несущих конструкций?
3. За счет чего производится снижение массы несущих конструкций?
4. За счет чего достигается оптимальная жесткость деталей?
5. Что собой представляют направляющие в несущих конструкциях?
6. Классификация направляющих в несущих конструкциях?
7. Какие требования предъявляются к компоновке блоков ЭС?
8. Какие существуют основные компоновочные схемы?
9. Понятие базовых несущих конструкций и их классификация?

Глава 4.3
ЭРГОНОМИКА И ДИЗАЙН ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
4.3.1. Влияние требований эргономики и технической эстетики на ЭС
Если при совместной работе параметры машины не соответствуют параметрам че-
ловека, то повышается его утомляемость, растет число ошибок и травм.
Установлением взаимосвязи параметров человека и машины занимается эргоно-
мика (от греч. ergon — работа, nomos — закон) и ее раздел — инженерная психология.
Эргономика — научная дисциплина, комплексно изучающая человека (группу лю-
дей) в конкретных условиях его (их) деятельности, связанной с использованием ма-
шин (технических средств). Человек, машина и среда рассматриваются в эргономике
как сложное, функциональное целое, в котором ведущая роль принадлежит человеку.
Инженерная психология — отрасль науки, изучающая деятельность человека в си-
стеме управления и контроля, его информационное взаимодействие с техническими
устройствами этих систем. Объектом изучения инженерной психологии, в частности,
являются сенсорный вход (органы чувств), моторный выход (двигательный аппарат)
человека-оператора, процессы переработки информации в нормальных и критических
условиях его жизнедеятельности.
Вопросами реализации требований эргономики художественными средствами за-
нимается другая отрасль науки — дизайн, иногда называемый технической эстетикой
(от греч. aistheticos — чувствующий). Под дизайном (от англ. design — замысел, рису-
нок, проект) понимаются различные виды проектировочной деятельности, имеющие
целью формирование эстетических и функциональных качеств предметной среды. За
рубежом распространено мнение, что главная задача дизайна — создание вещей, кото-
рые легко было бы продавать.
Техническая эстетика рассматривает основополагающие методы и принципы худо-
жественного конструирования, проблемы стиля и мастерства. Требования инженерной
психологии и технической эстетики учитывались и при конструировании ЭС первых
поколений. Особенностью конструирования современных ЭС является усиление этих
требований ввиду широкого использования в конструкции ЭС пластмасс, дающих кон-
структору большую Свободу выбора цвета и формы изделия; все большей зависимости
внешнего вида и габаритов ЭС от элементов управления и индикации (ввиду уменьше-
ния размеров панели управления); возрастания требований к внешнему виду; выпуска
ЭС с учетом требований всех пользователей.

252
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Эргономические показатели конструкции делятся на:
• гигиенические (освещенность, вентилируемость, температура, напряженность
электрического и магнитного полей, токсичность, шум, вибрация);
• антропометрические (соответствие конструкции изделия размерам и форме тела
человека и его частей, входящих в контакт с изделием);
• физиологические и психофизиологические (соответствие конструкции изделия
силовым, скоростным, зрительным возможностям человека);
• психологические (соответствие конструкции изделия возможностям восприя-
тия и переработки информации, закрепленным и вновь формируемым навыкам
человека).
4.3.2. Основные характеристики человека-оператора
Эргономические показатели человека служат для оценки согласованности его воз-
можностей с требованиями, обусловленными особенностями техники и средой оби-
тания. Обычно человек выполняет свои функции на рабочем месте, под которым по-
нимается зона, оснащенная необходимыми техническими средствами. Рабочее место
должно быть приспособлено для конкретного вида труда и для работников опреде-
ленной квалификации с учетом их антропометрических, физиологических, психофи-
зиологических и психологических возможностей и особенностей. Надежность работы
операторов в значительной степени зависит от оптимальных значений гигиенических
показателей (параметров) окружающей среды.
Между комфортными и некомфортными условиями существует психологическая
граница, а между некомфортными и невыносимыми — физиологическая граница.
К антропометрическим показателям человека-оператора относятся геометрические
пропорции его тела, которые необходимо учитывать при конструировании пультов
управления ЭС. Антропометрические показатели определяют положение элементов
индикации и управления, размеры пульта, размеры и форму рабочего кресла. Учет
формы и размеров человеческого тела особенно актуальны при проектировании сиде-
ний, когда выбираются форма и профиль сиденья, спинки, подлокотников. Антропо-
метрические показатели изменяются во времени и различаются в зависимости от пола,
возраста, профессии, национальности человека-оператора [43-45].
К физиологическим показателям относятся силовые параметры различных органов
движения человека.
К психофизиологическим показателям относятся скорость и темп движений ча-
стей тела, характеристики зрения. Эти показатели необходимо учитывать при выборе
конструкции элементов управления (ручек, кнопок, тумблеров и т. д.), элементов ин-
дикации (цифровых табло и пр.). Так, среднее время вращательного движения руки с
преодолением сопротивления составляет 0,72 с, а без преодоления сопротивления —
0,22 с.
К психологическим относится показатель соответствия изделия возможностям вос-
приятия и переработки информации человеком, а также вновь формируемым навы-
кам. Восприятие и переработка информации зависят от психологических возможно-
стей человека и нервно-психической напряженности работы.
При большой нервно-психической напряженности работы особое внимание должно
быть обращено на концентрацию внимания, должны быть сведены к минимуму отвле-
чения оператора и обеспечены наилучшие условия восприятия и переработки инфор-
мации, реализации исполнительных функций (выдачи управляющих команд).
При проектировании системы «человек-машина» необходимо учитывать взаимное
влияние человека и машины при оценке точности системы. Неправильно выбранная

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
253
конструкция уменьшает точность работы оператора; от неквалифицированного опера-
тора нельзя получить высокую точность работы системы «человек-машина» даже при
совершенной конструкции машины. Однако влияние ошибок оператора на точность
системы сильнее, чем влияние несовершенства конструкции ЭС. При эргономическом
обосновании рабочего места человека-оператора используются государственные и от-
раслевые стандарты.
Характеристики зрения
Пожалуй, самыми важными психофизиологическими показателями человека яв-
ляются характеристики зрения. Это обусловлено тем, что с помощью зрения человек
получает 80ч...90 % всей информации. Как мы можем видеть из кривой чувствительно-
сти (рис. 4.3.1), глаз способен воспринимать свет на длинах волн примерно от 400 нм
до 760 нм.
Фиолетовый
Голубой
Зеленый
Желтый
Оранжевый
Красный
Цвет
Рис. 4.3.1. Относительная чувствительность глаза для дневного
и сумеречного зрения
В условиях адаптации к темноте глаз может также немного видеть инфракрасный
свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый свет с длиной волны не меньше
300 нм. Границы частотного диапазона видимого света, а также сама форма кривой
видимости человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволю-
ции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом,
а также к условиям сумеречного и ночного освещения. Действительно, было бы биоло-
гически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с
длинами волн короче 290 нм, так как из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли,
поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверх-
ности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм. С другой стороны, из-за
теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному из-
лучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

254
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Цвет (рис. 4.3.2) ассоциируется у человека с понятием тепла и холода, приближе-
ния и отдаления, легкости и тяжести. Цвета, находящиеся на противоположных сто-
ронах цветового круга, называются взаимодополняющими (например, красный и зе-
леный). Разные цвета оказывают разное физиологическое воздействие. Кроме цвета,
глаз реагирует на яркость и контраст.
Светлота 4
цвета
Желтый
Оранжевый
Красный
Фиолетовый
Белый
Желто-зеленый
Зеленый
Насыщенность
цвета
Голубой
Черный
Темные g
цвета %
Теплые выступающие
цвета
g Светлые
£ цвета
ф
Холодные выступающие
цвета
Рис. 4.3.2. Цвет и его восприятие: а — цветовое тело; б — цветовой круг;
1-8 — светлота цвета (8 — минимальная светлота)
Яркость — это такая характеристика зрительного раздражителя, которая непо-
средственно оценивается глазом. Диапазон яркостей, при котором возможна работа
глаза, очень широк: от 10~4 до 108 кд/м2. Оптимальная яркость фона, при которой

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
255
отмечается наибольшая разрешающая способность зрения, составляет кд/м2. Для вос-
приятия необходима не только оптимальная яркость, но и оптимальное соотношение
яркостей предметов — контраст. Рекомендуются следующие соотношения яркостей:
2:1 — между рабочим полем и ближним фоном; 10:1 — между рабочим полем и даль-
ним фоном; 50 : 1 — между самым светлым и самым темным пятнами, попадающими
в поле зрения [43-45].
Точное восприятие цвета зависит от контрастности к цветовому фону. Наибольшей
разрешающей способностью по цвету отличаются следующие комбинации при воспри-
ятии знаков: синий на белом, черный на желтом, зеленый на белом, черный на белом,
зеленый на красном, красный на желтом. Восприятие изображения глазом — процесс
не просто физический (оптический), а более сложный — психофизиологический.
Реакция глаз характеризуется полем зрения, скоростью ориентации в поле зрения,
остротой зрения, аккомодацией, адаптацией, стробоскопичностью, стереоскопично-
стью. Поле зрения обоих глаз, при котором обеспечивается правильное восприятие
предметов, иллюстрирует рис. 4.3.3.
Рис. 4.3.3. Поле зрения человека и зона доступности элементов управления
и индикации: R — радиус, определяющий границы зоны доступности руками
человека-оператора

256
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Острота зрения определяется способностью глаза различать детали предметов, ха-
рактеризуется угловыми единицами и зависит от работающей области глаза, освещен-
ности и подвижности предмета. Разрешающая способность зрения иллюстрируется,
а рекомендуемый размер знаков устройств индикации.
Аккомодация — это способность глаза приспосабливаться к ясному видению пред-
метов, находящихся от него на различном расстоянии. С возрастом аккомодация глаз
понижается. Например, если в возрасте 20 лет среднее минимальное фокусное рассто-
яние равно 10 см, то у 60-летнего человека оно равно 1 м.
Скорость ориентации в поле зрения проявляется при наблюдении предметов, рас-
положенных на различных расстояниях от наблюдателя. Например, требуется от 0,6
до 1,2 с для четкого различения предметов, если расстояние до них меняется от 0,1
до 0,5 м.
Адаптация — это изменение чувствительности глаза под воздействием раздражите-
лей. Процесс приспособления глаза к темноте называется темновой адаптацией. При
переходе из светлого помещения в темное и через час пребывания в темноте чувстви-
тельность глаз увеличивается в 200 тыс. раз. Для адаптации к темноте требуется при-
мерно 20 мин. Однако, взглянув на яркий источник света, человек уже через 5...6 с мо-
жет в темноте различить предметы.
Стробоскопичность глаз обусловлена задержкой в восприятии информации. Если
информация поступает чаще, чем она может восприниматься, то отдельные ее порции
становятся неразличимыми. Глаз различает до 15...20 мерцаний в секунду. Меньшая
скорость мерцаний фиксируется глазом как отдельные вспышки, большая — как не-
прерывный свет. Мерцание изображения утомляет глаза.
Стереоскопичность глаз проявляется в том, что человек воспринимает две отдель-
ные картины, хотя при этом может действовать только одно световое раздражение.
Стереоскопическое изображение имеет «порог глубины», соответствующий биноку-
лярному параллаксу 5 угл. с. Радиус стереоскопического зрения 1 350...2 600 м.
Тактильная чувствительность человека — это способность воспринимать механи-
ческие раздражения кожи. При легком касании предмета появляется чувство при-
косновения, а при более сильном — чувство давления. Тактильная чувствительность
обеспечивает распознавание оператором элементов управления по форме и размерам
наощупь.
Большое значение при проектировании рабочего места имеет учет времени реак-
ции (латентный период) того или иного органа восприятия сигналов. При увеличении
уровня сигнала (х) время реакции может уменьшиться в несколько раз. При этом не-
обходимо учитывать, что ощущение человека усиливается пропорционально не аб-
солютному, а относительному приросту уровня сигнала. Для света отношение; для
звука — 0,1. При одновременном воздействии по нескольким каналам (звук, свет, дав-
ление, запах и т. д.) скорость реакции увеличивается.
4.3.3. Художественное оформление конструкции ЭС
Алгоритм художественного конструирования ЭС представлен на рис. 4.3.4. При
разработке внешнего оформления конструкции ЭС наиболее важно учесть различные
ограничения (социально-экономические, эргономические, конструктивные, техноло-
гические), а также факторы технической эстетики, влияющие на конструкцию через
субъективные особенности художника-конструктора (знания в области технической
эстетики, эргономики, конструирования электронной аппаратуры, технологических,
художественных возможностей производства, социальных проблем и т. д.) [43-45].

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
257
Ограничения на композицию ЭС
Социально
экономические
Эргономические
Конструктивные
Технологические
Композиция
Красота (форма)/
польза (содержание)
Субъективные особенности
художника-конструктора
Конструкторская
документация
Объективные факторы технической эстетики
Средства
композиции
Способы
композиции
Категории
композиции
Рис. 4.3.4. Алгоритм художественного конструирования
Художник-конструктор, используя объективные факторы технической эстетики
и учитывая различные ограничения, синтезирует художественное оформление кон-
струкции. Оценивая результаты очередного шага конструирования, он может перейти
к другому варианту или остановиться на последнем и выпустить конструкторскую до-
кументацию на художественное оформление. В ряде случаев художник-конструктор
может влиять на изменение ограничений, например, настоять на изменении способов
отделки, схемы компоновки конструкции.
К социально-экономическим факторам относятся: обеспечение общественно-не-
обходимых потребностей, ориентация на конкретную группу потребителей, устране-
ние дублирования функций в различных устройствах (радиоприемник, магнитола),
унификация, экономия материальных и трудовых ресурсов, конкурентоспособность,
обеспечение сбыта, патентоспособность. Художественное оформление, например, ра-
диоприемника, зависит от его назначения — связная аппаратура, бытовая аппаратура
индивидуального или коллективного пользования. При художественном конструиро-
вании обязательно должна учитываться социальная группа потребителей: женщины,
космонавты, военнослужащие, врачи, дети и т. д.
Патентованию подлежит промышленный образец, который признается новым
художественно-конструкторским решением изделия, определяющим его внешний
вид, соответствующим требованиям технической эстетики, пригодным к изготовле-
нию промышленным способом и дающим положительный эффект.
Художественно-конструкторское решение признается новым, если по совокупности
своих существенных признаков оно отличается от аналогичных решений, известных в
России или за рубежом, и не раскрыто на дату приоритета заявки для неопределен-
ного круга лиц настолько, что стало возможным его осуществление. Художественно-
конструкторское решение признается соответствующим требованиям технической
эстетики, если оно обладает художественной и информационной выразительностью,
целостностью композиции, рациональностью формы (удовлетворяет эксплуатацион-
ным, конструктивным и технологическим требованиям, соответствует требованиям
эргономики).

258
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Положительный эффект может быть экономическим (экономия материала и др.),
техническим (упрощение конструкции или технологии и т. д.) либо каким-то иным
(повышение комфортности, улучшение техники безопасности и т. д.). Качество худо-
жественного оформления ЭС (его композиции) характеризуется соотношением красоты
и пользы (формы и содержания), т. е. гармоничностью (от греч. harmonia — связь); это
стройность, соразмерность частей; слияние различных компонентов объекта в гармо-
ничное целое (изделие).
4.3.3.1. Основы композиции
Композиция (от лат. compositia — составление, расположение, сочинение) опреде-
ляет взаимосвязь важнейших элементов конструкции художественного произведения
и выражает замысел автора. Итальянский мыслитель эпохи Раннего Возрождения
Леон Баттиста Альберти писал: «Красота (синоним прекрасного) есть строгая сораз-
мерная гармония всех частей, объединенных тем, чему они принадлежат, — такая,
что ни прибавить, ни убавить, ни изменить ничего нельзя, не сделав хуже...». Красота
характеризуется рядом частных показателей, к которым относятся гармоничность,
выразительность, оригинальность, стилевое единство, современность стиля. Все эти
критерии взаимосвязаны и носят качественный характер, что затрудняет объектив-
ность оценки [43-45].
Гармоничность — свойство формы конструкции быть органично согласованной с эле-
ментами формы, что достигается определенным соотношением размеров, форм, ярко-
сти, цвета, расположения отдельных элементов. Требование гармоничности включает в
себя требование согласованности с помещением, где располагается конструкция.
Выразительность — способность конструкции своим внешним видом наглядно
отображать качество, обеспечивая соответствующее эстетическое восприятие. Вы-
разительности добиваются с помощью таких способов и средств композиции, как це-
лостность формы, композиционное равновесие, взаимодействие конструкции и про-
странства.
Оригинальность — совокупность своеобразных элементов формы и их отношений,
позволяющая отличить данную конструкцию от однотипных. Это понятие предпола-
гает наличие национальных, отраслевых, фирменных признаков.
Стиль — это устойчивая общность формально-художественных средств, отражаю-
щая исторически сложившиеся социально-экономические и идейно-эстетические
принципы и художественно-конструкторские методы и средства их воплощения. Из-
вестно много стилей: античный (классический), готический, возрождения, рококо,
барокко, русский классический и т. д. Ведущими принципами современного стиля
являются предельная общественная целесообразность, гуманность (все для человека!),
демократизм (все для народа!), общий мажорный тон, чистота, ясность, изящество.
Современность стиля означает согласованность между общим стилем конструкции
и лучшими образцами мировой культуры.
Мода (в отличие от стиля) представляет собой менее устойчивую общность назван-
ных методов и средств.
Польза изделия заключается в удовлетворении социально-экономических потреб-
ностей определенной группы пользователей, а также в удобстве пользования изделием
(утилитарности).
Форма в художественном конструировании рассматривается как сложное ком-
плексное явление. Это система материальной организации предметов (объемно-про-
странственной, фактурно-цветовой, конструктивно-технологической и т. д.). Форма
отражает все качества конструкции: технологичность, рациональность компоновки,
удобство эксплуатации и обслуживания, эстетическую выразительность и т. д. Она

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
259
обладает рядом свойств: объемно-пространственной структурой, геометричностью
строения (поверхности, грани, ребра, точки), весомостью, прочностью, массивно-
стью, плотностью, динамичностью, цветовым и световым колоритом. Зная эти свой-
ства, можно с помощью контраста создать максимально выразительное изделие.
Одной из важнейших характеристик формы является ее целостность, определяющая
возможность мгновенной оценки структуры и качества изделия. Из потока неупоря-
доченной информации человек может воспринять за секунду не более 3...5 бит. Это
значит, что число членений формы должно быть не более 8...32 (23...25). При приеме
организованной (осмысленной) информации человек может воспринять за секунду
15...20 (до 50) бит. Важнейшей характеристикой формы является ее утилитарность
[43-45].
4.3.3.2. Категории композиции
Категории композиции являются (табл. 4.3.1) наиболее общими факторами техни-
ческой эстетики. Подобно любой научной дисциплине, теория композиции базируется
на категориях (тектоника, объемно-пространственная структура, цветовая гармония),
отражающих наиболее существенные связи и отношения формы. Эти категории обра-
зуются с помощью способов и средств композиции.
Таблица 4.3.1
Взаимосвязь средств, способов, категорий и критериев композиции
Средство
| Форма частей и целого
|Цвет
Взаимное расположение
1 Масштаб
| Пропорции
|Ритм
Симметрия / асимме-
трия
Взаимодействие объема
| и пространства
Распределение масс
частей относительно
центра композиции
Пропорции
Масштаб
1 Форма
Цвет
Взаимное расположение
Пропорции
Масштаб
Способ
Выделение ведущего при-
знака (повторение большого
в малом, выделение компо-
зиционного центра, сопод-
чиненность, соразмерность,
расчлененность)
Зрительное композицион-
ное равновесие
Контраст
Категория
Тектоника. Объ-
емно-простран-
ственная струк-
тура. Цветовая
гармония
Критерий
Красота / польза
(форма / содер-
жание). Гармо-
ничность. Вы-
разительность
(целостность фор-
мы). Оригиналь-
ность. Стилевое
единство. Совре-
менность стиля.
Утилитарность

260
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 4.3.1
Средство
Тон
Фактура
Пластика
Светотень
Ритм
Симметрия / асимме-
трия
Взаимодействие объема
и пространства
Способ
Нюанс
Статика / динамика
Категория
Критерий
Тектоника есть зримое отображение работы конструкции и материала в форме, т.е.
связь формы и содержания. Например, говорят о тектонике штампованной, прессо-
ванной, литой, деревянной конструкции.
Объемно-пространственная структура характеризует взаимодействие формы и ее
элементов между собой и с окружающим пространством. Инженер часто взаимодей-
ствие изделия и пространства просто не учитывает.
Различают следующие конструкции:
• плоскую (фронтальную);
• объемную;
• глубинно-пространственную.
Типичный пример плоской конструкции — лицевые панели, характерным призна-
ком которых является взаимное расположение элементов плоской и пространственной
формы по двум координатам. Объемную конструкцию представляет форма изделия
в целом, которая характеризуется распределением объемов и масс по трем координа-
там. Все три измерения в композиционном отношении одинаково важны. Глубинно-
пространственная структура учитывает размещение одних объектов среди других объ-
ектов комплекса и достигается с помощью выбора пропорций и масштаба.
Важная категория композиции — цветовая гармония; она реализуется с учетом
требований эргономических характеристик зрения. Умело сочетая те или иные цвета,
можно создать впечатление легкости и тяжести, холода и тепла, простора и тесноты,
выступления и отступления элементов и узлов изделия. Цвет необходим для выделе-
ния нужных деталей (наиболее важных клавиш, элементов, находящихся под высо-
ким напряжением и т. д.).
Цвет является средством эстетического воздействия, влияет на настроение, подни-
мая и понижая эмоциональный тонус, вызывая творческий подъем. С помощью цвета
можно акцентировать нужные элементы формы или композиционно ослабить их, со-
подчинить и в известной мере объединить, когда необходимо «собрать» элементы
структуры, которые не поддаются иным приемам соподчинения. Правильное приме-
нение цвета повышает конкурентоспособность изделия. Хотя существуют объектив-
ные закономерности композиции, но цвет — одно из самых субъективных средств
композиции. >
Особенно тщательно должны быть продуманы цветовые контрасты, ибо излишний
контраст может нарушить целостность формы. Для ЭС наиболее целесообразно приме-

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
261
нять гармонирующие оттенки одного и того же цвета (например, черный, темно-серый,
светло-серый или песочный, бежевый, оливковый и т. д.). Это не исключает примене-
ния при необходимости контрастирующих цветов: красного — для сигнализации об
аварийном режиме, зеленого — для маломощных элементов индикации, обозначения
трубопроводов с водой и т. д.
4.3.3.3. Средства композиции
К средствам композиции относят форму частей и целого, их цвет, тон, взаимное рас-
положение частей, ритм чередования, симметрию/асимметрию, пропорциональность,
масштабность, фактуру, пластику, светотень, взаимодействие объема и пространства
и т. д. Различные способы композиции получают, комбинируя различные средства
композиции. К способам композиции можно отнести выделение ведущего признака,
комцозиционное равновесие, контраст, нюанс, статику/динамику [45]. Рассмотрим
средства композиции.
Ритм — средство, обеспечивающее выделение и связь элементов формы путем их
повторения, чередования, нарастания, убывания. Сущность всякого ритма заключа-
ется в ассоциации с движением (равномерным или ускоренным). Ритм простейшего
вида называется метром и достигается равномерным размещением элементов (линий,
клавиш, знаков и т. д.). Ритм сообщает конструкции статическое или динамическое
выражение, он способствует ее более четкому зрительному восприятию. Метр ассоции-
руется с равномерным движением. Динамичности достигают, например, изменяя шаг,
толщину или одновременно шаг и толщину линий (см. рис. 4.3.5, а), а также вводя
кривые линии с изменяющейся кривизной (рис. 4.3.5, б). Линии, имеющие меньший
радиус кривизны, отражают более напряженный (динамичный) ритм.
Рис. 4.3.5. Организация ритма вариацией шага и толщины линий (а), изме-
нением крутизны кривой (б): 1 — ритм проявляется только в закономерном
сокращении стороны квадратов; 2 — активность ритма возрастает с убыва-
нием толщины решетки к центру; 3 — предельно активен ритм при одновре-
менном изменении промежутков и толщины; 4 — ритм нарушен вследствие
изменения интервала при неизменной толщине решетки

262 Конструирование узлов и устройств электронных средств
.—(
Симметрия — организация элементов конструкции, основанная на правильном их
размещении относительно центра или оси. Конструкции, не обладающие симметрией,
называются асимметричными. В сознании человека симметрия ассоциируется со ста-
тичностью (равновесием), что способствует уменьшению утомляемости. Различают от-
носительную симметрию (рис. 4.3.6, а), когда относительно оси или плоскости урав-
новешиваются элементы примерно одинакового качества (по форме, размеру, цвету),
и контрастную симметрию (рис. 4.3.6, б), когда уравновешивание выполняется уста-
новлением соотношения величины и взаимного положения различных форм: осевую
(ромашка), винтовую (улитка); орнаментальную и т. д. Симметрия способствует выяв-
лению главного в композиции, предопределяя его направленность к центру, оси сим-
метрии, плоскости симметрии.
Рис. 4.3.6. Виды симметрии: а — относительная (зеркальная);
б — контрастная
Среди «классических» средств композиции на первое место можно поставить
пропорции как по степени важности того качества, которое достигается с их помо-
щью (пропорциональность), так и с точки зрения их возможностей при организации
формы.
Пропорциональность — соразмерность частей и форм между собой, а также между
собой и целым. От удачно найденного соотношения частей изделия в значительной сте-
пени зависят композиционная целостность и гармоничность всего изделия. В основе
пропорциональности лежат закономерности роста: органического (растения, живот-
ные) и неорганического (кристаллы). Так, закономерность органического роста на-
ходит отражение в динамике так называемого «золотого» сечения (рис. 4.3.7). С ис-
пользованием этого соотношения были созданы многие замечательные памятники
культуры. Размеры гармонично развитого человека отвечают соотношению «золо-
того» сечения (рис. 4.3.7, а). Законы неорганического роста выражают покой. Иссле-
дователи объясняют сущность пропорций, исходя из законов механики, рациональ-
ного строения и зрительного восприятия форм природы и человеческого тела, равно
как и других особенностей и условий формообразования. При определении пропорцио-
нальных соотношений в промышленности находят широкое применение ряды предпо-
чтительных чисел (Р5, Р10, Р20, Р40) и ряды нормальных размеров (Раб, РаЮ, Ра20,
Ра40), построенные на основе геометрической прогрессии. Большое распространение в
технике получили пропорции, связанные с соотношением сторон или площадей 1:2;

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
263
2 : 3 и т. д. С помощью пропорций реализуется такой важный способ композиции, как
соподчиненность форм. Пропорции тесно связаны с другими средствами — контра-
стом, нюансом, масштабом и т. д. «Человек есть мера всех вещей» — эти слова, вы-
сеченные на мраморе одного из Дельфийских храмов, афористически точцо выражают
сущность масштабности предметного мира — всего, что человек создает для себя [45].
б
Рис. 4.3.7. «Золотое» сечение: а — в соответствии с размерами человеческого
тела; б — геометрическое соотношение
Масштабность — зрительно-пространственная характеристика размеров конструк-
ции изделия. Истоки масштабности в закономерном строении форм природы, где вся-
кому изменению количественных признаков организмов соответствуют изменения

264
Конструирование узлов и устройств электронных средств
качественных особенностей формы. В основе масштабности лежит отношение части к
целому, изделия в целом и его частей — к окружающим предметам, к размерам чело-
века.
Масштабность — относительная характеристика. Характер масштабности обуслов-
лен степенью расчлененности, деталировкой формы. Части человеческого тела ранее
являлись основой всех измерений (фут, дюйм, пядь, ладонь, аршин, сажень, локоть
и т. д.). Метрическая система не связана с размерами человеческого тела. Поэтому для
получения гармоничного изделия необходимо использовать масштаб, позволяющий
сопоставить размеры изделий с размерами человеческого тела. В ЭС масштабные ха-
рактеристики связаны с деталями, размеры которых обусловлены техническими и эр-
гономическими требованиями. Например, клавиши, кнопки имеют относительно по-
стоянные размеры независимо от размеров изделия. Такие элементы носят название
указателей масштаба. На масштабное восприятие формы изделия оказывают влияние
зрительные иллюзии. Так, вертикальные формы кажутся больше равных им гори-
зонтальных форм (рис. 4.3.8, а), кажущаяся разница может достигать 35 %. Светлые
предметы кажутся крупнее темных (рис. 4.3.8). Большую роль единство масштаба
играет в условиях, когда от человека зависит надежность всей системы, например, при
управлении полетом самолета. В этом случае использование индикаторов со шкалами
разного размера абсолютно недопустимо. То же относится и к оформлению пульта
управления ЭС.
Рис. 4.3.8. Кажущаяся длина вертикальных и горизонтальных линий (а)
и кажущаяся площадь темного квадрата на светлом фоне и светлого
квадрата на темном (б)
Фактура и пластика служат для создания нюансных способов отделки, фактура —
для создания тонких контрастов, например, противопоставление матовой и полиро-
ванной поверхности одного и того же материала.
Соотношение (взаимодействие) объема и пространства часто позволяет выделить
наиболее важные в композиционном отношении части. При необходимости сосре-

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
265
доточить на чем-либо внимание взаимодействие объема и пространства в этом месте
следует сделать более напряженным. Однако чрезмерное увеличение проникновения
пространства в объем может свести на нет роль формы, а чрезмерное проникновение объ-
ема в пространство может создать впечатление незавершенности (рис. 4.3.9, а, гу д, е)9
которое отсутствует при ограничении пространства (рис. 4.3.9, б, в).
в е
Рис. 4.З.9. Взаимосвязь объема и пространства при организации системы
из ряда стоек
Специфику таких средств, как форма частей и целого, их взаимное расположение,
целесообразно рассмотреть применительно к способам композиции, которые зани-
мают промежуточное место между средствами композиции и ее категориями. Одной
из важнейших составляющих красоты является выразительность композиции, кото-
рая, в частности, достигается путем обеспечения единства композиции (целостности
формы). Единство композиции считается важнейшим принципом художественного
конструирования, при помощи которого достигается гармония. При этом важным спо-
собом является выделение главного, ведущего признака, например, конфигурации,
геометрических размеров (повторение большого в малом), соподчиненности, компози-
ционного равновесия, соразмерности, расчлененности. Таким образом, согласно этому
принципу, ведущий признак — признак целого — должен быть присущ в той или иной
мере всем элементам композиции. Так, принцип «большое в малом» заключается в
близости элементов композиции по ведущему признаку целого.
Соподчиненность играет большую роль при обеспечении выразительности компо-
зиции и целостности формы. Быстрота восприятия композиции во многом зависит от
логичности и ясности связей пространственных элементов системы.
Зрительное равновесие композиции — это зрительная уравновешенность частей и
целого относительно пространственных осей. Рассмотрим несколько вариантов объем-
ного решения пульта управления (рис. 4.3.10).
Показателем зрительной устойчивости модели является отношение площади
основания к консольной части (рис. 4.3.10, а). Незначительное увеличение консоли
(рис. 4.3.10, б) не вызывает ее неустойчивости. На рис. 4.3.10, в, зрительное равнове-
сие пульта находится на пределе. На рис. 4.3.10, г предел равновесия уже нарушен, а на
рис. 4.3.10, д только опоры препятствуют опрокидыванию. Вариант на рис. 4.3.10, в,
более устойчив, так как задняя стенка имеет обратный наклон. Однако дальнейшее
увеличение этого наклона (рис. 4.3.10, ж) может привести к зрительному эффекту об-
ратного опрокидывания. Увеличение отрицательного наклона передней стенки также
приводит к зрительному эффекту обратного опрокидывания (рис. 4.3.10, з). Модели

266
Конструирование узлов и устройств электронных средств
рис. 4.3.10, и, ку являются зрительно устойчивыми, в модели (рис. 4.3.10, тс) устойчи-
вость достигнута благодаря вынесению части консоли назад, а в модели (рис. 4.3.10, и) —
благодаря небольшому отрицательному наклону задней стенки.
Рис. 4.3.10. Варианты построения зрительно устойчивого пульта управления
Использование соподчинения и композиционной уравновешенности тесно связано
с использованием пропорций, ритма, масштаба, симметрии, цветового колорита, кон-
траста, нюанса.
Контраст — резко выраженное противопоставление друг другу однородных эле-
ментов целого (по форме, объему, цвету, размерам, конфигурации и т. д.), которое
подчеркивает гармоничность восприятия целого. Те элементы, которые необходимо
выделить из общей совокупности, обычно имеют неповторяющуюся форму и окраши-
ваются в контрастирующие цвета. Сила и слабость контраста — в его выразительно-
сти. При чрезмерном контрасте может нарушиться целостность формы и усилиться
утомляемость оператора.
Нюанс — незначительное различие между однородными противопоставляемыми
элементами целого, позволяющее смягчить контраст. Нюанс может проявляться в про-
порциях, ритме (чередовании черных и белых полос), цветовых и тональных отноше-
ниях, пластике, построении поверхностей со сложными лекальными образующими.
Использование нюанса — это основное, что делает изделие элегантным. Любая форма,
так или иначе, взаимодействует с пространством. Упорядоченность взаимодействия
объема и пространства создает композиционную целостность формы. Чем глубже про-
странство проникает в объем, тем активнее роль пространства в композиции.
Статичность или динамичность композиции достигается благодаря использова-
нию ритма, симметрии/асимметрии, взаимодействия объема и пространства. Таким
образом, в распоряжении художника-конструктора имеется обширный набор средств
и способов технической эстетики, с помощью которых можно обеспечить эргономич-
ность конструкции ЭС и ее художественные качества. При отработке композиции ис-
пользуются государственные и отраслевые стандарты, а также рекомендации ISO.
4.3.4. Особенности внешнего оформления профессиональных ЭС
Человек-оператор при работе на профессиональных ЭС выполняет свои функции
на рабочем месте, под которым понимается зона, оснащенная необходимыми техниче-
скими средствами. При эргономическом конструировании рабочего места необходимо

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
267
учитывать: рабочую позу человека-оператора (сидя, стоя, стоя/сидя); потребность опе-
ратора в обзоре рабочего места, а также соседних рабочих мест; наличие рабочей поверх-
ности для письма, установки телефонных аппаратов, хранения документов; наличие
пространства для ног при работе сидя; конфигурацию и размеры индикаторов и органов
управления; приоритет, последовательность и темп поступающей информации; частоту
использования органов управления, их связь с элементами индикации [45].
Размеры рабочего места, его организация и утомляемость оператора зависят от
позы. Если затраты энергии при работе сидя в прямой позе принять равными единице,
то выполнение той же работы стоя требует затрат энергии в 1,6 раза больше, сидя в
наклонной позе — в 4 раза, стоя в наклонной позе — в 10 раз больше. На рис. 4.3.11, а
показано положение человека относительно пульта в сидячем положении, на
рис. 4.3.11, б — в положении сидя/стоя, на рис. 4.3.11, в — в положении стоя.
Рис. 4.3.11. Основные размеры пульта для рабочих поз человека-оператора:
а — сидя; б — стоя и сидя; в — стоя. Заштрихована зона размещения органов
управления и устройств индикации

268
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Пространство для размещения бумаги и пишущих принадлежностей должно быть
от 100 до 200 мм в глубину, если предполагается, что оператор будет делать заметки.
Для выполнения записей и установки телефона и документов этот размер следует уве-
личить до 400 мм. Основным требованием является размещение элементов индика-
ции на линии, проходящей через ось глаз в соответствии с наклоном головы оператора
(рис. 4.3.12).
Рис. 4.3.12. Положения оператора за выносным индикаторным пультом
радиолокационной станции: а — стоя; б — сидя; в — стоя и сидя
Элементы индикации и управления следует размещать в соответствии с ГОСТ
23000-78. При расположении индикаторов следует учитывать их приоритет (роль
при достижении цели; цена ошибки оператора; частота использования; срочность ис-
пользования информации; надежность работы индикаторов). Наиболее приоритетные
индикаторы располагают прямо перед оператором, менее важные — сбоку слева, еще
менее важные — сбоку справа. Следует также учитывать: идентичность информации;
логическую связь между сообщениями; совместное использование индикаторов; соот-
ветствие размещения индикаторов и технических устройств, работа которых отобра-
жается; соответствие навыкам оператора.

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
269
Чтобы облегчить обнаружение отклонения одного из параметров группы индика-
торов, их указатели в нормальном режиме следует устанавливать в одинаковом поло-
жении (рис. 4.3.13). Для концентрации внимания операторов элементы индикации
могут быть объединены в логические блоки рамкой, или их расположению может
придаваться динамический характер, например, путем сужения поля в месте макси-
мальной информативности (внизу экрана). Уменьшить габариты панелей индикации
можно, используя комбинированные (интегральные) индикаторы, совмещенные с ор-
ганами управления (светящаяся кнопка).
Рис. 4.3.14. Зоны досягаемости панели управления: а — в горизонтальной
плоскости; б — в вертикальной плоскости
Эффективность выполнения операций управления в значительной степени зависит
от конструкции органов управления и характера их размещения друг относительно
друга и относительно органов индикации. Панель органов управления имеет наклон
к горизонтальной плоскости от 15 до 3°. Органы управления должны находиться в
пределах досягаемости рук человека. На рис. 4.3.14 в горизонтальной плоскости име-
ются зоны: А1 — легкой доступности, обзор без поворота головы; А2 — максимальной
Рис. 4.3.13. Расположение указателей индикаторов для фиксации отклонения
режима от нормального (A, B,C9D — измеряемые параметры)

270
Конструирование узлов и устройств электронных средств
досягаемости; Б — сравнительно легкой доступности, обзор с поворотом головы; В, Г —
вспомогательных движений, в зоне В обзор возможен при повороте головы, в зоне Г —
при повороте туловища. Ломаная линия — возможное положение в плане трех верти-
кальных панелей одного щита или пульта. При большем числе вертикальных панелей
взаимное расположение их (в плане) может соответствовать ломаной линии, ограничи-
вающей с внешней стороны зоны А-Г.
4.3.4.1. Целостность панели управления ЭС
Целостность панели управления ЭС достигается благодаря умелому использованию
соподчиненности второстепенных элементов главным, пропорциональности и мас-
штабности. Для лицевой панели ЭС ведущим является ее фон, ведомыми — шкалы,
индикаторы, кнопки, тумблеры, переключатели, ручки и т. д. Среди ведомых можно
выделить наиболее значимые элементы. Пропорции в вертикальном направлении яв-
ляются более значимыми, чем в горизонтальном. Основным средством достижения
пропорциональности является геометрическое подобие на основе использования рядов:
арифметических (HI - Н2 = Н2 - НЗ), геометрических (HI : Н2 = Н2 : НЗ), гармониче-
ских (HI : НЗ) = (HI - Н2)/(Н2 - НЗ) и др. Пропорции, основанные на определенных
отношениях, воздействуют весьма активно как зримо воспринимаемая закономер-
ность, нарушение которой сводит на нет целостность формы. Стойка ЭС, построенная с
использованием иррациональных соотношений, представлена на рис. 4.3.15.
Рис. 4.3.15. Стойка и передняя панель, геометрические размеры которых
получены с использованием иррациональных соотношений
В обоих случаях пропорционирование заключается в увеличении размера прибора
в соответствии с иррациональными соотношениями 1/V2; 1/7з, образуемые сторонами
квадратов и их диагоналями. Одним из методов пропорционирования является исполь-
зование соразмерности всего устройства и его частей, называемых модулями. Пропор-
циональные закономерности могут быть усилены масштабированием, ритмичностью,
контрастом и нюансом. Статичности при конструировании панели ЭС достигают путем
симметричного расположения рядов клавиш и элементов индикации относительно оси
(плоскости) симметрии или контрастного симметричного расположения разногабарит-
ных и разнотоновых элементов (рис. 4.3.16).

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
271
Симметричная
композиция
Нарушение
целостности формы
Целостность формы
восстановлена
Возможное
решение
Уравновешенная
композиция
Рис. 4.3.16. Зрительное уравновешивание конструкции передней панели
прибора: 1 —разнотонные элементы (фирменные знаки, надписи)
При компоновке панели управления в целом необходимо принимать во внимание:
взаимное расположение органов индикации и управления с учетом последователь-
ности работы с ними, с тем чтобы органы зрения и управления человека двигались
в одном направлении без резких скачков и зигзагов; при работе с двумя и более руч-
ками регулировки руки оператора не должны перекрещиваться; при работе двумя
руками следует стремиться к тому, чтобы движения оператора были симметричны и
синхронны; при наличии нескольких разнесенных пультов их состав и расположение
должны быть хорошо продуманы [43].
При разработке конструкции для улучшения внешнего вида ЭС широко исполь-
зуют оптические иллюзии. Например, белые фигуры на черном фоне кажутся больше
черных фигур на белом фоне, вертикальные линии кажутся длиннее горизонтальных,
так как глаз точнее оценивает размеры по ширине, чем по высоте и глубине. Поэтому
для создания иллюзии ширины следует наносить горизонтальные линии; сходящиеся
к центру симметрии линии увеличивают горизонтальный размер, а расходящиеся —
уменьшают его (рис. 4.3.17); изменение шага чередования линий или их толщины соз-
дает впечатление динамичности.
Явное нарушение
равновесия

272
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.3.17. Иллюзия изменения поперечного размера при сходящихся
и расходящихся из центра наклонных линиях
При внешнем оформлении профессионального ЭС необходимо обращать внимание
на эргономичность и эстетичность вспомогательных элементов: соединителей, ручек
для переноски, элементов крепления, опорных ножек, направляющих и т. д.
4.3.5. Особенности внешнего оформления бытовых ЭС
Первые радиоприемники были оформлены без привлечения дизайнеров. Органы
управления и переключения были такими же, как и на профессиональной технической
аппаратуре. Успехи в миниатюризации электронных ламп, появление электронно-
лучевых трубок и усложнение шкал привели к внедрению «мебельного» стиля. Фут-
ляры приемников и телевизоров 50-х годов имели внушительные размеры. Шкала
приемника и экран телевизора занимали сравнительно небольшое поле на передней
панели. Уменьшение размеров деталей и узлов позволило в 60-х годах уменьшить
габариты аппаратуры и конструировать телевизоры и приемники с учетом размера
экрана телевизора или шкалы приемника, которые, в основном, определяли их габа-
риты. Стремление уменьшить объем, занимаемый аппаратурой, привело в 60-е годы
к объединению различных устройств в «радиокомбайны». При этом, однако, ухудши-
лась их ремонтопригодность, а радиозаводам пришлось освоить выпуск футляров ме-
бельного типа. Дальнейшее усложнение систем и стремление уменьшить их влияние
на интерьер квартиры привело в 70-х годах к созданию радиокомплексов из блоков с
унифицированными габаритами и «нейтральным» приборным исполнением. Создание
комфортных условий коллективного и индивидуального приема видеозвуковой ин-
формации обусловливает необходимость использования систем бытовой аппаратуры,
состоящих из коммутирующих устройств, наушников, устройств дистанционного
управления, индивидуальных громкоговорителей, звуковых колонок и т. д.
Конструкции современных бытовых ЭС претерпели значительные изменения. Это
связано с появлением новых видов аппаратуры, а также с улучшением характеристик
традиционной аппаратуры. К новым видам бытовых ЭС следует отнести электронные
игры, персональные компьютеры, видеомагнитофоны и видеокамеры, лазерные вос-
производящие звуко- и видеоустройства, цветные плазменные и жидкокристалличе-
ские телевизионные панели с дистанционным управлением и стереофоническим зву-
ком, МРЗ-плееры, ноутбуки и планшетные компьютеры, усилители с эквалайзерами,

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
273
автомобильные магнитолы, спутниковые навигаторы, видеорегистраторы и автомо-
бильные радиостанции, сотовые телефоны и многие другие ЭС. Эта аппаратура вы-
полняется в виде отдельных блоков. Размеры блоков часто унифицированы, что по-
зволяет их компоновать в виде стоек со встроенными объемами для хранения кассет,
дисков и т. п. При цветовом оформлении преобладают нейтральные цвета, что позво-
ляет учесть возможность их размещения в любом интерьере. Ввиду того, что новые
виды аппаратуры имеют большое количество органов управления и индикации, при
разработке их конструкции в большей степени учитываются требования эргономики.
При оформлении бытовых ЭС требуется учитывать интересы предполагаемого по-
требителя: технические параметры (звуковые колонки, многодорожечная запись, ре-
гулировка качества звука, видеозапись и т. д.), технические и эстетические параметры
(«престижное» оформление), удовлетворение от самого процесса общения с аппарату-
рой (наличие большого количества элементов управления и индикации, «приборное»
оформление). Цветовое оформление должно учитывать интерьер. Чтобы аппаратура
подходила под любой интерьер, иногда идут на «нейтральное» приборное оформление
бытовой аппаратуры.
В настоящее время отработка внешнего оформления ЭС осуществляется на всех эта-
пах конструирования. На стадии эскизного проектирования изучаются техническое
задание, художественно-конструкторские аналоги и прототипы, каталоги, проспекты,
стандарты и другая информация (в том числе патентная). На стадии технического про-
ектирования эскизный проект корректируется с учетом конкретных конструкторско-
технологических требований. При этом окончательно выбирают форму изделия и его
цветовое решение с учетом технологических возможностей производства. В результате
получают полный комплект художественно-конструкторской документации, необхо-
димый для разработки рабочего проекта. На этапе разработки рабочей документации
и изготовления опытного образца дизайнер дает консультацию и осуществляет надзор
за сохранением замысла технического художественно-конструкторского проекта, кон-
тролирует и визирует конструкторскую и технологическую документацию, оформляет
заявку на промышленный образец.
При эргономическом анализе необходимо убедиться в том, что расположение при-
боров и органов управления обеспечивает удобное положение человека при работе,
рабочая плоскость находится на удобной высоте с учетом рабочего положения и рас-
стояния до глаз, органы управления размещены в пределах досягаемости с учетом по-
ложения тела оператора при работе; форма, размеры и материал органов управления
соответствуют прилагаемому усилию, прилагаемые усилия допустимы с точки зрения
физиологии, конструкция обеспечивает удобство обслуживания и ремонта ЭС (доступ-
ность, степень риска, освещенность и т. д.), для выполнения данной работы доста-
точна существующая освещенность, органы управления и индикации размещены на
оптимальном расстоянии в поле зрения, деления шкал видны достаточно четко, ин-
дикаторы расположены достаточно близко от соответствующих органов управления,
в однотипной аппаратуре органы управления расположены одинаково и правильно,
по положению органов управления и индикации возможно быстро определить ситуа-
цию (например, включено/выключено), рука при перемещении органа управления не
закрывает шкалу индикатора, режим работы оператора допускает правильное чере-
дование работы и отдыха, а также динамических и статических видов нагрузки, су-
ществует соответствие между перемещением органов управления и вызванными ими
эффектами, органы управления и индикации размещены в последовательности, соот-
ветствующей порядку выполнения операций, физическая и психическая нагрузка при
работе соответствует возможностям различных операторов (мужчин, женщин, моло-
дых и пожилых работников).

274
Конструирование узлов и устройств электронных средств
На этапе эстетического анализа выясняется объемно-пространственная струк-
тура, и определяется ведущий формообразующий принцип (симметричное, асим-
метричное, статическое, динамическое решение); уточняется композиционная
иерархия целого, определяются акценты, главные и второстепенные элементы; опре-
деляется логика взаимопереходов и взаимосвязей отдельных объемов и сочленений;
выявляется единство и подобие геометрического построения поверхностей элементов
целого; оценивается динамика формы, направленности масс (объемов) и их соответ-
ствие функции изделия; оцениваются информативные свойства формы, с помощью
которой человек информируется о функции изделия в целом и его отдельных частей;
проверяется тектоничность основных формообразующих элементов; проверяется
соответствие формы конструктивным особенностям применяемого материала и ха-
рактеру его работы; определяется степень согласованности, соразмерности и сопод-
чиненности элементов и целого; оценивается характер отношений отдельных элемен-
тов целого (контрастных, нюансных, тождественных связей в форме); проверяется
пропорциональность композиции; уточняются наличие модуля и оптимальность его
значения; оценивается соответствие пропорционального строя динамическим тен-
денциям формы изделия; проверяется ритмический строй изделия по горизонтали
и вертикали; оценивается сложность ритмического построения и четкость восприя-
тия ритма и соответствие ритма динамическим тенденциям формы; определяется
масштаб изделия по отношению к предметам окружающей среды и к человеку, вы-
являются масштабные несоответствия и элементы-указатели масштаба; оценивается
поверхность изделия с точки зрения рисующих текстовых линий (бликов светового
каркаса), гармоничность формы светового каркаса; оцениваются фактура поверх-
ностей и использованные декоративные свойства материала; оцениваются самостоя-
тельные элементы (крепежные детали, органы управления, устройства индикации
и т. д.)» их одностильность и взаимосогласованность; оцениваются единство деталей
и целого, цветовая композиция, единство геометрической формы и цвета, выделение
цветом функционально важных элементов, стилевая направленность и наличие фир-
менного стиля [43-45].
Анализ слабых решений столь же полезен, сколь и анализ удачных. Ввиду того,
что при анализе необходимо учитывать специфику схемотехнических, конструктор-
ских, эргономических и эстетических свойств конкретных образцов ЭС, его целесоо-
бразно выполнять на макете или опытном образце, изготовленном промышленными
методами из серийно выпускаемых материалов. Это позволяет оценить соответствие
художественно-конструкторского замысла по таким тонким свойствам, как фактура
поверхности, цветовой колорит, тональность цвета, световой каркас, а также прове-
рить окончательно эргономичность изделия (удобство пользования им).
При художественно-конструкторском оформлении ЭС необходимо учитывать тех-
нологические ограничения на формо- и цветообразование, фактуру поверхности (ма-
товая, шероховатая, блестящая, с «рисунком»), параметры применяемых материалов
(цветовой тон, защитно-декоративные свойства, технологичность их использования).
Художник-конструктор должен учитывать ограничения по формообразованию, на-
кладываемые технологией (прессование пластмасс, литьевое или вакуумное формо-
вание и т. д.). Это должно найти отражение в конструкции ЭС (радиусы закругления,
литейные уклоны, поднутрения, толщина стенок и т. д.). Особое внимание он должен
обратить на соответствие параметров материалов паспортным данным, так как от этого
зависят такие нюансные свойства, как тон и фактура поверхности, световой каркас.
В ряде случаев художник-конструктор должен и может настоять на изменении ком-
поновки изделия, использовании материалов или улучшенных технологических про-
цессов. Это особенно важно, когда надо обеспечить конкурентоспособность и быстрый

Глава 4.3. Эргономика и дизайн электронных средств
275
сбыт изделия. Работа художника-конструктора будет тем успешнее, чем с более ран-
него этапа разработки изделия он в нее включился.
Вопросы для контроля
1. Почему при конструировании ЭС необходимо учитывать требования эргономики
и технической эстетики?
2. Что такое эргономика?
3. Что такое техническая эстетика?
4. Назовите гигиенические, антропометрические, физиологические и психофизио-
логические, психологические показатели человека-оператора.
5. Каковы основные средства композиции?
6. Каковы основные способы композиции?
7. Назовите известные категории композиции.
8. Назовите известные критерии композиции и красоты.
9. Какова специфика внешнего оформления профессиональных ЭС?
10. Назовите основные характеристики зрения человека.
11. Изложите алгоритм художественного конструирования.
12. Какова связь средств, способов, категорий и критериев композиции?
13. Какова специфика внешнего оформления профессиональных ЭС?
14. Какова специфика внешнего оформления бытовых ЭС?
15. Назовите порядок эргономического анализа конструкции ЭС.
16. Назовите порядок эстетического анализа конструкции ЭС.
17. Понятие базовых несущих конструкций и их классификация?

Глава 4.4
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В БЛОКАХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
4.4.1. Виды электрических соединений
Под электрическими соединениями понимают линии передачи (ЛП) и электри-
ческие контакты, служащие для передачи сигналов и электрической энергии между
радиодеталями и модулями, образующими ЭС. Электрические соединения бывают
внутри- и межмодульными, внутри- и межблочными и т. п., что обусловливает их кон-
структивное исполнение.
По выполняемым функциям различают сигнальные ЛП, объединяющие входы и
выходы элементов и модулей и предназначенные для передачи сигналов, и ЛП электро-
питания, осуществляющие подвод электрической энергии к элементам. Все ЛП имеют
прямой и обратный провода. Обратный провод называют землей, линией нулевого
потенциала, общим проводом. Выделяют неэкранированные и экранированные ЛП.
Экраны обеспечивают защиту линий от воздействия электрических, магнитных и
электромагнитных полей. В зависимости от конструктивных особенностей обратного
провода ЛП подразделяют на симметричные, состоящие из двух одинаковых изолиро-
ванных проводов, несимметричные с одним общим проводом для многих ЛП, и коак-
сиальные, с обратным проводом по оплетке коаксиального кабеля [9].
В общем случае, линии передачи должны обладать:
• минимальным активным и индуктивным сопротивлениями;
• однородным по длине линии волновым сопротивлением;
• минимальным полем вокруг линии при протекании по ней тока;
• способностью передачи сигналов в широком диапазоне частот, токов и напря-
жений;
• минимальной толщиной изоляции с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1;
• способностью к объединению в узлы;
• способностью к автоматизации при проведении монтажных работ.
Универсальных ЛП, удовлетворяющих всем требованиям одновременно, не суще-
ствует. В реальных конструкциях применяют разнообразные типы ЛП в зависимости
от назначения и функциональных особенностей аппаратуры. На выбор типа ЛП вли-
яют форма передаваемых сигналов, их напряжение и частота, ослабление сигнала на
единицу длины линии, механическая гибкость, технологические требования и другие
факторы.

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
277
Радиоэлектронные устройства содержат разнообразные по выполняемым функ-
циям элементы и модули, отличающиеся характером обрабатываемых сигналов, их
мощностью, частотой и пр. При передаче электрических сигналов по ЛП происходит
искажение формы и спектра сигналов, их затухание. Искажение сигнала определя-
ется степенью рассогласования параметров электронных схем с параметрами ЛП, вза-
имным влиянием расположенных по соседству ЛП, задержкой сигналов в ЛП. Выбор
конструктивно-технологического варианта исполнения электрических соединений —
важная и сложная задача, влияющая на качество проектируемой ЭС.
Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является ме-
таллическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В поперечном
сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, пленочные и печатные
проводники — прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектри-
ческими оболочками, а при необходимости — экранами. По волноводам и волоконно-
оптическим ЛП передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод)
и светового (световод) диапазонов.
Для повышения производительности труда при сборке ЭС и упрощения электро-
монтажных работ ЛП объединяют конструктивно-технологически в узлы (рис. 4.4.1),
состоящие, например, в жгутах из нескольких десятков линий.
Печатный
Жесткий
(основание)
Узел объединения
Пленочный
Гибкий
(основание)
1
• Односторонний
■ Двусторонний
■ Многосторонний
Жгут
t
Цилиндрический
Кабель
I
Плоский
Тканный
Опрессованный
Клеенный
Печатный
Рис. 4.4.1. Конструктивно-технологическое объединение линий передач
Линии электропитания представляют собой объемные провода, пленочные и печат-
ные проводники либо проводящие пластины. Конструктивное исполнение сигналь-
ных ЛП более разнообразно и во многом определяется частотным диапазоном переда-
ваемых сигналов.
Все сигнальные линии связи разделяют на электрически длинные и электрически
короткие, характер искажения сигналов в которых различен.
Электрически короткой называют ЛП, длина которой для гармонического сигнала
определяется по выражению
где / — частота сигнала;

278
Конструирование узлов и устройств электронных средств
с — скорость электрона;
е — относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию
передачи.
Электрически короткие ЛП. При анализе электрических процессов короткую ЛП
моделируют эквивалентной схемой, состоящей из емкости и индуктивности ЛП, со-
средоточенных в одной точке (рис. 4.4.2, б). Активным сопротивлением линии прене-
брегают. Модуль 1, формирующий сигнал, представляется источником напряжения U
с последовательно включенным сопротивлением Д1в Модуль 2 является приемником
сигнала и моделируется входным сопротивлением R2.
Рис 4.4.2. Эквивалентные схемы коротких линий передачи
При R2 »Ri эквивалентную схему индуктивно-емкостной короткой линии со-
вместно с сопротивлением R1 можно представить резонансным контуром, в котором
могут возникнуть колебания с частотой:
В результате колебательного процесса напряжение на входе схемы 2 может мно-
гократно пересечь порог ее срабатывания и вызвать многократное изменение ее ло-
гического состояния. Если колебания в ЛП прекратятся за минимальное время
длительности фронта передаваемого по линии сигнала, то они не окажут влияния на ра-
ботоспособность аппаратуры. Условие отсутствия колебаний в линии выполняется при
L < CR%/4. В этом случае индуктивностью линии можно пренебречь (см. рис. 4.4.2, в).
Реакция емкостной ЛП (в) на синусоидальный сигнал будет проявляться в умень-
шении амплитуды выходного напряжения и сдвиге фазы выходного сигнала относи-
тельно входного. В общем случае, сигналы на входе и выходе ЛП могут существенно
различаться. Если ЛП нагружается на пороговые схемы, то при подаче на вход ЛП

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
Ъ1\3
прямоугольного импульса амплитудой U время срабатывания схемы задерживается
на величину:
где т = RiC — постоянная времени,
t/nop — пороговое напряжение логического элемента 2.
Если длительность импульса много больше т, то ЛП передаст импульс практически
без искажений. В противном случае линия передачи будет себя вести подобно интегри-
рующей iJC-цепи, занижая амплитуду импульса и сглаживая его фронты.
Перекрестные помехи обусловлены электрическим, магнитным и электромагнит-
ным взаимодействием расположенных по соседству ЛП. Микроминиатюризация и уве-
личение плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную задачу
уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную работу аппара-
туры. Уровень помех зависит от взаимной индуктивности проводников и межпровод-
никовой емкости, создавая соответственно индуктивную и емкостную составляющие
взаимных помех. Ёмкостная составляющая возрастает с ростом скорости изменения
напряжения на входе ЛП и величин сопротивлений на концах линии, индуктивная по-
меха — с ростом скорости изменения тока в линии и увеличением числа нагрузок на
выходе активной линии.
Снизить значение паразитной емкости между ЛП можно уменьшением длины со-
вместного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоя-
нии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передаю-
щих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле,
введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. На-
пример, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавиться от
емкостной помехи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП
возможно дальше друг ot друга, уменьшением площадей контуров, образуемых прово-
дами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использованием экраниро-
ванных проводов, витых пар, коаксиальных кабелей.
Электрически длинные линии передачи. Хотя параметры линии являются рас-
пределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппрок-
симируют сосредоточенными на малых фрагментах линии (рис. 4.4.3), где R, L, С —
погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость [9].
Рис. 4.4.3. Эквивалентная электрическая схема длинной линии передачи
Важнейшей характеристикой электрически длинной ЛП является ее волновое со-
противление Z0. Волновое сопротивление — это сопротивление линии электромаг-
нитной волне при отсутствии отражений от концов линии. Оно зависит от первичных
электрических параметров кабеля и частоты сигнала. Если электромагнитную волну
представить в виде раздельных волн напряжения и тока, то соотношение между ними

280
Конструирование узлов и устройств электронных средств
и представляет собой волновое сопротивление цепи: Z0 = U/I. Волновое сопротивление
является комплексной величиной и состоит из активной и реактивной частей. Зави-
симость волнового сопротивления от частоты повышается в области низких частот и
имеет емкостной характер (2nfL«R). В области высоких частот имеет место 2nfL > R,
2nfC » (1/R) и значение волнового сопротивления стремится к постоянной величине
yjL/C, которое и принимается за значение Z0.
Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче сигналов по длинным ли-
ниям важно согласовать сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением линии.
В несогласованной линии одновременно присутствует прямая (падающая) волна, рас-
пространяющаяся от начала линии к ее концу, и отраженная от нагрузки обратная
волна, передающаяся от конца линии к ее началу. Отношение амплитуды напряже-
ния С/0, отраженной от нагрузки R волны к амплитуде С/п падающей волны определя-
ется коэффициентом отражения:
po = Uo/Un = (R-Z0)/(R + Z0).
Отраженная волна распространяется от конца линии к началу (с определенной по-
терей энергии на Z0), через определенное время задержки t3 достигает начала линии,
и точно также отражается от выходного сопротивления источника сигнала. Значение
скорости распространения волн на высоких частотах стремится к постоянной величине
и = 1/VZc, и, соответственно, t3 = VZc. На низких частотах, где преобладает емкостной
характер линии, время задержки может увеличиваться в 1,5-2 раза.
Если сопротивление в начале и конце линии соответственно Дх и R2 и соблюдается
отношение Ri < Z0 < R2, то коэффициенты отражений на входе ро1 и выходе ро2 линии
соответственно будут 0 > ро1 > -1 и 0 < ро2 < 1-
Искажение импульсного сигнала, когда длительность передаваемого импульса
tK « t3, при прохождении его по ЛП показано на рис. 4.4.4. Сигналы на графиках со-
ответствуют моментам их поступления на вход U^ и выход U2 ЛП. Следует обратить
внимание на изменение полярности отражаемых сигналов в зависимости от соотно-
шения величин Ri и R2 с величиной Z0. Таким образом, на вход линии поступил один
импульс, а на входе нагруженной на линию с периодом 2t3 может оказаться несколько
импульсов, превышающих порог ее срабатывания [9].
Рис. 4.4.4. Формы импульсного сигнала при прохождении через линию передачи

Глава 4 А. Электрические соединения в блоках ЭС
281
Согласование электрически длинных ЛП. Уменьшения или полного исключения
отражений в длинных линиях можно добиться их согласованием. Линия передачи
считается согласованной, если сопротивление, на которое она нагружена, равно вол-
новому сопротивлению линии, при этом значение ро2 становится равным нулю. Реко-
мендуется также проводить согласование линии и с источником сигнала, если его вы-
ходное сопротивление Ri много меньше Z0, что обнуляет значение ро1. Согласование
обеспечивается введением согласующих резисторов Rc на входах и выходах Л П. Для
источников сигналов с малым выходным сопротивлением применяют последователь-
ное согласование с ЛП (i?x + Rc —> Z0), на приемниках сигналов с высоким входным
сопротивлением — параллельное согласование (R2 \\ Rc —> Z0). При большем количе-
стве нагрузок на выходе ЛП для согласования используют эмиттерные повторители
(рис. 4.4.5).
Рис. 4.4.5. Эмиттерный повторитель
При конструировании цифровой аппаратуры входы триггеров, одновибраторов,
регистров не рекомендуется подключать непосредственно к длинным линиям. Отсут-
ствие буферных каскадов из-за значительной емкостной нагрузки и наличия отраже-
ний приведет к неустойчивой работе аппаратуры. В качестве буферных каскадов для
восстановления фронтов импульсов обычно используются триггеры Шмитта. Анало-
гично буферные каскады рекомендуется использовать и для согласования коаксиаль-
ных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом, при этом выход кабеля нагружается
на сопротивление 51 Ом.
В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных ли-
ний используют микрополосковые и полосковые печатные проводники, свитую пару,
плоский кабель, коаксиальный кабель. При высоком уровне внешних для ЛП электро-
магнитных помех рекомендуется применение коаксиальных кабелей и витых пар с
формированием разнополярных сигналов на обоих проводах пары.
Высокочастотный переменный или импульсный ток неравномерно распределяется
по сечению проводника, имея наибольшую плотность у его поверхности, что является
результатом проявления поверхностного эффекта. Поверхностный эффект увеличи-
вает сопротивление проводника переменному току. Влияние поверхностного эффекта
сказывается на искажении фронта и формы импульса, так как разные частоты за-
тухают в материале проводника неодинаково. Для ослабления влияния поверхност-
ного эффекта используют провод, свитый из большого числа изолированных друг от
друга жил.
Для устранения перекрестных помех линии передачи экранируют. Применение
ЛП с экранирующей металлической оболочкой является эффективным способом ее за-
щиты от воздействий электрического и электромагнитного полей. Экраны необходимо

282
Конструирование узлов и устройств электронных средств
заземлять короткими проводами минимального индуктивного сопротивления либо пу-
тем непосредственного контакта с корпусом прибора. Отсутствие заземления экранов
ЛП не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Если ток, проте-
кающий по центральному проводу ЛП, равен обратному току через его оплетку, то в
пространстве, окружающем линию, электромагнитное поле отсутствует.
4.4.2. Конструкция сигнальных линий передач
Монтажные провода. Материалом токопроводящих жил проводов являются медь
и ее сплавы. С уменьшением габаритов аппаратуры, длин и диаметров монтажных
проводов, а также ужесточением требований механических воздействий все большее
применение стали находить медные сплавы, обладающие более высокой прочностью
на разрыв и гибкостью при небольшом ухудшении проводимости.
Монтажные провода бывают одно- и многожильными. Высокая гибкость, долговеч-
ность и надежность провода в условиях воздействий ударов и вибраций обеспечива-
ется свиванием нескольких одиночных проводов в многожильный. Промышленность
выпускает многожильный провод на 3, 7, 12, 17, 19, 27 и 37 круглых жил. Много-
жильный провод с суммарной площадью поперечного сечения токопроводящих жил,
равной площади поперечного сечения одиночного провода, имеет несколько большие
диаметр и стоимость, которые возрастают с увеличением числа жил. Повышение меха-
нической прочности многожильных проводов достигается введением в конструкцию
провода центральной упрочняющей стальной жилки.
Защиту от электрического замыкания провода на корпус изделия или на сосед-
ний провод осуществляют нанесением на токопроводящую жилу изоляционного по-
крытия. Материал и конструкция изоляции должны обеспечивать высокие значения
электрических параметров (диэлектрическую прочность, сопротивление изоляции,
диэлектрическую постоянную) в процессе и после приложения внешних воздействий,
а также после длительного хранения. В настоящее время существует большое разно-
образие различных типов изоляционных покрытий.
Провод выбирают, исходя из требуемых условий эксплуатации, нагрузки по току,
допустимого падения напряжения, утечки тока, диэлектрической прочности. Одно-
жильные провода рекомендуется использовать в стационарной аппаратуре, не подвер-
женной воздействиям ударов и вибраций. Увеличение числа жил провода повышает
его стойкость к многократным перегибам в условиях воздействия вибраций. Много-
жильные провода применяют в бортовой аппаратуре.
Можно рекомендовать следующий размерный ряд сечений токопроводящих жил
монтажных проводов: 0,03; 0,05; 0,08; 0,12; 0,20; 0,35; 0,50; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм2.
Выбор диаметра провода зависит от протекающего тока и допустимого перегрева про-
вода. Плотности тока для различных диаметров проводов при длительных допустимых
токовых нагрузках, приводящих к перегреву провода на 20 °С относительно окружаю-
щей среды, приведены в таблице 4.4.1.
Таблица 4.4.1
Допустимые токи нагрузки медных проводов
Электрический параметр
Плотность тока, А/мм2
Ток, А
Диаметр, мм
0,25
14
0,7
0,35
13
1,3
0,5
12
2,5
0,7
10
4
0,9
10
7
1,1
10
10
1,4
9
14
1,6
9
17
1,8
8
20
2,5
8
30

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
283
Из данных этой таблицы следует, что для проводов малых диаметров имеют место
большие плотности токов за счет более активного теплообмена с окружающей средой.
Ниже в таблице 4.4.2 приведены марки широко используемых монтажных проводов.
Таблица 4.4.2
Марки монтажных проводов
Провод монтажный
С волокнистой и по-
лихлорвиниловой изо-
ляцией
С полихлорвиниловой
изоляцией
С лавсановой изоляци-
ей, теплостойкий
Малых сечений
С полиэтиленовой изо-
ляцией повышенной
теплостойкости
Марка
МШВ, МГШВ,
мгшвэ
мгв, мгвэ,
мгвл, пмв,
пмов, пмвг
мгтл,мгтлэ
МГТФ,
МГСТФ,
МГТФЭ
пмп, пмпэ,
пмпл
Температура, °С
-60/+70
-60/+70
-60/+150
-60/+70
-60/+220
Область применения
Фиксированный внутри-
и межприборный монтаж
устройств для полевых условий
Фиксированный монтаж слабо-
токовой аппаратуры
Фиксированный и гибкий вну-
триприборный монтаж
Монтаж слаботоковой аппара-
туры
Внутри- и межприборный мон-
таж
Витая пара. Витую пару получают переплетением между собой с определенным
шагом двух изолированных проводов.
Рис. 4.4.6. Витая пара
Особенности витой пары. Система векторов электрического и магнитного полей не
плоскопараллельна, проводники находятся под некоторым углом а к нормали плоско-
сти сечения. В сечении проводов витой пары видим эллипс, а не окружность. Из этого
следует, что силовые линии электрического.поля, которые перпендикулярны поверх-
ности проводника, не лежат строго в плоскости сечения.
Витая пара отличается минимальной восприимчивостью к внешним магнитным
полям. Это объясняется следующим. При воздействии внешнего магнитного поля на
витую пару в каждом витке индуцируется ток, значение которого пропорционально

284
Конструирование узлов и устройств электронных средств
площади витка. Поскольку площади витков практически одинаковы, то и наведенный
ток в витках одинаков по амплитуде и по направлению. За счет изменения направле-
ния проводов от витка к витку при свивке наведенные токи в паре витков компенси-
руют друг друга. Таким образом, при четном количестве витков суммарный наведен-
ный ток будет равен нулю, а при нечетном — равен наведенному току в одном витке.
Для ЛП с диаметром жил 0,9-1,2 мм шаг свивания должен быть 100-300 мм, для
диаметров 0,3-0,8 мм шаг выбирают в пределах 40-90 мм. Для различных шагов сви-
вания коэффициенты ослабления помех составляют следующие значения:
• шаг свивания, мм . 100, 75, 50, 25.
• коэффициент ослабления, дБ 23, 37, 41, 43.
Индуктивность витой пары ниже, чем индуктивность несимметричной двухпрово-
дной ЛП. Волновое сопротивление витой пары вычисляется по формуле:
Рис. 4.4.7. Коаксиальный кабель
Промышленность выпускает коаксиальные кабели с волновым сопротивлением от
50 до 3 200 Ом и номинальным диаметром от 0,6 до 120 мм. Марка кабеля указывает
на его тип, волновое сопротивление, диаметр, группу изоляции и нагревостойкости,
порядковый номер разработки. Например, марка кабеля РК-50-4-11 означает, что это
радиочастотный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром 4 мм, обычной
нагревостойкости 1, с порядковым номером разработки 1.
где ев, еи — относительные диэлектрические проницаемости воздуха и изоляции про-
водов;
dH и d — диаметры провода с изоляцией и без изоляции.
Витая пара обеспечивает хорошую защиту передаваемых сигналов от влияния элек-
тромагнитных помех до частоты 100 кГц и удовлетворительную до частоты 10 МГц,
гарантируя при этом постоянство волнового сопротивления.
Коаксиальный кабель. Улучшение помехозащищенности ЛП в высокочастотной
аппаратуре обеспечивается применением коаксиальных кабелей. Коаксиальный ка-
бель является двухпроводной ЛП, состоящей из внешнего трубчатого проводника
(оплетки), внутри которого соосно размещается провод, разделенный диэлектрической
средой от оплетки (рис. 4.4.7).

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
285
Коаксиальный кабель используют для передачи разнообразных сигналов в широ-
ком частотном диапазоне. Постоянство электрических параметров, высокая защищен-
ность от электрических и электромагнитных полей обусловливают широкое использо-
вание коаксиальных кабелей.
При межприборной коммутации низкочастотной аппаратуры оплетка коаксиаль-
ного кабеля для предотвращения появления контуров заземления заземляется на
одном конце через выводы электрического соединителя. Оплетка кабеля высокоча-
стотной аппаратуры соединяется с линией нулевого потенциала в нескольких точках
через интервал 0,25>,, где X — длина волны передаваемого сигнала на самой высокой
частоте. При протекании значительных токов по линии нулевого потенциала много-
точечное заземление кабеля теряет свою эффективность. В таблице 4.4.3 приведены
основные марки коаксиальных кабелей.
Таблица 4.4.3
Основные марки коаксиальных кабелей и их область применения
Кабель
Радиочастотные со сплош-
ной изоляцией
Спиральные
Радиочастотные теплостой-
кие малогабаритные
Марка
РК-50-2, РК-75-4,
РК-100-7,
РК-50-9, РК-75-9
РС-400-7, РС-1600-7
РКТ-72, РКТ-73
Темп.,ц
^60 / +70
-60 / +85
-60 / +125
Область применения
Стационарная и пере-
движная аппаратура
Элементы задержки им-
пульсных сигналов
Внутриблочный монтаж
Наличие оплетки коаксиального кабеля приводит к резкому возрастанию емкости
прямого проводника на экран, что обязательно должно учитываться на этапе проек-
тирования схем. Коаксиальные кабели имеют значительные габариты, сложны в мон-
таже и рекомендуются к использованию для внутри- и межмодульной коммутации.
Методика расчета конструкции коаксиальной линии передачи
1. Волновое сопротивление в коаксиальной ЛП.
где ц и б — относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости диэлек-
трика, заполняющего коаксиальную ЛП.
2. Длина волны в коаксиальной ЛП
где X — длина волны в свободном пространстве.
3. Коэффициент затухания в коаксиальной ЛП обусловлен потерями в проводниках
ал, дБ/м, и диэлектрике ае, дБ/м:
для медных проводников

286
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где tg5 = — тангенс угла потерь;
соеа
у — проводимость среды; Д МГц.
4. Предельная и допустимая мощности, передаваемые по коаксиальному кабелю.
где £пр, В/м — пробивное напряжение коаксиального кабеля.
5. Выбор волнового сопротивления в коаксиальной ЛП.
Коэффициент затухания в проводнике зависит как от электрических свойств про-
водника и длины волны, так и от соотношения D/d, т. е. от геометрических размеров.
Анализ показывает, что при D/d = 3,6 достигается минимум коэффициента затухания
коаксиальной ЛП, что соответствует волновому сопротивлению WJI = 77 Ом в линии с
воздушным заполнением. В то же время для передачи по коаксиальному фидеру боль-
шой мощности необходимо соблюдение условия D/d = 1,65, что соответствует волно-
вому сопротивлению Wn = 50 Ом в линии с воздушным заполнением. Таким образом,
для передачи по коаксиальной ЛП электромагнитных колебаний большой мощности
необходимо соблюдение условия D/d = 2...3; если же за критерий выбора коаксиаль-
ной ЛП принять минимум потерь, то D/d = 3...6.
Поэтому в настоящее время промышленность выпускает коаксиальные фидеры со
стандартными значениями волновых сопротивлений:
• Wn = 50 Ом, для применения в трактах передачи большой мощности (от передат-
чика к антенне);
• ЦГЛ = 75 Ом, если основным параметром фидера является минимум потерь (от ан-
тенны к приемнику).
Печатные проводники. В низкочастотной аппаратуре узкие плоские сигнальные
проводники печатных плат располагают на диэлектрическом основании совместно с
проводниками электропитания и нулевого потенциала, которые для уменьшения па-
дения напряжения на них выполняются широкими, насколько это возможно. Одно- и
двусторонние ПП не обеспечивают для всех проводников однородного и стабильного
волнового сопротивления, поскольку сигнальные проводники располагаются на раз-
ных расстояниях от проводника нулевого потенциала. Между проводниками имеет ме-
сто значительная емкостная и индуктивная связь [9].
В высокочастотной аппаратуре уменьшение паразитной связи между проводни-
ками достигается введением в конструкцию платы экрана, заземление которого обе-
спечивает также и одинаковые значения волновых сопротивлений сигнальных про-
водников. Экран является общим для всех проводников платы и выполняется в виде
одного или нескольких проводящих слоев многослойной ПП. Функцию экрана в мно-
гослойных платах часто выполняет сплошной слой электропитания.
Расчетные соотношения для электрических параметров печатных проводников
приведены в таблице 4.4.4 [9]. В первой строке таблицы показан эскиз микрополоско-
вой, а в таблице 4.4.5 — выполненные объемным монтажом линии передачи [9].
При расположении проводников на границе двух диэлектриков, например, плата —
воздушная среда или плата — лаковое покрытие, можно использовать расчетные со-
отношения второй строки таблицы 4.4.4, вычислив е по приближенной формуле:
е = (е1 + б2)/2, где бх и е2 — относительные диэлектрические проницаемости сред, на
границе которых располагается проводник.

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
287
Таблица 4.4.4
Электрические параметры печатных проводников
Эскиз
Волновое сопротивление,
Ом
Емкость,
пФ/м
Индуктивность,
мкГн/м
Поскольку диэлектрическая проницаемость лакового покрытия платы выше, чем
у воздуха, то волновое сопротивление микрополосковых линий, покрытых лаком, бу-
дет меньше, а емкость — выше. У двухпроводной ЛП, в которой обратный ток проте-
кает по общему для всех схем проводу (земле), с возрастанием зазора между проводом
и землей увеличивается индуктивность за счет увеличения токового контура ЛП. По-
меха обусловливается действием магнитного поля контуров связи соседних проводов,
а также активных компонентов, создающих магнитные поля. Уменьшение паразит-
ной связи возможно сокращением площади контура путем укладки провода непосред-
ственно по поверхности земли. Обратный провод двухпроводной ЛП в низкочастотных
схемах должен заземляться в одной точке на входе или выходе линии связи во избежа-
ние появления контуров токов заземления и, как следствие, помехи из-за возможной
разности потенциалов между точками заземления.
Таблица 4.4.5
Электрические параметры вариантов объемного монтажа
Эскиз
Волновое сопротив-
ление, Ом
Ёмкость,
пФ/м
Индуктивность,
мкГн/м

288
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 4.4.5
Эскиз
Волновое сопротив-
ление, Ом
168. (D\
Емкость,
пФ/м
24,1е
-(f)
Индуктивность,
мкГн/м
0,461g(£)
Примечание. 1 — провод; 2 — земля; 3 — оплетка коаксиального кабеля; е — относительная диэлектрическая
проницаемость внутренней изоляции кабеля; D — диаметр коаксиального кабеля без учета удвоенной толщины
оплетки с изоляцией; d — диаметр провода.
Электрические параметры объемного монтажа. Аналитические зависимости
для оценки электрических параметров некоторых вариантов объемного монтажа пред-
ставлены в таблице 4.4.5. В практике конструирования трудно получить волновое со-
противление ЛП ниже 30 и выше 600 Ом. В зависимости от конкретного типа провода и
шага свивания волновое сопротивление свитой пары составляет 110-130 Ом. При кон-
струировании, например, цифровой аппаратуры, стремятся разрабатывать и исполь-
зовать ЛП с большим волновым сопротивлением и малой шунтирующей емкостью.
Разводка ЛП осуществляется последовательно и параллельно. Сравнение типов
разводок проводится по суммарной длине соединений, быстродействию, надежности
соединений, развязки (табл. 4.4.6) [9].
Таблица 4.4.6
Виды разводок линий связи
Тип разводки
Функциональная схема
Эквивалентная схема
Время
задержки
Последовательная
Около SL/Rn
Параллельная
Около L/Rn
Последовательная разводка обеспечивает минимальные длины связей, легкость в
проектировании и монтаже. Недостатком является наличие цепей, по которым текут
суммарные токи приемников П, вызывающие значительные падения напряжения на
проводниках и, как следствие, гальванические помехи. Отказ одного контакта или
проводника приводит в худшем случае к отказу всех схем, нагруженных на источник
сигнала И.
При параллельной разводке имеет место наилучшая развязка цепей. Отказ одного
проводника или контакта скажется на работоспособности только одного приемника П.
Однако суммарная длина проводников монтажа увеличится. Наличие параллельных

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС 289
цепей связи ведет к перекрестным помехам. Но, с другой стороны, параллельная раз-
водка позволяет увеличить быстродействие систем.
Волоконно-оптические ЛП. Начнем с краткой исторической справки. Первые линии
связи на основе оптических волокон появились в 1970 г. Затухание сигнала тех линий
составляло порядка 20 дБ/км. В настоящее время затухание оптоволоконных линий со-
ставляет порядка 1 дБ/км. В том же году появился вопрос о создании элементной базы
для волоконно-оптических линий. Необходимо было заняться разработкой скоростных
фотоприемников и излучателей. В 1980 г. появились первые кварцевые волокна. Диа-
метр и!х был 5 мкм. В 1981 г. впервые была сделана сорокакилометровая линия со скоро-
стью передачи 2 Гбит/с. Вероятность ошибки этой линии составляла 10~9.
Какие же преимущества имеют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) перед
медными проводами?
• 1 кг функционального стекла заменяет 2 т меди при построении аналогичной ли-
нии связи;
• скорость передачи данных в оптическом диапазоне сейчас достигает 100 Гбит/с;
• в ВОЛС отсутствует электромагнитное излучение, нет утечек — стало быть растет
информационная безопасность;
• между ретрансляторами ВОЛС может быть очень большое расстояние — умень-
шается число ретрансляторов;
• стоимость кабеля сравнительно низкая (единицы долларов за метр);
• срок службы элементов волоконной связи превышает 100 000 часов.
Классификация волоконно-оптических линий связи:
• магистральные ВОЛС — протяженностью сотни и тысячи километров;
• • внутригородские ВОЛС — десятки километров — между АТС, серверами, кабели
телевидения;
• внутриобъектовые ВОЛС — сотни метров — это распределительные сети, линии
связи внутри зданий, самолетов, пароходов и т. д.
Назначение и состав ВОЛС
Оптоволоконный кабель содержит от одного и до сотен световодов. Световод —
это направляющая система, состоящая из оптического волокна и покрытия. Оптово-
локно — стеклянное волокно диаметром от 3 до 150 мкм. Поскольку диаметр волокна
больше длины волны, в световоде распространяются поперечные электромагнитные
колебания.
Основные физические свойства оптических волокон:
• высокая чувствительность к механическим воздействиям.
• малый коэффициент температурного расширения a t -0,5* 10~6 град-1.
• высокий модуль упругости (модуль Юнга) Е = 60...80 ГПа.
• малый предел упругого растяжения е -1,5 % .
Строение и параметры оптических волокон
В настоящее время используются три типа волокон (см. рис. 4.4.8).
Многоходовые волокна. Сердцевина и оболочка волокон отличаются показателем
преломления п. Общий диаметр волокна составляет 100...200 мкм. Человеческий во-
лос имеет диаметр около 100 мкм. пс = поб(1 + D), D « 1, где пс — показатель прелом-
ления сердцевины; поб — показатель преломления оболочки волокна; D — общий диа-
метр волокна.
Одномодовые волокна. Диаметр сердцевины составляет 5 мкм. Общий диаметр во-
локна — около 100 мкм. В одномодовых волокнах распространяется один тип колеба-
ний; в многомодовых — много типов колебаний. пс = n^ft. + D), D « 1, где пс — по-
казатель преломления сердцевины; п^ — показатель преломления оболочки волокна;
D — общий диаметр волокна.

290
Конструирование узлов и устройств электронных средств
I "об
Рис. 4.4.8. Типы волокон
Градиентные волокна. Их особенность в том, что сердцевина обладает фокусирую-
щими свойствами. Свет распространяется по криволинейной траектории. Чем дальше
луч от радиуса (от центра), тем выше скорость распространения. В этих волокнах излу-
чение распространяется практически без дисперсии. пс = n^l + D (r/a)a), a » 2, где
пс — показатель преломления сердцевины; поб — показатель преломления оболочки
волокна; D — общий диаметр волокна; а — скорость распространения.
Конструкция световодов. Оптические волокна покрывают тонким (5...10мкм)
слоем лака. Это вдожет быть силикон, уритан, целлюлоза, эпоксидная смола или про-
чие материалы. Лак защищает оптическое волокно от воздействий внешней среды.
На покрытую лаком поверхность наносят слой эластичного материала толщиной
50... 100 мкм. Как правило, это силикон, резина, полиэтилен или другой мягкий эла-
стичный материал, и затем наносится нейлон — жесткий слой, придающий световоду
стоячесть. Нейлон имеет толщину 50... 100 мкм и более, и наносится не всегда, а в за-
висимости от предназначения световода. На рис. 4.4.9 показаны упрощенные кон-
струкции световодов.
4.4.3. Линии электропитания
Виды линий. Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя про-
водами — потенциальным й нулевым. Сложная аппаратура требует нескольких ис-
точников вторичного электропитания (ИВЭП). Потенциальные провода всех ИВЭП на-
зываются линиями электропитания и выполняются в виде индивидуальных проводов,

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
291
нулевые провода в большинстве случаев объединяют и выполняют в виде одного мощ-
ного провода или металлического листа [9].
Рис. 4.4.9. Конструкция световодов
Выделяют параллельные, последовательные, а также точечные и параллельно-
последовательные линии электропитания. Сравнение и выбор схем проводится по па-
дению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электро-
монтажных работ и некоторым другим факторам. В сложном ЭС из-за ограничений на
конструкцию одновременно можно использовать несколько вариантов разводки элек-
тропитания, если подобный подход позволит улучшить электрические параметры,
упростить монтаж, повысить ремонтопригодность.
Электропитание по схемам параллельной и последовательной разводки подводится
гибкими одно- и многожильными проводами, подсоединяемыми к выводам питания
потребителей электроэнергии (ПЭ). Преимуществом этих схем разводки является про-
стота конструкции, легкость в проектировании и монтаже, необходимость в двух ком-
мутационных выводах ПЭ для каждого питающего компонента (подводящего и отво-
дящего).
Точечную разводку осуществляют жестким проводом и системой гибких проводов,
с одного конца подпаиваемых к жесткому проводу, а с другого — к ПЭ. Параллельно-
последовательную разводку рекомендуется применять при регулярном расположе-
нии ПЭ. Как и при точечной разводке, суммарные токи протекают по мощной линии
электропитания с большой площадью поперечного сечения. Линии электропитания и
нулевого потенциала выполняют в виде единой конструкции, состоящей из двух мед-
ных проводников или проводов круглого сечения, защищенных от короткого замыка-
ния изолирующими пластинами или воздушным промежутком.
Падение напряжения на линиях. Рассчитаем падение напряжения на линии элек-
тропитания (рис. 4.4.10) [9].

292 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.4.10. Подключение энергопотребителей к источнику вторичного
электропитания
Полагая токи ПЭ независящими от изменения напряжения электропитания, пред-
ставим ПЭ приемником тока, что правомерно для аппаратуры, разрабатываемой на
микросхемах, имеющих допуск по питающему напряжению в 5-10 %. Расчет прове-
дем как для последовательной разводки. Для упрощения будем считать, что токи при-
емников электропитания 1пэ равны, а также равны и сопротивления AZ участков ли-
нии, между которыми подсоединяются ПЭ. Без учета падения напряжения на линии
нулевого потенциала падение напряжения на линии электропитания
где п — число ПЭ.
В приведенном выражении произведение nAZ есть сопротивление линии электро-
питания (ЛЭП). Полагая, что nAZ = Znln9> получим
где Zn — сопротивление на единицу длины линии (погонное сопротивление);
1ЛЭ — длина ЛЭП.
Уменьшая сопротивление и длину ЛЭП, а также число подсоединяемых к линии
ПЭ, можно снизить 11лэ в любое число раз. Сделать меньшей длину линии можно ми-
кроминиатюризацией и соответствующей компоновкой аппаратуры, снижением числа
ПЭ — введением в конструкцию нескольких линий, подсоединяемых к одному ИВЭП.
Другой путь уменьшения падения напряжения на линии электропитания — уменьше-
ние сопротивлений AZ или Zn.
Падение напряжения на ЛЭП при последовательной разводке быстро увеличивается
с возрастанием числа ПЭ. Поэтому эти типы разводок, если токи ПЭ велики, а сопро-
тивления линий сравнимы с сопротивлением нагрузки, применять не рекомендуется.
Развязывающий конденсатору подсоединяемый к выходу источника непосред-
ственно у ПЭ, является для ПЭ как бы индивидуальным источником питания и осу-
ществляет его электропитание накопленной энергией. Требуемая емкость развязыва-
ющего конденсатора вычисляется по формуле
где k — кратность уменьшения падения напряжения на линиях электропитания и ну-
левого потенциала;
*Ф — наименьшая длительность фронта импульсного сигнала;
L — суммарная индуктивность линий электропитания и нулевого потенциала.

Глава 4 А. Электрические соединения в блоках ЭС
293
При расчете конденсатора определяют падение напряжения на линии электропи-
тания, и для обеспечения работоспособности ПЭ принимают решение об уменьшении
этого напряжения в k раз. Для улучшения режима работы аппаратуры развязываю-
щие конденсаторы с выводами минимальной длины устанавливаются у каждого ПЭ.
Полное сопротивление ЛЭП складывается из активной и реактивной составляю-
щих, однако уже на частоте 100 кГц активным сопротивлением можно пренебречь и
рассматривать только индуктивную составляющую. Уменьшения индуктивности ЛЭП
можно достигнуть увеличением размеров ее поперечного сечения. Однако подобный
подход не всегда результативен. Например, медный провод длиной 200 мм и диаме-
тром 0,1 и 0,2 мм обладает соответственно индуктивностью 330 и 210 нГн, и при уве-
личении расхода меди в 4 раза индуктивность уменьшилась только в 1,5 раза.
Меньшей индуктивностью при одинаковых геометрических размерах обладает про-
вод, расположенный над землей, большей — провода круглого и прямоугольного се-
чений. Наибольшее волновое сопротивление имеет провод круглого, а наименьшее —
прямоугольного сечения. Для согласования с внутренним сопротивлением ИВЭП
волновое сопротивление ЛЭП должно быть минимально возможным.
4.4.4. Элементы заземления в конструкциях ЭС
Одним из основных методов, применяемых для борьбы с помехами, которые ис-
пользуются конструктором ЭС, является заземление (см. § 4.8.5).
Заземление. Заземление — преднамеренное электрическое соединение с землей
или эквивалентом металлических корпусов сооружений, установок, аппаратуры
и т. п. Элемент заземления -г- элемент в цепи заземления, обеспечивающий соедине-
ние (разъемное или неразъемное) и электрический контакт с определенным стабиль-
ным переходным сопротивлением [39].
Элементы заземления, используемые в ЭС, должны соответствовать ОСТ 4.209.
007-82.
Заземление аппаратуры должно выполняться в соответствии с требованиями стандар-
тов или технических условий на аппаратуру конкретного вида. Максимальные значения
переходных сопротивлений контактов элементов заземления должны соответствовать
требованиям технической документации на аппаратуру. Каждый заземляемый элемент
должен быть присоединен к заземляющему устройству посредством отдельного ответвле-
ния. Не допускается последовательное включение нескольких заземляемых элементов.
В заземляющих устройствах используются контактные соединения двух видов: раз-
борные и неразборные. В разборных элементах заземления контактирующие поверх-
ности должны иметь коррозионностойкие и электропроводящие покрытия. Обычно
применяют серебряное, никелевое, кадмиевое покрытия, а также покрытия сплавом
«олово — висмут». В разборных устройствах для создания надежного контакта между
элементами используются резьбовые соединения, затяжка в которых производится
винтом или гайкой [39]. Часто применяемые разборные элементы заземления приве-
дены на рис. 4.4.11.
Резьбовой зажим (рис. 4.4.11, а) рекомендуется для установки на алюминиевый
корпус 1 толщиной не более 1,8 мм. Пластину 2 делают из алюминия, плакирован-
ного медью, приваривают к корпусу и герметизируют по торцу. Зажим (рис. 4.4.11, б)
имеет самонарезающую резьбу и применяется для корпусов из магниевого или алю-
миниевого сплавов. После ввертывания он герметизируется компаундом. Зажим 7
(рис. 4.4.11, в) имеет прямую накатку и устанавливается в корпус 1 вдавливанием.
Переходное сопротивление между зажимом и корпусом во всех трех конструкциях со-
ставляет не более 200 мкОм.

294
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.4.11. Разборные элементы заземления: 1 — корпус ЭС; 2 — пластина;
3,5 — гайки; 4 — стержень; 6 — шайба; 7 — зажим; 8 — компаунд
Часто применяемые неразборные элементы заземления приведены на рис. 4.4.12.
Пластина 2 (рис. 4.4.12, а), изготавливаемая из плакированного алюминия, привари-
вается к корпусу 1 аргоно-дуговой сваркой и по периметру герметизируется компаун-
дом. Лепесток 3 (рис. 4.4.12, б) приваривается к корпусу 1 точечной сваркой. Места
сварки и периметр лепестка герметизируются компаундом. Лепесток 3 (рис. 4.4.12, в)
устанавливается в корпус 1 с помощью самонарезающего винта 5, который гермети-
зируется компаундом. Лепесток, вырубаемый на шасси, показан на рис. 4.4.12, г.
На размере h лепесток покрывается припоем горячим способом. Переходное сопро-
тивление между пластиной, лепестком и корпусом для конструкций, приведенных
на рис. 4.4.12, а, б, составляет не более 60-4- 70мкОм, на рис. 4.4.12, в, — не более
200 мкОм.
Элементы заземления должны располагаться в легкодоступных местах для обеспе-
чения удобства монтажа и проверки переходного сопротивления контактов. Для внеш-
него контроля переходного сопротивления контактов в блоках и приборах необходимо
предусматривать специальные места контроля, которые должны располагаться на ми-
нимально возможном расстоянии от элементов заземления и в местах, удобных для за-
мера. Место контроля обводится рамкой с размерами 12 х 30 мм и окрашивается более
контрастной по цвету краской. В рамке располагается надпись «ПС» (переходное со-
противление). Не рекомендуется место контроля переходного сопротивления распола-
гать на лицевых панелях.
Для образования разборных контактных соединений в заземляющих устройствах
применяются шины с различными наконечниками 1 (рис. 4.4.13, а), которые соеди-
няются между собой плетенкой 2 и проводом 3. Шины также делают и без провода
(рис. 4.4.13, б у в). Сопротивление шины по постоянному току зависит от длины шины
и марок плетенки и провода. Переходное сопротивление между лепестком шины и за-
жимом в разборных элементах заземления обычно не превышает 40 мкОм.

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
295
Рис. 4.4.12. Неразборные элементы заземления: 1 — корпус ЭС; 2 — пластина;
3 — лепесток; 4 — плакцрующий слой; 5 — самонарезающий винт;
6 — компаунд
Рис. 4.4.13. Шины с различными наконечниками
Пример применения элементов заземления показан на рис. 4.4.14.
На блоке 1, установленном на амортизационной раме 2, располагается зажим 6
(рис. 4.4.14). На поддоне 3 установлен зажим 4. Гайкой зажима 6 и винтом зажима 4
закреплена шина 5, заземляющая корпус блока на поддон 3.
При установке в стойку или на монтажную раму блоков, имеющих врубные разъ-
емы с задней стороны, применяются элементы заземления врубного типа, показанные
на рис. 4.4.15.

296
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.4.14. Применение элементов заземления в самолетных ЭС
Рис. 4.4.15. Элементы заземления врубного типа
На задней стенке 8 рамы 6 (рис. 4.4.15) установлен штырь 7, который проводни-
ком 9 соединяется с лепестком 10, приваренным на раме 6. На корпусе 1 блока с по-
мощью втулки 2 устанавливается пружинная цанга 3, соединенная проводником 4 с
лепестком 5, приваренным к корпусу 1. При врубании штыря 7 в цангу 8 происходит
заземление корпуса блока 1 на раму 6.

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
297
4.4.5. Элементы коммутации в конструкциях ЭС
В любом ЭС находят широкое применение различные элементы коммутации, кото-
рые разделяются на электрический монтаж и элементы электрических соединений.
Электрический монтаж по виду используемых проводников можно разделить на пло-
ский (печатные платы, ленточные провода) и объемный (жгуты, провода, кабель). Все
электрические соединения можно разделить на два вида: неразъемные, выполняемые
сваркой, пайкой, накруткой и т.д., и разъемные, к которым относятся различные
типы разъемов [39].
Пример применения различных элементов коммутации показан на рис. 4.4.16.
В блоке, состоящем из корпуса 2, задней 1 и передней 3 панелей, в котором уста-
новлены вторичный источник питания 4, высокочастотный субблок 5 и ячейки 6, при-
меняются следующие элементы коммутации: в ячейках 6 располагаются печатные
платы 7 и 5, электрический монтаж между которыми осуществляется ленточными
проводами 9; сами ячейки 6 своим разъемом вставляются в ответную часть разъема 10,
который впаивается в коммутационную ПП 11; электрический монтаж с платы 11 и
с источника питания 4 на внешние разъемы 12 и 16 ведется объемными кабелями 13
и 17; узел 5, имеющий низко- и высокочастотные разъемы, вставляется в ответные
части разъемов. При этом низкочастотный разъем впаивается в плату 11, а высокоча-
стотный кабелем 15 подключается к внешнему разъему 14.
Рис. 4.4.16. Различные элементы коммутации блока
Ленточные провода и кабели. Ленточные провода и кабели находят широкое
применение во всех видах ЭС. Они применяются для электрического монтажа между

298
Конструирование узлов и устройств электронных средств
панелями, рамами, ячейками и другими устройствами. Применение ленточных про-
водов и кабелей снижает трудоемкость сборочных и монтажных операций, повышает
надежность и снижает массу и объем ЭС, позволяет осуществлять монтаж в трех пло-
скостях за счет изгиба и скручивания.
Ленточные провода и кабели бывают опрессованные, тканые и печатные. В ленточ-
ных проводах с пленочной изоляцией в качестве жилы применяется сплющенная мед-
ная проволока (рис. 4.4.17, а).
Для изоляции применяется полиимидно-фторопластовая пленка. Такие провода
имеют 2; 4; 10; 20 и 30 жил. В ленточных проводах из полиэтилена и поливинилхло-
ридного пластика применяется круглая медная проволока (рис. 4.4.17, б). В таких
проводах бывает 4; 12; 15; 18; 20 и 22 жил. Тканые кабели состоят из круглых прово-
дников в изоляции, которые переплетаются капроновыми нитками. Такой способ из-
готовления плоских кабелей позволяет соединять в единую конструкцию проводники
разного сечения и с различной изоляцией (рис. 4.4.17, в). В тканых кабелях можно ис-
пользовать витые проводники.
Ленточные печатные кабели изготавливают на основе тонкого фольгированного
диэлектрика. Они обычно оканчиваются металлизированными контактными площад-
ками с отверстиями (рис. 4.4.17, г) или контактными лепестками (рис. 4.4.17, д). Та-
кие кабели бывают с открытой (рис. 4.4 Л 7, г) или закрытой (рис. 4.4.17, д) печатью.
Шаг t расположения контактных площадок или лепестков должен быть кратен шагу
координатной сетки.
Рис. 4.4.17. Ленточные провода и кабели
Жилы опрессованных проводов и тканых кабелей обычно вставляют в металлизиро-
ванные отверстия или накручивают на штырьки ПП и опаивают. Печатные кабели, имею-
щие металлизированные площадки, своими отверстиями надевают на штырьки и опаи-
вают. Печатные кабели контактными лепестками кладут на контактные площадки ПП

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
299
внакладку и припаивают. Опрессованные провода и печатные кабели всегда крепят
к ПП планками или прижимными скобами (рис. 4.4.17, в) с помощью винтов.
Объемный монтаж. Все электрические провода называют кабельными издели-
ями. Они выпускаются промышленностью в широком ассортименте. Для электромон-
тажа ЭС используются гибкие монтажные провода и кабели, выполненные из тонких
медных луженых проводников, скрученных между собой в одну жилу. Жилы имеют
одно- или многослойную изоляцию. Отдельные жилы или все жилы кабеля могут быть
экранированы.
Близко расположенные провода при укладке объединяют в один жгут. Прокладка
проводов в жгутах значительно упрощает выполнение электрического монтажа. Мон-
тажный провод крепят в местах прокладки так, чтобы он не был натянут. На каждом
припаиваемом конце провода необходимо предусматривать запас длины для выполне-
ния не менее двух перепаек.
Переход монтажных проводов или жгутов с неподвижных плоскостей на подвиж-
ные блоки осуществляется петлей из гибких проводников, длина которой определя-
ется размерами перемещения блока. Такие монтажные переходы лучше работают на
кручение, чем на изгиб. Для повышения надежности монтажные провода и жгуты
крепят к НК скобами, привязывают нитками или ставят на мастику. В отверстия для
прохода монтажа устанавливают резиновые втулки, острые углы и ребра защищают
упругими прокладками.
Неразъемные электрические соединения. Неразъемные соединения делятся на
постоянные, выполняемые сваркой, полупостоянные — пайкой, накруткой и обжим-
кой, и временные типа «лепесток — винт». Сварка проводников между собой или про-
водников с лепестками является самым надежным электрическим соединением; пайка
проводников — самым распространенным видом электрических соединений. Монтаж
накруткой производят оголенным проводом с определенным натягом, что обеспечивает
хороший электрический контакт и стабильность его во времени. Надежность соедине-
ния накруткой в 10 раз превосходит надежность паяных соединений. Монтаж обжим-
кой является одним из методов механического контактирования, когда пружинный
захват прижимает жесткий или многожильный провод к контактному штырю с такой
силой, что образуется вакуум — плотное соединение.
Электрические соединения типа «лепесток—винт» показаны на рис. 4.4.14. Для
электрического соединения монтажных проводов с коммутационными платами и от-
дельными элементами применяют монтажные стойки и соединительные платы. Мон-
тажные стойки с двумя изолированными лепестками показаны на рис. 4.4.18, а, е.
Стойка с одним лепестком (которые можно набирать в пакет по высоте) показана на
рис. 4.4.18, б.
Соединительная плата с лепестками 1, прикрепленными на плоскость 2, показана
на рис. 4.4.19, а. Плата, лепестки 1 который проходят в окно панели 2, показана на
рис. 4.4.19, б. К лепестку 1 (рис. 4.4.19, в) с одной стороны провод припаивается,
а с другой — привертывается лепесток винтом 2 во втулку 3.
Разъемные электрические соединения. Контактные разъемные соединители (или
просто разъемы) применяются для быстрой замены ячеек, блоков и других устройств
при наладке и эксплуатации. Электрическое соединение в разъеме осуществляется за
счет холодного контактирования пары «штырь—гнездо». Разъем состоит из двух дета-
лей: вилки и розетки.
Все разъемы, применяемые в ЭС, можно разделить на три группы: внутриблочные,
служащие для соединения устройств внутри блока; блочные, необходимые для соеди-
нения блоков в стойках; внешние — для подключения внешних кабелей. Внутриблоч-
ные разъемы бывают для объемного и печатного монтажа.

300
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.4.18. Монтажные стойки
Рис. 4.4.19. Соединительные платы
Блочные разъемы применяются для электрического сопряжения блоков при уста-
новке их в стойки или монтажные устройства. Примером такого разъема является
разъем типа РПКМ, показанный на рис. 4.4.20, применяемый в самолетных ЭС. В нем
могут устанавливаться низковольтные, высоковольтные и высокочастотные контакт-
ные пары. Для обеспечения точного сопряжения штырей с гнездами во внутриблочных
и блочных разъемах предусматриваются направляющие штыри, или осуществляется
точное сопряжение по контуру разъема.
В качестве внешних разъемов обычно используют цилиндрические разъемы типа
ШР (рис. 4.4.21, а), типа 2РМ, показанный на рис. 4.4.21,6 (негерметичный 2РМ,
2РМД, негерметичный тропикоустойчивый 2РМТ, 2РМДТ, герметичный проходной
2РМГП, герметичный 2РМГ, 2РМГД) и др.
Такие разъемы состоят из блочной и кабельной частей. Блочные части бывают как
герметизированные, так и негерметизированные, кабельные части — как прямые, так
и угловые.

Глава 4.4. Электрические соединения в блоках ЭС
301
Рис. 4.4.20. Разъем типа РПКМ
Рис. 4.4.21. Внешние разъемы: а — типа ШР; б — типа 2РМ
Выбор элементов коммутации (электрических соединителей). Электрический
соединитель должен выдерживать более жесткие внешние климатические и механиче-
ские воздействия, чем аппаратура, в которую соединитель устанавливается. Запас по
внешним воздействиям обеспечит его надежную работу в процессе эксплуатации. Чем
больше контактов соединителя, тем меньше параметры надежности, приходящиеся на
один контакт. Поэтому при отсутствии жестких ограничений на габариты и массу ЭС

302
Конструирование узлов и устройств электронных средств
можно рекомендовать вместо одного устанавливать несколько соединителей с суммар-
ным числом контактов, равным числу контактов внешних цепей изделия.
Цилиндрические соединители обеспечивают более надежную заделку жгута, имеют
большую надежность и стабильность параметров. Однако монтаж прямоугольных сое-
динителей за счет линейного расположения выводов более удобен.
Для конструктивных модулей всех уровней ЭС конструктор разрабатывает опре-
деленный способ коммутации. При этом, как правило, модули снабжаются соедини-
телями, которые по назначению можно классифицировать как соединители разных
уровней коммутации.
Взаимодействие на плате ИМС и других ЭРИ выполняется, как правило, паяными
соединениями. Недостаток этого способа состоит в том, что для многовыводных компо-
нентов затрудняется демонтаж, возникает необходимость в использовании специаль-
ной оснастки, паяльников для групповой пайки. Улучшение ремонтопригодности и
снижение эксплуатационных затрат возможно применением в конструкции соедините-
лей первого уровня коммутации. Соединители ИМС распаиваются на печатной плате,
затем в них устанавливают сами ИМС. Электрический контакт выводов соединителя с
выводами ИМС обеспечивается за счет холодного контактирования металлов.
Соединители второго уровня коммутации обеспечивают электрическое соединение
между собой на шасси или объединительной печатной панели. Соединители третьего
уровня осуществляют коммутацию приборов, блоков, рам и стоек.
В зависимости от назначения различают соединители кабельные, приборно-
кабельные и приборные. Кабельный соединитель служит для коммутации кабелей
приборов. Вилочная и розеточная части соединителя не закрепляются на приборах,
а фиксируются на кабелях. В приборно-кабельных соединителях один из элементов
(обычно вилка) закрепляется на приборе, вторым элементом соединителя (розеткой)
заканчивается кабель, и фактически происходит коммутация кабеля с прибором.
В приборных соединителях осуществляется коммутация частей приборов между со-
бой. При этом вилка (или розетка) закрепляется на модуле, а ответная часть соедини-
теля — на корпусе прибора. Соединители снабжаются фланцами или специальными
элементами закрепления.
Соединение вилки с розеткой бывает врубным, резьбовым и байонетным. Врубное
соединение обеспечивается простой вставкой вилки в розетку, иногда с фиксацией соч-
лененного состояния замком. Резьбовое соединение кабельных и приборно-кабельных
соединителей выполняется, резьбовой накидной гайкой, после завинчивания которой
происходит коммутация и фиксация пар «штырь—гнездо». Байонетное соединение
обеспечивается пазом и выступом, вводимым в конструкцию вилки и розетки. При по-
падании выступа в паз и легком нажатии осуществляется скольжение выступа в пазе и
фиксация в углублении.
Резьбовые соединители обеспечивают высокую надежность электрических соеди-
нений в условиях жестких механических воздействий. Врубное соединение позволяет
быстро сочленять — расчленять соединитель, но такие соединители имеют низкую на-
дежность в условиях воздействия ударов и вибраций. Байонетное соединение занимает
промежуточное положение между врубным и резьбовым.
Соединитель выбирают, исходя из назначения, предполагаемого способа монтажа,
необходимого числа коммутируемых цепей, электрических и электромеханических
параметров, внешних климатических и механических воздействий, надежности.
К электрическим параметрам соединителей относятся максимальная рабочая частота,
контактное сопротивление, рабочие токи и напряжения, сопротивление и электриче-
ская прочность изоляции, к электромеханическим — усилие сочленения соединителя.
Для удобства эксплуатации усилие сочленения должно быть минимальным. Однако

Глава 4 А. Электрические соединения в блоках ЭС
303
при воздействии ударов и вибраций возникает опасность изменения контактного со-
противления, появление виброшумов и шорохов на контактах, нарушение контакта.
Для аппаратуры низкого и среднего быстродействия из электрических параметров
наиболее важными являются максимальные коммутируемые токи и напряжения.
Однако при работе на высоких частотах возникает проблема согласования волновых
сопротивлений коммутируемых цепей и контактных пар соединителей. Несогласо-
ванность приводит к искажению передаваемых сигналов, увеличению времени пере-
ходных процессов в цепях передачи сигналов.
В заключение главы хотелось бы отметить, что электрические соединители, явля-
ясь электромеханическими устройствами, чаще всего оказываются самым слабым зве-
ном в ЭС. Причинами ненадежности в работе соединителей являются их неправильная
установка, некачественный монтаж, плохое обслуживание, пыль и грязь. Важнейшее
требование к соединителю — прочность и адекватность конструкции изделия, на ко-
торое соединитель устанавливается. При установке соединителя на панель или корпус
изделия последние должны обладать достаточной жесткостью, чтобы предотвратить
передачу механических воздействий на соединитель и жгут.
Вопросы для контроля
1. Что такое линия передачи?
2. Какими свойствами обладают линии передачи?
3. Что представляет собой конструктивно-технологическое объединение линий пе-
редачи?
4. Что такое электрически короткие линии передачи?
5. Что такое электрически длинные линии передачи?
6. Что представляет собой конструкция сигнальной линий передачи?
7. Основные характеристики витой пары?
8. Основные характеристики коаксиального кабеля.
9. Основные характеристики печатных проводников.
10. Что такое объемный монтаж?
11. Основные характеристики ВОЛС.
12. Назначение и состав ВОЛС.
13. Какие существуют основные виды линий электропитания?
14. Что такое заземление в конструкциях ЭС?
15. Что представляют собой разборные и неразборные элементы заземления?
16. Какие основные требования предъявляются к элементам заземления?
17. Классификация элементов коммутации в конструкциях ЭС?
18. Понятие неразъемных электрических соединений?
19. Понятие разъемных электрических соединений?
20. Основные критерии, предъявляемые при выборе элементов коммутации?

Глава 4.5
ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
И НОРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
4.5.1. Расчет механических нагрузок
Все виды ЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, кото-
рые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздей-
ствия имеют место в работающей ЭС, если она установлена на подвижном объекте, или
только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и
некоторых видов возимой ЭС.
На транспортируемое ЭС в процессе его эксплуатации воздействуют вибрации,
ударные нагрузки и линейные ускорения.
Гармонические вибрации характеризуются частотой, амплитудой, ускорением.
Ударные нагрузки характеризуются числом одиночных ударов или их серией
(обычно оговаривают максимальное число ударов), длительностью ударного импульса
и его формой, мгновенной скоростью при ударе, перемещением соударяющихся тел.
Линейные ускорения характеризуются ускорением, длительностью, знаком воз-
действия ускорения.
Возникающие при вибрациях, ударах и ускорениях перегрузки оценивают соответ-
ствующими коэффициентами.
Для уменьшения воздействия вибраций и ударов микроэлектронную вычислитель-
ную аппаратуру устанавливают на амортизаторы, или применяют демпфирующие ма-
териалы.
Воздействие линейных ускорений эквивалентно увеличению массы аппаратуры и при
значительной длительности воздействия требует увеличения прочности конструкции.
Амортизаторы от линейных перегрузок практически не защищают.
Как показывает опыт эксплуатации транспортируемых ЭС, наибольшее разруша-
ющее воздействие на конструкцию оказывают вибрации. Как правило, конструкция
аппарата, выдержавшая воздействие вибрационных нагрузок в определенном частот-
ном диапазоне, выдерживает ударные нагрузки и линейные ускорения со значительно
большими значениями соответствующих параметров.
Введение амортизаторов между ЭС и объектом в качестве среды, уменьшающей
амплитуду передаваемых колебаний и ударов, снижает действующие на ЭС механиче-
ские силы, но не уничтожает их полностью.

Глава 4£. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 305
В некоторых случаях образованная с введением амортизаторов резонансная си-
стема влечет за собой возникновение низкочастотного механического резонанса, кото-
рый приводит к увеличению амплитуды колебаний ЭС.
При разработке конструкции ЭС необходимо обеспечить требуемую жесткость и ме-
ханическую прочность ее элементов.
Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к деформации кон-
струкции, вызванной этой силой.
Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать
конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности
конструкции ЭС связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер
жесткости, контровки болтовых соединений и т. д. Особое значение имеет повышение
прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обвола-
кивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначи-
тельном увеличении массы.
Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной си-
стемы. Это касается крепления монтажных проводов, микросхем, экранов и других
частей, входящих в ЭС.
Амортизация конструкции ЭС
Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции микроэлек-
тронной вычислительной аппаратуры, как транспортируемой, так и стационарной,
к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок — использование
амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных
частот, т. е. поглощении части колебательной энергии. Аппаратура, установленная
на амортизаторах, в общем случае, может быть представлена в виде механической ко-
лебательной системы с шестью степенями свободы: совокупностью связанных колеба-
ний, состоящих из линейных перемещений, и вращательных колебаний по каждой из
трех координатных осей.
Эффективность амортизации характеризуется коэффициентом динамичности или
передачи, числовое значение которого зависит от отношения частоты действующих
вибраций / к частоте амортизированной системы /0 [29, 46].
Рис 4.5.1. Основные схемы расположения амортизаторов

306
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При разработке схемы амортизации необходимо стремиться к тому, чтобы система
имела минимальное число собственных частот и чтобы они были в 2-3 раза ниже наи-
меньшей частоты возмущающей силы.
Для амортизированной аппаратуры следует как можно больше уменьшать соб-
ственную частоту, а для неамортизированной, напротив, увеличивать, приближая ее к
верхней границе возмущающих воздействий или превышая ее.
Схемы размещения амортизаторов
Конструирование системы амортизации ЭС обычно начинается с выбора типа
амортизаторов и схемы их размещения. Выбор амортизаторов производят, исходя из
допустимой нагрузки и предельных значений параметров, характеризующих усло-
вия эксплуатации. К таким параметрам относятся: температура окружающей среды,
влажность, механические нагрузки, присутствие в атмосфере паров Масла, дизельного
топлива и т. д.
Выбор схемы расположения амортизаторов зависит, главным образом, от располо-
жения аппаратуры на носителе и условий динамического воздействия. На рис. 4.5.1
представлены основные схемы расположения амортизаторов на блоке. Вариант а до-
вольно часто используется для амортизации сравнительно небольших по габаритам
блоков. Такое расположение амортизаторов удобно с позиций общей компоновки бло-
ков на объекте. Блоки можно расположить в непосредственной близости друг от друга.
Однако при этом расположении амортизаторов принципиально невозможно получить
совпадение центра тяжести (ЦТ) с центром масс (ЦМ) и, следовательно, никогда не по-
лучить рациональной системы. То же можно сказать про вариант размещения б. Вари-
ант размещения в позволяет получить рациональную систему, однако такое расположе-
ние амортизаторов не всегда удобно при размещении на объекте. Кроме того, при таком
размещении амортизаторов нерационально используется объем, отводимый для ЭС на
объекте. Размещение типа гид является разновидностью варианта в и используется,
в том случае, если лицевая панель блока размещается вблизи амортизатора, располо-
женного снизу. Размещение амортизаторов, представленное на рис. 4.5.1, е, использу-
ется в стоечной аппаратуре, когда высота ЭС значительно больше глубины и ширины
стойки. Чтобы ослабить колебания стойки вокруг осей х и у, ставят дополнительно два
амортизатора сверху стойки.
4.5.1.1. Статический расчет амортизаторов
Целью расчета является определение статических нагрузок на амортизаторы и вы-
бор их типоразмеров.
Расчет начинают с нахождения положения центра масс блока. Обычно считают,
что для таких изделий положение центра масс, для каждого функционального узла и
крупного узла или детали совпадает с центром симметрии (рис. 4.5.2).
Используя моменты первого рода, находят координаты центра масс блока [29]:
где xiyyi9 zt — координаты центров масс функциональных узлов и деталей, входящих
в блок;
mt — массы этих изделий.
Наиболее часто используют вариант симметричного расположения амортизаторов
на блоке ЭС (рис. 4.5.3). Амортизаторы располагают на блоке таким образом, чтобы
проекции амортизаторов на плоскость XY не выходили за контур проекции блока.

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 307
Рис 4.5.2. if определению положения центра масс
Рис 4.5.3. Схема расположения амортизаторов на блоке ЭС

308
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Определяют координаты центра жесткости (ЦЖ) амортизаторов, используя мо-
менты первого рода.
где Xi,yi9 zt — координаты размещения амортизаторов;
lLcxi>^Lcyi>Hczi — суммарная статическая жесткость амортизаторов в направле-
нии соответствующих координат;
Xcxt'Xt»XCyi 'У1>Исг1'21 — статические моменты жесткости амортизаторов относи-
тельно координатных плоскостей.
3. Условия статического равновесия системы амортизации [29]:
1
*1
Vi
Х1У1
1
*2
Уг
хгУг
1
*з
Уз
х3Уз
1 1
Х4
У4
Х4-У4]
1 А
\Р»
\Рз
\.Р*.
G
0
0
0
5. Решая эту систему относительно нагрузок на амортизаторы, находят статические
нагрузки на амортизаторы: рх; р2\ Psl Pi*
6. По полученным статическим нагрузкам и условиям эксплуатации выбирают ти-
поразмер амортизатора.
При несовпадении центра масс блока с центром симметрии статическая нагрузка на
амортизаторы будет разная и, следовательно, осадка однотипных амортизаторов будет
различна. Для устранения перекоса блока вводят выравнивающие прокладки между
амортизатором и корпусом блока.
7. Осадка амортизаторов:
где А,
пр
толщина выравнивающей прокладки под соответствующий амортизатор.
где Pi — весовая нагрузка, приходящаяся на i-й амортизатор;
G — вес блока.
Блок устанавливав!1 ся на носителе без перекосов (поэтому Z = 0), тогда получаем:
4. Задаваясь координатами размещения амортизаторов, получают систему из 4 ли-
нейных уравнений [29]:
Из полученных значений 82i выбирают наименьшее, и относительно 82jmin опреде-
ляют толщину выравнивающих прокладок под остальные 3 амортизатора:

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 309
Таким образом, в результате расчета получают координаты размещения амортиза-
торов, их типоразмеры и толщину выравнивающих прокладок.
4.5.1.2. Резонансные частоты блока на амортизаторах
Расчет резонансных частот блока может быть произведен только после определения
и выбора типоразмеров амортизаторов, т. е. после проведения статического расчета
амортизации. Из проведенного расчета определяется положение (координаты) центров
тяжести и жесткости блока, при этом могут встретиться три варианта:
• ЦТ и ЦЖ разнесены;
• ЦТ и ЦЖ лежат на одной вертикали;
• ЦТ и ЦЖ совпадают.
Z4
Рис. 4.5.4. Взаимное расположение центров масс и жесткости: а — ЦМ и ЦЖ
разнесены; б — ЦМ и ЦЖ лежат на оси Z; в — ЦМ и ЦЖ совпадают
При проведении этого расчета пренебрегают силами трения, поэтому демпфирую-
щие свойства амортизаторов не учитываются, что приводит к некоторой неточности в
определении резонансных частот, но значительно упрощает процесс вычислений.
1. Расчет начинают с определения координат расположения центра масс (нахожде-
ние координат центра масс). Исходя из условий эксплуатации и с учетом статической
нагрузки на амортизаторы, выбирают типоразмеры амортизаторов.
2. Задаются расположением амортизаторов на блоке, и находят координаты их рас-
положения, при этом начало координат совмещают с центром масс.
Первый случай расчетной модели (рис. 4.5.4, а) приводит к необходимости реше-
ния системы из 6 линейных дифференциальных уравнений, из которой находят 6 ре-
зонансных частот, при этом частоты оказываются взаимосвязанными [29].
Система исходных расчетных выражений 1-й модели:
(4.5.1)
(4.5.2)
(4.5.3)
(4.5.4)
(4.5.5)

310
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где сХУ су, с2 — упругая жесткость амортизаторов в направлениях X, У, Z;
х9 у, z — координаты амортизаторов относительно координатных осей (если на-
чало координат совпадает с центром масс, то оси являются главными);
J*=//2m(L^4"L0' Jy=Km(Lz + L*)' J*=/^m(L* + L0 (Lx,Ly,Lz — размеры блока
прямоугольной формы по трем измерениям,) — моменты инерции блока отно-
сительно координатных осей;
Jxyy Jyz, J2X — центробежные моменты инерции относительно координатных пло-
скостей;
т — масса блока;
Ф*> 4V У* — углы поворота относительно координатных осей.
Решая эту систему уравнений, находят 6 частот собственных колебаний: 3 линей-
ных и 3 вращательных. Данная система допускает решения, отличные от нуля, если ее
определитель равен нулю.
Решение системы находят в виде:
Подставляя эти выражения в исходные уравнения (4.5.1)-(4.5.6), записывая коэф-
фициенты при соответствующих координатах в виде определителя, и решая их, нахо-
дят постоянные коэффициенты уравнения шестой степени относительно со2:
Если блок установлен на амортизаторах без перекосов, а центры масс и жесткости
лежат на одной вертикали, кроме того, использованы амортизаторы одного типораз-
мера, у которых упругая жесткость по X и У одинакова, то при выполнении этих усло-
вий расчетная модель соответствует варианту 2.
Система дифференциальных уравнений распадается на 2 независимых уравнения
и 4, попарно связанных:
Из уравнений (4.5.7) и (4.5.8) определяют частоты собственных колебаний вдоль
оси Z и вращательных колебаний вокруг этой оси:

Глава 4£. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 311
где
Если расчетная схема удовлетворяет требованиям 3-го варианта, т. е. если к пере-
численным условиям добавить, что амортизаторы расположены симметрично, и центр
жесткости совпадает с центром масс, то система уравнений распадается на 6 независи-
мых частот собственных колебаний:
Используя полученные выражения, находят собственные частоты колебаний
блоков.
Абсолютно совместить центр жесткости с центром масс практически невозможно,
как и расположить на одной вертикали, поэтому в инженерных задачах всегда возни-
кает вопрос о степени приближения этих точек.
Для практических задач при размерах блоков в пределах бОО.мм можно считать,
что центры масс и жесткости совпадают, если разнос между ними не превышает 10 мм,
но при меньших размерах блоков эту величину пропорционально уменьшают.
Из уравнений (4.5.9) и (4.5.10) находят еще две частоты со3 и со4» решая биквадрат-
ное уравнение:
Из уравнений (4.5.11) и (4.5.12) находят частоты со5, <о6, решая биквадратное урав-
нение

312
Конструирование узлов и устройств электронных средств
4.5.1.3. Упаковочная тара для транспортирования
Упаковочная тара должна гарантировать сохранность ЭС при ее перевозке любыми
транспортными средствами. Контейнер для транспортировки изготовляют из недоро-
гих материалов (металл, слоистое стекловолокно и дерево). Между жесткой оболочкой
тары и поверхностью ЭС прокладывают упругие амортизационные прокладки, гася-
щие вибрационные и ударные нагрузки при транспортировке (рис. 4.5.5).
Рис. 4.5.5. Схема упаковочной тары: 1 — жесткая внешняя оболочка тары;
2 — упругая прокладка; 3 — ЭС
Механические свойства упаковочных материалов характеризуются соотношением
приложенной к поверхности материала нагрузки и деформацией материала, вызывае-
мой этой нагрузкой, т. е. статической жесткостью Р = f(z).
Амортизирующие прокладки могут быть упругие (табл. 4.5.1) и неупругие. Пер-
вые полностью восстанавливают свою толщину после снятия приложенной нагрузки.
В неупругих прокладках наблюдается остаточная деформация, поэтому они являются
прокладками разового использования.
Таблица 4.5.1
Типы амортизирующих прокладок
Материал
Пенопласт полиуретановый
(поролон)
Пенопласт полиуретановый
с замкнутой структурой
Резина губчатая
Войлок мягкий
Сетка цельнометаллическая
из проволоки ЭИ708
диаметром 0,09 м
Плотность
р, г/см3
0,03-0,07
0,35
0,127
0,3
1
1,87
2,68
Предельное допу-
стимое давление
Од, Н/см2
0,8-1,0
20
3
2-3
20
30
140
Коэффициент
демпфирования
Ут
0,10
0,08
0,12
0,18-0,2
0,3-0,4
0,3-0,4
0,3-0,4 1

Глава 4J>. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 313
Исходные данные:
т — масса блока;
S — опорная поверхность блока;
К — наибольшая перегрузка, допустимая на ЭС.
Последовательность расчета:
1. Восстанавливающая сила после удара, которая вызовет в прокладке механиче-
ское напряжение (Н/см2):
(4.5.13)
где K = z/ g — наибольшая перегрузка, допустимая на ЭС.
2. Потенциальная энергия поднятого на высоту Н блока ЭС, которая приводит к
максимально допустимой деформации прокладки:
£/ = m g-(H + z).
3. Потенциальная энергия, полностью переходящая в энергию деформации про-
кладки:
U = V-Tv = S-h-Tv,
где V — объем прокладки;
Tv — энергия, накопленная в единице объема прокладки при минимальной упру-
гой деформации.
4. Расчетная толщина прокладки:
STV
Обозначая o/Tv = 0, и с учетом (4.5.13), получаем толщину прокладки:
H + z
Рис. 4.5.6. Зависимость 0 = /(а) для поролона и губчатой резины: 1 — поролон;
2 — резина губчатая.

314
Конструирование узлов и устройств электронных средств
из которого видно, что чем меньше величина 0, тем тоньше может быть упругая про-
кладка тары.
При выборе материала и размеров упругой прокладки исходят из допустимых на-
пряжений, которые может выдержать материал, и минимальной величины безразмер-
ной величины 0 (рис. 4.5.6).
4.5.2. Обеспечение нормальных тепловых режимов ЭС
Современные радиотехнические устройства представляют собой инженерные соору-
жения, состоящие из собственно радиоэлектронной аппаратуры, систем терморегули-
рования, вспомогательного оборудования (источники электропитания, санитарная вен-
тиляция и т. д.) и подвижного либо стационарного помещения, в котором установлено
оборудование. Подобное инженерное сооружение будем называть радиоэлектронным
комплексом. В качестве примеров радиоэлектронных комплексов можно назвать при-
емо-передающую радиостанцию, спутник связи, радиолокационную станцию и т. д.
ЭС является основной частью радиоэлектронного комплекса. ЭС может быть кон-
структивно оформлено в виде составляющих комплекс блоков, стоек, шкафов, пультов
или их комбинаций, а также может быть выполнено в виде отдельных устройств, не
входящих в состав комплекса, например: телевизор, переносная радиостанция, радио-
прибор. В состав ЭС входит множество отдельных элементов. Элементы представляют
собой микросхемы, полупроводниковые или электронно-вакуумные диоды и триоды,
резисторы, конденсаторы и прочие радиодетали либо электромеханические узлы [39].
Температурное поле ЭС состоит из значений температур ее элементов, а также тем-
ператур в различных точках шасси, кожуха, воздуха внутри аппарата и т. п. Совокуп-
ность значений этих температур характеризует тепловой режим ЭС. В конкретных
исследованиях можно ограничить количество точек, значение температур в которых
достаточно полно отражает тепловой режим аппарата в целом.
В процессе эксплуатации ЭС подвергается воздействию различных факторов, отри-
цательно влияющих на ее надежность. К ним относятся: нагрев и охлаждение, измене-
ние давления, влажности, химического и биологического состава окружающей среды;
попадание пыли и песка, находящихся в земной атмосфере; солнечная и искусствен-
ная радиации; вибрация и удары. Для повышения надежности ЭС необходимо в той
или иной мере защитить ее от действия этих факторов. Более подробные сведения о
защите ЭС от различных внешних воздействующих факторов приводятся в главе 4.8
настоящего пособия.
Различают внутренние и внешние тепловые воздействия на ЭС. Внутренние те-
пловые воздействия, в основном, зависят от мощности, рассеиваемой элементами ЭС,
внешние — от условий эксплуатации.
Насыщение современных технических устройств ЭС различного назначения застав-
ляет конструкторов уменьшать его габариты и увеличивать удельные мощности рассе-
ивания, т. е. мощности, приходящиеся на единицу поверхности или объема ЭС. Одним
из основных направлений в конструировании ЭС стала комплексная микроминиатю-
ризация, что приводит к еще большему увеличению удельной мощности рассеивания.
Поэтому защита ЭС от тепловых воздействий становится одним из главных вопросов в
обеспечении ее надежности.
Защита ЭС от тепловых воздействий осуществляется при помощи ряда меропри-
ятий. Одним из основных является использование систем обеспечения теплового
5. Для приближенных расчетов удобно пользоваться выражением:

Глава 43. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 315
режима ЭС (СОТР). СОТР обычно предназначена для поддержания заданного в техни-
ческих условиях диапазона температур на элементах ЭС, чтобы обеспечить его надеж-
ность при определенных тепловых воздействиях и других специальных требованиях.
Кроме основного назначения СОТР может выполнять и другие функции: защищать ЭС
от влаги и пыли, химического, биологического и радиационного воздействия внешней
среды; создавать санитарные условия для обслуживающего персонала; увеличивать
диэлектрическую прочность межэлементных промежутков и т. д. [39, 50].
В зависимости от баланса внутренних и внешних тепловых воздействий СОТР мо-
жет либо отводить тепло от ЭС (охлаждение), либо подводить тепло к ЭС (нагревание).
Подогрев ЭС осуществляется обычно достаточно простыми методами (например, омиче-
скими электронагревателями). Наибольшие трудности встречаются при охлаждении,
и, как правило, основной арсенал средств и методов, используемых в СОТР, направлен
на регулирование процесса отвода тепла от элементов ЭС. Поэтому при анализе темпе-
ратурного поля ЭС мы часто будем пользоваться термином «охлаждение ЭС».
В радиоэлектронных комплексах СОТР, как правило, являются сложными систе-
мами, состоящими из многих элементов, коммуникаций и несущих конструкций.
В некоторых случаях регулирование температуры в ЭС может быть достигнуто за
счет простейших конструктивных решений, осуществляющих теплопередачу между
элементами ЭС, элементами несущей конструкции и окружающей средой. Тогда нет
смысла рассматривать СОТР как отдельное изделие, и мы будем пользоваться терми-
нами «методы (или способы) охлаждения ЭС». Этими же терминами будем пользо-
ваться и при исследовании температурного поля элементов ЭС в результате действия
некоторых гипотетических СОТР, когда конкретная конструкция СОТР не рассматри-
вается.
Наиболее распространенными элементами СОТР являются вентиляторы, насосы,
теплообменники, холодильники, нагреватели. Особое место занимают теплоносители.
Под теплоносителем понимают вещество в жидком, газообразном или двухфазном со-
стоянии, используемое для переноса тепла от ЭС к элементам СОТР и обратно.
В большинстве случаев разработчиков ЭС интересует не тепловой режим вообще,
а нормальный (или заданный) тепловой режим. Тепловой режим отдельного элемента
считается нормальным, если соблюдаются два условия: температура элемента (или
окружающей элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или тех-
ническими условиями на него, независимо от изменения окружающей аппаратуру
среды; температура элемента должна быть такова, чтобы обеспечивалась его работа с
заданной надежностью. Первое условие является обязательным для каждого элемента,
второе специально оговаривается в ТЗ на аппаратуру. Тепловой режим всей аппара-
туры считается нормальным, если обеспечивается нормальный тепловой режим всех
его элементов без исключения [39, 50].
Таким образом, проблемы обеспечения нормальных тепловых режимов ЭС на-
столько важны, что ими должны заниматься не только узкие специалисты, но и все
разработчики ЭС на разных стадиях, начиная от разработки принципиальной схемы,
включая выбор компонентов, материалов, разработку технологии, и кончая сборкой.
Очень важно заниматься вопросами обеспечения нормального теплового режима на
начальных стадиях проектирования ЭС.
4.5.2.1. Базовые системы охлаждения, применяемые в ЭС
Препятствием для обеспечения нормального функционирования аппаратуры
являются внутренние и внешние тепловые воздействия. Внутренние тепловые
воздействия — это выделяемая аппаратурой энергия, внешние тепловые воздей-
ствия — окружающей среды. Например, для некоторых типов элементов предельной

316
Конструирование узлов и устройств электронных средств
низкой допустимой температурой является температура, близкая к О °С. Аппаратура
же должна эксплуатироваться при значительно более низких температурах. В этом
случае, перед включением аппаратуры в работу, эти элементы следует предварительно
разогреть с помощью электрических, бензиновых и других нагревателей. С другой сто-
роны, аппаратура может располагаться в таких местах носителей, в первую очередь
летающих, в которых за счет аэродинамического нагрева окружающая аппарат среда
может нагреться до 200-250 °С и выше, что значительно превышает заданную. В этих
случаях требуется создание специальных экранирующих устройств, предохраняющих
аппаратуру от излишнего теплового воздействия.
Защита аппаратуры от тепловых воздействий осуществляется применением СОТР.
Одним из критериев эффективности средств рассеяния мощности является тепло-
вое сопротивление. Тепловой поток, двигаясь о* источника тепла к элементам с бо-
лее низкой температурой (теплостокам), преодолевает на своем пути сопротивление,
называемое тепловым. Это могут быть элементы конструкции (при передаче тепла
теплопроводностью), развитость теплоотдающей поверхности, интенсивность движе-
ния охлаждающей жидкости, ее род и другие факторы (при теплоотдаче излучением и
конвекцией). Поскольку тепловое сопротивление равно RT=At/P (К/Вт), где At — раз-
ность температур источника тепла и теплостока, а Р — мощность, рассеиваемая в ап-
паратуре, то уменьшение теплового сопротивления приводит к снижению перегрева
аппаратуры при определенной рассеиваемой мощности, т. е. к улучшению теплового
режима ЭРИ.
Различают два вида теплового режима: стационарный (или установившийся) и не-
стационарный. Стационарный режим характеризуется тем, что температура каждого
элемента аппарата не меняется во времени. Это возможно при постоянной рассеива-
емой мощности и при достаточно длительной работе аппаратуры. В тех же случаях,
когда мощность выделяется в аппарате периодически кратковременно, или аппара-
тура работает относительно короткое время, режим остается нестационарным. Пода-
вляющее большинство современных ЭС работает в стационарном тепловом режиме,
поэтому и системы охлаждения конструируются с учетом длительной работы с посто-
янной тепловой нагрузкой [39, 50].
Системы охлаждения, применяемые в ЭС, работают на разных принципах передачи
тепла. Но наибольшее распространение получили системы передачи тепла конвек-
цией, т. е. системы газового (воздушного) и жидкостного охлаждения.
Системы газового и жидкостного охлаждения можно классифицировать по несколь-
ким принципам. По способу передачи теплоносителя различают системы естествен-
ного и принудительного охлаждения. В системах естественного охлаждения теплоно-
ситель движется вдоль тепловыделяющих поверхностей за счет разности плотностей в
нижней и верхней частях потока. Эта разность вызвана разностью температур в этих
частях. Частицы жидкости или газа, соприкасаясь с нагретой поверхностью, нагрева-
ются, и при этом плотность потока уменьшается. Вследствие этого частицы начинают
подниматься, а их место занимают более холодные частицы. Таким образом, проис-
ходит естественное движение теплоносителя. В системах принудительного охлажде-
ния жидкость или газ направляются к объектам охлаждения с помощью специальных
устройств (насосов, компрессоров, вентиляторов и пр.). При этом на охлаждение ЭС
расходуется мощность [39, 50].
По способу воздействия на объекты охлаждения системы охлаждения разделяются
на системы прямого и косвенного воздействия. Прямое воздействие предусматривает
непосредственный контакт теплоносителя с объектом охлаждения. При косвенном
охлаждении между теплоносителем и объектом охлаждения существует какое-то до-
полнительное тепловое сопротивление в виде слоя воздуха, стенки корпуса и т. п.

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 317
Одним из примеров косвенного охлаждения служит обдув воздухом наружных поверх-
ностей герметичного блока. Очевидно, что эффект от применения прямого охлаждения
значительно превосходит эффект от косвенного.
По количеству объектов охлаждения системы охлаждения делятся на системы об-
щего и локального охлаждения. В случаях общего охлаждения при правильном рас-
пределении теплоносителя охлаждаются все тепловыделяющие элементы. Это может
происходить как при прямом, так и косвенном охлаждении. В тех же случаях, когда
среди всех тепловыделяющих элементов можно выделить только один или несколько,
требующих специального дополнительного охлаждения, неэкономично применять си-
стемы общего охлаждения, а следует подавать теплоноситель только к этим элемен-
там, т. е. создавать систему локального охлаждения, что ведет к уменьшению объема,
массы и энергопотребления средства охлаждения.
По конструктивному исполнению системы охлаждения разделяются на разомкну-
тые и замкнутые. В разомкнутых системах теплоноситель, отняв тепло от его источ-
ников, выбрасывается в окружающую среду и в дальнейшем больше не используется.
В замкнутых системах теплоноситель циркулирует по замкнутому циклу. Эти системы
сложнее разомкнутых, так как требуют введения в них дополнительных устройств,
обеспечивающих отбор тепла от теплоносителя, прошедшего через аппарат, перед тем
как снова подавать его к объектам охлаждения.
Системы жидкостного охлаждения, в основном, замкнутые, системы воздушного
охлаждения могут быть и разомкнутыми, но, учитывая возможное заражение окру-
жающей среды, отрицательно влияющее на работоспособность аппаратуры и обслу-
живающего ее персонала, системы воздушного охлаждения чаще всего делаются тоже
замкнутого типа.
Как отмечалось, на тепловое сопротивление влияют род охлаждающей жид кости и
интенсивность ее движения. Значения удельных тепловых сопротивлений гт (т. е. со-
противлений, отнесенных к единице теп л оот дающей поверхности) для различных спо-
собов передачи тепла конвекцией приведены в табл. 4.5.2 [39].
Таблица 4.5.2
Эффективность способов передачи тепла
Способ передачи тепла
Естественная воздушная конвекция с излучением
Принудительная воздушная конвекция
Естественная конвекция в жидкости
Принудительная конвекция в жидкости
[Кипение (испарение) жидкости
гТ • 10s, м2 К/Вт
500-60
100-10
5-2
1-0,3
0,1-0,02
Абсолютное большинство систем охлаждения, применяемых в ЭС, основано на этих
пяти способах теплоотдачи.
Системы естественного воздушного охлаждения надежны и экономичны, так как не
требуют специального оборудования, создающего принудительное движение воздуха.
Однако, как следует из табл. 4.5.2, их эффективность чрезвычайно низка, и поэтому
они применяются только при невысоких удельных тепловых нагрузках на аппарат.
Следует отметить, что во многих работах, посвященных тепловым режимам ЭС,
приводятся конкретные значения удельных тепловых нагрузок, т. е. отношений рас-
сеиваемой в аппаратуре мощности к объему (ватт на кубический метр) или теплоот-
дающей поверхности (ватт на квадратный метр) аппарата, якобы дающие возможность
выбрать способ охлаждения. Это неверно. Помимо удельных тепловых нагрузок такое

318
Конструирование узлов и устройств электронных средств
влияние на выбор способа охлаждения оказывает и допустимый перегрев элементов,
т. е. разность температур элемента и окружающей аппарат среды. Поскольку и за-
данная температура окружающей среды, и допустимые температуры элементов могут
иметь значения в широком диапазоне, невозможно заранее задать даже приблизи-
тельно допустимый перегрев и, следовательно, дать рекомендации по способу охлаж-
дения. Следствием неточного критерия выбора способа охлаждения является вопрос
♦Какую мощность сможет рассеять аппарат?». Любой аппарат рассеивает всю выделя-
емую в нем мощность. Весь вопрос в том, какая при этом в нем будет температура [39].
Аналогичные рассуждения относятся и к отдельным ЭРИ, в частности, к ИМС. Но
в этом случае добавляются еще два фактора — способ установки микросхем в ячейке
и размер теп л оот дающей поверхности корпуса ИМС. В результате исследований было
определено, что коэффициент теплоотдачи (т. е. эффективность отдачи тепла) корпуса
зависит от теплоотдающей поверхности, причем чем меньше поверхность, тем больше
коэффициент.
Естественная конвекция является основным средством охлаждения герметичных
аппаратов. Герметизация узлов может вызываться следующими обстоятельствами:
бескорпусной элементной базой аппаратуры; наличием элементов, не предназначен-
ных для работы при низких барометрических давлениях; защитой от возможных
электрических пробоев при низких барометрических давлениях; необходимостью
предохранения элементов от попадания пыли, влаги, кислот, заряженных частиц
и т. п.
Обеспечение нормального теплового режима герметичных конструкций является
задачей очень сложной. Ведь приведенные в табл. 4.5.2 значения тепловых сопротив-
лений в герметичных конструкциях удваиваются, поскольку естественная конвекция
присутствует в них дважды: внутри блока, от элементов к корпусу, и снаружи, от кор-
пуса в окружающую среду. Если наружное тепловое сопротивление можно уменьшить
увеличением теплоотдающей поверхности оребрением или введением обдува наруж-
ных поверхностей корпуса, то возможности снижения внутреннего теплового сопро-
тивления ограничены. В перьую очередь, для этой цели служит замена воздуха внутри
блока другим газом с лучшими теплофизическими свойствами, например, азотом, ге-
лием, воздушно-гелиевой смесью. Наибольший эффект в этом плане дает применение
в качестве заполнителя объема шестифтористой серы (элегаза). Внутреннее тепловое
сопротивление при этом уменьшается в 1,5-2 раза. Поскольку эффективность тепло-
отдачи конвекцией зависит от давления газа, то целесообразно создавать внутри гер-
метичного объема избыточное давление. При естественной воздушной конвекции
большое значение имеет тепловое излучение. Примерно половина рассеиваемой мощ-
ности отводится излучением. Поэтому необходимо, чтобы все теп л оот дающие и тепло-
воспринимающие поверхности, в первую очередь, корпуса аппарата, имели высокую
степень черноты.
И, наконец, внутреннее тепловое сопротивление можно значительно снизить вве-
дением внутреннего перемешивания газа с помощью встроенного вентилятора. Несмо-
тря на то, что при таком способе охлаждения к мощности, рассеиваемой в аппарате,
добавляется мощность электродвигателя вентилятора, температура внутри аппарата
снижается за счет интенсивности принудительного воздушного охлаждения. Кроме
того, при этом значительно выравниваются температуры элементов внутри аппарата,
что для некоторых классов аппаратуры является важным параметром.
Существуют конструкции герметичных блоков с использованием сквозного прину-
дительного воздушного охлаждения, некоторые примеры которых приведены ниже.
Герметичный блок книжной конструкции с вертикальной осью раскрытия ячеек
(рис. 4.5.7) состоит из набора ячеек.

Глава 43. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 319
Рис. 4.5.7. Блок герметичной разъемной конструкции
Ячейка (рис. 4.5.8) состоит из печатной платы, с двух сторон которой на металличе-
ских основаниях приклеены бескорпусные микросборки.
Рис. 4.5.8. Ячейка герметичного блока книжной конструкции: 1 — основание
металлическое; 2 — микросборка бескорпусная; 3 — воздухоотвод;
4 — контакт электрический; 5 — плата печатная

320
Конструирование узлов и устройств электронных средств
К металлическим основаниям с помощью сварки присоединен воздуховод прямо-
угольной формы, через который протекает охлаждающий воздух. Такая конструкция
обеспечивает малые значения теплового сопротивления между микросхемами и возду-
хом. При сборке ячеек вместе воздуховоды каждой из них образуют общий канал, че-
рез уплотнительные прокладки соединенный с передней панелью, в которой имеются
отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха. Особенно эффективна такая
конструкция для случаев установки ее на некоторых типах самолетов, где для охлаж-
дения ЭС используется воздух в небольших количествах, но с низкой температурой.
Такая конструкция позволяет применять и принудительное жидкостное охлаждение.
Достижение хорошего теплового контакта между ячейкой и направляющей, по
которой она движется, а следовательно, и с корпусом блока, без применения специ-
альных устройств практически невозможно. Поэтому в конструкцию введены допол-
нительные элементы в виде пластин, расположенных между ячейками параллельно
печатным платам и вклеенных в пазы каркаса дна и крышки блока. Тепловой поток от
микросхем конвекцией и особенно излучением (пластины окрашены краской с высо-
кой степенью черноты) передается на пластины, а от них кондукцией на корпус блока.
Верхняя крышка имеет развитую теплоотдающую поверхность за счет оребрения.
Кроме того, в этой конструкции непосредственный контакт ячейки с корпусом осу-
ществляется через расширенную переднюю панель ячейки на оребренную боковую
съемную стенку блока. Для снижения теплового сопротивления этого контакта на вну-
треннюю поверхность стенки наклеена гофрированная алюминиевая фольга.
В тех случаях, когда герметичность конструкции не является обязательным усло-
вием, целесообразно осуществлять перфорирование аппарата. Оптимальный коэффи-
циент перфорации 0,2-0,25. При этом снижение перегрева элементов относительно
окружающей аппарат среды достигает 20-30 % по сравнению с герметичной кон-
струкцией. Перфорации могут быть различных видов —- отверстия, жалюзи, сетки,
грибки и т. п. Размеры перфорационных отверстий выбирают по [39]. Перфорации це-
лесообразно располагать на горизонтальных поверхностях, отстоящих друг от друга
на максимальном расстояние, в идеале — на крышке и дне аппарата. При этом для
обеспечения возможности свободного подхода к аппаратуре охлаждающего воздуха
дно аппарата должно быть приподнято над базовой поверхностью на 20-30 мм. В тех
случаях, когда невозможно перфорировать дно или крышку аппарата, допускается
перфорировать боковые стенки, но при этом перфорации следует располагать на рас-
стоянии от дна или крышки не более чем на !/4 высоты аппарата.
Анализ современных ЭС показал, что более 90 % их охлаждается системами при-
нудительного воздушного охлаждения. Это объясняется многими причинами, важ-
нейшими из которых являются следующие: возрастающая с каждым новым поколе-
нием ЭС удельная тепловая нагрузка аппаратуры с сохранением примерно на том же
уровне теплоустойчивости элементной базы; наличие доступного и дешевого тепло-
носителя; относительная простота конструкции нагнетателя (вентилятора) и воздухо-
водов. Вместе с тем системы принудительного воздушного охлаждения имеют и ряд
существенных недостатков, таких как наличие акустических шумов и вибрации, уве-
личение объема и массы, снижение надежности изделия и, конечно, увеличение за-
трат мощности на охлаждение.
Довольно часто встречаются случаи, когда элементы систем охлаждения, в первую
очередь, вентиляторы, разрабатываются недостаточно квалифицированными специа-
листами. Это еще более усугубляет объективные недостатки, указанные выше. Кроме
того, зачастую устанавливается вентилятор с заведомо завышенной на всякий случай
производительностью. Если принять во внимание, что КПД «самодеятельных» венти-
ляторов обычно ниже, чем унифицированных, и расход энергии на питание вентиля-

Глава 4Jy. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 321
тора находится в квадратичной зависимости от производительности вентилятора, то в
некоторых случаях мощность, затрачиваемая на охлаждение аппаратуры, приближа-
ется к мощности, выделяемой самой аппаратурой.
До некоторого времени разработчики аппаратуры, в частности, шкафов и стоек,
мало обращали внимание на герметизацию конструкции. Это приводило к тому, что
через неплотности технологические (отверстия для ввода внешних электрических
соединений и т. п.) и сборочные (неплотное прилегание обшивки к каркасу, зазоры
между элементами конструкции и т. п.) происходили утечки охлаждающего воздуха в
окружающую среду. Утечки достигали более 40 % от общего подаваемого количества.
В связи с этим для обеспечения нормального теплового режима приходилось подавать
в шкаф или стойку воздуха на 40 % больше, а это, в свою очередь, приводило к уве-
личению мощности электродвигателя вентилятора почти в 2 раза. Еще одним источ-
ником непроизводительного расхода охлаждающего воздуха являются перетоки, т. е.
движение воздуха внутри шкафа не через сечение шкафа, занятое источниками тепло-
выделений, а через сечения, занятые электромонтажом, элементами крепления и т. п.
Значения этих перетоков довольно значительны. Так, например, в шкафу, состоящем
из восьми этажей (блоков), переточки в этажах с третьего по седьмой достигают 25 %,
и только в восьмом этаже они отсутствуют, так как здесь появилась возможность пере-
крыть их с помощью пластин [47].
Следует отметить, что потери напора внутри шкафов незначительны по сравнению
с аналогичными параметрами на входе воздуха или на выходе его из шкафа. Так, на-
пример, потери напора в шкафу, состоящем из восьми этажей (блоков), при расходе
воздуха 0,1-0,125 м3/с составляют для аппаратуры на ИС всего 5-15 Па [47].
На практике применяют три системы принудительного воздушного охлаждения:
приточную, вытяжную и приточно-вытяжную (рис. 4.5.9).
Рис. 4.5.9. Системы принудительного воздушного охлаждения электронных
модулей: а — приточная; б — вытяжная; в — приточно-вытяжная
Приточная система характеризуется тем, что воздух под давлением, создаваемым
вентилятором, поступает в аппарат, отбирает тепло от элементов и выбрасывается
в окружающую среду или поступает в вытяжной воздуховод (коллектор). В вытяж-
ной системе вентилятор устанавливается на выходе воздуха из шкафа. При этом он

322
Конструирование узлов и устройств электронных средств
высасывает воздух из шкафа. В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанав-
ливают и на входе, и на выходе воздуха. Каждая из систем обладает своими досто-
инствами и недостатками. Достоинством приточной системы является тот факт, что
воздух в шкаф подается с повышенным давлением, что благоприятствует теплоотдаче
внутри шкафа. Вместе с тем поступающий в шкаф воздух имеет более высокую темпе-
ратуру, так как он нагревается за счет части мощности, потребляемой электродвигате-
лем вентилятора.
В вытяжной системе мощность вентилятора не оказывает влияния на температуру
всасываемого в шкаф воздуха, однако этот воздух имеет давление несколько ниже нор-
мального и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Кроме того, в такой системе
электродвигатель вентилятора находится в потоке горячего воздуха, выходящего из
шкафа, и здесь следует обращать внимание на то, чтобы температура электродвига-
теля не превышала допустимую. Обе, и приточная, и вытяжная, системы имеют об-
щий недостаток: они не препятствуют утечкам воздуха. В то же время применение
приточно-вытяжной системы даже без изменения конструкции шкафа позволяет в не-
сколько раз снизить утечки. Поэтому, несмотря на кажущуюся сложность приточно-
вытяжной системы, применение ее экономически целесообразно.
На практике в системах принудительного воздушного охлаждения воздух, как пра-
вило, движется снизу вверх. Это обстоятельство вызвано только удобством расположе-
ния и эксплуатации элементов системы (вентиляторов, воздуховодов, регулирующих
устройств, датчиков контроля и т. п.). Движение воздуха сверху вниз не менее эффек-
тивно и поэтому может без ограничений применяться в необходимых случаях.
В носителях шкафы ЭС редко стоят поодиночке. Чаще всего их собирают в ряды,
содержащие от трех до десяти шкафов (рис. 4.5.10).
Рис. 4.5.10. Схемы распределения воздушного потока по шкафам:
а — параллельная; б — последовательная
Поскольку конструкции шкафов предусматривают наличие воздуховодов в нижней
и верхней частях, то при сборке шкафов в ряд эти воздуховоды образуют верхний и
нижний коллекторы. В нижний коллектор подается охлаждающий воздух (при при-
точной системе охлаждения), который параллельно распределяется по каждому из
шкафов в количествах, определенных тепловым расчетом, отбирает тепло от элемен-
тов аппаратуры, собирается в верхнем коллекторе и удаляется (рис. 4.5.10, а). Распре-
деление воздуха по объектам охлаждения осуществляется с помощью регулирующих
элементов (заслонок, листов с отверстиями, сеток и т. п.), размещенных между основа-
нием шкафа и нижним воздуховодом. Процесс параллельного распределения воздуха
чрезвычайно трудоемок и определяется, в основном, опытом разработчика. Прежде

Глаза 4J5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 323
чем добиться необходимого результата, приходится по несколько раз включать си-
стему охлаждения, менять сечения для входа воздуха в шкаф и т. д.
Этих недостатков лишена система последовательной подачи воздуха в шкафы
(рис. 4.5.10, б). Суть ее заключается в том, что охлаждающий воздух последовательно
проходит через охлаждаемые шкафы. При этом нет необходимости регулировать рас-
пределение воздуха по шкафам, что значительно облегчает эксплуатацию изделия.
С другой стороны, в каждый последующий шкаф поступает воздух, уже предвари-
тельно нагретый, так что в *-й шкаф воздух может поступать с температурой, превы-
шающей допустимую для элементов. Целесообразность параллельной или последова-
тельной подачи воздуха в шкаф зависит от количества шкафов в ряду, конструкции
шкафа, количества необходимого воздуха и др.
В последние годы в связи с ростом теплонагруженности аппаратуры все чаще воз-
никают случаи, когда воздушное охлаждение, даже принудительное, не в состоянии
обеспечить необходимый тепловой режим [39]. В этом плане более эффективным яв-
ляется жидкостное охлаждение. Жидкостное охлаждение обладает по сравнению с
воздушным следующими преимуществами: способностью отвести от аппаратуры зна-
чительно больше мощности; снизить объемы и массы устройств охлаждения и самих
источников тепла; уменьшить уровень акустических шумов, создаваемых системой
охлаждения; обеспечить более равномерное распределение температуры в пределах
одного аппарата; создать большие запасы хладагента по охлаждению при пиковых на-
грузках и переходных процессах и др.
Естественная жидкостная система охлаждения в принципе имеет только две моди-
фикации: когда аппарат погружается в жидкость и когда жидкость заливается в герме-
тичный аппарат. В первом случае резко снижается наружное тепловое сопротивление
между корпусом аппарата и окружающей средой, во втором — внутреннее тепловое
сопротивление. В обоих случаях общее тепловое сопротивление между тепловыделяю-
щими элементами и окружающей средой уменьшается почти вдвое.
И тот, и другой варианты обладают одним существенным недостатком — значи-
тельным увеличением массы изделия. Кроме того, в случае наружного охлаждения ап-
парата создаются трудности с доступом к нему, к подводу электрических кабелей, воз-
растают требования к герметичности узлов, соединителей и других элементов. Система
с внутренней заливкой аппарата во многом лишена этих недостатков, но одновременно
добавляется дополнительное требование — отсутствие какого-либо влияния охлаж-
дающей жидкости на ЭРИ, печатные платы, элементы коммутации и пр. Это требует
обширных и многолетних исследований, которые ведутся в России чрезвычайно вяло.
Так что можно сказать, что естественное жидкостное охлаждение практического зна-
чения не имеет.
Принудительное жидкостное охлаждение применяется очень широко и, в первую
очередь, для обеспечения нормального теплового режима мощных генераторных ламп.
Концентрация мощности в таких лампах настолько велика, что воздушное охлажде-
ние или не может вообще обеспечить работоспособность лампы, или требует установки
теплостоков в виде радиаторов значительных размеров. Конструктивное исполнение
таких систем различно, но схема их работы примерно одинакова (рис. 4.5.11).
Тепловыделяющая часть прибора заключена в рубашку, в которую насосом под
давлением подается охлаждающая жидкость. Для того чтобы обеспечить полный и
равномерный контакт жидкости с тепловыделяющей поверхностью, внутри рубашки
делается спиралевидная навивка. Нагретая в приборе жидкость поступает в охлажда-
ющее устройство в виде жидкостно-воздушного теплообменника, охлаждается в нем
и поступает обратно в насос. Для снижения размеров теплообменника он обдувается
принудительным потоком воздуха от установленного рядом вентилятора.

324
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.5.11. Схема принудительного жидкостного охлаждения мощных
генераторных ламп: 1 — вентилятор; 2 — жидкостно-воздушный
теплообменник; 3 — генераторная лампа; 4 — электронасос
Охлаждающая жидкость применяется и для охлаждения аппаратуры, размещае-
мой в унифицированных БНК третьего уровня. На рис. 4.5.12 показана одна из таких
конструкций, в которой большая часть рассеиваемой мощности отводится жидкот
стью.
Рис. 4.5.12. Конструкция шкафа с принудительным жидкостным
охлаждением

Глава 4£. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 325
Следует отметить, что такой способ охлаждения эффективен только в том случае,
если обеспечивается хороший тепловой контакт между источниками тепла и жидко-
стью. В противном случае тепловое сопротивление теплового контакта будет значи-
тельно больше тепловых сопротивлений остальных участков цепочки передачи тепла
«тепловыделяющий элемент — теплоотводящая жидкость», и преимущества приме-
нения жидкостного охлаждения будут сведены на нет.
В связи с тем, что создание теплового разъема с низким тепловым сопротивлением
является задачей весьма сложной, принудительное жидкостное охлаждение чаще
применяется в сочетании с принудительным воздушным. В такой системе охлаждение
элементов производится потоком воздуха, который на своем пути охлаждается в жид-
костно-воздушных теплообменниках.
Основным типом принудительной воздушной системы охлаждения, применяемой
в радиоаппаратуре, является замкнутая система. Это объясняется, во-первых, невоз-
можностью использовать в качестве теплоносителя воздух из окружающей среды из-за
возможной его загрязненности. Во-вторых, рост уровней мощности в аппаратуре тре-
бует увеличенного количества охлаждающего воздуха. Но это увеличение лимитиру-
ется двумя факторами: нецелесообразностью увеличения скорости воздуха внутри ЭМ
более 3 м/с и ограниченностью сечения подводящих и отводящих воздуховодов. По-
следнее обстоятельство приводит к повышенным скоростям воздуха в них и, следова-
тельно, к повышению аэродинамического сопротивления воздуховодов, увеличению
уровня акустических шумов и вибрации, к трудностям воздухораспределения по объ-
ектам охлаждения. Поэтому выходом из создавшегося положения может служить
предварительное охлаждение воздуха перед входом в ЭМ. Это требует дополнительных
затрат мощности на охлаждение, но эта мера вынужденная и необходимая.
Наиболее эффективно использовать испарительные системы, которые разделяют
на разомкнутые и замкнутые. Разомкнутые системы используются для охлаждения
аппаратуры, работающей короткое время. Для аппаратуры, работающей в длитель-
ном режиме, применяются испарительные системы или устройства на принципе ис-
парения, работающие по замкнутому циклу. Принцип работы испарительной системы
заключается в том, что под действием выделяемой в аппаратуре мощности жидкость
испаряется, отнимая тепло от элементов. Далее пар поступает в теплосток в виде оре-
бренного радиатора или теплообменника, где, конденсируясь, отдает тепло в окружа-
ющую среду или промежуточному теплоносителю. Конденсат стекает обратно, и цикл
повторяется.
Пример использования испарительной системы охлаждения приведен на
рис. 4.5.13.
Как отмечалось ранее, для охлаждения мощных электровакуумных приборов,
в основном, используются воздушная и жидкостная системы с принудительной про-
качкой теплоносителя. Эти системы обладают рядом существенных недостатков: низ-
кой надежностью, высокими затратами на охлаждение по массе, объему и энергопо-
треблению на единицу отводимой мощности.
Разработанный вариант электровакуумного прибора с испарительным охлажде-
нием представляет собой анод, снабженный оребрением, заключенный в корпус бой-
лера, в который заливается охлаждающая жидкость. Возникающий в результате
кипения жидкости пар конденсируется в конденсаторе, представляющем собой два
алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменника типа * воздух—жидкость».
Каждый теплообменник обдувается осевым электровентилятором. Конденсат из каж-
дого теплообменника поступает в бойлер по конденсатопроводу.
Сравнение комплекса «электровакуумный прибор—система испарительного
охлаждения» с его жидкостным аналогом показывает, что применение испарительного

326
Конструирование узлов и устройств электронных средств
охлаждения для прибора мощностью 25 кВт позволяет уменьшить массу комплекса
в 4-5 раз, габариты — в 3-4 раза, энергопотребление — в 6 раз.
Рис. 4.5.13. Анодный узел электровакуумного прибора с испарительным
охлаждением: 1 — теплоноситель; 2 — конденсатопровод; 3 — корпус
бойлера; 4 — оребрение анода; 5 — изолятор; 6 — корпус анода
В ЭС в последние годы широко применяются устройства, основанные на принципе
передачи тепла испарением. Одним из таких устройств является термосифонный те-
плоотвод. Принцип его работы следующий. В вертикально установленную трубу за-
ливается жидкость. К нижней части трубы крепятся тепловыделяющие элементы,
подлежащие охлаждению. На верхней части трубы помещен конденсатор пара, выпол-
ненный, как правило, в виде оребренного радиатора.
Под действием выделяемой элементом мощности жидкость в термосифоне испа-
ряется, пар поднимается вверх, охлаждается в радиаторе, и конденсат стекает вниз.
Вследствие того, что тепловое сопротивление потоку тепла при испарении очень мало
(табл. 4.5.3), разность температур на противоположных концах трубы термосифона
тоже мала.
Следовательно, температура охлаждаемого элемента будет в значительной степени
зависеть от температуры теплостока, т. е., в конечном счете, от его теплового сопро-
тивления.
Термосифонный теплоотвод может применяться для охлаждения различных эле-
ментов с высокой концентрацией мощности. Ниже приводятся две конструкции с тер-
мосифоном. Термосифонный теплоотвод (рис. 4.5.14), предназначенный для непосред-
ственного жидкостного охлаждения кристалла мощного транзистора, представляет
собой вертикальную цилиндрическую трубку с наружным штырьковым оребрением.

Глава 4J5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 327
Рис. 4.5.14. Конструкция термосифонного радиатора: 1 — капсула;
2 — транзистор; 3 — радиатор; 4 — заправочный штуцер; 5 — жидкость;
6 — уплотнительная прокладка; 7 — фланец
Нижний конец теплоотвода выполнен в виде капсулы с фланцем и канавкой под
уплотнение. Для улучшения теплоотдачи излучением внешние поверхности покрыты
черной глубоко матовой эмалью. При естественной конвекции воздуха транзистор мо-
жет рассеивать через термосифонный теплоотвод мощность до 42 Вт, в то время как
мощность, рассеиваемая через кондуктивный игольчато-штыревой радиатор с анало-
гичными массогабаритными характеристиками, составляет 12-15 Вт.
Аналогичная конструкция с применением термосифона для охлаждения pin-
диодов [39] приведена на рис. 4.5.15.
В зависимости от рассеиваемой в pm-диоде мощности в конструкции предусмо-
трено применение различных теплостоков для воздушного и жидкостного охлаждения
пара.
Наряду с высокой эффективностью применения термосифоны обладают и рядом
крупных недостатков. Во-первых, они должны всегда устанавливаться вертикально и,
во-вторых, для работы термосифона необходимы гравитационные силы для обеспече-
ния нормального возвращения конденсата. Этих недостатков лишено устройство, ра-
ботающее на том же принципе, под названием тепловая труба (ТТ). Типовая тепловая
труба состоит из герметичного объема, внутри которого имеется фитиль или струк-
тура, обладающая капиллярным действием. Фитиль насыщается рабочей жидкостью.
Если на один конец трубы подается тепло, то рабочая жидкость испаряется и переме-
щается по трубе до тех пор, пока пар не конденсируется в более холодной части и не
перейдет в жидкое состояние. Затем жидкость возвращается к нагретой части благо-
даря капиллярному действию фитиля, в результате тепло непрерывно передается от
одной части трубки к другой с помощью почти изотермического процесса испарения
и конденсации. Тепловые трубки могут существенно снизить тепловое сопротивление

328 Конструирование узлов и устройств электронных средств
между источником тепла и теплостоком в самых различных применениях. Особенно
ценно их применение для охлаждения систем, занимающих ограниченный объем,
а также для охлаждения замкнутых систем.
Рис. 4.5.15. Конструкция теплоотводящего устройства: I — зона теплопод-
вода; II — транспортная зона; III — конденсационная зона; IV — колпачок
с заправочным штенгелем; 1 — верхняя трубка сепаратора; 2 — разделитель-
ная втулка; 3 — нижняя трубка сепаратора; 4 — теплоноситель; 5 — стопор-
ное кольцо; 6 —pin-диод
Следует отметить, что и термосифон, и тепловая труба являются не системами
охлаждения, а элементами систем, охлаждения, способными транспортировать тепло
из одной части аппарата в другую при минимальной разности температур между источ-
ником тепла и теплостоком. Эта разность составляет десятые доли градуса. Другими
словами, ТТ аналогична стержню, передающему тепло кондукцией, изготовленному
из материала, имеющего коэффициент теплопроводности порядка 104 Вт/(м • К). От-
вод тепла от термосифона и ТТ должен осуществляться теплостоком, установленным
на конденсаторной части устройства. Тепловые трубы применяются в комбинации с
традиционными способами отвода тепла: естественным и принудительным (газовым и
жидкостным), с использованием теплоты фазовых превращений — кипения, плавле-
ния, отводом тепла на элементы конструкции, обладающие большой теплоаккумули-
рующей способностью и др.

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивосщи и нормальных тепловых режимов ЭС 329
Наиболее перспективно применение ТТ при проектировании современной аппара-
туры на базе комплексной миниатюризации, где проблема уменьшения объема и массы
конструкции наиболее важна и требует поисков новых эффективных решений. Тепло-
вые трубы способны передавать большие тепловые токи на значительные расстояния
с малыми перепадами температур, рассеивать или концентрировать тепловые потоки
большой плотности, разделять и разветвлять источники и стоки тепла.
Характерные задачи, решаемые с помощью ТТ в ЭС [48]: снижение термиче-
ского сопротивления между источниками и стоками тепла, т.е. передача тепла
при минимальных температурных перепадах; отвод тепла из труднодоступных зон
аппаратуры с большой плотностью тепловых потоков и монтажа и трансформация
тепловых потоков; выравнивание температурного поля по конструкции аппара-
туры, снижение перегревов и повышение эффективности работы теплоотводов;
сбор тепла от многих источников энергии, расположенных в различных зонах вну-
три аппаратуры, к единому стоку тепла, где созданы оптимальные условия охлаж-
дения, и др.
Тепловые трубы могут быть любой формы (круглые, плоские, гибкие и т. п.) и из
любого материала (металла, пластмассы и пр.), так как корпус ТТ в теплообмене не
участвует. Применение ТТ, как и любого другого устройства передачи тепла кондук-
цией, требует обеспечения хорошего теплового контакта трубы с источником тепла и
теплостоком.
Сравнительный анализ показал, что применение ТТ позволяет снизить, перегрев
микросборок на 40-45 %, а при обдуве радиатора — на 55-60 %. Это соответствует
увеличению допустимой рассеиваемой блоком мощности в 2 раза и более.
В связи с разработкой унифицированных БНК и внедрением функционально-
узлового метода проектирования ЭС выявилась необходимость создания ТТ, размеры
и форма которой увязаны как с размерами охлаждаемого элемента, так и с размерами
печатной платы, на которой он устанавливается. Поскольку ТТ целесообразно при-
менять для отвода относительно больших мощностей, то, в первую очередь, была раз-
работана конструкция ячейки источника вторичного электропитания, приведенная в
ОСТ 4ГО.010.009-84, где на печатную плату устанавливается плоская ТТ. На один ее
конец приклеивается источник тепловыделения в виде микросборки высокой степени
интеграции, на противоположный — штыревой радиатор. Тепловой поток от микро-
сборки через тепловую трубу передается на радиатор, откуда отводится естественным
или принудительным потоком воздуха. Так как теплоотдающая поверхность радиа-
тора значительно больше, чем теплоотдающая поверхность микросборки даже при
наличии оребрения ее крышки, то и тепловой поток, отводимый от радиатора, значи-
тельно больше. Это дает возможность обеспечить нормальный тепловой режим микро-
сборки при значениях рассеиваемой мощности, в несколько раз превышающих обыч-
ные для нее. Более подробное описание ТТ и способов их применения можно найти в
специальной литературе [48].
Все описанные выше системы охлаждения могут обеспечить температуру элемен-
тов только выше температуры окружающей среды. Вместе с тем в ЭС встречаются
элементы, для нормального функционирования которых требуется более низкая
температура. И в этих случаях применяются специальные устройства охлаждения.
Для охлаждения или термостатирования нетепловыделяющих элементов целесоо-
бразно применять термоэлектрическое охлаждение, основанное на эффекте Пельтье.
Возможно использование также сжиженных газов, имеющих температуру порядка
70-100 К, но их широкое применение сдерживается необходимостью постоянно иметь
баллоны с жидким газом. Представляет интерес устройство, основанное на эффекте
Ранка, так называемая вихревая труба (рис. 4.5.16).

330
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.5.16. Схема вихревой трубы: 1 — вентиль; 2 — цилиндрическая труба;
3 — диафрагма; 4 — отверстие в диафрагме; 5 — входное отверстие
Принцип действия вихревой трубы заключается в следующем: сжатый воздух по-
дается к соплу, тангенциально направленному по отношению к вихревой камере, со-
стоящей из трубы, ограниченной с одной стороны диафрагмой с центральным отвер-
стием, а с противоположной — диафрагмой со щелями по периферии. Искусственно
завихренный воздух разделяется на два потока: горячий и холодный. Холодный воз-
дух выходит через центральное отверстие, а горячий — с противоположной стороны.
Несмотря на то, что охлаждается всего около 20 % от общего количества поступаю-
щего воздуха, применение вихревой трубы в некоторых случаях бывает целесообраз-
ным как для охлаждения отдельных узлов аппаратуры, так и всего помещения. Введе-
ние в конструкцию вихревой трубы дополнительных устройств (охлаждения сжатого
воздуха на входе в трубу, промежуточных воздухо-воздушных теплообменников и др.)
дает возможность получить холодный воздух с температурой около 230-240 К.
В некоторых классах аппаратуры применение систем охлаждения, предназначен-
ных для длительной непрерывной работы, нецелесообразно. Аппаратура может ра-
ботать или короткое время при постоянном тепловыделении или длительное время,
но при этом мощность выделяется кратковременно — периодически. В этих случаях
целесообразно применять теплоаккумуляторы. Простейшим теплоаккумулятором
является массивный кусок металла, на который устанавливается тепловыделяющее
устройство. Масса теплоаккумулятора выбирается таким образом, чтобы за время
выделения устройством тепла аккумулятор не нагрелся выше температуры, допусти-
мой для устройства. В качестве теплоаккумуляторов могут использоваться также эле-
менты конструкции, баки с топливом и т. п.
Теплоаккумулятор, основанный на принципе нагрева, прост по конструкции, но
обладает слишком большой массой. Поэтому чаще применяются теп лоаккумуляторы,
основанные на принципе постоянства температуры при изменении веществом своего
агрегатного состояния, например, при переходе из твердого состояния в жидкое (плав-
ление).
Устройство для охлаждения аппаратуры, как правило, представляет собой тонко-
стенную металлическую емкость с гладкой или оребренной поверхностью, геометри-
ческий объем которой заполнен рабочим веществом. Тепловыделяющие элементы
устанавливаются на металлической конструкции — оболочке емкости с хорошим те-
пловым контактом снаружи или реже внутри полости с рабочим веществом. Во время
работы основная часть тепла, рассеиваемая элементом, поглощается за счет скрытой
теплоты плавления вещества. После окончания работы аппаратуры происходит осты-
вание вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой.

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 331
При этом перерыв между включениями аппаратуры должен быть таким, чтобы рабо-
чее вещество успело полностью затвердеть к началу следующего цикла включения ап-
паратуры.
Представляют интерес конструкции термостатов, основанные на использовании
плавящихся веществ со стабильной точкой плавления. Они предназначены для за-
щиты элементов с малой рассеиваемой мощностью, например, кварцевых генераторов,
от влияния переменных во времени тепловых потоков, поступающих из окружающей
среды во внутреннее пространство термостатирумого объема.
В качестве плавящихся веществ в ЭС чаще всего применяются парафин, воск, стеа-
риновая кислота, дифенил, нафталин, сплавы Вуда и другие, имеющие температуру
плавления, близкую к допустимой для объекта охлаждения.
4.5.2.2. Теплофизическое конструирование ЭС
Под теплофизическим конструированием понимается соблюдение определенных
требований при конструировании и введение в конструкции аппаратов дополнитель-
ных специальных элементов, интенсифицирующих отвод тепла от ЭРЭ. Ранее указы-
валось, что за последние годы расходы мощности на охлаждение достигли значитель-
ных величин. Теплофизическое конструирование одной из своих целей ставит решение
этой проблемы.
Во многих случаях применение методов теплофизического конструирования по-
зволяет или вообще исключить применение принудительного охлаждения, или значи-
тельно снизить расходы теплоносителя. Любая система охлаждения может эффективно
использоваться только в том случае, если БНК разрабатываются с учетом применения
того или другого способа охлаждения. В связи с этим существует ряд требований к
БНК различных уровней, выполнение которых является обязательным для обеспече-
ния нормальных тепловых режимов ЭРИ. Эти требования могут быть общими, незави-
симо от способа охлаждения, и частными, зависящими от способа охлаждения.
Основное требование к БНК — обеспечение возможности свободного прохождения
воздуха внутри аппарата при естественном и принудительном способах охлаждения.
При естественном охлаждении это достигается вертикальной установкой ячеек в бло-
ках, причем шаг установки ячеек должен быть таким, чтобы расстояние (зазор) между
крышками ИМС или микросборок соседних ячеек обеспечивалось бы не менее 5 мм.
В противном случае силы трения воздуха об ЭРИ могут превысить его подъемную
силу, возникающую за счет разности температур в верхней и нижней частях аппарата,
и движение воздуха прекратится. Максимальный зазор не регламентируется. Однако
размер его больше 8-10 мм нецелесообразен.
В случаях применения принудительного охлаждения в конструкциях шкафов,
блоков и ячеек не должно быть элементов, препятствующих движению воздуха вдоль
ячеек, кроме тех случаев, когда такие элементы вводятся специально для создания
более направленного потока воздуха. Требования к расстоянию между ИМС соседних
ячеек регламентируется только чисто конструктивными соображениями. С позиции
теплофизического конструирования это расстояние должно быть минимальным, что
дает возможность обеспечить необходимую скорость движения воздуха при минималь-
ном его расходе. Скорость движения внутри аппарата более 3 м/с нецелесообразна,
так как дальнейшее ее увеличение незначительно увеличивает эффективность отвода
тепла от элементов.
Базовые НК всех уровней должны предусматривать возможность размещения эле-
ментов одной из следующих систем охлаждения: естественно-воздушной, принуди-
тельной воздушной, принудительной жидкостной или воздушно-жидкостной. В тех
случаях, когда непосредственный контакт хладагента с охлажденными элементами

332
Конструирование узлов и устройств электронных средств
недопустим (например, при применении жидкостного охлаждения), элементы БНК
должны обеспечивать минимальное тепловое сопротивление между ними.
При необходимости наружные поверхности кожухов БНК2 могут быть снабжены
вертикальными ребрами. Этим достигается увеличение теплоотдающей поверхности
блока и, следовательно, снижение его внешнего теплового сопротивления. Ребра ре-
комендуется делать высотой не более 20 мм, расстояние между ребрами должно быть
8-10 мм. Как уже отмечалось, нормальный тепловой режим ЭРИ обеспечивается ав-
тономными системами воздушного охлаждения, встроенными в конструкцию модуля.
Поэтому в БНКЗ должна быть предусмотрена возможность установки в них модулей
охлаждения второго уровня, построенных на основе БНК2. При этом места выброса
воздуха не должны находиться со стороны обслуживающего персонала.
Базовые НК должны обеспечивать возможность установки воздуховодов в верхней
и нижней частях шкафов, а также возможность установки их в один ряд. Учет этих
требований позволяет сократить длину воздуховодов, уменьшить количество соедине-
ний в них и тем самым уменьшить вероятность возможных утечек воздуха через не-
плотности в воздуховодах.
Особое внимание при конструировании следует обратить на распределение общего
потока воздуха на отдельные потоки по шкафам или по каналам внутри блоков и шка-
фов в зависимости от количества, определяемого тепловым расчетом. В БНК2 и БНКЗ
должны быть предусмотрены возможности установки устройств, регулирующих рас-
ход воздуха и распределение его между отдельными воздушными каналами. Регули-
рующие устройства в виде регулируемых заслонок, жалюзи, сеток должны устанав-
ливаться в нижней (в отдельных случаях и в верхней) части шкафа, пульта или на
монтажной раме перед входом в охлаждаемый блок.
Базовые НК должны предусматривать возможность подвода охлаждающей жидко-
сти к объектам охлаждения по трубам или по элементам БНК. При этом должны быть
предусмотрены устройства, препятствующие вытеканию жидкости. При контакте
охлаждающего воздуха с более холодными поверхностями жидкостно-воздушных те-
плообменников на них может осаждаться конденсат из воздуха. Во избежание попа-
дания конденсата на ЭРИ элементы конструкции БНК должны предусматривать воз-
можность установки в них устройств для отвода конденсата.
4.5.2.3. Тепловые расчеты
Определение температуры нагретой зоны одиночного блока
Приведенная ниже методика расчета справедлива для одиночных блоков в ЭС,
имеющих геометрические размеры в пределах 600 мм по трем измерениям. Предпо-
лагается, что блок имеет форму прямоугольного параллелепипеда или цилиндра, ось
которого может быть расположена горизонтально или вертикально. Внутренняя архи-
тектура блока может представлять собой различные конструктивные варианты: шасси
с расположенными на нем крупными ЭРИ, кассеты или ячейки с ИМС и отдельными
дискретными элементами, имеющими геометрические размеры, соизмеримые с разме-
рами ИМС. Кассеты или ячейки могут располагаться горизонтально или вертикально.
При вертикальном расположении кассет или ячеек расчет будет справедлив при усло-
вии, что расстояние между кассетами не превышает 3 мм; для горизонтального рас-
положения кассет или ячеек такого ограничения нет [29].
Исходные данные
Р — суммарная мощность тепловыделения в блоке (потребляемая мощность блока,
определяемая из анализа схемы электрической принципиальной), Вт; Ll9 L2, L3, (D, H) —
геометрические размеры блока прямоугольной формы (или цилиндрической), м; 1г, 12,
h — размеры нагретой зоны, м; tc — температура окружающей среды, °С.

Глава 4£. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 333
Последовательность расчета
1. Определение размеров 11у 12, 1$ нагретой зоны. Для кассет или ячеек, объединен-
ных в единый блок, размеры нагретой зоны определяются максимальными размерами
этого блока. Если в качестве несущего элемента используется шасси с расположен-
ными на нем крупногабаритными элементами, то размеры нагретой зоны будут следу-
ющими: два измерения совпадают с размерами шасси /х « Lx, l2 « L2, а третье /3 опреде-
ляется суммой высоты шасси Л и высоты средних размеров элементов, расположенных
с одной и другой сторон шасси — Аг и Л2 (рис. 4.5.17).
Средняя высота элементов определяется по формуле
(4.5.13)
где Vt — объем £-го элемента на поверхности шасси;
Ьг> L2 — размеры шасси;
п — количество элементов с одной стороны шасси.
Рис. 4.5.17. Типы блоков: а — прямоугольный; б — цилиндрический
Высота нагретой зоны в этом случае
(4.5.14)
(4.5.15)
3. Определение площадей нагретой зоны, обращенных в области 1, 2 и 4; здесь об-
ласть 1 расположена над нагретой зоной, область 2 — под нагретой зоной, а область
4 — между боковой поверхностью нагретой зоны и кожухом:
(4.5.16)
где Лш — толщина шасси.
2. Расчет площадей боковой S6, верхней SB и нижней SH стенок блока:

334 Конструирование узлов и устройств электронных средств
4. Приведенная степень черноты еп нагретой зоны в областях 1 и 2 рассчитывается
по формулам:
где 63, ек — степени черноты зоны и кожуха, выбираются из табл. 4.5.3.
Таблица 4.5.3
Степень черноты различных поверхностей
Материал
Алюминий полированный
Алюминий окисленный
Алюминий грубо полированный
Алюминиевая фольга
Асбестовый картон
Бронза полированная
Бумага
Больфрам
Графит
Дюралюминий (Д16)
Железо полированное
Золото
Ковар
Краски эмалевые
Лак
Латунь полированная
Латунь прокатная
Медь полированная
Медь окисленная
Муар
Масляные краски
Никель полированный
Олово (луженое кровельное железо)
Платина
Резина твердая
Резина мягкая
Серебро полированное
Сталь никелированная
Сталь окисленная
Стальное литье
Стекло
Силумин
Титан
Фарфор
Хром полированный
Цинк
Шеллак черный матовый
Б
0,05
0,25
0,18
0,09
0,96
0,16
0,92
0,05
0,75
0,39
0,26
0,10
0,82
0,92
0,88
0,03
0,20
0,02
0,65
0,9
0,92
0,08
0,08
0,1
0,95
0,86
0,05
0,11
0,8
0,54
0,92
0,25
0,63
0,92
0,10
0,25
0,91
(4.5.17)

Глава 4J>. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 335
Приведенная степень черноты нагретой зоны в области 4 равна
(4.5.18)
Так как размеры нагретой зоны, обращенной в область 4, могут значительно отли-
чаться от размеров шасси, для блоков с заполнением в виде кассет или ячеек рекомен-
дуется степень черноты боковой поверхности нагретой зоны определять по выражению
для £п (4.5.17).
5. Ориентировочное значение тепловой проводимости участка от нагретой зоны к
кожуху рассчитывается по формуле
(4.5.19)
где А4 — толщина корпуса блока (если блок имеет тонкостенный кожух, то толщину А4
можно не учитывать).
6. Необходимо задать температуру перегрева кожуха AtK. Для блоков, имеющих
мощность тепловыделения 100...200 Вт при размерах 300...400 мм, температура пере-
грева кожуха AtK = 10... 15 °С. В этом случае температура кожуха равна tK = tc + AtK.
Определяющая (средняя) температура tm = (tK + tc)/2.
Таблица 4.5.4
Теплофизические параметры сухого воздуха при давлении 101,3 -103 Па
tm,'C ~
чю
-20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
Kt 1Q2,Bt/(mK)
2,04
2,28
2,44
2,51
2,60
2,68
2,76
2,83
2,90
2,97
3,05
3,13
3,21
3,34
М 103, м2/с
9,23
12,79
13,28
14,16
15,06
16,00
16,96
17,95
18,97
20,02
21,09
22,10
23,13
25,45
Рг
0,728
0,716
0,707
0,705
0,703
0,701
0,699
0,698
0,696
0,694
0,692
0,690
0,688
0,686
р, кг/м3
1,584
1,39
1,295
1,247
1,205
1,165
1,128
1,093
1,09
1,029
1,00
0,972
0,946
0,898
7. Для большинства одиночных блоков ЭС, имеющих небольшую мощность тепло-
выделения, конвективный теплообмен подчиняется закону степени х/4 [29]; исходя из
этого предположения рассчет коэффициента теплоотдачи ак для всех наружных по-
верхностей кожуха выполняется по формуле
(4.5.20)
где g — ускорение силы тяжести, м/с2;
Рг = v/a — критерий Прандтля, определяется из табл. 4.5.4;
vm — кинематическая вязкость, м2/с;
а — коэффициент температуропроводности, м2/с;
Хт — теплопроводность, Вт/(мК);
11 — температура i-й грани кожуха;

336
Конструирование узлов и устройств электронных средств
L — определяющий размер, м (для вертикально ориентированной поверхности
это высота, для горизонтально ориентированной поверхности — меньшая
сторона);
N — коэффициент ориентации нагретой поверхности: для вертикальной стенки
N = 1, для нагретой поверхности, обращенной вниз, N = 0,7 и вверх N = 1,3.
Для воздуха значение ак равно
tm, °с
А1
Значения коэффициента Ах для воздуха
10
1,4
20
1,38
30
1,36
40
1,34
60
1,31
80
1,29
100
1,27
Для большинства блоков ЭС кожух выполнен из материала с хорошей теплопрово-
дностью, поэтому его можно считать изотермической поверхностью и, следовательно,
температуру кожуха в любой точке принимать одинаковой.
8. Расчет коэффициента лучеиспускания выполняется следующим образом:
где ti — температура кожуха;
12 — температура среды;
<Pi2 — коэффициент взаимного облучения (для одиночного блока <pi2 = 1).
9. Далее рассчитываются полные коэффициенты теплоотдачи с поверхности ко-
жуха:
(4.5.23)
где Окв, Окн, Окб — коэффициенты теплоотдачи верхней, нижней и боковой поверхностей.
10. Тепловая проводимость кожуха в окружающую среду
11. Температура нагретой зоны t3 в первом приближении
(4.5.24)
(4.5.25)
12. Расчетная мощность Р1 нагретой зоны в предположении, что кожух имеет пере-
грев AtK (заданный в п. 6):
На этом начальный этап заканчивается.
(4.5.26)
Здесь коэффициент Аг находится по табл. 4.5.5 в зависимости от температуры tm, °C.

Глава 4J>. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 337
Второй этап предполагает более точное определение тепловой проводимости от на-
гретой зоны к кожуху.
13. Поскольку область 1 (4.5.17) замкнутая, то используют конвективно-кондук-
тивные коэффициенты верхней Кв и боковой Кб воздушной прослойки между нагретой
зоной и внутренней поверхностью кожуха:
(4.5.27)
где ht — толщина воздушной прослойки между нагретой зоной и кожухом в соответ-
ствующей области;
I — конвективная составляющая теплопередача, при этом I = yflj^ — Для верхней
области;
I= 4^2 и I ~ урзк — Для боковых областей нагретой зоны и кожуха.
Значение А2 находится из табл. 4.5.6, а величину / (ht/l) находят из графика
(рис. 4.5.18).
Таблица 4.5.6
*». °с
Л2
Значения коэффициента А2
0
0,63
50
0,58
для воздуха
100
0,56
200
0,44
Рис. 4.5.18. Значение функции f (hjl)
В области, расположенной под нагретой зоной и кожухом, конвекция всегда отсут-
ствует, и теплопередача определяется теплопроводностью воздуха (среды).
14. Определяют лучистую составляющую коэффициента теплопередачи областей 1,
2 и 4 (см. рис. 4.5.17) для воздушного зазора между боковой поверхностью нагретой
зоны и кожухом. При этом величина приведенной степени черноты, полученная при
расчете в первом приближении, сохраняется, а коэффициент взаимной облученности
принимается равным единице; температура нагретой зоны берется равной темпера-
туре, полученной при расчете в первом приближении. В результате получают вели-
чины^, ал2, ал4.

338
Конструирование узлов и устройств электронных средств
15. Полные коэффициенты теплопередачи всех областей для нагретой зоны, рас-
положенной горизонтально, рассчитываются следующим образом:
(4.5.30)
где стк — тепловая проводимость от кожуха в окружающую среду, полученная при
расчете в первом приближении;
а£ — тепловая проводимость от нагретой зоны к кожуху, рассчитанная во втором
приближении по формуле а" = KxS3l + K2S32 + K4Sa4 •
Рис. 4.5.19. Тепловые характеристики
17. Сравнивают температуры нагретой зоны, полученные при расчетах в первом и
во втором приближениях. Если разница составляет более 10 %, то проводят расчет в
третьем приближении, при этом
(4.5.31)
Получают одну точку тепловой характеристики блока At3 = f(P) и AtK = f(P)
(рис. 4.5.19). Второй точкой будет начало координат. Для получения третьей точки за-
даются другим значением температуры перегрева кожуха и проводят расчет заново.
По трем полученным точкам строят характеристики At3 = f(P) и AtK = f(P)- Искомые
температуры кожуха и. зоны находят по этим характеристикам при мощности, факти-
чески рассеиваемой в блоке Рн.
Для нагретой зоны, ориентированной вертикально, коэффициенты теплопередачи
равны:
16. Температура нагретой зоны tj1 BO втором приближении определяется выраже-
нием:

Глава 4Л>. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 339
Если температура перегрева для элементов блока оказывается выше допустимой,
то решают вопрос о применении другого вида охлаждения блока, например, использо-
вание жалюзи или перфорации в корпусе.
Температура перфорированного блока
Для увеличения интенсивности теплоотвода кожух блока перфорируют, либо в нем
делают жалюзи. При равной площади перфорационных отверстий и жалюзи послед-
ние пропускают несколько меньший поток воздуха. Необходимо иметь в виду, что при
перфорированном кожухе внутренний объем блока скорее запылится по сравнению с
блоком, имеющим жалюзи. В зависимости от конструктивных особенностей внутрен-
него строения блока нагретую зону можно представить в нескольких вариантах:
• основной конструктив блока — горизонтальное шасси с расположенными на нем
крупногабаритными теплоизлучающими элементами, Предполагается, что шасси
имеет отверстия для прохода воздуха;
• блок состоит из ряда кассет или ячеек, расположенных горизонтально или верти-
кально;
• для шасси с крупногабаритными элементами и кассет, расположенных верти-
кально или горизонтально, размеры нагретой зоны определяются, как и в случае
♦герметичного» блока.
Тепловые модели блока, используемые при расчетах, приведены на рис. 4.5.20.
Рис. 4.5.20. Тепловые модели блока: а — расчетная модель блока;
б — эквивалентная схема тепловых проводимостей
Исходные данные
Р — суммарная мощность тепловыделения в блоке (потребляемая мощность блока
или выбирается из анализа схемы электрической принципиальной), Вт;
!#!, L2, L3 — геометрические размеры блока, м;
Si, S2, Sm — площади отверстий кожуха в областях 1, 2 (см. рис. 4.5.20, а) и
шасси; м2;
tc — температура окружающей среды.
Последовательность расчета
1. Расчет начинают с предположения, что кожух не имеет вентиляционных отвер-
стий, т. е. блок герметичный. Строят тепловые характеристики по методике расчета
температуры нагретой зоны одиночного блока (рис. 4.5.19).
2. Задаются перегревом нагретой зоны At3, и находят перегрев кожуха герметич-
ного блока для этой температуры. Перегрев кожуха перфорированного блока опреде-
ляется по формуле:

где еп — приведенная степень черноты нагретой зоны и внутренней поверхности ко-
жуха (величину бп можно взять из расчета блока при условии герметичности
кожуха);
фзк = 1 — кожух «обтягивает» нагретую зону;
S3 — площадь поверхность нагретой зоны (определена ранее при расчете герме-
тичного блока).
5. Температура ^ воздуха в первой (нижней) области определяется из решения
уравнения
здесь
где S3i> S32, SKl, Sk2 — поверхности нагретой зоны и кожуха в соответствующих обла-
стях.
Из двух значений температур выбирают такое, чтобы выполнялось условие, t\<t\,
так как температура воздуха в первой области (нижней) всегда ниже, чем во второй
(верхней).
6. Температура воздуха во второй области в первом приближении равна
7. Температура воздуха вблизи отверстий шасси или каналов между вертикаль-
ными кассетами **ш рассчитывается по формуле:
8. Температура воздуха на выходе из кожуха t\uai (из области 2) равна
где подстрочные индексы п, г означают соответственно перфорированный и герметич-
ный корпус.
Затем по графику рис. 4.5.18 находят мощность Рк, соответствующую этому пере-
греву.
3. Задаются коэффициентом теплоотдачи а\к от зоны к кожуху (рекомендуется ве-
личину а\к в первом приближении выбирать равной 4-6, Вт/(м2К) [29]).
4. Мощность теплоотвода от зоны к кожуху за счет лучеиспускания
340 Конструирование узлов и устройств электронных средств

Глава 4J5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 341
9. Количество протекающего воздуха через блок определяется выражением:
(4.5.43)
где Si, S2, Sju — площади перфораций в областях 1, 2 и шасси (нагретой зоне);
hi и Л2 — средневзвешенные расстояния от середины нагретой зоны в областях 1
и 2 до центра группирования отверстий;
Ui> U2» Рш — коэффициенты расхода воздуха через жалюзи в соответствующих об-
ластях (если имеются перфорации, то ц = 0,65);
Величина ]i для жалюзи зависит от их формы и угла раскрыва (табл. 4.5.7);
Тг, Т2, Тс — абсолютные температуры соответствующих областей.
Таблица 4.5.7
Величина р для жалюзи при разных углах раскрыва
Р, град.
15
30
' 45
60
90
1:4
0,30
0,45
0,56
0,62
0,65
Значение ц при Ь/1
1:3
0,27
0,43
0,54
0,60
0,64
1:2
0,23
0,39
0,50
0,56
0,62
Эскиз жалюзи
10. По графику (рис. 4.5.21) уточняют коэффициент теплоотдачи а11,
а, Вт/м2К
Рис. 4.5.21. Зависимость коэффициента теплопередачи от количества
протекающего воздуха и массы заполняющего блок воздуха

342
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Масса воздуха, заполняющего блок, при температуре 20 °С равна
(4.5.44)
15. Если величина разности температур tK и *" составляет более 5 %, то проводят
расчет в третьем приближении:
(4.5.47)
(4.5.49)
19. Окончательные значения температуры кожуха tK и рассеиваемой мощности Р в
блоке находятся из соотношений:
(4.5.50)
Полученные в результате расчета мощность Р и соответствующая ей температура tK
наносятся на график рис. 4.5.19. По двум точкам строят характеристику AtK = f(P)
18. Температура кожуха в третьем приближении определяется выражением
Для найденной температуры **п по графику (рис. 4.5.19) находят мощность, рас-
сеиваемую кожухом блока, в третьем приближении Р™ .
16. Находят значение функции температур f(t3; **п) по формуле (4.5.21) и опреде-
ляют Р^1. Далее уточняют величину DIU с учетом LP3" -Ркш); здесь Ркш получена из гра-
фика при температуре *™. Рассчитывают f™, t"1, J™ и находят G111.
17. Исходя из полученных данных, по графику (рис. 4.5.21) находят аш. Мощ-
ность, рассеиваемая блоком, в третьем приближении равна
где ср = 1,01103 ДжДкгК) — удельная теплоемкость воздуха при температуре 20 °С.
14. Температура *"* во втором приближении рассчитывается по формуле:
гДе ^бл — внутренний объем блока;
К3 — коэффициент заполнения блока (К3 = Удет/Убл);
рв = 1,2 кг/м3 — плотность воздуха при температуре 20 °С.
11. По уточненному значению а11 повторяют расчет во втором приближении, при
этом принимают температуру зоны t3 , температуру кожуха tK , мощности Р^ (полу-
чена по п. 4) и Рк (получена из графика на рис. 3 при перегреве кожуха на AtK) остав-
ляют неизменными.
12. В результате расчета во втором приближении находят температуры *", f"> ^Lx
и G11. Затем находят величину отношения GP/Gq и по графику (рис. 4.5.21) уточняют
значение аш.
13. Мощность, рассеиваемая блоком, во втором приближении равна
(4.5.48)
(4.5.46)
(4.5.45)

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 343
(начало координат и tKy Зная фактическую мощность, рассеиваемую в блоке, по этим
двум характеристикам окончательно находят температуры перегрева зоны и кожуха.
В случае, если они оказываются больше допустимых, необходимо увеличить площадь
перфорационных отверстий либо перейти на принудительное охлаждение (вентиля-
цию) блока.
Температура элементов блока с принудительным охлаждением
В блоках аппаратуры, построенных по кассетному принципу, удельная мощность
тепловыделения оказывается весьма большой, что заставляет разработчиков исполь-
зовать воздушное принудительное охлаждение (рис. 4.5.22). Воздух под напором
вентилятора нагнетается в блок через входное отверстие, омывает тепловыделяющие
элементы и через выходное отверстие выбрасывается наружу. Предполагается, что те-
пловыделение всех ИМС одинаково. Микросхемы располагаются на печатных платах,
входящих в кассеты. Кассеты расположены вдоль воздушного потока, и расстояние
между ними — не менее 3 мм. Для обеспечения равенства сечений воздушных каналов
в блоке имеются выравнивающие заслонки [29].
Исходные данные
Рэ — мощность, выделяемая всеми элементами блока, Вт (потребляемая мощность
блока или выбирается из анализа схемы электрической принципиальной); Nu — число
печатных плат (кассет) в блоке; LynL2 — внутренние размеры кожуха по координатам
У и Z; hn — толщина печатной платы; 1у — ширина печатной платы; 1эу и 1эг — размеры
элемента (ИМС).
Рис. 4.5.22. Схема блока кассетной конструкции с принудительным
воздушным охлаждением: 1 — входное; 2 — выходное отверстия
Последовательность расчета
1. Задаются объемным расходом воздуха G (берется из справочных данных на при-
меняемые типы вентиляторов).
2. Площадь среднего поперечного сечения воздушного канала на расстоянии х от
входного отверстия определяется по формуле
3. Число Рейнольдса равно
где V — определяющий размер микросхемы в направлении воздушного потока;
v — кинематическая вязкость воздуха.
(4.5.51)
(4.5.52)

344
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где q — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры
по радиатору (q * 0,9).
где Дкт — контактное сопротивление «прибор—теплосток» Дкт = 2,2 • 10~4/SK, SK —
площадь контактной поверхности, м2;
Яге — тепловое сопротивление «теплосток (радиатор)—среда». При этом должно
выполняться условие Ртах > Ррас •
2. Тепловое сопротивление «теплосток—среда» определяется по формуле
Приведенный расчет справедлив для одиночного блока. Если в набегающем воз-
душном потоке располагается вентилятор, то к суммарной мощности тепловыделения
микросхем необходимо добавить мощность тепловыделения вентилятора.
Расчет радиатора полупроводникового прибора
Исходные данные
*п.тах — максимальная температура перехода; i?BH — внутреннее тепловое сопро-
тивление прибора; Ррас — мощность, рассеиваемая прибором; tc — температура окру-
жающей среды; Дкт — контактное сопротивление «прибор—теплосток» (величина RKT
лежит в пределах 0,1... 1,0 град/Вт) [29]).
Последовательность расчета
1. Определяется перегрев места крепления прибора с радиатором
где tо — температура воздушного потока на входе блока.
7. Средний перегрев $в воздуха на выходе блока определяется по формуле:
где S3 — площадь поверхности элемента, омываемая воздушным потоком.
Температура поверхности корпуса элемента равна
где Рэ1 — мощность тепловыделения i-ro элемента, расположенного до сечения х;
р — плотность воздуха;
G — объемный расход воздуха.
6. Перегрев 9Э воздуха за счет тепловыделения одного дискретного элемента
5. Перегрев воздуха $вэ, протекающего вблизи микросхемы, расположенной на рас-
стоянии х от начала платы:
4. Коэффициент теплоотдачи i-й микросхемы рассчитывается по формуле:

Глава 4£. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 345
i^
Рис. 4.5.23. Односторонний ребристый радиатор
3. Средняя поверхностная температура перегрева радиатора Atp:
Рис. 4.5.24. Изменение сопротивления Rmc от размера ребра радиатора и Atp
при 50 °С; г = 0,9; 8 = 0,2 см; h = 30 мм
5. Задаются габаритами радиатора: I — ширина радиатора; Ъ — расстояние между
ребрами; Л — высота ребра; d — толщина основания. Рекомендуется придерживаться
следующих значений при основании радиатора 90 х 90 мм: 5 = 3 мм; d = 5 мм; h = 20 мм;
Ъ = 12 мм (естественная конвекция) и Ь = 6 мм (принудительное движение воздуха).
4. По значению Д£р (рис. 4.5.24) находят минимальную высоту радиатора 1/пцП.

346
Конструирование узлов и устройств электронных средств
6. Расстояние между ребрами
Таблица 4.5.8
Материалы для радиаторов
Название материала
Медь
Сплавы алюминия
Сплавы магния
Сталь
Нержавеющая сталь
у, кг/м8
8 960
2 660
1760
7 840
7 840
Х,Вт/(м2К)
370
160
170
55
14
Таблица 4.5.9
Степень черноты поверхностей некоторых материалов _^^
Алюминиевый сплав с шероховатой поверхностью
Алюминиевый сплав окисленный
Алюминиевый сплав анодированный (черный)
Медь окисленная
0,06...0,07
0,20...0,30
0,80...0,85
0,80...0,88
Bt < 1 (ребро охлаждается), Bt > 1 (ребро—изолятор), Bt = 1 (ребро не влияет).
8. Всю поверхность радиатора разбивают на части: Sx — площадь между ребрами;
S2 — площадь ребер, обращенная друг к другу; S3 — площадь крайних ребер; S4 —
площадь торцов ребер; S5 — неоребренная площадь.
где л и 5 — число и толщина ребра.
Расстояние между ребрами определяют из условия Ъ > А, где А — толщина погранич-
ного слоя (при естественной конвекции А = 8... 10 мм, при вынужденной —А » 2,5 мм).
Толщина и высота ребра выбираются из условия:
где А — высота ребра;
а — суммарный коэффициент теплоотвода; X — теплопроводность материала ра-
диатора.
Ширину радиатора I определяют из конструктивных соображений, считая
Ie O^Lmm:
7. Целесообразность оребрения радиатора определяется в зависимости от значения
критерия Bt [29]:

Глава 4J5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 347
Неоребренная площадь
Оребренная площадь
(4.5.64)
9. Полные коэффициенты теплоотдачи оребренной и неоребренной поверхностей:
(4.5.66)
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 h/b
Рис. 4.5.25. Коэффициент взаимной облученности
где *м = 0,5(*птах + *с).
Величина A(tM) учитывает свойства среды и находится по графику (рис. 4.5.26).
Конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2 °С):
Для поверхностей Sx и S2 коэффициенты взаимной облученности определяются из
графика (рис. 4.5.25) или рассчитываются:

348
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 4.5.26. Зависимость А = f (tM)
Влияние атмосферного давления на величину A(tM) находят из графика рис. 4.5.27.
Рис. 4.5.27. Зависимость А от атмосферного давления
10. Мощность, рассеиваемая гладкой поверхностью радиатора, Вт:
11. Величина теплового сопротивления гладкой поверхности, °С/Вт:
(4.5.68)
(4.5.69)

Глава 4.5. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 349
12. Мощность, рассеиваемая оребренной поверхностью:
Общее тепловое сопротивление равно
(4.5.73)
(4.5.74)
Рис. 4.5.28. Зависимость А = / (tM)
где Рг — мощность, рассеиваемая i-й поверхностью;
tic — температура среды между ребрами.
Температура воздуха вблизи поверхностей S3, S4 и S5 равна tc.
Температура воздуха вблизи поверхностей Si и S2 (между ребрами) равна
где Н — относительный температурный напор;
tT — средняя поверхностная температура теплостока.
Если ребра располагаются вертикально, то
где л =А4 (tM) ЬСУ tM = 0,5(*т + tc), С = (tT - tc)l/4/(L)l/4 (рис. 4.5.28 и 4.5.29);
tci = tc для S3, S4, S5. tci = f jC для Si и S2 (конвективный коэффициент торцевых по-
верхностей рёбер принимается таким же, как и для крайних ребер).
Тепловое сопротивление оребренной поверхности, °С/Вт:
(4.5.72)
(4.5.71)
(4.5.70)

350
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис 4.5.29. Зависимость Н = f(r\)
Мощность, рассеиваемая радиатором, Вт:
"общ. расч = "гл "•* •» ореб* (4.Э. I Э)
Необходимо выполнить условие: Робщ. расч >РИСХ. (расч)-
Радиатор с двухсторонним оребрением
Расчет двустороннего оребренного радиатора производится по тем же формулам,
что и расчет односторонне оребренного радиатора. При этом неоребренную поверхность
основания радиатора S5 замещают соответствующими поверхностями ребер. Для уста-
новки полупроводникового прибора на радиаторе часть ребер должна быть удалена.
Это учитывается соответствующим уменьшением площади оребренной поверхности.
Радиатор типа пластины
При расчете пластинчатого радиатора используют расчетные выражения для пло-
ской поверхности (пластина может быть гладкой или изогнутой в виде буквы П).
Вопросы для контроля
1. Какие существуют виды механических нагрузок на ЭС?
2. Что такое ветроустойчивость и выборочность?
3. Что такое прочность конструкции?
4. Каковы основные схемы расположения амортизаторов на ЭС?
5. Что такое центр масс и центр жесткости и как они влияют на конструкцию ЭС?
6. Как производится определение резонансных частот блока, установленного на
амортизаторы?
7. Что собой представляет упаковочная тара для транспортирования и каковы ее
характеристики?

Глава 45. Обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов ЭС 351
8. Что такое нормальный тепловой режим ЭС?
9. Что такое СОТР?
10. Какие существуют базовые системы охлаждения, применяемые в ЭС?
11. Что такое теплофизическое конструирование ЭС?
12. Какие предъявляются основные требования к БНК при теплофизическом кон-
струировании?
13. Какие существуют основные виды тепловых режимов блоков ЭС?

Глава 4.6
КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
4.6.1. Электромагнитная совместимость ЭС
Направление радиоэлектроники, призванное обеспечить одновременную и совмест-
ную работу различного радиотехнического, электронного и электротехнического обо-
рудования, занимается практическим решением задач электромагнитной совместимо-
сти (ЭМС) электронных средств.
Причины, вызывающие обострение проблемы ЭМС:
• возрастает общее число одновременно действующих радиопередающих устройств,
в особенности устанавливаемых на подвижных объектах;
• повышается мощность радиопередатчиков, достигая для некоторых типов радио-
средств десятков мегаватт;
• расширяются полосы частот, используемые многими современными радиосред-
ствами;
• повышается загрузка диапазона радиочастот, притом, что многие участки уже
сейчас сильно перегружены;
• шире внедряются электронные средства автоматического управления, контроля,
диагностики на основе аналоговой и цифровой техники;
• увеличивается оснащенность подвижных объектов средствами радиоэлектроники
при повышении плотности компоновки аппаратуры;
• ухудшаются условия функционирования ЭС летательных аппаратов, так как они
оказываются в зоне прямой видимости увеличивающегося числа наземных ЭС,
расположенных на значительной территории.
Специалист, занимающийся проблемой ЭМС, должен знать:
• причины возникновения помех;
• свойства и характеристики различных элементов ЭС, влияющих на процессы соз-
дания помех и подверженности им;
• основные методы и средства анализа показателей ЭМС;
• принципы и основные направления обеспечения ЭМС;
• стандарты и нормативные документы в области ЭМС,
Виды радиопомех
Электромагнитной помехой называется нежелательное воздействие электромагнит-
ной энергии, которое ухудшает (или может ухудшить) качество функционирования ЭС.

Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной... 353
Помехи различают:
• по происхождению;
• по структуре;
• по спектральным и временным характеристикам.
Естественные помехи вызваны электромагнитными процессами, существующими
в природе и не связанными непосредственно с деятельностью человека. Причинами их
появления служат:
• электрические процессы, происходящие в атмосфере;
• тепловые радиоизлучения земной поверхности, тропосферы и ионосферы;
• шумовые радиоизлучения внеземных (космических) источников.
Искусственные помехи вызваны деятельностью человека и обусловлены различ-
ными электромагнитными процессами в технике. Различают:
• преднамеренные — специально создают с целью нарушения нормального функ-
ционирования конкретных ЭС (создание и противодействие);
• непреднамеренные электромагнитные помехи (НЭМП) — создаются источни-
ками искусственного происхождения, которые не предназначены для нарушения
функционирования ЭС.
Искусственные помехи возникают при работе радиотехнического, электронного и
электротехнического оборудования.
Различают искусственные помехи, вызванные излучениями радиопередающих
устройств, индустриальные помехи, а также помехи, вызванные внутренними шумами
в проводящих материалах, в электровакуумных и полупроводниковых приборах.
Внешние помехи и внутренние шумы энергетически эквивалентны, поэтому их
оценивают одним параметром — шумовой температурой антенны, позволяющим опре-
делить подаваемую к согласованному приемнику мощность приемной антенной шумо-
вых помех, приходящуюся на полосу частот (рис. 4.6.1):
Рисунок 4.6.1. Шумовая температура антенны: 1 — внутренние шумы;
2 — шумы города; 3 — шумы сельской местности; 4 — космические шумы;
5 — атмосферные шумы
где Рша (Вт) — мощность принимаемых антенной шумовых помех;
k = 1,38 • 10~23 (Дж/К) — постоянная Больцмана;
Га (К) — шумовая температура антенны;
А/ (Гц) — полоса частот.

354
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Пути воздействия непреднамеренных помех
Источник помехи (ИП) — радиотехнические, электротехнические, электронные
средства, создающие в процессе работы электромагнитные помехи. Рецепторы помех
(РП) — устройства, подвергающиеся действию помех.
Влияние помех бывает непосредственное и косвенное.
Непосредственное влияние
1. Источник помех — передатчик, рецептор — приемник. Преобладает излучение и
прием нежелательных колебаний антеннами устройств.
2. Электромагнитное поле помех создается токами, протекающими в различных
элементах конструкций ИП. Помеха существует в окружающем пространстве в виде
свободно распространяющихся или направляемых электромагнитных волн. Помехи
действуют на рецептор за счет появления наведенной ЭДС в элементах электрических
цепей РП.
Устранение НЭМП — значительное ослабление по пути распространения.
Случай 1. Свободно распространяющиеся волны.
Уровень помех зависит от:
• мощности ИП;
• расстояния до рецептора (г);
• длины волны помехи (Л,);
• параметров среды;
• места расположения:
— ближняя зона г < Х/2п;
— промежуточная зона Х/2п < г < 2rmax/X;
— дальняя зона г > 2rmax /X (rmax — максимальный размер апертуры антенны).
Энергия дальней зоны передается электромагнитными волнами, свободно распро-
страняющимися в окружающем пространстве. Свойства:
• поперечная структура электромагнитных полей;
• составляющие поля изменяются с расстоянием пропорционально 1/г;
• постоянство углового распределения интенсивности электромагнитных полей
при изменении расстояния;
• излучение и прием помех могут осуществляться как антеннами, так и корпусами,
кабелями, элементами монтажа, цепями электропитания и управления.
Промежуточная зона представляет собой электромагнитные поля, излучаемые от-
дельными участками токовых областей ИП: имеют поперечную структуру и представ-
ляют собой распространяющиеся электромагнитные волны. Результирующее поле в
точке приема является суперпозицией этих волн. Фазовые соотношения определяются
как угловыми координатами, так и расстоянием между ИП и РП.
В ближней зоне плотности энергии электрического и магнитного полей не равны.
Значения составляющих напряженностей изменяются с расстоянием пропорцио-
нально 1/г2 и 1/г3 .
Случай 2. Направляемые электромагнитные волны.
Существуют в кабелях, волноводах — линиях передачи. Для них характерно: рас-
пространение без существенного ослабления. Гальваническая связь при наличии об-
щих элементов в электрических цепях ИП и РП обусловлена:
• токами проводимости;
• неидеальностью изоляционных материалов;
• наличием общих участков в цепях заземления.
Косвенное влияние, т. е. непосредственная передача электромагнитной энергии,
отсутствует.

Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной... 355
Воздействие направляемых электромагнитных волн происходит из-за:
• изменения параметров среды;
• изменения параметров элементов устройств;
• изменения режимов работы прибора.
Например: изменение параметров ионосферы; изменение режима энергопотреб-
ления.
Воздействие помех на ЭС зависит от:
• структуры помехи;
• ее спектрального состава;
• энергии.
Мощные помехи могут привести к отказу аппаратуры из-за необратимого измене-
ния структуры полупроводниковых материалов вплоть до их разрушения.
Мощная помеха может существовать в виде:
• одиночного импульса;
• повторяющейся последовательности импульсов;
• гармонического или шумового процесса.
При менее мощных помехах происходят обратимые процессы, которые приводят к
функциональным нарушениям в работе ЭС.
Маломощные помехи соизмеримы по мощности с полезными сигналами. Нелиней-
ные явления отсутствуют, и принимаемые рецептором мешающие электромагнитные
колебания действуют как аддитивные помехи. Последствия воздействия:
• снижение качества радиопередачи;
• ошибки навигационных комплексов;
• случайное срабатывание электромагнитных реле.
Таким образом, ЭМС .— это способность радиоэлектронных, электронных и элек-
тротехнических средств одновременно и совместно функционировать в реальных усло-
виях эксплуатации при воздействии НЭМП и не создавать недопустимых электромаг-
нитных помех другим устройствам.
Различают, в зависимости от места расположения ИП и РП, следующие задачи обе-
спечения ЭМС ЭС:
• размещенных на одном объекте;
• различных объектов, расположенных на заданной местности.
Методы анализа ЭМС
Анализ ЭМС проводят с целью определения возможности совместной работы радио-
технических, электронных и электротехнических средств.
Группы задач:
• исследование показателей ЭМС устройств и их элементов;
• исследование электромагнитной обстановки;
• исследование выполнения ЭМС в конкретной группе средств.
В первом случае есть конкретные задачи определения:
• количественных характеристик неосновных излучений радиопередающих
устройств;
• уровней и спектрального состава индустриальных помех;
• параметров, характеризующих восприимчивость радиоприемных устройств вне
основного канала приема сигналов;
• восприимчивость электронных устройств при воздействии помех через корпуса,
по цепям электропитания, управления.
Каждое средство можно характеризовать некоторым числовым показателем каче-
ства Q, отражающим выполнение этим средством своих основных функций.

356
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В отсутствии помех значение Q зависит от отношения сигнал/шум Q = Q (Рс/Рш),
где Рс и Рш — мощности сигнала и шума, пересчитанные к входу устройства.
Задача заключается в определении снижения Q под действием помех Q (Рс, Рипъ
Лга2> РипЗ> •••) И НаХОЖДеНИЯ ИХ ДОПУСТИМЫХ уровней Рип1доп> Рип2 доп> РипЗ доп> - ИЛИ ОТ-
рс
ношений сигнал / (помеха + шум) = "^ ~£
по соответствующему значению Q„
доп
ип ' * ш |доп
критерия оценки влияния.
ЭМС достигнута, если Q (Рс, Рип1, Рип2, Рип3, ...) > ФДОп-
Решение задач на основано на двух подходах:
• детерминистском;
• вероятностном.
Вторая группа задач основана на оценке электромагнитной обстановки, т. е. сово-
купности всех естественных и искусственных электромагнитных полей, существую-
щих в заданной области пространства, определенных для требуемой полосы частот и
промежутка времени.
Анализ ЭМС сводится к нахождению условий, в которых должны функциониро-
вать конкретные ЭС или группа ЭС, и выработке количественных оценок по степени
влияния помех на конкретное средство.
Электромагнитная обстановка бывает:
• внутренняя (внутри группы ЭС);
• внешняя.
Задачи анализа электромагнитной обстановки:
• определение степени загруженности частотного диапазона;
• определение зависимости уровней НЭМП от пространств, частот, времени, поля-
ризационных соотношений;
• составление гистограмм распределения частот, уровней излучений передатчиков
и чувствительности приемников, уровней индустриальных помех, уровни помех
в проводах;
• расчет зон, в которых уровень помех не превышает допустимый.
Третья группа задач решается с целью установления факта электромагнитной со-
вместимости и при ее нарушении — нахождения конкретных причин. Анализ ЭМС
здесь проводится на основе использования моделей взаимодействия:
1) по виду оценки ЭМС:
• парная — учитывается воздействие помех, создаваемых каждым из двух средств,
при большом числе ЭС — попарное действие каждого из средств группы на каж-
дое другое;
• групповая — изучение влияния группы ИП на один РП или поочередно на все РП
группы;
• комплексная — рассматривается влияние группы ИП на все рецепторы;
2) по характеру учитываемых функциональных связей между анализируемыми
средствами:
• простая логика — каждое из устройств в группе — функционально независимое:
снижение показателя качества ЭС зависит от помех и не зависит от снижения по-
казателей качества других средств;
• сложная логика — отдельные средства в группе могут иметь функциональные
связи друг с другом;
3) по характеру оценки электромагнитной обстановки:
• детерминистские;
• вероятностные;

Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной... 357
4) по характеру оценки качества функционирования:
• детерминистские;
• вероятностные.
Моделирование и экспериментальное исследование характеристик ЭМС выполня-
ются с целями:
• определения соответствия характеристик излучения и приема, восприимчивости
и других параметров установленным требованиям ТЗ;
• оценки степени воздействия НЭМП на рецепторы в различных условиях их ра-
боты;
• выявления причин, приводящих к нарушению ЭМС, источников НЭМП и путей
их воздействия на различные РП;
• оценки эффективности внедрения мер и определения степени влияния их на ка-
чество функционирования ЭС.
Различают экспериментальные, математические, имитационные и компьютерные
методы моделирования ЭМС.
4.6.2. Экранирование в конструкциях ЭС
Экранирование направлено на обеспечение ЭМС источника и рецептора
помех. Все многообразие источников может быть сведено к двум основным типам
(рис. 4.6.2) [49].
Рис. 4.6.2. Источники помех
Источники с высоким волновым сопротивлением. Для них эквивалентная схема
или модель может быть представлена в виде штыря (антенна-штырь). В окрестностях
этого штыря формируется относительно интенсивное электрическое поле и слабое маг-
нитное поле. Как мы помним, Z = Un/In. Поскольку электрическое поле вызывает на-
пряжение, а магнитное — вызывает ток, получается, что большое электрическое поле
и малое магнитное поле обеспечивает высокое волновое сопротивление Z (Z = Е/Н).
Источники помех, модель которых может быть представлена в виде токовой петли.
При этом возникает интенсивное магнитное поле и слабое электрическое. Эти источ-
ники имеют малое волновое сопротивление.
Полученные относительные значения Z действительны для области, которая на-
ходится в непосредственной близости от излучателя. На значительных расстояниях
основная составляющая поля — та, которая имеет большее значение, убывает бы-
стрее дополнительной составляющей, и волновое сопротивление Z становится равным
377 Ом, то есть волновому сопротивлению свободного пространства.

358
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Для первого типа источников основная составляющая — электрическая — убывает
пропорционально 1/г3, дополнительная (магнитная) — пропорционально 1/г2. Для ис-
точников второго типа ситуация обратная. Магнитная составляющая убывает пропор-
ционально 1/г3, а электрическая — пропорционально 1/г2.
Можно выделить три зоны действия источников (рис. 4.6.3).
Рис. 4.6.3. Три зоны действия источников
Ближняя зона. Здесь преимущественно действует механизм индукции с достаточно
четким разделением на магнитную и электрическую составляющие.
Переходная зона — зона формирования плоской электромагнитной волны.
Дальняя зона — зона действия плоской электромагнитной волны (Т-волны).
Таким образом, при анализе экранирования необходимо разделять задачи локали-
зации электрического, магнитного и электромагнитного полей.
Электростатическое экранирование в ближней зоне
Электрическое и магнитное поля рассматривают как квазистатические. Картины
электрического и магнитного полей при соответствующих частотах и картины стати-
ческих полей совпадают. Поэтому выводы, полученные для статического случая при-
годны для использования в определенном диапазоне частот [49]. Итак, в ближней зоне
проводим по сути экранирование статического поля (рис. 4.6.4). В ближней зоне дей-
ствует закон электромагнитной индукции.
Рис. 4.6.4. Экранирование статического поля

Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной... 359
Экран по возможности устанавливается как можно ближе к источнику. В конструк-
циях ЭС эта рекомендация может быть выполнена, когда источник находится в преде-
лах устройства. Когда же источник находится вне пределов досягаемости, или если не-
возможно экранировать источник, экранируют рецептор (рис.4.6.5).
Рецепто{
Рис. 4.6.5. Экранирование рецептора
Для обеспечения эффективной работы экрана его необходимо заземлить. При за-
земленном экране происходит следующее: на экране индуцируются заряды, и за счет
заземления заряды нейтрализуются. Получается, что экран является препятствием
для силовых линий электрического поля.
Основное требование к узлу заземления — это, в первую очередь, это минимальное
сопротивление. Поэтому основные способы его выполнения — посредством пайки или
сварки. Все другие виды соединения — заклепки, винты — могут быть использованы
только при гарантии долговременной надежности механического соединения и от-
сутствия коррозии в месте соединения. Например, при винтовом соединении экрана с
узлом заземления возможно ослабление соединения; в контакте возникает полупрово-
дниковый эффект, и нелинейность этого контактного перехода способствует возникно-
вению контактных помех. При отсутствии заземления экран может стать переизлуча-
телем поля источника [49].
Основное требование к экрану — его максимальная проводимость. К толщине мате-
риала требования не предъявляются. Чаще всего используются медь, медные сплавы,
алюминий. Экран не должен содержать щелей, отверстий, мест стыка и тому подоб-
ных неоднородностей, ориентировка которых препятствует протеканию тока в цепях
заземления (1). Если необходимо выполнить отверстия или жалюзи, например, для
охлаждения, то они должны быть расположены вдоль линий токов (2) на рис. 4.6.6.
Рис. 4.6.6. Конструкция экрана

360
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Электростатическое экранирование — самый простой способ экранирования аппа-
ратуры.
Существенную проблему представляет выполнение экрана для аппаратуры в пласт-
массовых корпусах (например, мониторы компьютеров). Повышение эффективности
экранирования в этом случае достигается:
• применением композиционных материалов (пластмасса с металлическим напол-
нителем);
• нанесением поверхностных слоев металла (напыление металлов, нанесение спе-
циальной проводящей краски, оклейка корпуса фольгой и т. п.).
Магнитостатическое экранирование
Механизм работы магнитостатического экрана заключается в шунтировании сило-
вых линий магнитного поля.
Установка экрана производится по возможности вблизи источника.
Для обеспечения эффективной работы заземлять магнитный экран не надо. Эффек-
тивность экранирования прямо пропорциональна магнитной проницаемости р и тол-
щине экрана t рис. 4.6.7.
Рис. 4.6.7. Магнитостатический экран
Следует применять материалы, имеющие максимальную магнитную проницае-
мость р. Это стали, различные пермаллои и соответствующие магнитные сплавы с вы-
соким значением р.
Конструкция экрана — такая же, как и конструкция для электростатического
экранирования, но неоднородности не должны препятствовать силовым линиям маг-
нитного поля.
Магнитное экранирование на низких частотах является самой сложной практиче-
ской задачей. Оно существенно усложняет и утяжеляет конструкцию.
Электромагнитное экранирование
Рассмотрим работу экрана при падении на него плоской электромагнитной волны
(рис. 4.6.8) [31, 49].
Эффективность экранирования

Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной... 361
Коэффициент экранирования
Рис. 4.6.8. Экран при падении на него плоской электромагнитной волны:
1 — падающая ЭМВ; 2 — проходящая ЭМВ; 3 — отраженная ЭМВ; 4 — снова
отраженная ЭМВ; 5 — прошедшая ЭМВ; Ег — напряженность поля без учета
экрана; Е2 — напряженность поля с учетом экрана; Ег > Е2
Имеем три среды: воздух, металл и снова воздух. По сути, имеем структуру
«диэлектрик-металл- диэлектрик ».
Волновое сопротивление среды
Для диэлектрика
Для расчета эффективности через параметры экрана существует формула:
где R — составляющая, определяющая отражение от границы раздела при входе
волны в экран;
i A — определяет эффективность экранирования за счет поглощения электромаг-
нитной волны в толще экрана;
В — характеризует потери за счет многократных отражений в толще экрана; В мало —
2...3 дБ. Эту величину можно приравнять к нулю.
Для металла выражение будет иметь вид:

362
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Знак ± описывает падающую и отраженную волны. В нашем случае, для воздуха:
Одна из возможных моделей для анализа экрана — это модель длинной линии. Ко-
эффициент прохождения электромагнитной волны через экран
Для металлического экрана
При электромагнитном экранировании имеют место потери на поглощение экраном
электромагнитной энергии. На поверхности экрана возникает скин-слой.
На определенной частоте толщина скин-слоя
где t — толщина экрана.
Суммарная потеря (рис. 4.6.9) оценивается по формуле
Рис. 4.6.9. Зависимость суммарной потери от частоты
Суммарный коэффициент прохождения через экран
При этом потери отражения оцениваются следующим образом

Глава 4.6. Конструирование электронных средств с учетом электромагнитной... 363
В точке А эффективность электромагнитного экранирования минимальна. Для
электрических составляющих в целом справедливы ранее указанные правила, но до-
бавляется эффект отражения энергии электрического поля. Для магнитной составля-
ющей основной вклад вносят потери на поглощение, и с повышением частоты в боль-
шей степени проявляется эффект вытеснения магнитного поля. Это происходит за счет
генерации вихревых токов на поверхности экрана, поле которых и вытесняет падаю-
щую электромагнитную волну.
Выполнение отверстий в электромагнитном экране
Общая эффективность экранирования определяется в большей мере не качеством
экрана, а наличием отверстий, щелей, стыков в экране и прочих элементов поверхно-
сти. Выполнение отверстий, не пропускающих электромагнитную волну, требует при-
менения определенных приемов.
Наиболее часто применяют специальную форму отверстия, которое называют «за-
предельным волноводом». Подобные отверстия выполняются путем вытягивания ме-
талла на длину I при выполнении отверстия в экране (рис. 4.6.10). При этом образуется
некоторое подобие волновода с определенной частотой среза, выше которой электро-
магнитные волны не проникают за волновод. В свою очередь, частота среза зависит от
поперечных размеров сечения и длины волновода. Сечение подобных «запредельных
волноводов» может быть круговым, квадратным и весьма часто — в виде правильного
шестиугольника («соты») (см. рис. 4.6.10).
Рис. 4.6.10. Выполнение отверстий в электромагнитном экране
Частота среза для волновода круглого сечения
Формулы для расчета ослаблений (эффективность экранирования) для волноводов
различных сечений представлены в таблице 4.6.1.
Таблица 4.6.1
Виды сечений волноводов и их расчетные соотношения
Вид сечения
Круговое
Квадратное
Сота
Расчетное соотношение
S = 32 1/d, дБ
S = 27,2 1/а, дБ |
S = 27 1/q-20\gN,nB

364
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Расчет эффективности экранирования некоторой области внутри структурного об-
разования ЭС зависит от характера электромагнитного поля. Известно, что вблизи ис-
точника излучения (при расстояниях менее 5Л,) поле не сформировано, и может преоб-
ладать либо магнитная, либо электрическая составляющие поля. В этом случае расчет
экранирования сводится к определению ослабления электрической либо магнитной
составляющей поля. В дальней зоне (при расстояниях более 5Х) поле сформировано,
и задача экранирования решается относительно электромагнитного поля.
Вопросы для контроля
1. Что такое ЭМС?
2. Какие существуют виды радиопомех?
3. Как воздействует помеха на ЭС?
4. Какие факторы влияют на ЭМС ЭС?
5. Как характеризуется ЭС при работе в неосновных полосах частот излучения?
6. Как характеризуется ЭС при работе в неосновных полосах частот приема?
7. Какое оказывают влияние антенны на ЭМС?
8. Какое влияние оказывает среда распространения ЭМВ на ЭМС?
9. Что такое индустриальные помехи и каковы их характеристики?
10. Какие существуют методы анализа ЭМС?
11. Что понимают под рецептором и источником помех?
12. Как осуществляют электростатическое экранирование в ближней зоне?
13. Что представляет собой магнитостатическое экранирование?
14. Что представляет собой электромагнитное экранирование?

Глава 4.7
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
4.7Л. Факторы, влияющие на характер конструкции ЭС
На характер конструкции ЭС в большинстве случаев оказывают влияние следую-
щие факторы:
• функциональное назначение всей системы, подсистем и отдельных устройств;
• частотный диапазон;
• уровень конструкторской иерархии;
• тип производства.
Если в прошлом веке ЭС использовались, в основном, для связи, то в настоящее
время они широко применяются в различных областях: для радиовещания, телеви-
дения, связи; управления производством и технологическим оборудованием; управ-
ления космическими объектами и системами вооружения (космическими станциями,
радиолокационными установками, управляемыми ракетами и т. д.); построения ин-
формационных систем; диагностирования в медицине; звуковоспроизведения, и т. д.
Иногда часть сложного ЭС размещается в стационарных условиях, а часть — на борту
транспортного средства (наземного, авиационного, космического, ракетного).
Многообразие функциональных систем обусловлено тем, что, в общем случае,
сложное ЭС включает в себя следующие подсистемы: сбора информации; содержащие
различные датчики и линии связи; приема и передачи информации; обработки инфор-
мации (с устройствами памяти); связи с человеком-оператором; питания; обеспечения
нормальных режимов эксплуатации (защита от влаги, тепла, механических и биоло-
гических воздействий, радиации и т. д.). Подсистемы, в свою очередь, состоят из от-
дельных устройств: передатчиков, приемников ЭВМ, и т. д.
Разнообразие применений ЭС, наличие в них подсистем и отдельных устройств
определяют специфику и большое число вариантов конструкции ЭС. Особенно боль-
шое влияние на конструкцию ЭС оказывает функциональное назначение, поскольку
оно, в частности, определяет характер и интенсивность дестабилизирующих факторов
(см. гл. 4.8 настоящего пособия). Особую группу дестабилизирующих факторов состав-
ляют воздействия, вызванные космической и ядерной (от реакторов и атомных двига-
телей) радиацией, ядерными взрывами (облучение потоком гамма-квантов, быстрых
нейтронов, протонов, дейтронов).

366
Конструирование узлов и устройств электронных средств
На характер конструкции ЭС оказывают влияние также такие факторы, как регу-
лярность использования изделия (одно- или многоразовое), режим работы (автомати-
ческий или автоматизированный), характер ремонтной базы и квалификация обслу-
живающего персонала, серийность производства, патентоспособность конструкции,
требования к стоимости изготовления и т. д.
4.7.2. Конструкции наземных стационарных ЭС
Наземные стационарные ЭС применяются в широковещательных радио- и телеви-
зионных передающих станциях, вычислительных системах для научных исследова-
ний, наземных частях систем спутниковой связи, электронных и квазиэлектронных
АТС, системах управления воздушным движением, аппаратуре координационно-
вычислительных центров космических исследований, системах автоматизированного
проектирования и подготовки производства, системах управления технологическим
оборудованием и т. д. Эти ЭС, как указывалось, состоят из большого числа сложных
подсистем и отдельных устройств, часть которых работает в автоматическом режиме,
а часть — во взаимодействии с человеком-оператором.
К месту установки они обычно доставляются упакованными. Поэтому такие меха-
нические воздействия, как вибрации и удары, вызванные транспортированием, при
разработке конструкции стационарной ЭС можно не учитывать (если это специально
не оговорено техническими требованиями). Не предусматривается также возможность
падения и погружения в воду. На ЭС, предназначенные для работы в отапливаемом по-
мещении, не предусматривается воздействие инея и росы, дождя и воздушно-пылевого
потока. Таким образом, требования устойчивости к дестабилизирующим факторам для
этого вида ЭС гораздо менее жесткие, чем для транспортируемых или носимых ЭС.
Так как к массе и габаритам стационарных ЭС не предъявляется жестких требо-
ваний, то несущие.конструкции могут выполняться из стали, а элементная база мо-
жет быть корпусной (с индивидуальной корпусной защитой отдельных ЭРИ). В то же
время стационарные ЭС специального назначения должны быть устойчивы к сейс-
мическим воздействиям, которые могут быть вызваны землетрясением или атомным
взрывом. Стационарные ЭС рассчитаны на длительные сроки эксплуатации. Использо-
вание ЭРИ, ИМС в герметичных корпусах облегчает замену вышедших из строя ЭРИ.
Сложность электрической схемы, многообразие выполняемых ЭС функций приводят
к сложности конструкторской реализации, что обусловлено большим числом аналого-
вых и цифровых узлов устройств памяти, источников питания (иногда автономных),
различных электромеханических периферийных устройств.
Конструктивно стационарные ЭС обычно состоят из большого числа стоек, шкафов,
пультов, тумб, блоков, периферийных устройств (дисплеев, печатающих устройств,
графопостроителей, антенн и т. д.). В ряде случаев отдельные устройства системы
могут быть разнесены в пространстве. Для обеспечения взаимодействия отдельных
устройств системы используют кабельные линии связи или кабельные линии и радио-
каналы. Сложностью конструкции наземных ЭС обусловлены их большие габариты,
масса, стоимость и энергопотребление, которые ограничиваются только стоимостью
эксплуатации (площадь используемых помещений, расход материалов и электроэнер-
гии и т. д.).
Высокая стоимость стационарных ЭС предполагает продолжительную эксплуата-
цию и, в свою очередь, высокую ремонтопригодность и возможность модернизации
эксплуатируемых ЭС по мере необходимости. Особенностью стационарных ЭС явля-
ется также то, что отдельные устройства (передатчики, приемники, процессоры, запо-
минающие устройства, устройства питания, блоки отображения информации и т. д.)

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 367
разрабатываются различными ведомствами, что приводит к большому разнообразию
конструкторских решений.
Радиопередающие устройства
Радиопередающие устройства (РПУ) связи и вещания являются типичным приме-
ром наземных стационарных ЭС. Они выполнены в виде комплекса, предназначенного
для преобразования энергии источников питания в энергию радиочастотных колеба-
ний и управления последними с целью передачи информации в открытое простран-
ство. Мощность, подводимая к антенне, составляет от 0,1 кВт до нескольких мегаватт
(для связных устройств — в режиме нажатого ключа, для вещательных — в режиме
«молчания»). Стационарные РПУ являются устройствами не только информацион-
ными, но и энергетическими, поэтому в их состав входят не только усилители и мо-
дуляторы, но и генераторы, а также устройства питания, охлаждения, контроля. Для
питания РПУ используется подающаяся по двум высоковольтным линиям (основной
и резервной) сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 110,
35, 11 или 6 кВ. Понижение до 6 кВ осуществляется специальной подстанцией. Для
питания РПУ используются выпрямители напряжениями 5... 12 кВ для анодных це-
пей выходных каскадов, 1...5кВ для промежуточных каскадов и экранных сеток,
300... 1000 В для маломощных каскадов предварительных усилителей и стабилизиро-
ванных выпрямителей задающих генераторов; 27 В для цепей автоматики.
К основным ЭРИ РПУ относят генераторные лампы, индуктивности и емкости
(в том числе перестраиваемые). Так как в выходных каскадах выделяется значитель-
ное количество теплоты (КПД РПУ мощностью 30...250 кВт составляет около 45 %),
то элементы РПУ имеют значительные размеры, а от генераторных ламп теплота отво-
дится с помощью воздушного, водяного или испарительного охлаждения.
0,03 0,3 3 30 300 3 000 ^мГц
Рис. 4.7.1. Зависимость мощности от частоты для различных электронных
приборов

368
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Для генерации высокочастотных колебаний в РПУ можно использовать различ-
ные электронные приборы (рис. 4.7.1), однако наиболее распространенными при мощ-
ностях 500... 1000 кВт (вплоть до сантиметровых волн) являются генераторные элек-
тровакуумные лампы с металлостеклянным или с металлокерамическим корпусом
(рис. 4.7.2).
Рис. 4.7.2. Металлокерамическая генераторная лампа
При воздушном охлаждении радиаторы ламп размещаются в потоке воздуха. Си-
стема воздушного охлаждения охватывает все стойки РПУ. Недостатком воздушной
системы охлаждения является то, что она может быть использована для передатчиков
или их частей мощностью до 150 кВт.
При больших мощностях используется жидкостная или испарительная система.
В обоих случаях аноды ламп помещаются в бак с водой. В испарительной системе
охлаждения для исключения образования паровой пленки в ребрах радиатора дела-
ются поперечные прорези. В жидкостной системе перекачивающие насосы в первом
и втором контурах условно не показаны. В испарительной системе для уменьшения
шума конденсатор пара с воздушным радиатором и вентилятором располагают вне по-
мещения, а конденсат возвращается в бак самотеком. В ряде случаев охлаждение всех
компонентов высокочастотного блока может осуществляться с использованием жид-
кого диэлектрика.
Многие РПУ предназначены для работы в диапазоне частот, поэтому в конструк-
циях контуров и согласующих устройств необходимо предусмотреть возможность
перестройки. В РПУ используют катушки индуктивности с плавной регулировкой с
помощью скользящего контакта) или изменения взаимного положения катушек ин-
дуктивности (вариометры), конденсаторы постоянной и переменной емкости. Для
улучшения теплоотвода катушки изготовляют однослойными, из плоской ленты, меди
или медной трубки квадратного сечения, через которую пропускается охлаждающая
жидкость. Диаметр таких катушек составляет 50... 1000 мм (в зависимости от мощно-
сти РПУ). Каркасом служат стержни из радиофарфора, укрепленные в литых рамах
из алюминиевого сплава. Скользящий контакт осуществляется с помощью пластин из
фосфористой бронзы с укрепленными на них серебряными контактами.

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 369
Большие габариты имеют и другие элементы РПУ: резонаторы, переключатели,
резисторы. Все они размещаются в шкафах на керамических изоляторах с зазорами
между токоведущими частями, равными примерно 1 см на киловольт приложенного
напряжения.
Обязательным условием является устранение острых кромок металлических токо-
несущих деталей. На изоляторах располагаются и баки, в которые погружены аноды
генераторных ламп. Наличие мощных узлов не исключает использования узлов в
микроэлектронном исполнении (усилителей, схем автоматики, маломощных блоков
питания, узлов управления электромеханическими устройствами памяти и т. д.). Кар-
касы шкафов выполнены из сварных стальных уголков, стенки — из стальных листов,
скрепленных винтовыми соединениями или сваркой. Это обеспечивает электробезо-
пасность и экранирование. Для исключения поражения операторов высоким напря-
жением дверцы шкафов имеют блокировочные контакты для отключения питания
при открывании.
При конструировании РПУ следует учитывать, что они, как правило, выпускаются
единично или малыми сериями. Поэтому предусматривается использование универ-
сального оборудования при изготовлении. К специфичным узлам конструкции РПУ
следует отнести довольно большие детали из радиофарфора, а к особенности производ-
ства — настройку и регулировку установок с большой мощностью высокочастотных
колебаний.
Конструкция ЭСтехнологических установок
Использование стационарных ЭС в технологических установках позволяет осуще-
ствить программное управление, повысить точность и производительность технологи-
ческих автоматов: роботов, манипуляторов, контрольно-испытательного оборудова-
ния, робототехнических комплексов, микрофотонаборных установок, станков с ЧПУ
и т. д. Конструкция этих ЭС должна отвечать ряду требований: совместимости с техно-
логической установкой, возможности компоновки в технологическую линейку, эсте-
тичности и эргономичности, экономичности.
В ряде случаев ЭС встраивается непосредственно в технологическую установку.
В этом случае необходимо учитывать форму, размеры и взаимное расположение частей
технологической установки.
При компоновке лазерных технологических установок основное внимание направ-
лено на целостность композиции (минимум отвлечения оператора) и эстетичность всей
установки. Это осложняется сложностью формы конструкции лазеров, координатного
стола и наличием различных ЭС (программного устройства, блоков питания, управле-
ния, устройств охлаждения лазера и др.). Целостность формы достигается лаконич-
ностью декоративных колпаков и обеспечением композиционной устойчивости всей
установки путем визуального уравновешивания площадей и объемов частей установки
относительно оси симметрии. Кроме того, учитываются требования техники безопас-
ности.
Особое внимание уделяется проработке компоновки технологической линейки, ко-
торая обычно состоит из ряда секций (сборочных, монтажных, измерительных и т. д.).
В состав технологической линейки могут входить пылезащитные камеры (скафан-
дры), монтажные или сборочные столы, стойки ЭС с блоками (рис. 4.7.3).
При компоновке технологических линеек учитываются номенклатура выполняе-
мых операций и их последовательность, возрастные, половые и национальные (раз-
меры частей тела) особенности операторов. Особое внимание уделяется обеспечению
требований эргономики и технической эстетики: единству стиля всех секций, удоб-
ству работы и обслуживания при ремонте. Это достигается выбором формы, учетом

370
Конструирование узлов и устройств электронных средств
пропорций и масштаба отдельных частей, их цветовым оформлением. При располо-
жении пднелей управления принимаются во внимание удобство доступа к элементам
управления и индикации, удобство обслуживания, ремонта, простота изменения про-
граммы работы.
Рис. 4.7.3. Конструкция стойки управления технологической установкой:
а — корпус стойки; б — корпус
Если в составе оборудования технологической линейки имеются пылезащитные ка-
меры, то они снабжаются приточной или вытяжной вентиляцией. Вытяжная вентиля-
ция осуществляется от рабочих мест электромонтажников и мест, где ведутся работы с
применением токсичных веществ. Для снижения трудоемкости изготовления скафан-
дров рабочие столы и стойки ЭС (см. рис. 4.7.3) собираются из типового проката, прес-
сованных, литых или штампованных профилей свинчиванием, реже сваркой [43].
При конструировании ЭС технологического оборудования необходимо учитывать
возможное воздействие дестабилизирующих факторов: вибраций, ударов, повышен-
ной и пониженной (в лазерных установках, охлаждаемых жидким азотом) темпера-
тур, паров масел и агрессивных жидкостей или газов, высокого напряжения и т. д.
Аппаратура электронных АТС
Для лучшего использования объема помещений используются стойки увеличенной
высоты и уменьшенной глубины. Они могут быть установлены в один или два ряда
(«спина к спине»). Сверху стойки имеют кабельные каналы. Высота стойки — не более
2 600 мм; ширина 120, 160, 600 мм; ширина в конце ряда — 225 или 450 мм (допуска-

Г глава 4 J. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 371
ется эту часть ряда собирать из трех стоек шириной 150 мм), глубина — 225 и 450 мм
(для стоек шириной 120 и 150 мм допускается глубина 240 мм). При двухрядном рас-
положении стоек общая глубина не должна превышать 520 мм с учетом выступающих
элементов (органов управления и контроля, крышек, радиаторов и т. д.). Платы распо-
лагаются в стойках рядами. Шаг размещения плат и блоков по ширине кратен 15 мм.
Ячейки располагаются в восемь рядов по высоте стойки (рис. 4.7.4).
Рис 4.7.4. Размещение стоек электронной АТС
Меры по обеспечению технологичности конструкции стационарных ЭС сводятся к
использованию типовых конструкций, их выбору с учетом серийности ЭС. Серийные
конструкции ЭС должны быть приспособлены к изготовлению высокопроизводитель-
ными методами: сборка плат с использованием роботов и манипуляторов, автомати-
зированные методы электромонтажа (контактирование накруткой, пайкой волной
припоя, автоматизированный контроль и т. д.). Улучшению технологичности служит
обеспечение легкого доступа к узлам и элементам при обслуживании и ремонте.
4.7.3. Конструкции наземных транспортируемых ЭС
Транспортируемые ЭС устанавливают на автомобильном, гусеничном, водном и
железнодорожном транспорте. Водный транспорт делится на речные и морские суда
гражданского флота (пассажирские, грузовые, рыболовные, ледокольные, исследо-
вательские и т. д.) и корабли военно-морского флота (надводные корабли, подводные
лодки). Транспортировке подвергаются ЭС различного назначения: связные, нави-
гационные, радиолокационные, контрольно-испытательные, измерительные, и т. д.
Разнообразие объектов установки и назначения транспортируемых ЭС обусловливает
большое разнообразие конструкций.

372
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При разработке конструкции транспортируемых ЭС прежде всего надо учитывать
габариты и форму помещения (кузова, отсека) объекта установки ЭС. На рис. 4.7.5 по-
казано размещение ЭС в автофургоне. Отдельные устройства размещаются вдоль пе-
редней и боковой стенок автофургонов, кузовов гусеничных шасси, а в задней стенке
обычно имеется дверной проем. Операторы располагаются в центральной части фур-
гона. Аналогично расположение частей ЭС и в отсеке судна (рис. 4.7.6), хотя объем
помещения в этом случае больше и аппаратура электропитания и вентиляция может
быть расположена в отдельном помещении.
Рис. 4.7.5. Компоновка подвижной станции радиопротиводействия
Транспортируемые ЭС устанавливают и на легковых автомобилях (рис. 4.7.7) для
обеспечения безопасности движения и оперативной диагностики неисправности от-
дельных агрегатов. Спецификой этих ЭС является то, что они размещены по всему
автомобилю, а также в местах, подверженных воздействию пыли, вибраций, ударов,
паров масел и топлива, высокой температуры. Это требует герметичного, ударовибро-
прочного и термостойкого исполнения.
Антенны, размещаемые на транспортных средствах, как правило, выполняются
в виде выносных узлов. Антенны значительных габаритов делаются выдвижными,
сборно-разборными или развертываемыми с помощью механизмов, возимыми в сло-
женном состоянии на отдельном прицепе. Для ускорения развертывания исполь-
зуются зонтичные антенны, надувные и т. д. Антенны системы предупреждения
столкновений легкового автомобиля для улучшения аэродинамики выполняются за-
подлицо с обшивкой кузова (рис. 4.7.5). Выступающие части антенны на железнодо-
рожном транспорте не должны касаться различных путевых сооружений (тоннелей,
платформ, зданий, мостов и т. д.).

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 373
Рис. 4.7.6. Комплекс ЭС, размещенных в отсеке корабля: 1 — вентиляторная
и помещение для запасного имущества; 2 — генераторная; 3 — помещение
для размещения ЭС
Рис. 4.7.7. Расположение микропроцессорной системы в автомобиле

374
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Обычно транспортируемые ЭС выполняют в виде стоек, шкафов и пультов с вы-
движными блоками или отдельных блоков в переносном исполнении. Размеры транс-
портируемых ЭС должны выбираться с учетом размеров дверных проемов и люков,
через которые ЭС помещаются внутрь транспортного средства, а допустимая масса от-
дельных блоков, шкафов и стоек — с учетом удобства монтажа и демонтажа, а также
общей грузоподъемности транспортного средства.
Общая масса транспортируемых ЭС не должна превышать двух третей грузоподъ-
емности транспортного средства (одна треть остается для операторов и запасного иму-
щества). Кроме размеров объекта установки, на характер конструкции транспорти-
руемого ЭС оказывают влияние различные дестабилизирующие факторы: вибрации,
удары, линейные ускорения, изменение температуры внешней среды, термоудары,
воздействие инея и росы, морского тумана, и т. д. Для автомобильных и железнодо-
рожных ЭС можно не учитывать такие факторы, как падение аппаратуры с заданной
высоты и погружение в воду, воздействие пыли, если это не оговорено в технических
требованиях.
Стойки судовой и корабельной аппаратуры иногда устанавливают на амортизато-
рах, прикрепленных к стенке отсека. Особенностью судовых и корабельных ЭС явля-
ется также то, что антенны обычно располагаются в развернутом виде.
Конструкции транспортируемых ЭС рассчитываются и испытываются на прочность
и жесткость из условия минимизации массы. Для повышения ударовибропрочности
иногда механические узлы заменяют электронными (прерыватель, реле-регулятор,
устройство управления карбюратором автомобиля и т. д.). Для облегчения теплового
режима на корпусе ЭС делают оребрение (устройств, расположенных вблизи двига-
теля). Для защиты транспортируемых ЭС от воздействия влаги (брызг, морского ту-
мана) могут быть использованы эластичные уплотнители крышек, обволакивание
плат лаком или компаундом, опайка блоков с бескорпусными компонентами и т. д.
Для исключения конденсации влаги внутрь гермообъема можно поместить патрон с
влагопоглотителем (например, цеолитом). С помощью резиновых колпачков уплотня-
ются рычаги регуляторов и переключателей.
При разработке конструкции транспортируемых ЭС необходимо учитывать тех-
нологические факторы: использование типовых конструкций, преемственность раз-
рабатываемой конструкции относительно изделий-аналогов; соответствие способов
обработки и сборки типу производства; оптимальность выбранных допусков и шерохо-
ватости поверхности деталей; рациональность использования драгоценных металлов и
дефицитных материалов; токсичность технологических процессов, и т. д. Особое вни-
мание должно быть уделено наличию и составу запасного комплекта для ремонта ЭС
на месте эксплуатации, удобству регулировки, настройки, ремонта в производстве и
при эксплуатации с учетом возможностей ремонтной базы, ее удаленности от основной
базы снабжения, квалификации обслуживающего персонала (особенно судовых и ко-
рабельных ЭС).
4.7.4. Конструкции наземных переносных ЭС
К переносным ЭС относят устройства массой до 30 кг, перемещаемые в неработаю-
щем состоянии одним-двумя операторами (женщинам разрешается поднимать не более
10 кг на высоту 1,5 м, при чередовании с другими работами — не более 15 кг). Ввиду
все большей миниатюризации этот класс наземных ЭС непрерывно расширяется и в
настоящее время представлен: видео- и звуковоспроизводящими устройствами (радио-
приемники, телевизоры, магнитофоны, видеокамеры); настольными вычислителями
(персональные компьютеры); различными измерителями (осциллографы, генераторы,

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 375
вольтметры, тахометры, измерители теплового поля, частотомеры); медицинской ап-
паратурой (электрокардиографы, дефибрилляторы); аппаратурой специального на-
значения (вычислители для управления артиллерийским огнем, устройства наведения
тактических ракет, средства спутниковой системы спасения КАСПАС) [43].
Переносные ЭС могут эксплуатироваться в помещении или вне его. Поэтому тре-
бование устойчивости к дестабилизирующим климатическим и механическим воздей-
ствиям для переносных ЭС являются промежуточными между требованиями, предъ-
являемыми к устойчивости стационарных и транспортируемых ЭС. Для бытовых ЭС
они совпадают с требованиями к стационарным ЭС, работающим в отапливаемом
помещении, а для ЭС специального назначения — с требованиями к транспортируе-
мым ЭС по климатическим воздействиям (требования по механическим воздействиям
более мягкие, так как носимые ЭС перевозятся в упакованном виде).
На конструкцию переносных ЭС оказывают влияние также такие факторы, как
удобство переноски, способы миниатюризации, способы обеспечения устойчивости к
климатическим и механическим воздействиям, защита от собственного тепловыделе-
ния, специфика базовой конструкции, обеспечение эстетичности и технологичности.
Несмотря на то что переносные ЭС значительно различаются по конструкции, не-
которые их особенности являются общими для всей группы:
• максимальная масса ЭС зависит от конструкции приспособлений для переноски
и не должна превышать 15 кг при наличии одной ручки (лямки) для переноски.
Если ЭС можно удержать руками (это позволяют его размеры и масса), то ручки
можно не делать; '
• охлаждение, как правило, осуществляется с помощью воздушной конвекции
(естественной или принудительной с использованием вентиляторов);
• наличие защиты от климатических и механических воздействий для переносных
ЭС специального назначения;
• комплектация дополнительными деталями и узлами для замены вышедших из
строя ИС, ЭРИ и расширения выполняемых ЭС функций (кабели, переходники,
делители напряжения и т. д.).
Переносной портативный комплекс (рис. 4.7.8), предназначенный для контроля
психофизиологических параметров летчиков, водителей, космонавтов, спортсме-
нов, собран либо в корпусе без ручек (переносится в сумке), либо в чемодане типа
«дипломат».
На верхней плоскости размещены панель блока вычислителя с индикатором на
жидком кристалле, наборное поле с кнопками тестирования, печатающее устройство
для фиксации результатов тестирования и соединители для подключения различных
датчиков (фонендоскопа, пьезодатчиков, контактного зонда и т. д.).
Под передней панелью горизонтально расположены две печатные платы: микропро-
цессор и память. В крышке «дипломата» имеются карманы. Небольшая потребляемая
мощность позволила обойтись охлаждением с помощью искусственной конвекции от
корпуса, выполненного из алюминиевого сплава. Так как устройство предназначено
для эксплуатации в отапливаемых помещениях, то защита от влаги сводится к ис-
пользованию корпусированных компонентов, лакировке плат и установке резиновой
герметизирующей прокладки под верхней панелью.
При обеспечении технологичности конструкции переносных ЭС необходимо учи-
тывать объем производства. Для массового производства используются высокопроиз-
водительные способы формообразования, сборки, контроля. Это предъявляет опреде-
ленные требования к материалам, форме (в том числе наличие литейных уклонов,
поднутрений и т. д.), характеру размещения компонентов (с учетом требований, предъ-
являемых при гибком автоматизированном производстве, при использовании средств

376
Конструирование узлов и устройств электронных средств
механизации и автоматизации). Кроме того, необходимо учитывать преемственность
конструкции, ее типизацию, удобство доступа к компонентам при изготовлении, ре-
монте, обслуживании. Особое внимание следует обращать на культуру производства и
декоративные материалы, используемые для внешней отделки переносных ЭС.
Рис. 4.7.8. Общий вид переносного портативного комплекса
4.7.5. Конструкции наземных носимых ЭС
Носимые ЭС обычно располагаются на теле человека или его одежде. Они функцио-
нируют в процессе переноски, а также при воздействии дестабилизирующих факто-
ров. Носимые ЭС бывают бытового назначения (часы, телевизоры> радиоприемники,
магнитофоны, микрокалькуляторы, сотовые телефоны и т. д.) и специального назна-
чения (связные приемопередатчики, телевизионные передающие камеры на приборах
с зарядовой связью и т. д.).
На конструкцию носимых ЭС оказывает влияние большое число факторов: необ-
ходимость минимизации габаритов, массы, энергопотребления, стоимости; защита от
влияния дестабилизирующих факторов; электромагнитная совместимость, электро-
безопасность; химическая совместимость материалов с телом человека (исключение
раздражения кожи); ремонтопригодность и технологичность; эстетичность и эргоно-
мичность. Габариты и масса носимых ЭС в значительной степени зависят от габаритов
и массы источников питания. Элементная база, как и у бортовой аппаратуры, имеет
минимальное энергопотребление. Особое внимание уделяется минимизации размеров
элементов управления и индикации, так как площадь передней панели носимых ЭС
часто определяется площадью этих элементов. Для уменьшения габаритов антенн они
могут выполняться в виде спиралей или пластин.

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 377
На носимые ЭС специального назначения могут воздействовать такие дестабилизи-
рующие факторы, как удар при падении с высоты, погружение в воду и др. По интен-
сивности внешних воздействий носимая аппаратура специального назначения усту-
пает транспортируемой только по фактору многократных ударов (10 g вместо 25#). При
выборе материалов для частей носимых ЭС, имеющих контакт с человеком (корпуса
часов, слуховых аппаратов, наушников, кнопок и т. д.), необходимо учитывать, кроме
их химической нейтральности по отношению к телу человека, также шероховатость
поверхности.
Обычно носимые ЭС являются изделиями длительного пользования, поэтому при
их конструировании должна быть предусмотрена возможность ремонта и замены
электрохимических источников питания. Особое внимание при разработке конструк-
ции носимых ЭС уделяется технологичности, так как от этого в значительной степени
зависит их стоимость. Объемы производства этих ЭС, как правило, велики. Поэтому
должна быть предусмотрена возможность использования высокопроизводительных
методов при обработке и сборке деталей (прессование пластмасс, штамповка, печат-
ный монтаж, пайка волной припоя и т. д.).
Так как большинство носимых ЭС являются товарами бытового назначения, то
особое внимание уделяется их эстетическому оформлению. Спецификой носимых ЭС
является наличие в них цифровых и аналоговых узлов, портативных автономных ис-
точников питания, преобразователей напряжения (осуществляющих повышение на-
пряжения или формирование нескольких различных номиналов). Это предъявляет
определенные требования к электромагнитной совместимости компонентов и узлов.
Отвод теплоты благодаря небольшой выделяемой мощности осуществляется за счет
естественной воздушной конвекции.
Рассмотрим конструкции некоторых переносных ЭС. Пожалуй, самым распростра-
ненным носимым ЭС являются электронные часы, которые обладают такими преимуще-
ствами, как точность хода, отсутствие завода, возможность выполнения других функ-
ций — микрокалькулятора, программного сигнализатора, календаря, секундомера.
В конструкции наручных часов (рис. 4.7.9) использована несколько измененная
конструкция корпуса обычных наручных механических часов. Электронный блок
представляет собой слоистую конструкцию цилиндрической формы. Основой явля-
ется печатная плата из стеклотекстолита дисковой формы, на которой установлены
дискретные компоненты (кварцевый резонатор, ИМС пересчетного устройства, ИМС
преобразователя напряжения, лампочка подсветки индикатора и т. д.). Над платой
располагается жидкокристаллический индикатор, соединенный с платой с помощью
эластомерных соединителей, а под платой (в специальной пластмассовой обойме с за-
прессованными контактами) — серебряно-цинковый элемент питания [43].
Рис. 4.7.9. Электронные наручные часы

378
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Другой большой группой носимых ЭС являются микрокалькуляторы. Первые об-
разцы микрокалькуляторов выполнялись в пластмассовом корпусе, который являлся
несущей основой для платы с компонентами, индикатора, элементов питания, элемен-
тов управления (кнопок, переключателей), соединителя для подключения внешнего
источника питания.
Носимые приемники радиосигналов и телевизионного изображения, а также прие-
мопередатчики оперативной связи являются еще одной группой носимых ЭС. Особен-
ностью конструкции приемника с цифровой настройкой являются отсутствие ручек
для плавной перестройки частоты, наличие кнопочного поля управления и цифрового
индикатора. Конструкция приемопередатчика для оперативной радиосвязи представ-
лена на рис. 4.7.10.
Рис. 4.7.10. Конструкция приемопередатчика со снятой крышкой и динами-
ком: 1 — пластмассовый корпус; 2 — антенна на элементах с сосредоточен-
ными параметрами; 3 — экран; 4 — экранированный модуль; 5 — элементы
управления; 6 — серьга для крепления лямки; 7 — печатная плата; 8 — кон-
тактная колодка для сменного узла; 9 — ИМС

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 379
В конструкции применена малогабаритная антенна. Экранирована только часть
узлов, что облегчает доступ к отдельным ЭРИ. Для облегчения замены ИМС и частотно-
задающих узлов (кварцевых резонаторов) предусмотрены розетки разъемных соеди-
нителей. Рассмотренный приемопередатчик, как правило, помещается в футляр из
кожзаменителя и переносится на ремне через плечо.
4.7.6. Конструкции бортовых ЭС
К бортовым относятся ЭС, устанавливаемые на воздушных шарах, дирижаблях,
вертолетах, беспилотных летательных аппаратах, дозвуковых и сверхзвуковых само-
летах, больших и малых ракетах, космических объектах (искусственных спутниках
Земли, пилотируемых станциях, многоразовых транспортных космических кораблях,
межпланетных автоматических станциях).
На характер конструкции бортовых ЭС оказывают влияние различные ограни-
чения:
• характер размещения ЭС на объекте установки;
• необходимость минимизации массы и габаритов;
• обеспечение заданной надежности при воздействии дестабилизирующих фак-
торов;
• наличие типовых конструкций.
Размещение бортовых ЭС на объекте установки может быть централизованным и
децентрализованным. Централизованно могут размещаться блоки РЛС, блоки вычис-
лительной системы или системы управления каким-либо объектом (например, двига-
телем). Но и в этих случаях отдельные узлы могут быть вынесены (индикатор РЛС —
на пульт перед летчиком, датчики и исполнительные механизмы — к управляемому
агрегату). Централизованному расположению всех узлов бортовых ЭС мешают несу-
щие конструкции объекта установки, отдельные агрегаты (двигатели, баки с горючим,
различное оборудование), грузовые и другие отсеки, различные коммуникации (тру-
бопроводы, кабели), а в ряде случаев (при модернизации объекта установки) — разме-
щение ЭС в подвесных контейнерах за пределами основного объекта.
Децентрализация размещения блоков по объекту установки требует организации
дополнительных линий связи, использования соединителей и принятия мер по обеспе-
чению электромагнитной совместимости (экранирование, согласование линий связи
и т. д.). Примером децентрализованного размещения ЭС является связной спутник
«Комстар-1» (рис. 4.7.11.).
Минимизация массы бортовых ЭС обусловлена стремлением снизить транспорт-
ные расходы авиационных ЭС, а также стоимость запуска космических ЭС (стоимость
вывода на орбиту Земли массы 1 кг составляет от 10 000 до 20 000 $, что значительно
дороже самих ЭС). Уменьшая массу самолетных и космических ЭС, можно увеличить
массу полезного груза либо дальность полета при тех же затратах, либо снизить транс-
портные расходы [43].
Минимизация габаритов обусловлена ограниченностью объема объектов авиаци-
онного и космического назначения. Минимизировать массу и габариты можно, увели-
чивая плотность компоновки конструкции и используя для несущих конструкций ма-
териалы с малой плотностью (алюминиевые, магниевые, титановые и другие сплавы,
полимерные материалы и композиции).
На бортовые ЭС могут воздействовать различные климатические и механические
факторы (табл. 4.7.1) [43]. К климатическим факторам относятся влажность и темпе-
ратура. Диапазон изменения температур окружающей среды для бортовых ЭС шире,
чем для наземных, так как зависит от высоты над поверхностью Земли. Высокие тем-

380
Конструирование узлов и устройств электронных средств
пературы могут иметь место в результате трения обшивки сверхзвуковых самолетов и
ракет о плотные слои воздуха. Сам объект установки ЭС может являться источником
высоких температур (двигатели) и низких температур (баки с охлажденным горючим).
К повышению температуры может приводить и тепловыделение самих ЭС. Влажность
окружающей среды может меняться в широких пределах — от минимальной (в салоне
пассажирского самолета) до максимальной (ЭС, установленная вне герметизированной
кабины). Для самолетных ЭС особое значение имеет изменение атмосферного давления
(при разгерметизации кабины), что требует прочных гермокорпусов.
Командно-телеметрическая антенна;
передает данные о функционировании
систем спутника и принимает
команды с наземных станций
управления
/
Устройство ориентации
антенны и вращающееся
сочленение приемопередачи
радиосигналов;
это сочленение
обеспечивает постоя
ориентацию антенны
на Землю, в то время
как корпус спутника
вращается вокруг
продольной оси
Цилиндрический корпус
спутника вращается
со скоростью около одного
оборота в секунду, чтобы
обеспечить гироскопическую
стабилизацию в пространстве,
поверхность корпуса покрыта
солнечными батареями
Датчики ориентации по
Солнцу и Земле
Боковые двигатели
Приемопередающая антенна связи
с вертикальной и горизонтальной
анионными решетками,
оляющими вести и прием
и передачу на одной частоте,
ерпендикулярной поляризацией;
ет этого пропускная способность
радиочастотных каналов спутника
удваивается
Электронный блок с приемниками,
передатчиками и усилителями
Система ориентации
и позиционирования
Аккумуляторная батарея;
в ней электроэнергия,
вырабатываемая солнечными
, батареями, запасается
для работы спутника в те отрезки;
времени, когда он находится
в тени Земли
Конус крепления к
р ак е т е-но сит е лю
Орбитальный двигатель,
выводящий спутник
на геостационарную орбиту
после отделения от
р ак е т ы-но сит е ля
Рис 4.7.11. Конструкция связного спутника «Комстар-1»

Г глава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 381
Таблица 4.7.1
Параметры дестабилизирующих факторов, воздействующих на авиационные,
ракетные и космические ЭС
Параметр
Вибрация: диапазон
частот, Гц
| Перегрузка, м/с2
1 Амплитуда, мм
Удары: длительность,
мс
| Число ударов
Перегрузка, м/с2
Линейное ускорение,
м/с2
Диапазон частот
акустических воздей-
ствий, Гц
Звуковое давление,
дБ(Вт/м2)
Диапазон температур,
|°С
Воздействие понижен-
| ного давления, Па
Повышенная влаж-
ность, % (при темпе-
| ратуре, °С)
1 Время выдержки, сут.
Самолеты,
вертолеты
5...2 000
—
0Д5...25
15
18
58,8...300
До 50
50... 10 000
До 170 (105)
-70...+295
(2...101)-
•103
93... 100
(+47...+57)
4...7
Аварийная
аппаратура
10... 70
19,6...34,3
—
—
500
736
—
—
—
-72...+33
(2...101)-
•103
98
(+40)
—
Ракеты
большие
10...3 000
До 400
—
10...12
—
500
50...150
50... 10 000
До 200 (108)
-65...+164
(0Д3...101)-
•103
100
—
малые
50...5 000
До 300
—
10...12
—
1000
300...500
50... 10 000
До 190 (107)
-65...+164
(0Д3...101)-
Ю3
100
—
Космические
объекты
1,5...2 500
4,9...58,9
—
—
—
—
—
—
—
—
(0Д3...101)-
•103
—
— 1
Кроме того, понижение атмосферного давления приводит к уменьшению электри-
ческой прочности воздуха, минимум которой соответствует высоте 22 000...24 000 м.
Возникающие при коронном разряде озон и азотистые соединения (при наличии влаги)
могут вызвать коррозию. Коронный разряд может привести к сбою в работе ЭС. Суще-
ственным климатическим фактором для бортовых ЭС является возможность резких
перепадов температуры (тепловых ударов), для самолетных ЭС — от -60 до +150 °С.
Это накладывает определенные ограничения на температурный коэффициент линей-
ного расширения соединяемых компонентов.
Механические динамические воздействия объекта установки обусловлены рабо-
той двигателя, перегрузками при маневрировании, аэродинамическим торможением
при вхождении в плотные слои атмосферы. Большие ударные перегрузки могут воз-
никнуть при старте малых ракет, выстреле управляемого снаряда из пушки, реакции
материала при снятии перегрузки. Пренебречь механическими воздействиями можно
лишь для ЭС, устанавливаемых на воздушных шарах и дирижаблях, имеющих малую

382
Конструирование узлов и устройств электронных средств
скорость движения. ЭС для искусственных спутников Земли и межпланетных косми-
ческих станций должны отвечать дополнительным требованиям: безотказности (дли-
тельности службы без обслуживания и ремонта), работоспособности в условиях ва-
куума и больших циклических перепадов температуры, устойчивости к воздействию
радиации. Ракетные ЭС, обычно одноразового пользования (это позволяет выполнять
их неремонтопригодными), приспособлены к кратковременной предстартовой про-
верке; в них предусмотрены возможность быстрой замены ЭС в случае неисправности,
длительность срока хранения, устойчивость к механическим перегрузкам (при старте,
торможении, маневрировании); они устойчивы к термоударам. Наибольший эффект
при конструировании бортовых ЭС дает использование базовых конструкций, которые
имеют специфику для ЭС гражданской авиации и ЭС специального назначения (кос-
мическую, ракетную).
ЭС самолетов гражданской авиации
ЭС самолетов гражданской авиации (рис. 4.7.12), выполненные на дискретных
ЭРИ и корпусных ИМС малой и средней степени интеграции, относятся к аппаратуре
третьего поколения. Они имеют негерметичный корпус, в котором размещены платы с
элементами. Размеры корпусов самолетных ЭС стандартизованы.
Рис. 4.7.12. Блок ЭС самолетов гражданской авиации с развернутыми ячейками:
1 — каркас; 2 — соединители; 3 — шарнир; 4 — рама ячейки; 5 — ПП
Для защиты от механических воздействий блоки устанавливают на амортизаци-
онной раме. Подключение блоков осуществляется с помощью врубного соединителя.
Для быстрого закрепления используют накидные болты с гайками, установленные со
стороны передней панели. Это облегчает замену блоков при выходе их из строя. К до-
полнительным мерам защиты от механических воздействий относятся крепление плат
винтами, увязка жгутов нитками, крепление жгутов скобами и т. д. Особое внимание
следует уделять правильной установке компонентов в соответствии с нормативной до-
кументацией. Это требует формовки выводов, установки компонентов на дополнитель-
ные упоры, использования приклейки, заливки (например, пенокомпаундом) некото-
рых узлов и т. д. Места пайки проводников могут крепиться специальными захватами
(наконечниками).

Гглава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 383
Для защиты от влаги платы и места паек покрываются лаком, дискретные ком-
поненты имеют защиту корпуса или обволакиваются компаундами. Охлаждение
осуществляется за счет естественной конвекции или принудительно, с применением
встроенных вентиляторов. Естественная конвекция усиливается при использовании
радиаторов.
Дли повышения ремонтопригодности находят применение конструкции типа
«книжка-раскладушка» (рис. 4.7.12), что одновременно повышает надежность кон-
струкции и способствует снижению массы и габаритов благодаря исключению соеди-
нителей в межплатных связях. Перспективным технологическим приемом является
выполнение плат на основе полиимидной пленки.
Бортовые ЭС четвертого поколения
Бортовые ЭС четвертого поколения (авиакосмические, ракетные) имеют значи-
тельно более высокую плотность компоновки (до 40 элем./см3) в результате:
• отказа от индивидуальной герметизации ЭРИ и ИМС (перехода на бескорпусные
ИМС, резисторы, конденсаторы) и герметизации всего блока;
• применения ИМС повышенной степени интеграции;
• увеличения плотности компоновки функциональных узлов в составе блока;
• повышения плотности электромонтажа плат и межплатной коммутации;
• использования конструкций, позволяющих интенсифицировать теплоотвод;
• применения микромощной элементной базы (уменьшаются объем и масса си-
стемы охлаждения и системы питания).
В конструкциях бортовых ЭС специального назначения бескорпусные ИМС и
ЭРИ могут устанавливаться на коммутирующие основания из ситалла, полиимидной
пленки, керамики, анодированного алюминия (для источников питания). Получен-
ные при этом микросборки устанавливают на теплоотводящие шины, соединенные с
рамкой ячейки.
Минимизация массы, габаритов и паразитных связей межплатного монтажа ана-
логовых блоков достигается путем размещения подложек микросборок в соответствии
с последовательностью их размещения на функциональной схеме. Связи между пла-
тами выполняются короткими перемычками из золотой фольги (иногда эластомер-
ными соединителями с малым переходным сопротивлением).
Специфика несущих конструкций бортовых ЭС заключается в том, что кроме того,
что они являются конструктивной основой, они являются герметизирующей оболоч-
кой, и с их помощью выполняется теплоотвод, являются основой для арматуры внеш-
них выводов, откачного штенгеля, элементов крепления к объекту установки. От
массы несущей конструкции в значительной степени зависят масса и габариты борто-
вых ЭС, их надежность и стоимость.
В качестве материалов для корпусов бортовых ЭС используют алюминиевые (АМц,
АМг, Д16, В95 и др.), магниевые (МА8 и др.) и титановые (ВТ1-10 и др.) сплавы. Алю-
миниевые сплавы хорошо проводят теплоту и поддаются формовке литьем, фрезерова-
нием, штамповкой; элементы корпуса соединяются пайкой и сваркой. Для защиты от
коррозии и облегчения пайки гермовводов корпуса из алюминиевых сплавов покрыва-
ются слоем Си — Ni — (Sn — Bi) [43].
Герметичное соединение крышки с корпусом достигается использованием паяного,
сварного шва или прокладок из металла, резины, пластмассы, заливкой компаун-
дами. Для блоков объемом до 5 дм3 чаще всего используют разъемный паяный шов,
что допускает разгерметизацию и повторную (до 3...5 раз) герметизацию. Это необхо-
димо как на этапе производства (при настройке), так и при эксплуатации (ремонте).
Во время пайки от корпуса осуществляется интенсивный теплоотвод во избежание

384
Конструирование узлов и устройств электронных средств
перегрева элементов, находящихся внутри корпуса. При необходимости паяный шов
может быть нарушен путем вытягивания проволоки за свободный конец. Сварной
шов используется для неремонтопригодной аппаратуры. Иногда применяют кромки
под сварку увеличенных размеров, в этом случае их можно разъединить фрезеровкой
(если кромки были проварены не на всю длину) и после ремонта блока снова заварить.
Для блоков объемом более 5 дм3 чаще всего используют герметизирующие прокладки
из силиконовой резины. Металлические прокладки (кроме индиевых) плохо работают
при циклических изменениях температуры, а пластмассовые в ряде случаев имеют не-
достаточную упругость.
Так как любой герметизирующий шов имеет микропоры, то для исключения по-
падания влаги из внешней среды внутрь корпуса из него откачивается воздух,
и производится заполнение сухим азотом (аргоном, гелием) под избыточным давле-
нием 0,3 МПа. Это позволяет обеспечить герметичность ЭС в течение 8... 12 лет. Для
исключения конденсации влаги при понижении температуры ниже точки росы,
а также для поглощения агрессивных летучих веществ в гермоблоках располагают
поглотители из цеолита, силикагеля, фосфорного ангидрида. Бортовые ЭС имеют ряд
особенностей обеспечения теплового режима узлов и блоков. Это обусловлено тем, что
плотность их компоновки высока, а возможности теплоотвода и поглощения теплоты
часто ограничены.
Защита бортовых ЭС от тепловых воздействий достигается в результате принятия
следующих мер:
• уменьшения теплового сопротивления теплоотвода от источника тепла до стока;
• ограничения плотности компоновки компонентов и узлов с учетом возможности
теплоотвода;
• эффективной теплоизоляции от воздействия внешних источников тепла;
• использования элементов, потребляющих минимальную мощность, имеющих мак-
симальный КПД, одинаковую для всех компонентов допустимую температуру.
Для интенсификации теплоотвода используют различные теплообменники. При
разработке конструкции бортовых ЭС специального назначения широко используют
унифицированные конструкторские решения, определенные стандартами. При разра-
ботке конструкции бортовых ЭС необходимо учитывать следующие технологические
факторы:
• выбирать по возможности типовые конструкции, освоенные в производстве и хо-
рошо оснащенные;
• размещение компонентов, а также выбор формы, размеров, точности, шерохова-
тости деталей производить с учетом объемов производства и возможностей имею-
щегося технологического оборудования и оснастки;
• избегать использования драгоценных, токсичных и дефицитных материалов;
• учитывать возможность поставки комплектующих изделий и заказа выполнения
некоторых работ на других предприятиях.
Вопросы для контроля
1. Какие ограничения влияют на конструкцию ЭС?
2. От каких основных факторов зависит конструкция стационарных РПУ?
3. Что является модулем при конструировании стационарных ЭС?
4. Чем отличается конструкция ЭС технологического оборудования?
5. Какие требования предъявляются к конструкции транспортируемых ЭС?
6. Какими методами достигается минимизация габаритов и массы конструкции
переносных ЭС?

Тглава 4.7. Особенности конструкций электронных средств различного назначения 385
7. Какова конструкция антенн носимых ЭС?
8. На каких объектах устанавливаются бортовые ЭС?
9. Какие дестабилизирующие факторы должны учитываться для бортовых ЭС?
10. Какова специфика конструкций ЭС гражданской авиации?
11. Чем обусловлена специфика конструкций бортовых ЭС специального назна-
чения?

Глава 4.8
ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ
Все современные объекты электроэнергетики, средства связи, системы управления
транспортных средств и средств жизнеобеспечения содержат радиоэлектронные сред-
ства, поэтому актуальной проблемой является обеспечение стойкости ЭС к внешним
воздействующим факторам (ВВФ).
В зависимости от географического места расположения ЭС на Земле — на низмен-
ных, возвышенных или в горных местностях, в атмосфере, на поверхности водной
среды или в ее толще, характер и интенсивность внешних естественных дестабилизи-
рующих факторов будут различными. Их влияние может усиливаться (например, за
счет вредных техногенных воздействий) и ослабляться (в частности, путем создания
искусственных климатических условий) при размещении ЭС на различных объектах-
носителях. Так, для стационарной аппаратуры наибольшую опасность представляют
влажность воздуха, пыль и температура окружающей среды, а для возимой аппара-
туры — механические воздействия. Особые требования по устойчивости к вредным
дестабилизирующим воздействиям предъявляются к специальным электронным сред-
ствам, например, военного, космического и медицинского назначений, а также к ап-
паратуре, штатная эксплуатация которой ведется в условиях химически агрессивных
сред, ионизирующих излучений, прямого воздействия солнечной радиации и биологи-
ческих загрязнений и др. Способность ЭС противостоять влияющим на него определен-
ным вредным ВВФ в течение заданного времени и выполнять при этом свои функции
без изменения параметров, называется стойкостью конструкции ЭС к внешним деста-
билизирующим факторам. Обеспечение такой стойкости гарантирует высокую надеж-
ность и качество ЭС и является одной из важнейших конструкторских задач.
4.8.1. Основные понятия и определения
Терминологию и определение понятий в области внешних воздействующих фак-
торов на материалы и технические изделия, в том числе ЭС, устанавливает ГОСТ
26883-86. В соответствии с ним дадим определения основным терминам, необходимым
для понимания дальнейшего изложения материала.
Внешним воздействующим фактором называется явление, процесс или среда, внеш-
ние по отношению к ЭС или его составным частям, вызывающие (или могущие вызвать)
ограничение или потерю его работоспособного состояния в процессе эксплуатации.

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 387
Нормальное значение ВВФ составляет статистически обработанное и усредненное
на основе многократных наблюдений значение ВВФ для определенной области эксплу-
атации ЭС.
Номинальное значение ВВФ образует нормируемое изменяющееся (или постоян-
ное) верхнее и нижнее значения ВВФ, в пределах которых обеспечивается заданное ра-
ботоспособное состояние конкретного ЭС.
Номинальные условия эксплуатации ЭС определяет совокупность номинальных
значений ВВФ.
Эффективным значением ВВФ называется регламентированное постоянное значе-
ние ВВФ, принимаемое при расчетах номинальных параметров ЭС, влияющих на срок
его службы и существенно зависящих от данного ВВФ. '
Стойкость ЭС к ВВФ представляет собой свойство изделия сохранять работоспособ-
ное состояние во время и после воздействия на него определенного ВВФ в течение всего
срока службы в пределах заданных значений.
Устойчивостью ЭС к ВВФ называется свойство изделия выполнять свои функции и
сохранять значения своих параметров во время действия на него определенного ВВФ
в пределах заданных значений.
Прочность ЭС к ВВФ — это свойство изделия сохранять свое работоспособное состо-
яние после воздействия на него определенного ВВФ в пределах заданных значений.
Классификация по видам ВВФ по ГОСТ 26883-86 приведена на рис. 4.8.1.
Рис. 4.8.1. Виды воздействующих на ЭС вредных факторов
Рассмотрим состав различных видов ВВФ в соответствии с терминологией по ГОСТ
26883-86, ГОСТ 23281-78, ГОСТ 24346-80, ГОСТ 9.102-91 и РМГ 78-2005. Так, к меха-
ническим ВВФ относятся:
• механический удар (кратковременное взаимодействие твердых тел при их стол-
кновении между собой);
• аэродинамический удар (механическое воздействие ударной волны, образую-
щейся при движении летательного аппарата в момент достижения им сверхзву-
ковой скорости);
• ударная волна (распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью переходная об-
ласть в газе, жидкости или твердом теле, в которой происходит резкое увеличе-
ние плотности, давления и скорости среды);
• звуковой удар (акустический эффект воздействия на ЭС ударных волн, образую-
щихся при движении летательных аппаратов на сверхзвуковых скоростях);

388 Конструирование узлов и устройств электронных средств
• сейсмическое воздействие (колебания поверхности и подземные удары естествен-
ного и искусственного происхождения);
• воздействие землетрясения (сейсмическое воздействие естественной природы);
• сейсмический удар (сейсмическое воздействие искусственной природы, напри-
мер, взрыв);
• качка (колебание ЭС, при котором его вертикальная ось отклоняется от верти-
кали к земной поверхности);
• крен (положение ЭС, при котором его вертикальная ось отклонена в поперечной
плоскости симметрии от вертикали к земной поверхности);
• дифферент (наклон ЭС, при котором его вертикальная ось отклонена в продоль-
ной плоскости симметрии от вертикали к земной поверхности);
• механические колебания (процесс поочередного возрастания и убывания во вре-
мени значений кинематической или динамической величины, характеризующей
механическую систему);
• вибрация (движение точки или механической системы, при котором происходят
колебания характеризующих его скалярных величин);
• случайная вибрация (колебания, представляющие собой случайный процесс);
• гармоническая вибрация (колебания, при которой значения колеблющейся
величины, характеризующей вибрацию, изменяются во времени по закону
Asin((ot + ф), где А — амплитуда колебаний, со — угловая частота, t — время, ф —
фаза);
• акустический шум (вибрационный волновой процесс, распространяющийся в га-
зообразных, жидких и твердых средах и имеющий практически непрерывный
спектр);
• механическое давление (давление, характеризующееся интенсивностью нормаль-
ных сил, с которой одно тело или среда действует на поверхность другого);
• статическое давление (механическое давление, у которого интенсивность, точка
приложения и направление изменяются во времени настолько медленно, что си-
лами инерции можно пренебречь);
• динамическое давление (механическое давление, у которого интенсивность,
точка приложения и направление изменяются во времени настолько быстро, что
необходимо учитывать силы инерции).
На всех этапах жизненного цикла ЭС находится в постоянном контакте с окружаю-
щей средой, параметры климата которой оказывают существенное влияние на техни-
ческие характеристики и работоспособность ЭС. К климатическим ВВФ относят:
• атмосферные выпадающие осадки (выпадающая из облаков вода в жидком и твер-
дом состоянии);
• атмосферные конденсированные осадки (образующаяся на земной поверхности и
на предметах вблизи от нее вода в жидком и твердом состоянии в результате кон-
денсации водяного пара в воздухе);
• морской туман (конденсационные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой морской
воды, характеризующейся постоянством солевого состава);
• статическая пыль или песок (аэрозоль с твердой дисперсной фазой пыли или пе-
ска, находящийся в статическом состоянии);
• динамическая пыль или песок (аэрозоль с твердой дисперсной фазой пыли или
песка, находящийся в динамическом состоянии);
• ветер (движение потока воздуха со скоростью свыше 0,6 м • с-1);
• коррозионно-активный агент морской воды (вещество, находящееся в морской
воде и приводящее к ускорению процессов разрушения элементов конструкции
ЭС за счет коррозионных процессов). К таким веществам относятся, в частности,

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 389
хлориды, сульфаты, карбонаты щелочных, щелочноземельных металлов и др.;
• коррозионно-активный агент почвенно-грунтовой среды (вещество, находящееся
в почве и грунте и приводящее к ускорению процессов разрушения элементов
конструкции ЭС за счет коррозионных процессов). К таким веществам относятся
те же, что и в предыдущем ВВФ, а также гумус, продукты метаболизма и др.;
• коррозионно-активный агент окружающей среды (вещество, находящееся в ат-
мосфере и приводящее к ускорению процессов разрушения элементов конструк-
ции ЭС за счет коррозионных процессов). К таким веществам относятся, в част-
ности, сернистый газ, хлориды, нитраты, сульфаты и др.;
• атмосферное давление (значение абсолютного давления в приземном слое атмос-
феры);
• интегральное солнечное излучение (электромагнитное излучение в селективно
фильтрованном спектре частот).
Биологические ВВФ обусловлены наличием организмов или их сообществ (коло-
ний), оказывающих вредные воздействия на элементы конструкции ЭС и вызываю-
щих нарушение его исправного и работоспособного состояния. К таким организмам
относят:
• бактерию (микроорганизм с клеточной оболочкой без ядра, размножающийся
простым делением и способствующий разрушению ЭС);
• плесневый гриб (микроскопический организм с мицелиальной структурой веге-
тативного тела, развивающийся на металлах, стеклах и других материалах в виде
бархатистого налета, выделяющий органические кислоты, способствующие раз-
рушению ЭС);
• беспозвоночных и позвоночных животных.
Термические ВВФ оказывают существенное влияние как на параметры ЭС, так и на
надежность и долговечность его элементов и конструкции в целом. К ВВФ такого вида
принято относить:
• тепловой удар (воздействие резкого изменения температуры окружающей среды
на ЭС);
• радиационное разогревание (рост температуры элементов конструкции ЭС, об-
лучаемого ионизирующим излучением в результате превращения поглощенной
материалами этого ЭС энергии излучения в тепловую энергию);
• электрическое разогревание (увеличение температуры элементов конструкции
ЭС под воздействием электрического поля в результате превращения электриче-
ской энергии в тепловую энергию);
• ультразвуковое разогревание (увеличение температуры элементов конструкции
ЭС под воздействием ультразвука, в результате превращения энергии ультразву-
ковых колебаний в тепловую энергию);
• аэродинамический нагрев (разогрев поверхности тела, движущегося в газообраз-
ной среде с большой скоростью при наличии конвективного, а при гиперзвуковых
скоростях — и радиационного теплообмена с газовой средой в пограничном или
ударном слое). Такого рода нагрев характерен для ракетно-космической техники,
что приводит к необходимости защиты ЭС или их частей, находящихся в непо-
средственной близости от разогреваемой внешней оболочки объекта.
При эксплуатации ЭС, его хранении и транспортировке полное или частичное на-
рушение его работоспособного состояния может быть вызвано воздействиями специ-
альных сред — неорганическими и органическими химическими соединениями, в том
числе маслами, смазками, растворителями, топливом, рабочими растворами веществ,
применяемых для дезинфекции, дезактивации, стерилизации и дегазации, а также
радиоактивными аэрозолями. Такого рода ВВФ могут как постоянно присутствовать

390
Конструирование узлов и устройств электронных средств
на объекте-носителе ЭС (например, на химических и нефтедобывающих предприя-
тиях, атомных электростанциях, на транспортных средствах и пр.), так и появляться
случайным образом (например, пролитие растворителя, масла или рабочего раствора
вблизи или на поверхность ЭС).
Особое место среди всех видов ВВФ занимают воздействия электромагнитных по-
лей, наиболее опасным из которых считается воздействие лазерного излучения, пред-
ставляющего собой электромагнитное хроматическое излучение инфракрасного,
видимого и ультрафиолетового диапазонов, основанное на вынужденной эмиссии фо-
тонов в результате возбуждения атомов и молекул. Таким воздействиям подвержена
аппаратура, работающая вблизи от лазерных установок, мощных электромагнитных
излучателей и т. п. В последние годы в связи с появлением новых видов вооружений,
в частности, электромагнитного оружия, задачи обеспечения живучести и стойко-
сти ЭС специального назначения к воздействию направленного электромагнитного из-
лучения приобрели высокую актуальность.
4.8.2. Защита ЭС от механических воздействий
Механические ВВФ в той или иной мере оказывают влияние на любое ЭС. Величина
этого воздействия, в первую очередь, обусловлена спецификой эксплуатационных
условий на объекте установки ЭС. Так, наибольшее влияние механические ВВФ оказы-
вают на аппаратуру, размещенную на автомобильном и железнодорожном транспорте,
речных и морских судах, авиационной и ракетно-космической технике. Однако даже
стационарная аппаратура может подвергнуться вибрации, случайным ударам, напри-
мер, во время транспортировки к месту эксплуатации или землетрясения, небрежно
проводимых погрузочно-разгрузочных работ или при перестановке блока ЭС на другое
место, поэтому определенная устойчивость к такого рода дестабилизирующим воздей-
ствиям должна обязательно быть заложена в конструкцию ЭС.
Ряд механических ВВФ и конструкторских методов обеспечения защиты от них
уже был рассмотрен в §§ 3.3.1, 3.3.2, а также в § 4.5.1 настоящего учебного пособия.
Эти методы применимы для обеспечения механической прочности конструкций ЭС
для любой группы по объекту установки (см. § 3.2.2), однако в отдельных случаях тре-
буется предусмотреть защиту аппаратуры от достаточно специфических механических
воздействий, характерных для аппаратуры специального назначения.
Так, например, для буйковых ЭС характерны такие внешние воздействия в штат-
ном режиме эксплуатации, как качка, волна от удара, а при установке буя (часто сбра-
сываемого с летательного аппарата) возникает механический удар о водную поверх-
ность [29].
На судовом транспорте механические нагрузки создаются во время шторма при уда-
рах штормовой волны и качке судна. Вибрационные нагрузки на судах обусловлены
работой винтов и двигателей. Частота (обычно не превышающая 150 Гц) и амплитуда
вибраций зависят от типа судна, его машинного оборудования и места расположения
ЭС [29, 30].
Авиационная и особенно ракетно-космическая электроника постоянно испытывает
значительные механические перегрузки и воздействие мощного шума от реактив-
ных двигателей. Ударные нагрузки в самолетах возникают при посадке. Перегрузка
в 10... 15 g соответствует резкой посадке, а 30 g — аварийной. Вибрации с частотой до
2 000 Гц имеют место в течение всего полета. Повреждения на ракетах и спутниках
могут произойти от сильного акустического шума при запуске двигателя, уровень
которого может превышать 140 дБ. Значительные нагрузки возникают при взрывах
(200...400#), что актуально для электронных систем различного современного ору-

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 391
жия. Механическое разрушение приводит к полному выходу аппаратуры из строя. Из-
вестно, что от 29 до 40 % отказов авиационного электронного оборудования и до 50 %
отказов бортовых вычислительных машин связано с воздействиями механических на-
грузок [30, 43].
Невесомость, как механический воздействующий фактор, характеризуется отсут-
ствием гравитационных сил (межпланетные космические аппараты) или равновесием
центробежной силы и силы притяжения планеты (орбитальные станции, искусствен-
ные спутники). Невесомость оказывает негативное влияние на подвижные части эле-
ментов и узлов ЭС.
Следовательно, при проектировании ЭС зачастую требуется индивидуальный под-
ход к защите от характерного именно для этой аппаратуры комплекса механических
ВВФ.
В результате воздействия механических ВВФ могут иметь место следующие по-
вреждения ЭС:
• нарушение герметизации из-за нарушения паяных, сварных и клеевых швов и
появление трещин в металлостеклянных спаях;
• полное разрушение конструкции корпуса или отдельных ее частей от механиче-
ского резонанса и усталостных процессов;
• обрыв внешних электромонтажных связей — проводов, жгутов, проводниковых
выводов катушек индуктивности, трансформаторов и пр.;
• отслаивание элементов проводящего рисунка;
• расслаивание многослойных печатных плат;
• растрескивание керамических подложек ИМС;
• выход из строя электрических соединителей;
• изменение положения органов управления и настройки;
• выход из строя механических узлов ЭРИ (подшипников, зубчатых зацеплений,
крепежа и т. п.).
В соответствии с ГОСТ 16962-71 механические воздействия классифицируются по
двадцати степеням жесткости вибрационных, восьми степеням жесткости ударных
и семи степеням жесткости линейных (центробежных) нагрузок (табл. 4.8.1, 4.8.2).
Данный стандарт распространяется на изделия электронной техники — пассивные и
активные ЭРИ, а также электротехнические изделия.
Таблица 4.8.1
Значения вибрационных нагрузок по степеням жесткости
Вибрационные
нагрузки при
амплитуде
вибрации не
более 0,001 м
Диапазон
частот, Гц
Максимальное
ускорение, g
Степени жесткости
I
II
1 ... 35
1 ... 60
0,5
1
III
IV
1 ... 60
1 ... 80
2
5
V
VI
1...
100
1...
200
1
5
VII
VIII
1...
200
1...
600
10
5
IX
X
1...
600
1...
1000
10
10
XJ
XII
1...
2000
1...
2000
5
10
XIII
XIV
1.,.
2000
1...
2000
15
20
XV
XVI
1...
3000
1...
5000
20
10
XVII
XVIII
1...
5000
1...
5000
20
30
XIX
XX
1...
5000
100...
5000
40
40

392
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 4.8.2
Значения ударных и линейных нагрузок по степеням жесткости
Вид нагрузки
Ударные много-
кратные
Ударные оди-
ночные
Линейные
Максимальное
ускорение, g
Длительность
удара, мс
Степени жесткости
I
15
4
10
2...15
40...60
-
II
40
20
25
2...10
20...50
-
III
75
75
50
2...6
2...6
-
IV
150
150
100
1...3
1...3
-
V
-
500
150
-
1...2
-
VI
-
1000
200
-
0,2...1
-
VII
-
1500
500
-
0,2...0,5
-
VII
-
3 000
-
-
0,2...0,5
Значения параметров механических нагрузок, приведенные в табл. 4.8.1 и 4.8.2,
рекомендуется использовать при проверке выполнения условий устойчивости элек-
тронных модулей к воздействию ударов и вибраций, в том случае когда условия экс-
плуатации на объекте—носителе отличаются от указанных в ГОСТ 16019-2001, что ха-
рактерно для ЭС специального назначения, работающих в очень жестких условиях.
Следует заметить, что степени жесткости XVI-XX по вибрационным нагрузкам
устанавливают для ЭМ0 миниатюрных и сверхминиатюрных конструкций (например,
для бескорпусных ЭРИ, микросхем, полупроводниковых приборов), а степень жестко-
сти XX устанавливают в технически обоснованных случаях в качестве дополнитель-
ного требования к другим степеням жесткости.
Выводы ЭРИ, а также места их присоединения, если это указано в ТЗ или опреде-
лено в соответствующих стандартах, должны выдерживать без механических повреж-
дений воздействие следующих механических факторов:
• растягивающей силы, направленной вдоль оси (табл. 4.8.3), — для выводов, в со-
ответствии с ТЗ или стандартом на ЭС, имеющих жесткую заделку или не имею-
щих таковой;
• изгибающей силы — для гибких лепестковых ленточных и проволочных выводов;
• крутящего момента (табл. 4.8.4) — для резьбовых выводов, которые служат для
крепления ЭРИ при эксплуатации;
• скручивания — для одножильных осевых проволочных выводов диаметром от 0,3
до 1,2 мм.
Таблица 4.8.3
Значения растягивающей силы
Площадь сечения вывода ЭРИ, мм2
от 0,1 до 0,2
от 0,2 до 0,5
от 0,5 до 2
Растягивающая сила, Н
4,9
9,806
19,61

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 393
Таблица 4.8.4
Значения крутящего момента
Диаметр резьбы вывода ЭРИ, мм
М2
М2,5
| мз
М4
М5
Мб
Крутящий момент, Н м
0,14 •
0,44
0,49
1,17
1,76
2,45
Как уже отмечалось, работающие авиационные двигатели, особенно реактивные,
рассеивают в окружающую среду значительную часть энергии колебаний звуковой ча-
стоты, а пролетающие со сверхзвуковой скоростью самолеты, снаряды и ракеты явля-
ются источниками возникновения баллистических волн. При превышении скорости
летательного аппарата скорости распространения звуковых колебаний такие волны
вызывают ощущение резкого удара и могут воздействовать на различные объекты,
в том числе ЭС, находящиеся в пределах возбужденного участка среды.
Акустическая вибрация приводит к вынужденным механическим колебаниям дета-
лей и узлов конструкции ЭС, причем различные конструктивные элементы по-разному
реагируют на такую вибрацию [44]. Так, под действием колебаний звуковой частоты в
электровакуумных приборах возникает микрофонный эффект, начинают вибрировать
корпуса отдельных ЭРИ и объемные проводники. В отличие от обычных механических
колебаний, передающихся через точки крепления электронного модуля, акустический
шум возбуждает узел и каждый элемент в нем в результате приложения распределен-
ной нагрузки, величина которой зависит не только от уровня звукового давления, но и
от площади поверхности каждого конструктивного элемента. Наибольшую опасность
представляет совместное действие вибраций и звукового давления, при котором может
возникнуть резонанс.
Как известно из курса физики, звуковым полем называется та область среды, в кото-
рой возбуждены звуковые волны, давление которых (в Па) определяется уравнением
где F — сила, с которой звуковая волна действует на нормальную по отношению к ней
поверхность, Н;
S — площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м2;
\рст - ризм| — разность между статическим (в частном случае, атмосферным) давле-
нием и измеренным значением давления в данной точке звукового поля.
Интенсивность звука определяется потоком звуковой энергии, проходящей за еди-
ницу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения
звуковой волны:
где Р — мощность потока звуковой энергии, Вт;

394
Конструирование узлов и устройств электронных средств
S — площадь поверхности, расположенной в звуковом поле перпендикулярно к
движению частиц упругой среды, м2;
v — колебательная скорость частиц среды, м • с"1.
Для измерения интенсивности звуковых колебаний в уровнях звукового давле-
ния удобно использовать внесистемную логарифмическую единицу — децибел (со-
кращенно дБ). Так, уровень в 0 дБ — это порог слышимости звука интенсивностью
в 10~12 Вт/м2, уровень шелеста листьев составляет около 10 дБ, а звук реактивного дви-
гателя имеет уровень от 120 до 140 дБ. Размерность в дБ получают путем взятия лога-
рифма от отношения двух величин. Например, если два уровня мощности выражены в
одинаковых единицах, то их отношение может быть выражено в децибелах в виде:
Значения ак;
Максимальный уровень
звукового давления, дБ,
в диапазоне частот
50...100 000Гц
рстического шума по степеням жесткости
Степени жесткости
I
130
II
140
III
150
IV
160
Таблица 4.8.5
V
170
Влияние звукового давления можно снизить за счет размещения деталей и узлов ЭС
в корпусе из материалов, обладающих высоким коэффициентом демпфирования, при
этом обеспечив их эффективную виброизоляцию. Между критическими элементами
и основанием, на котором предусмотрено их крепление, рекомендуется устанавли-
вать изоляторы. Опоры несущей конструкции необходимо выполнять из материалов,
имеющих высокие демпфирующие свойства. Все малогабаритные ЭРИ должны быть
жестко закреплены на ПП, а для сокращения числа объемных проводников лучше ис-
пользовать МПП. При особенно высоких уровнях звукового давления иногда приме-
няют заливку компаундом отдельных групп ЭРИ на ПП, а также используют звукои-
золирующие перегородки.
где Pi и Р2 — первая и вторая величины мощности соответственно, Вт.
При расчете виброускорения, виброскорости и виброперемещения логарифмиче-
ский уровень определяется как:
где а0 — начальное значение параметра а, соответствующее нулевому уровню. За
стандартную начальную величину виброускорения принимают значение
а0 = 9,81 м/с2.
Тогда абсолютный уровень акустического шума относительно порога слышимости
составляет:
где р0 = 2 • 10"5 Па — значение нулевого уровня акустического давления.
При оценке устойчивости конструкции ЭС к воздействию акустического шума не-
обходимо руководствоваться значениями, определенными ГОСТ 16962-71 и представ-
ленными в табл. 4.8.5.

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 395
4.8.3. Способы защиты ЭС от климатических факторов
Влияние климатических ВВФ, так же, как и механических нагрузок, испытывают
практически все ЭС, а степень этого влияния, как уже отмечалось в § 3.2.2, опреде-
ляется условиями эксйлуатации на объекте-носителе. Основными дестабилизирую-
щими факторами, воздействующими на конструкцию большинства ЭС, являются
температура окружающей среды, влажность воздуха, атмосферное давление, а также
атмосферные выпадающие или конденсированные осадки. Для аппаратуры, устанав-
ливаемой на судах, к перечисленным ВВФ добавляется морской туман и коррозионно-
активный агент морской воды. Специфические условия высокогорных местностей,
авиационной и космической техники предполагают работу ЭС при пониженном атмос-
ферном давлении, а аппаратура, эксплуатируемая на открытом воздухе, подвергается
ветровым нагрузкам и воздействию пыли и песка. Наиболее опасно совместное сочета-
ние нескольких неблагоприятных факторов.
Особенностью климатических ВВФ является их способность к необратимому из-
менению первоначальных свойств конструкции с течением времени. Скорость таких
изменений определяется видом ВВФ и его значением и может составлять от несколь-
ких секунд до нескольких лет. Например, увеличение влажности быстро изменяет ди-
электрическую проницаемость и электрическую прочность воздуха, что может стать
причиной пробоя. Более медленно сказывается действие влаги на поверхностное элек-
трическое сопротивление изоляционных материалов. Еще медленнее проявляется дей-
ствие влаги в виде коррозии металлических элементов конструкции и т. п. [29].
Если ЭС подвергается цикличным изменениям температуры, то на его внутренних
и наружных стенках конденсируется влага, поэтому при длительном хранении аппа-
ратуры в нерабочем состоянии даже сравнительно невысокая влажность окружающей
среды часто вызывает полное разрушение мелких конструктивных элементов от кор-
розии. Особенно подвержены атмосферной коррозии металлические детали ЭС, корро-
зионная стойкость которых зависит от свойств металла. Например, на алюминии бы-
стро возникает оксидная пленка, существенно замедляющая химическую коррозию,
а на малоуглеродистой стали окисная пленка возникает медленнее и, будучи рыхлой
и гигроскопичной, облегчает коррозию. Следует заметить, что с повышением темпе-
ратуры скорость коррозии стальных деталей резко возрастает, поэтому их можно при-
менять только при наличии защитного покрытия.
Сильное негативное влияние на ЭС оказывает пыль, особенно в сочетании с повы-
шенной влажностью воздуха. Так, уже при 75 % влажности большая часть атмосфер-
ной пыли объединена с водой. В состав пыли входят неорганические и органические
частицы диаметром до 0,2 мм, в том числе продукты сгорания серы (которые присут-
ствуют в воздухе промышленных районов). Смешиваясь с водой, такая пыль образует
сернистую или серную кислоту, активно разрушающую детали конструкции ЭС. Кроме
того, воздействие пыли на ЭС проявляется в виде засорения смазочных материалов ме-
ханизмов, тем самым увеличивая их износ. Пыль может явиться причиной нарушения
электрического контакта в разъемах соединителей, реле и других коммутационных
устройствах. Осаждение пыли также может стать причиной появления плесени, если
состав пыли благоприятен для развития микроскопических организмов [29, 30, 45].
Пониженное атмосферное давление также является опасным ВВФ, так как сни-
жение атмосферного давления приводит к изменению напряжения электрического
пробоя воздуха. Уменьшение атмосферного давления оказывает влияние на параме-
тры ЭРИ и ЭС непосредственно и косвенно. Непосредственное влияние вызывает из-
менение емкости и допустимого рабочего напряжения конденсаторов с воздушным
диэлектриком, уменьшение величины допустимого рабочего напряжения изоляторов,

396
Конструирование узлов и устройств электронных средств
волноводов, элементов антенно-фидерных трактов и между проводниками электриче-
ского монтажа. Увеличивается вероятность возникновения искровых разрядов в не-
герметизированных высоковольтных выпрямителях и антенно-фидерных трактах.
Повышается механическая нагрузка на кожухи герметизированных элементов ЭС.
Косвенное влияние проявляется в ухудшении условий воздушного охлаждения ЭС
вследствие уменьшения плотности и теплоемкости воздуха [30, 45].
Невесомость как ВВФ космического пространства присутствует при свободном по-
лете космического аппарата. Невесомость, воздействующая на ЭС, рассматривается
как фактор, оказывающий влияние на его тепловой режим. Дестабилизирующее воз-
действие невесомости характеризуется отсутствием конвективной составляющей те-
плоотдачи от выделяющих тепло элементов, поэтому невесомость необходимо учиты-
вать для ЭС, размещаемых в герметизированных отсеках космической техники [45].
Как и для механических ВВФ, ГОСТ 16962-71 устанавливает степени жесткости
климатических факторов внешней среды, в обобщенной форме отражающие условия
эксплуатации (табл. 4.8.6, 4.8.7) электронных модулей нулевого уровня. Следует за-
метить, что в значительной степени надежность ЭС зависит от применяемой элемент-
ной базы, поэтому методы защиты конструкции ЭС от климатических воздействий
обязательно должны учитывать особенности используемых ЭРИ.
Данные, приведенные в табл. 4.8.6, 4.8.7, рекомендуется использовать при анализе
и выборе элементной базы ЭМ1 (см. § 3.2.5).
Таблица 4.8.6
Степени жесткости по температуре и давлению
Степени
жесткости
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
XIII
[ XIV
XV
Температура воздуха
при эксплуатации, °С
верхняя
40
45
50
55
60
70
85
100
125
155
200
250
315
400
500
нижняя
1
-5
-10
-25
-30
-40
-45
-60
-85
—
—
—
—
—
—
Температура воздуха
при транспортировке
и хранении, °С
верхняя
50
60
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
нижняя
-50
-60
-85
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Атмосферное давление,
мм рт. ст.
пониженное
525
400
200
90
15
Ъ
1
ю-1
10~3
10"6
—
—
—
—
—
повышенное
1115
2230
—
—
—
• —
—
—
—
—
—
—
—
—
— |

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 397
Таблица 4.8.7
Степени жесткости по относительной влажности
Степени
жесткости
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Относительная влажность воздуха
верхние значения
80 % при 25 °С и более низких
температурах без образования
конденсации влаги
98 % при 25 °С и более низких
температурах без образования
конденсации влаги
98 % при 25 °С и более низких
температурах без образования
конденсации влаги
100 % при 25 °С и более низ-
ких температурах с конденса-
цией влаги
100 % при 25 °С и более низ-
ких температурах с конденса-
цией влаги
98 % при 35 °С и более низких
температурах без образования
конденсации влаги
98 % при 35 °С и более низких
температурах без образования
конденсации влаги
100 % при 35 °С и более низ-
ких температурах с конденса-
цией влаги
для наиболее теплого и влажного периода года
среднемесячные
значения
65 % при 20 °С
80 % при 20 °С
80 % при 20 °С
80 % при 20 °С
90 % при 20 °С
80% при27°С
80 % при 27 °С
90 % при 27 С
продолжительность
воздействия, месяцы
12
2
6
6
12
3
12
12
В качестве дополнительных указаний по использованию информации табл. 4.8.6,
4.8.7 необходимо отметить, что:
• для ЭС, требующих принудительного охлаждения, в ТЗ разрешается указывать
максимально допустимую температуру участка изделия, которая должна обеспе-
чиваться за счет принудительного охлаждения, и соответствующую температуру
хладагента на входе или выходе охлаждающего устройства;
• для проводов и кабелей вместо верхнего значения температуры окружающей
среды можно указывать максимальную температуру при эксплуатации, причем
максимальной считают температуру их наименее стойких к нагреву элементов
(обычно изоляции), устанавливающуюся вследствие нагрева окружающей средой
и передаваемой по проводам и кабелям электромагнитной энергией;
• по согласованию с заказчиком в ТЗ могут устанавливаться значения температуры
воздуха при хранении, отличающиеся от указанных в табл. 4.8.6;
• если к ЭС не предъявляют специальных требований по повышенному и (или) по-
ниженному атмосферному давлению, то оно должно работать при давлении 650-
800ммрт. ст.;

398
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• для ЭРИ, предназначенных для использования в аппаратуре, конструктивное
оформление которой исключает возможность конденсации влаги на ее внутрен-
них элементах, вместо указанных в табл. 4.8.7 верхних значений «100 % отно-
сительной влажности с конденсацией влаги» следует принимать «верхнее значе-
ние 98 % без образования конденсации влаги»;
• среднемесячное значение влажности рекомендуется использовать при оценке воз-
можных в течение срока службы и хранения изменений параметров изделий, свя-
занных с относительно длительными физико-химическими процессами (напри-
мер, диффузией водяного пара, коррозией, электролизом и гидролизом).
ГОСТ 16962-71 определяет также ряд требований к ЭС по устойчивости к внешним
климатическим факторам:
• ЭС, эксплуатируемые на открытом воздухе (категория 1, исполнения О, В и ТС по
ГОСТ 15150-69) и имеющие подвижные части (в том числе встроенные элементы
наружного монтажа) должны быть работоспособны или пыленепроницаемы при
динамическом или статическом воздействии пыли. К другим ЭС, в том числе к
переносным, предназначенным для временной работы на открытом воздухе (ка-
тегория 1.1), это требование предъявляют, если оно указано в ТЗ. Наружные
части вышеуказанных ЭС, подвергающиеся динамическому воздействию пыли,
должны быть устойчивы к абразивному воздействию кварцевого песка с разме-
рами частиц не более 200 мкм, летящих со скоростью до 15 м/с;
• ЭС, которые при эксплуатации могут подвергаться воздействию дождя, должны
быть устойчивы к такому дождю, верхнее значение интенсивности которого 5
мм/мин, за исключением электротехнических изделий и ЭС на напряжение выше
1000 В исполнений У и ХЛ, для которых верхнее значение интенсивности дождя
составляет 3 мм/мин;
• ЭС должны быть устойчивы к воздействию смены температур при эксплуатации в
диапазоне от максимального значения температуры ЭС до нижнего значения тем-
пературы окружающей среды;
• ЭС, предназначенные для эксплуатации на открытом воздухе (категория 1)
и под навесом (категория 2), при выпадении инея с последующим его оттаива-
нием должны выдерживать приложение номинального напряжения без пробоя
и поверхностного перекрытия. К аппаратуре категории 3, предназначенной для
эксплуатации в отапливаемых передвижных объектах, и к ЭРИ, используемых
в изделиях категории 2, эксплуатируемых на открытом воздухе и под навесом,
данное требование предъявляют, если это специально указано в ТЗ. На ЭС испол-
нений Т, ТВ, ТМ, ТС и на ЭРИ внутри герметичных объемов это требование не
распространяется;
• ЭС (или их отдельные узлы и детали), которые могут при эксплуатации подвер-
гаться непосредственному солнечному облучению, должны быть устойчивы к воз-
действию солнечной радиации, у которой верхнее значение интегральной плот-
ности теплового потока составляет 1 125 Вт/м2, а верхнее значение плотности
потока ультрафиолетовой части спектра (длина волн в диапазоне от 280 до 400 нм)
равно 42 Вт/м2;
• ЭС исполнения М, ТМ и ОМ, предназначенные для эксплуатации на побережьях
или на морских судах, или кораблях, должны выдерживать в части коррозион-
ной устойчивости воздействие соляного тумана, обладающего дисперсностью
1-10 мкм (95 % капель) и водностью 2-3 г/м3;
• ЭС, не являющиеся встроенными элементами модулей высшего уровня и пред-
назначенные для установки во влажных помещениях морских судов или кора-
блей, где возможна частая конденсация влаги на стенках и потолке (категория 5,

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 399
исполнения М, ТМ, ОМ), должны быть устойчивы к воздействию капель, падаю-
щих под углом от 90 до 45° к горизонту с интенсивностью 0,4 мм/мин;
• ЭС, предназначенные для наружного монтажа на изделиях, которые на короткий
срок могут оказаться под водой, должны быть водонепроницаемыми, т. е. должны
после пребывания в воде в течение одного часа сохранять свои параметры в преде-
лах значений, установленных в ТЗ;
• ЭС, предназначенные для наружного монтажа на изделиях, которые должны ра-
ботать под водой, должны в процессе пребывания под водой сохранять свои пара-
метры в пределах значений, установленных в ТЗ;
• ЭС, не являющиеся встроенными элементами модулей высшего уровня и пред-
назначенные для эксплуатации на морских судах или кораблях на открытых па-
лубах (категория 1, исполнения М, ТМ и ОМ), должны быть водозащищенными,
т. е. не допускать проникновения воды внутрь своего корпуса при накате морской
волны.
В качестве дополнительной информации в табл. 4.8.8 показано соответствие
между степенями жесткости по влажности воздуха и климатическими исполнениями
изделий.
Таблица 4.8.8
Связь между ГОСТ 16962-71 и ГОСТ 15150-69
Климатическое
исполнение
Категория
размещения
Степень жесткости по влажности воздуха
I
У;ХЛ;
ТС
ТС
ТС
4; 4.1;
4.2
1
2;3
II
У,ХЛ
1.1
III
У,ХЛ
3
IV
У, ХЛ
1;2
V
У.ХЛ
5
VI
Т, ТВ,
ТМ, ОМ,
о, в
м
4; 2
3;4
VII
т.тв,
ТМ, ОМ,
о, в
3;4
VIII
т,тв,
ТМ,
ОМ, 0,
в
М
1;2;5
1;2
Для защиты поверхности элементов конструкции ЭС от дестабилизирующих воз-
действий климатических ВВФ обычно применяют разнообразные покрытия, которые
по назначению можно разделить на три группы: защитные, защитно-декоративные и
специальные. Защитные покрытия предохраняют детали от коррозии, старения, высы-
хания, разрушения и других процессов, вызывающих отказ. Защитно-декоративные
покрытия не только защищают детали, но и придают им красивый внешний вид. Спе-
циальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают их
от влияния особых сред [29, 30, 44, 45]. Заметим, что выбор того или иного вида покры-
тия в каждом конкретном случае зависит от материала детали, ее функционального
назначения, условий эксплуатации, технологических возможностей производства и
предпочтения разработчика. Основные типы покрытий, их назначение и область при-
менения приведены в табл. 4.8.9.

400
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Таблица 4.8.9
Основные типы покрытий
Тип покрытия
Золотое
Серебряное
Цинковое
Кадмиевое
Никелевое
Хромовое
Оловянно-
свинцовое
Многослойные
медь-никель-
хром
Лакокрасочные
Назначение
Защита от коррозии, снижение
переходных сопротивлении кон-
тактов
Защита от коррозии, улучшение
электропроводности контактов
Защита от коррозии корпусов,
крышек, панелей, каркасов, шас-
си, крепежных деталей и др.
Защита от коррозии в морских
условиях корпусов, крышек, па-
нелей, каркасов, шасси и др.
Защита от коррозии экранов, сер-
дечников, корпусов, крепежных
деталей, придание повышенной
отражательной способности
Защита от коррозии и декора-
тивная отделка корпусов, ручек
и пр.
Защита от коррозии и улучшение
паяемости электрических кон-
тактов
Защита от коррозии в услови-
ях влажной агрессивной среды
и придание деталям высокой из-
носостойкости
Защита от коррозии и декоратив-
ная отделка деталей
Толщина,
мкм
5-21
6-15
6-30
6-30
3-18
9-40
3-15
(6 - 10) +
+ (3 - 6) +
+ (0,5-1)
100 - 200
Материал детали
сталь
и ее
сплавы
+
+
+
+
+
+
+
+
медь
нее
сплавы
+
+
+
+
+
+
+
+
алюми-
ний и его
сплавы
+
"
+
+
Наибольшей температурной стабильностью обладает хромовое покрытие (тускнеет
при 500 °С). Достоинством золотого покрытия является устойчивость к взаимодей-
ствию с кислотными, щелочными и сернистыми соединениями, а недостатками — вы-
сокая стоимость и подверженность износу и истиранию. Серебряное покрытие гораздо
дешевле золотого и позволяет помимо защиты от коррозии обеспечить улучшение
электропроводящих свойств покрываемых поверхностей, однако серебро достаточно
быстро окисляется и темнеет. Иногда защитное покрытие делают многослойным, пу-
тем последовательного осаждения слоя меди толщиной 6... 10 мкм (имеющей высокую
адгезию к стали), затем слоя никеля толщиной З...6мкм (имеющего высокую твер-
дость) и, наконец, слоя хрома толщиной 0,5 мкм (обладающего антифрикционными
свойствами).

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 401
Лакокрасочные покрытия образуют на обрабатываемой поверхности тонкий сплош-
ной слой лака, который защищает материал от влаги и повышает электрическую
прочность изоляции. В настоящее время наиболее часто при пропитке или покрытии
деталей используют изоляционные лаки УР-231, СБ-1С; перхлорвиниловые эмали
ХВ-125; пентафталевые эмали ПФ-115, МФ-28, ПФ-223; эпоксидные эмали Э-5, Э-11;
нитроцеллюлозные эмали НЦ-11; ЭМ-508, НЦ-25; кремнийорганические эмали ЭМ-9,
ЭМК-2, ЭМКО-81 и компаунды МБК, ЭЗК, ФК-20, УТ-31. Покрытию изоляционными
лаками и эмалями для защиты от климатических ВВФ подвергаются многие ЭМ1,
а пропитке — детали, изготовляемые из гигроскопичных, пористых или волокнистых
материалов, а также различные моточные ЭРИ: трансформаторы, дроссели, катушки
индуктивности, и др. Помимо своей основной функции — защиты деталей от атмос-
ферных воздействий, лаки, эмали, компаунды, эпоксидные смолы используются для
получения декоративных покрытий, а также заливки и склеивания. Достоинствами
лакокрасочных покрытий являются низкая стоимость и легкость получения, а недо-
статками — ухудшение электрических и механических свойств органических поли-
мерных материалов при длительном воздействии повышенных температур или их рез-
ком изменении.
Достаточно широкое применение получили комбинированные пассивационно-защит-
ные покрытия из тонкой пленки неорганического диэлектрика и органического полимер-
ного покрытия. Диэлектрическая пленка, например, Si02, нейтрализует активные центры
и стабилизирует свойства обрабатываемой поверхности, а относительно толстый слой по-
лимерного покрытия предотвращает механическое повреждение пленки неорганического
диэлектрика и защищает его поверхность от воздействия внешней среды.
В качестве универсальных пропиточных, заливочных и обволакивающих материа-
лов широкое распространение получили компаунды на основе эпоксидных смол ЭД-5
и ЭД-6. Компаунды ЭПК-1 и ЭПК-4 применяют для пропитки деталей и узлов, а ком-
паунды ЭЗК-1, ЭЗК-4 — ЭЗК-12, ЭК-20 — для заливки.
Для обеспечения эффективной, обладающей незначительной собственной массой
теплоизоляции изделий применяют пенополиуретан ЖК-2, имеющий высокую адге-
зию к большинству материалов. Кроме того, широкое распространение получили пла-
стичные компаунды и силиконовые герметики ВГП-2П, ВГО-1, СКТН-1, «Виксинты»
(У-1-18, У-2-28, К-18, ПК-68), недостатком которых является их недостаточная адге-
зионная способность к металлам и различным материалам.
4.8.4. Защита ЭС от внешних термических воздействий
В процессе производства, хранения и эксплуатации ЭС могут подвергаться воздей-
ствию положительных и отрицательных температур, обусловленных влиянием окру-
жающей среды и объекта установки. Не следует забывать о том, что само ЭС является
источником тепловой энергии. Если эту энергию не рассеивать в элементах конструк-
ции или окружающем пространстве, то повышается температура ЭС, нарушается его
нормальный режим функционирования, или наступает отказ. Повышение темпера-
туры приводит к изменению характеристик различных диэлектрических, проводни-
ковых и полупроводниковых материалов и, соответственно, влияет на различные па-
раметры пассивных и активных ЭРИ.
Ряд термических ВВФ и базовые тепловые расчеты при обеспечении требуемого
теплового режима ЭС были рассмотрены в §4.5.2 настоящего учебного пособия. Эти
расчеты применимы для обеспечения благоприятного теплового режима большинства
конструкций ЭС для любой группы по объекту установки (см. § 3.2.2), однако в отдель-
ных случаях требуется использовать особые способы охлаждения.

402
Конструирование узлов и устройств электронных средств
К настоящему времени разработано много разнообразных систем охлаждения ЭС,
работа которых основана на использовании различных способов отвода тепла [29, 30,
43, 44, 48]. Так, существуют системы на основе фазовых переходов веществ (испаре-
ние, плавление), термоэлектрического эффекта, а также термоаккумуляционные си-
стемы. В качестве теплоносителя в теплоотводящих системах могут использоваться
различные газы, жидкости и твердые тела и применяться естественное и (или) прину-
дительное охлаждение.
К естественному охлаждению относятся системы, где охлаждение происходит на-
ружной средой поверхности аппарата или естественно-испарительными фитильными
устройствами (тепловыми трубами). Естественное воздушное охлаждение является
наиболее простым, надежным, дешевым и проверенным способом, однако его исполь-
зование возможно при относительно небольших рассеиваемых мощностях. Кроме того,
эффективность естественного воздушного охлаждения уменьшается при понижении
атмосферного давления ниже 5,6 • 104 Па.
Естественное воздушное охлаждение широко используется не только для общего
охлаждения аппаратов, но и для охлаждения отдельных тепловыделяющих ЭРИ,
в частности, диодов, транзисторов и ИМС. Повышение эффективности достигается
увеличением теплоотдающей поверхности с помощью радиаторов. Конструкции ради-
аторов очень многообразны, однако наибольшее распространение получили радиаторы
с ребрами пластинчатой, штырьковой и игольчатой форм. Методы выбора и расчета
радиаторов полупроводниковых приборов рассмотрены в § 4.5.2.
Конструктивно тепловая труба (рис. 4.8.2) представляет собой замкнутую камеру,
состоящую из полого цилиндра с большим отношением длины к диаметру. Внутрен-
няя поверхность трубы покрыта пористой структурой (фитилем), насыщенной смачи-
вающей жидкостью — теплоносителем. При подводе тепла к одному из концов трубы
(испарительной зоны) теплоноситель в этой части начинает испаряться, и пары посту-
пают в противоположный конец трубы (конденсационная зона), где происходит кон-
денсация пара и передача тепла. Между этими зонами возникают небольшие темпера-
турные градиенты, поэтому можно считать, что таким путем переносится практически
вся тепловая энергия. Так, с помощью тепловых труб тепло отдается от тепл онагру -
женных элементов и выносится за пределы ЭС, создавая внутри него более равномер-
ное и стабильное температурное поле.
Зона
испарения
Зона
переноса
Зона
конденсации
Рис. 4.8.2. Упрощенная конструкция тепловой трубы

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 403
Принудительное охлаждение обеспечивается продувкой внутренней зоны прибора
воздухом, наружным обдувом его поверхности, перемешиванием воздуха внутри ап-
парата, использованием микрохолодильников и термостатирующих устройств, тер-
моэлектрических батарей, специальных жидкостных и воздушных испарительных
систем, а также за счет термоаккумуляционных свойств материалов.
Принудительная вентиляция подразделяется на приточную, вытяжную и
приточно-вытяжную. Приточная вентиляция осуществляется нагнетанием в ЭС на-
ружного воздуха, а вытяжная — выбросом нагретого воздуха в окружающее простран-
ство. Поступающий извне воздух очищается от пыли и при необходимости осушается.
Приточно-вытяжная вентиляция осуществляется одновременным нагнетанием холод-
ного и выбросом из ЭС наружу горячего воздуха. Перемешивание воздуха осуществля-
ется в замкнутом объеме аппарата с вентилятором.
Наиболее эффективными считаются жидкостно-испарительные системы, в которых
охлаждение происходит за счет циркуляции охлаждающей жидкости через специаль-
ные каналы в несущей конструкции или через радиаторы. Воздушно-испарительные
устройства работают на основе испаряемых жидкостей с низкой температурой кипе-
ния. К достоинствам жидкостно-испарительных устройств охлаждения следует отне-
сти высокий КПД и независимость от условий внешней среды.
Термоэлектрическое охлаждение основывается на использовании эффекта Пель-
тье, когда при прохождении электрического тока (в зависимости от его направления)
поглощение тепла происходит на одном спае полупроводниковой структуры, а выде-
ление его — на другом. Эффективность охлаждения повышается применением термо-
батарей. Поглощение тепла с помощью тепловых аккумуляторов осуществляется в
ограниченный отрезок времени путем отвода тепла на элементы конструкции с опре-
деленной массой и температурой. Эффект охлаждения зависит от массы системы, на-
чальной температуры поглотителя и его теплоемкости.
Принудительные системы охлаждения могут использоваться как для охлаждения
ЭС в целом, так и для охлаждения отдельных мощных источников тепла в нем, напри-
мер, микропроцессоров, источников питания, выходных усилительных каскадов и др.
Существует множество специализированных литературных источников различного
уровня сложности по расчету разнообразных систем охлаждения для конструкций ЭС,
например [50, 51].
Выбор системы охлаждения неоднозначен. Чтобы обеспечить благоприятный те-
пловой режим ЭС, необходимо проанализировать возможные термические ВВФ и воз-
можные причины их возникновения. Например, тепловой удар происходит вследствие
резкого изменения температуры окружающей среды. Такое изменение, во-первых, мо-
жет быть связано с природными климатическими условиями (по сути, термический
ВВФ является следствием климатического ВВФ), а во-вторых — с изменением харак-
теристик микроклимата рабочей среды на объекте установки ЭС. Тогда в первом слу-
чае необходимо более тщательно отнестись к выбору элементной базы соответствую-
щего климатического исполнения и обеспечить ее тепловой режим с помощью того
или иного способа охлаждения. Во втором случае, исходя из экстремальных рабочих
температур окружающего ЭС пространства и перепада температур, определяется спо-
соб поддержания внутри ЭС микроклимата с относительно стабильными параметрами,
например, путем совмещения системы охлаждения с герметизацией блока. Другим
примером может служить радиационное разогревание ЭС, приводящее к росту тем-
пературы его конструктивных элементов из-за превращения поглощенной материа-
лами этих элементов энергии ионизирующего излучения в тепловую энергию. Следо-
вательно, термический ВВФ возникает вследствие дестабилизирующего воздействия
ионизирующего излучения, поэтому необходимо, в первую очередь, защищать ЭС

404
Конструирование узлов и устройств электронных средств
от воздействия радиации, а не сводить защиту от перегрева только к повышению эф-
фективности отвода тепла.
4.8.5. Электромагнитные внешние факторы и защита ЭС
от их воздействий
Источниками электромагнитных ВВФ являются многочисленные факторы есте-
ственного и искусственного происхождения. К ним относятся разряды молний и ста-
тического электричества, излучения радиолокационных и радиопередающих средств,
короткие замыкания в энергетическом оборудовании, линиях электропередачи и т. п.,
стойкость к воздействию которых должна обязательно предусматриваться в процессе
проектирования современных ЭС и контролироваться на специальных испытательных
стендах, имитирующих электромагнитные ВВФ.
Успехи в создании эффективных источников энергии и развитие новых методов
генерирования мощных электромагнитных импульсов, имеющих высокую скорость
нарастания и большую длительность, привели к созданию в России и США нового
электромагнитного оружия (ЭМО), которое предназначено прежде всего для вывода из
строя ЭС путем воздействия на их уязвимые части электромагнитными импульсами,
в том числе и сверхвысокочастотными. По некоторым оценкам считается, что в этом
десятилетии ЭМО может быть принято на вооружение.
Специалисты, занимающиеся вопросами электромагнитной совместимости и
оценки стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ, всегда могут отыскать
в комплексе аппаратуры наиболее «слабое звено» и выбрать соответствующие техни-
ческие средства электромагнитного излучения, поражающее ЭС бесконтактным спо-
собом, т. е. дистанционно. Такое излучение может поражать как отдельные ЭС, так
и стратегические объекты, например, электроэнергетические. Подобные генераторы
электромагнитного излучения могут быть установлены на переносных, передвижных,
летающих и плавающих объектах.
Воздействие электромагнитных полей вызывает в цепях ЭС и на контактах ЭРИ
импульсы напряжений от 100 В до 10 кВ. Наблюдаются массовые искрения оболочек
кабелей, пробои в установочных колодках, электрических соединителях и воздушных
промежутках размером до 50 мм между составными частями конструкции ЭС. При
этом энергия искровых пробоев может составлять от 0,1 до 100 мДж, что вполне до-
статочно, чтобы вызвать отказы ЭРИ, замыкания в цепях источников питания, так
как энергия поражения полупроводниковых структур составляет от 1 до 0,001 мДж.
Кроме того, могут возникнуть пожары и взрывы горючих веществ, поскольку энергия
инициирования взрыва многих пыле-газо-воздушных смесей находится в пределах
от 20 до 1 мДж, а лакокрасочных и бензиновых паров — от 1 до 0,01 мДж.
Показателем стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ служит такой
максимальный уровень электромагнитного фактора, при котором ЭС еще устойчиво к
его воздействию. Критериями стойкости ЭС, находящихся в обесточенном состоянии,
к воздействию электромагнитных полей являются отсутствие необратимых отказов и
недопустимых изменений параметров ЭС, установленных в нормативной документа-
ции или технических условиях на них. При этом критерием стойкости ЭМО является
непревышение напряжения помех в уязвимых цепях, соединенных с клеммами ЭРИ,
установленных в стандартах на ЭМО по параметру «стойкость к статическому электри-
честву». Критерием стойкости ЭС, находящегося под напряжением, к воздействию
электромагнитных ВВФ считается отсутствие необратимых и обратимых отказов
(сбоев) в момент или после воздействия электромагнитного фактора. Критерием стой-
кости по обратимым отказам при этом является непревышение напряжения помех

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 405
в уязвимых цепях, соединенных с клеммами ЭРИ, установленного в стандартах на
ЭМО иб параметру «импульсная помехоустойчивость».
Разработка и создание ЭС, стойких к электромагнитным ВВФ, представляет со-
бой чрезвычайно сложную проблему, решение которой начинается еще на стадии
конструкторской проработки ЭС. Заметим, что затраты на проведение работ, связан-
ных с обеспечением стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ, на ранних
этапах проектирования составляют не более 2 % от стоимости разработки всего из-
делия, а стоимость защищенного ЭС возрастает не более чем на 3-5 % от базовой. За-
щита ЭС от электромагнитных ВВФ выполняется схемотехническими, структурно-
функциональными, а также методами рационального конструирования [31, 52].
Схемотехнические методы защиты заключаются в целенаправленном изменении
структуры отдельных схем или введении в них дополнительных элементов (использо-
вание специальных низко- и высокочастотных фильтров, бифилярных дросселей, изо-
лирующих трансформаторов, амплитудных ограничителей наводок, оптоэлектронных
гальванических развязок и пр.) для ослабления влияния вредных электромагнитных
факторов на нормальное функционирование ЭС. Общим требованием, предъявляемым
к элементам, узлам и системам, обеспечивающим практическую реализацию схемо-
технических методов, является их минимальное влияние на работу ЭС в нормальных
условиях.
Структурно-функциональные методы защиты заключаются в изменении функцио-
нальных принципов построения ЭС или их отдельных частей и структуры используе-
мых сигналов для повышения стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ.
Чувствительность ЭС к воздействию электромагнитных факторов в значительной сте-
пени зависит от диапазона используемых несущих частот и принятой системы рабочих
сигналов. Очевидным методом защиты в этом случае является увеличение энергии по-
лезных сигналов, амплитуды, длительности и соответствующий выбор несущих частот
принимаемых сигналов с учетом спектральных характеристик возможных электро-
магнитных ВВФ. В последнее время все больше внимания уделяется разработке бы-
стродействующих датчиков, фиксирующих появление внешнего электромагнитного
импульса, сигнал с которых является командой для блокирования нежелательных эф-
фектов, которые могут возникнуть в ЭС. На рис. 4.8.3 показана структура одного из
возможных вариантов схемы блокирования выходного каскада рабочего сигнала.
Рис. 4.8.3. Структурная схема блокиратора выходного каскада
Понижение чувствительности ЭС к воздействию электромагнитных факторов во мно-
гом зависит от используемой модуляции или кодирования сигнала. Таким видам моду-
ляции, как амплитудная, частотная и фазовая, присуще свойство помехозащищенно-
сти. Например, система с частотной модуляцией имеет очень слабую восприимчивость

406
Конструирование узлов и устройств электронных средств
к амплитудным помехам. Для увеличения помехозащищенности можно использовать
цифровые методы обработки сигнала, например, амплитудное или частотное импульс-
ное кодирование. Существенное уменьшение влияния электромагнитных ВВФ на ра-
ботоспособность ЭС может быть достигнуто заменой кабелей и проводных линий связи
системами оптоэлектроники, например, как показано на рис. 4.8.4.
Преобразователь
электрических
сигналов в световые
Мультиплексор
Преобразователь
световых сигналов
в электрические
Демультиплексор
Выходные сигналы
Рис. 4.8.4. Структурная схема оптической линии связи
К настоящему времени имеется достаточно большое число самых разнообразных
конструкционных методов защиты ЭС от воздействия электромагнитных полей, наи-
более распространенными из которых являются методы экранирования, зонирования
и группирования, а также рационального заземления [52]. Рассмотрим их более под-
робно.
Для повышения стойкости и защиты ЭС от неблагоприятного влияния электро-
магнитных полей используют электромагнитные экраны. Однако, как показывает
практика, в большинстве реальных ситуаций защитные свойства экранов во многом
определяются не только толщиной их стенки, электрической проводимостью или маг-
нитной проницаемостью материалов, из которых они изготовлены, а и нарушениями
непрерывности корпусов-экранов. На снижение влияния таких электрических неод-
нородностей на защитные свойства экранов и направлены основные усилия специали-
стов при разработке конструкций корпусов ЭС.
Непрерывность корпуса ЭС, состоящего из отдельных деталей, может быть достиг-
нута различными способами, показанными на рис. 4.8.5. Если соединение неразъ-
емное, то желательно выполнять сварной однородный шов по краям соединяемых
деталей [52]. При этом необходимо помнить, что если удельная проводимость или
магнитная проницаемость наплавляемого металла гораздо меньше, чем у материала
экрана, то результирующая эффективность экранирования ухудшается за счет увели-
чения в месте сварки переходного сопротивления.
Повышение электромагнитной герметичности разъемных соединений (крышек,
лючков, съемных панелей и т. п.) достигается применением электромагнитных уплот-
няющих прокладок и уплотнительных проводящих материалов. Они могут служить как
для временного, так и для по л у постоянного или постоянного уплотнения. Прокладки
необходимы, так как механически сопрягаемые жесткие поверхности не являются
Входные сигналы

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов
407
абсолютно плоскими, и между ними всегда существуют зазоры. На практике приме-
няют следующие виды уплотняющих электромагнитных проводящих прокладок [53]:
плетеные проволочные; из проволоки, ориентированно погруженной в диэлектрик,
а также из проводящей пластмассы, и гребенчатые. При монтаже прокладки либо
вставляют в зазоры между сопрягаемыми деталями, либо крепят с помощью специаль-
ного проводящего клея. Следует помнить, что электромагнитные свойства уплотнения
ухудшаются при использовании клея, нанесенного по всей поверхности прокладки,
поэтому клей следует наносить через 2,5...5см каплями диаметром 3...6 мм. При
укладке электромагнитной уплотняющей прокладки в паз его сечение должно быть
больше, чем сечение прокладки. В паз прокладка должна устанавливаться с внутрен-
ней стороны относительно прижимного винта, что позволяет предотвратить проникно-
вение ЭМП через отверстие под винт в крышке корпуса. Прокладки следует крепить
так, чтобы сопрягаемые соединяемые поверхности не скользили по ним, а сдавливали
их, так как скольжение может привести к быстрому износу прокладки. Один из спосо-
бов применения уплотняющих электропроводящих прокладок показан на рис. 4.8.6.
Рис. 4.8.5. Некоторые виды сварных соединений частей экранов:
а, б — внахлест; в — встык; г — точечно
Корпус экрана
Рис. 4.8.6. Вариант использования уплотняющих прокладок
Кабели в совокупности с электрическими соединителями служат одной из причин
возникновения в экранированных ЭС зон с повышенным уровнем электромагнитных
помеховых полей. Наводка на коаксиальные кабели существенно зависит от поверх-
ностного проходного сопротивления оболочки кабеля. Поэтому весьма важно снизить
его значение уменьшением либо взаимной индуктивности между внутренними

408
Конструирование узлов и устройств электронных средств
и внешними элементами коаксиального кабеля, либо омического сопротивления обо-
лочки. Это уменьшение достигается в основном выбором оптимальной конструкции
коаксиального кабеля и особенностью его защитной оболочки. Для этой цели широко
применяют увеличение угла подъема оплетки кабеля и коэффициента ее оптической
плотности, которые в совокупности приводят к уменьшению собственной взаимной
индуктивности кабеля. Сопротивление кабельной оплетки можно снизить либо повы-
шением диаметра жилы, либо увеличением числа самих жил, а также использованием
многослойных оплеток. Уровень помех, возникающих в электрических соединителях,
в основном, определяется их геометрией и конструктивным исполнением. Например,
щели в корпусе, который служит экраном электрического соединителя, могут высту-
пать в роли дополнительных каналов проникновения и влияния электромагнитных
ВВФ на входные цепи ЭС. Мероприятия, связанные с защитой электрических соеди-
нителей от воздействия электромагнитных дестабилизирующих факторов, с одной
стороны, направлены на уменьшение их полного проходного сопротивления, а с дру-
гой — на уменьшение контактного сопротивления контактного соединения. Поэтому
для снижения контактного сопротивления контакты электрических соединителей по-
крывают золотом или его сплавами. В том случае, когда контактные вводы в экраны
ЭС по тем или иным причинам не используют, они обязательно должны быть закрыты
специальными крышками.
Непрерывность корпусов-экранов ЭС нарушается не только вентиляционными от-
верстиями, но и отверстиями для индикации, а также для органов регулирования и
управления. В этом случае эффективным методом защиты является дополнительное
частичное экранирование, которое позволяет за счет введения дополнительных эле-
ментов локально герметизировать корпус в районе отверстий, а прохождение элек-
трических сигналов через такие дополнительные экранирующие элементы осущест-
вляется через специальные проходные конденсаторы (см. § 2.2.2) или контактные
разъемные соединения.
Непрерывность экранов также нарушается из-за различного рода индикаторов и
измерительных приборов. В этом случае следует применять либо окна с проводящим
слоем, либо оптически прозрачные подложки. Например, между двумя слоями стекла
может находиться тонкая проволочная сетка с диаметром проволоки 0,05 мм и разме-
ром ячейки 1,27 х 1,08 мм. Иногда для экранирования панелей применяют окна, изго-
товленные осаждением металла в вакууме на оптически прозрачную подложку, в ка-
честве которой используют стекло либо некоторые цветные пластмассы. Такие окна с
проводящими слоями или оптически прозрачные подложки крепят к панелям корпу-
сов ЭС с помощью прижимных устройств и уплотняющих электромагнитных прово-
дящих прокладок, которые обеспечивают необходимый электрический контакт окон с
корпусом ЭС или с его лицевой панелью.
В том случае, когда с использованием общего корпуса-экрана ЭС не удается до-
стичь во всем экранируемом объеме ослабления электромагнитных полей до требуе-
мого уровня, применяют локальное экранирование особо чувствительных к внешним
электромагнитным воздействиям блоков и узлов. Локальное экранирование также
применяется для изоляции отдельных конструктивных элементов, которые сами мо-
гут являться источниками внутренних помех. При этом необходимо учитывать тот
факт, что экран оказывает непосредственное влияние на экранируемый элемент. На-
пример, при экранировании катушек индуктивности надо помнить об обратном дей-
ствии экрана катушки на ее индуктивность и сопротивление потерь. Поэтому диа-
метр защитного экрана катушки должен быть в 1,5-2 раза больше, чем диаметр самой
катушки, и в этом случае обратным влиянием экрана на параметры индуктивного
элемента,можно пренебречь. Кроме того, для хорошей помехозащищенности необхо-

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 409
димо, чтобы щели в экране обязательно были ориентированы перпендикулярно оси
катушки индуктивности.
Решение конкретных проблем обеспечения стойкости ЭС к воздействию электро-
магнитных ВВФ может быть также достигнуто на основе реализации концепции зони-
рования. Зонированием называют идентификацию и возможную интеграцию участков
или областей с одинаковой электромагнитной обстановкой. Как правило, в экрани-
рованной аппаратуре имеются зоны с различной интенсивностью электромагнитных
полей. Электронные средства также содержат в своей основе элементы, имеющие раз-
личную чувствительность по отношению к воздействию электромагнитных факторов.
Поэтому необходимо, чтобы наиболее чувствительные к электромагнитному воздей-
ствию ЭРИ располагались в зонах экранированной области с пониженным уровнем
напряженности электромагнитных полей. Так как чувствительных к влиянию элек-
тромагнитных полей ЭРИ может быть достаточно много, то их обычно объединяют в
отдельные группы по одинаковым характеристикам или назначению. После того, как
определена топология зон по интенсивности электромагнитных полей в экранирован-
ном объеме, и проведено группирование элементов по сходным признакам, производят
общую компоновку ЭС в экранированном корпусе. Если по каким-либо причинам не
удается расположить группы элементов по зонам чувствительности так, чтобы была
реализована концепция зонирования, то применяют дополнительные меры к повы-
шению стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ (локальное или допол-
нительное частичное экранирование, рациональное заземление, схемотехнические,
структурно-функциональные методы и др.).
Важную роль в уменьшении влияния электромагнитных полей на нормальное
функционирование ЭС и подавлении электрических наводок в их цепях играют во-
просы заземления. Под заземлением понимают как соединение с грунтом Земли, так
и соединение с некоторым «общим проводом» электрической системы, относительно
которого измеряют электрический потенциал. Например, на самолете «землей» счи-
тают его металлический корпус. В приемнике с батарейным питанием за «землю» при-
нимают систему внутренних проводников, которые являются общим проводом для
всей электронной схемы. Системы заземления разделяют на защитные и рабочие. На-
значение защитных заземлений — поддерживать элементы конструкции при одном и
том же потенциале, равном или близком к потенциалу «земли», и обеспечивать низ-
коомную нагрузку для опасных токов, которые по тем или иным причинам (при ава-
рийных ситуациях, воздействиях молнии и т. п.) могут возникать в ЭС. Как правило,
защитные заземления должны иметь хороший низкоомный контакт с «землей», поэ-
тому их часто называют наружными заземлителями. Рабочие заземления включают
в себя заземление силового оборудования (сильноточных цепей), которое по своему
функциональному назначению требует наличия заземления, и сигнальное или схем-
ное заземление, которое обеспечивает опорный потенциал для электронных, аналого-
вых и цифровых схем и позволяет снизить уровень взаимовлияния между различными
электронными модулями. Особый интерес представляет система схемных заземлений.
Различают одноточечную, многоточечную и плавающую системы заземлений [52], как
показано на рис. 4.8.7, а-в.
Плавающая система заземления образуется в случае, когда общий провод небольшой
части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления. Типовыми
примерами таких систем являются батарейные измерительные приборы, автоматика
автомобиля, бортовые системы самолета или космического корабля. Данная система
является наилучшим, хотя и не дешевым, способом решения по защите от электромаг-
нитных ВВФ, так как требует наличия дополнительных устройств связи (обычно оптоэ-
лектронных) между отдельными экранированными объемами ЭС. Кроме того, данная

410
Конструирование узлов и устройств электронных средств
система заземления опасна в эксплуатации в случае попадания одного из экранов под
высокий «плавающий» потенциал. Единственной практически реализуемой формой для
многих ЭС является многоточечная система заземления (см. рис. 4.8.7, в). Здесь каждая
подсистема ЭС экранирована, заземлена и связана друг с другом посредством кабелей.
Для уменьшения влияния резонансных эффектов на высоких частотах экран кабеля не-
обходимо заземлять во многих точках по его длине.
Электронный
модуль 1
т
Электронный
модуль 2
Электронный
модуль 3
Электронный
модуль 1
Электронный
модуль 2
Электронный
модуль 3
Электронный
модуль 1
Электронный
модуль 2
Электронный
модуль 4
Электронный)
модуль 3
Рис. 4.8.7. Виды заземлений: а — одноточечное последовательное;
б — одноточечное параллельное; в — многоточечное
Необходимо отметить, что неправильное технологическое выполнение системы за-
земления корпуса ЭС или экранирующего сооружения, в котором размещены ЭС, при-
водит к уменьшению эффективности экранирования от электромагнитных ВВФ. За-
земляющие проводники и шины необходимо присоединять к экрану таким образом,
чтобы по возможности не нарушать его целостности и, по возможности, не создавать
дополнительных отверстий, щелей, сварных швов и других локальных нарушений
электрической однородности защитных корпусов экранов ЭС.
Кроме рассмотренных методов защиты от вредного воздействия внешних электро-
магнитных факторов, которые непосредственным образом защищают само ЭС, суще-
ствуют и способы, косвенно обеспечивающие благоприятную электромагнитную об-
становку вокруг электронной аппаратуры.
Наибольшее распространение получил способ размещения ЭС в специальных поме-
щениях (объемах), материалы и конструкция которых существенно снижают уровень
проникаемых извне электромагнитных полей [54].
Для защиты таких объемов часто используется принцип радиопоглощения. Ис-
пользуемые радиопоглощающие материалы должны обеспечивать максимальное по-
глощение электромагнитных волн в широком частотном диапазоне при минимальном
отражении, не выделять вредных испарений, быть пожаробезопасными, иметь не-
большие габариты и вес. По максимальному поглощению и минимальному отражению
лучшими качествами обладают материалы с ячеистой структурой, пирамидальной
или шиповидной поверхностью. Радиопоглощающие материалы разделяются на ма-
териалы интерференционного типа, где гашение электромагнитных волн происходит
за счет интерференции, и материалы, в которых электромагнитная энергия превра-
щается в тепловую за счет наведения рассеянных токов, магнитогистерезисных или

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов
411
высокочастотных диэлектрических потерь. По электрическим и магнитным свойствам
различают диэлектрические и магнитодиэлектрические материалы, по рабочему диа-
пазону частот поглощения — узко- и широкодиапазонные. Со стороны, не подлежащей
облучению, радиопоглощающие материалы обычно покрываются слоем рад неотража-
ющих, в результате чего характеристики всей экранирующей конструкции во многом
улучшаются. Критерием, характеризующим защитные свойства радиопоглощающего
материала, выступает коэффициент отражения по мощности.
Иногда для улучшения электромагнитной обстановки вокруг оборудования, в про-
цессе работы которого возникают электромагнитные поля различной напряженности,
создают специальные электромагнитные экраны. Для их реализации часто исполь-
зуют так называемые многополосковые уголковые отражатели, основным свойством
которых является способность отражать электромагнитный сигнал точно в том на-
правлении, откуда он пришел. Именно это свойство и обусловило применение таких
отражателей в военном деле, в частности, для создания помех радиолокаторам против-
ника. Эффективные размеры такого отражателя описываются уравнением Стокса—
Шредингера L = nments, где т — длина выступа, п — число рядов выступов, t — ко-
личество выступов в ряду, s — расстояние между выступами (шаг). Легко видеть, что
эффективные размеры такого отражателя могут в десятки раз превышать его геоме-
трические размеры. Цаиболыпая эффективность экранирования будет достигнута при
размещении таких отражателей по схеме «пентаграмма», т.е. в вершинах правиль-
ного пятиугольника, в геометрическом центре которого находится источник электро-
магнитных полей. Ребро такого пятиугольника может быть размером от 5 до 25 диа-
метров единичного отражателя, и пределы такого пятиугольника электромагнитное
излучение покинуть не может. В этой связи следует отметить появившиеся в послед-
ние годы в различных СМИ, в том числе в сети Internet и других источниках [54], сооб-
щения о целесообразности установки на рабочих местах персонала кактусов в качестве
средства для снижения интенсивности вредных электромагнитных излучений от элек-
тронной аппаратуры. Дело в том, что если рассматривать кактус как биологическую
конструкцию, то ее элементы напоминают форму вышерассмотренного многополоско-
вого уголкового отражателя, поэтому с теоретической точки зрения защитные свой-
ства у кактуса действительно существуют. Однако уравнение Стокса—Шредингера
верно только в том случае, если многополосковый уголковый отражатель изготовлен
с очень высокой степенью точности, чего нельзя сказать о кактусе. Даже при разме-
щении таких природных «отражателей» по схеме «пентаграмма» их защитные свой-
ства будут весьма малы. Поэтому не стоит всерьез относиться к кактусу как к эффек-
тивному средству защиты от электромагнитных ВВФ. Однако присутствие кактуса на
рабочих местах, как и любого другого растения, создает комфортную обстановку, что
в итоге полезно и благоприятно для здоровья человека.
4.8.6. Мероприятия по защите ЭС от биологических воздействующих
факторов
К биологическим дестабилизирующим внешним факторам, которые могут нанести
вред ЭС, в первую очередь, следует отнести плесневые грибы, различных беспозвоноч-
ных и позвоночных животных [29, 30, 45]. Важнейшая группа биологических ВВФ
представлена плесневыми грибами. Оптимальными условиями их развития являются
высокая относительная влажность (свыше 85 %) и неподвижность воздуха, а также
температура от 20 до 30 °С, наличие естественных или искусственных высокомоле-
кулярных соединений для питания и малая освещенность. Понижение и повышение
температуры от указанных значений, а также уменьшение влажности замедляют рост

412
Конструирование узлов и устройств электронных средств
большинства видов плесени. При температурах ниже 7 °С или выше 40 °С, а также при
влажности менее 75 % плесень не погибает, но перестает расти. Особенно устойчивы к
колебаниям температуры и влажности споры грибов.
Распространение плесени осуществляется спорами, размеры которых не превы-
шают 10 мкм, причем размножение идет настолько быстро, что в течение нескольких
дней небольшое грибковое образование дает несколько миллионов новых спор. О со-
зревании спор судят по специфической для каждого вида плесени окраске, информа-
ция о которой для наиболее распространенных видов плесневых грибов приведена в
табл. 4.8.10.
Таблица 4.8.10
Наиболее распространенные виды плесени
Наименование вида плесневого гриба
aspergillus amstelodami
aspergillum flavus
aspergillus niger
aspergillum versicoler
chactomium globosum
paecilomyces varioti
penicillium brevicompacturn
penicillium syslopium
stachybotryes atra
1 trichoderma lignorum
Цвет окраски колоний спор
ярко-желтый
серый
черный
сине-зеленый
серо-коричневый
желтовато-бурый
от белого до розового и бурого. В спороносной
области колонии — зеленого цвета
зеленый
черный
зеленый
Ветер и конвекционные перемещения воздуха способствуют проникновению спор
в электронную аппаратуру. В процессе роста и развития плесень выделяет продукты
жизнедеятельности, преимущественно состоящие из различного вида кислот. Эти вы-
деления вызывают коррозию металлов и разложение изоляционных материалов. Не-
смотря на то, что плесень состоит на 90 % из воды, она очень гигроскопична и способна
поглощать влагу из влажной атмосферы. В результате поверхность элементов и дета-
лей ЭС покрывается водной пленкой, что также способствует коррозии.
Особенно сильно разрушаются под действием плесени натуральные волокнистые
материалы (хлопок, шелк, лен, шерсть и др.). Различные виды плесени по-разному
воздействуют на компоненты тканей. Одни разрушают волокно, другие — красители,
третьи — крахмал и т. д.
Действие плесени на пластмассы определяется компонентами, входящими в их со-
став. Наиболее подвержены действию плесени наполнители и пластификаторы, у ко-
торых повышается хрупкость, и изменяются электрические свойства. В тропических
условиях достаточно устойчивы к действию плесени такие пластмассы, как полиэти-
лен, полихлорвинил, фторопласт и др. Хуже противостоят действию плесени фенол -
формальдегидные смолы и меламиноформальдегидные смолы, нитроцеллюлоза, по-
ливини л ацетат. Практически недопустимо применение в этих условиях органических
наполнителей с волокнистой структурой (хлопок, бумага, древесная мука, текстиль
и др.). Значительно более устойчивы неорганические наполнители, например, асбест,
кварцевая мука, шпат, стекловолокно и т. д.

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов
413
Изоляционные материалы на основе целлюлозы при воздействии плесневых грибов
ухудшают свои механические и электрические параметры и могут даже разрушиться.
Наиболее интенсивно действию плесени подвергаются детали из древесины.
Плесень образуется также на окрашенных поверхностях, приводя к разрушению
или обесцвечиванию слоя краски. Особенно подвержены воздействию плесени масля-
ные краски. Поражение лакокрасочных покрытий металлических деталей ускоряет
процесс коррозии за счет выделения плесенью органических кислот — уксусной, ли-
монной, щавелевой и др.
Плесень способна поражать даже такой, казалось бы, стойкий материал, как стекло.
Условием для развития плесени на стекле является наличие питательной среды. Выде-
ления плесени приводят к физико-химическим явлениям, следствием которых явля-
ется помутнение линз или появление пятен.
В ЭС колонии плесневых грибов могут разрастаться на различных ЭРИ и деталях из
материалов, поддерживающих рост плесени. Хорошей питательной средой для роста
плесени являются остатки канифоли на местах пайки. При этом появление плесени
снижает сопротивление изоляции диэлектриков, ускоряет процесс коррозии метал-
лов, разрушает защитные покрытия, нарушает контакты, приводит к замыканиям и
пробоями т. д.
Степень биологического обрастания плесенью ЭС оценивают по пятибалльной
шкале:
0 — нет роста грибов;
1 — очень слабый рост грибов, при котором на образцах при контроле под микро-
скопом наблюдаются единичные проросшие споры;
2 — слабый рост грибов, цри котором на образцах при контроле под микроскопом
заметен слабый рост мицелия и может наблюдаться единичное спороношение;
3 — умеренный рост грибов, при котором невооруженным глазом на образцах
видны очаги плесени;
4 — обильный рост грибов, при котором невооруженным глазом видно сплошное
поражение грибами поверхности образцов.
Хорошую стойкость против плесени имеют уретановые лаки и лаки с введенными
в них ядами (фунгицидами). Однако полностью полагаться на фунгициды нельзя, так
как их действие со временем слабеет, поэтому одной из основных задач является поиск
новых высокоэффективных химических соединений, подавляющих жизнедеятель-
ность плесневых грибов.
Защита ЭС от беспозвоночных животных осложнена тем, что представители этой
группы животных отличаются многочисленностью и малыми размерами. Основным
объектом повреждения служат изоляционные покрытия, созданные с применением
органических материалов или добавок.
В воде характерным воздействием является обрастание модулей, соединительных
кабелей различными организмами (водорослями, моллюсками и др.), которые разру-
шают защитные оболочки, конструкции и корпуса продуктами своей жизнедеятельно-
сти. Поэтому ЭС, эксплуатируемые в водной среде, покрываются специальными соста-
вами — альгицидами и моллюскицидами, препятствующие обрастанию водорослями
и моллюсками соответственно.
Насекомые редко повреждают ЭС. Наиболее опасны термиты, красные муравьи и
тараканы [30]. Наибольшее распространение термиты имеют в Австралии, в ряде об-
ластей Северной и Центральной Африки, Южной Америке. На территории бывшего
СССР термиты чаще встречаются на юго-западе Украины, в Молдавии, на Кавказе и
в Туркмении. Термиты живут колониями, объединяющими до 100 тысяч и даже не-
скольких миллионов особей и отличаются большой прожорливостью. Нападая на ЭС,

414
Конструирование узлов и устройств электронных средств
оказавшееся вблизи термитника, они поедают органические материалы, а выделения
термитов могут привести к коротким замыканиям. Особенно быстро термиты уничто-
жают изделия из древесины и пластмассы на основе целлюлозы. Термиты повреждают
кабели, изоляционные трубки и провода с изоляцией из органических материалов.
Наиболее эффективной защитой от термитов является бетонный фундамент зданий,
а также пропитка инсектицидными составами деревянных материалов и применение
специальных пластмасс. В особо опасных районах для надежной защиты подземных
кабелей используют, кроме свинцовой оболочки, дополнительную оплетку, пропитан-
ную специальным ядом против термитов.
Иногда случаются повреждения ЭС тараканами, попадающими внутрь аппаратуры
и портящими изоляцию. Насекомые, проникающие в механизмы, также могут повре-
дить их подвижные части. Попадание насекомых в штепсельные разъемы, в соеди-
нительные коробки приводит к нарушению контактов или к коротким замыканиям.
Опасность летающих насекомых в том, что они (обычно в ночное время) летят на источ-
ник тепла и света и погибают. Следует заметить, что тела погибших насекомых опасны
для открытых контактов, а при высокой влажности образуют питательную среду для
развития плесневых грибов. В связи с этим вентиляционные и другие отверстия в ЭС
следует закрывать мелкой сеткой, а в помещениях, где находится ЭС, требуется прово-
дить борьбу с насекомыми путем регулярной санитарной обработки инсектицидами.
Ввиду того, что позвоночные животные имеют достаточно большие размеры, их
проникновение внутрь ЭС затруднено, но корпуса, антенны и особенно соединительные
кабели и провода могут подвергнуться нападению. Так, кабели в пластмассовой и не-
армированной резиновой изоляции могут повреждать грызуны (крысы, мыши и др.).
Для защиты изоляции применяют стальную оплетку, но обычно повреждения кабелей
и проводов грызунами не превышают 2 % от всех видов биологических повреждений
ЭС [30], поэтому дешевле устранить случайное повреждение, чем применять дорого-
стоящую защиту. Тем не менее, в помещениях, в которых возможно появление гры-
зунов (продовольственные склады, овоще- и зернохранилища), необходимо проводить
регулярную обработку родентицидными составами.
4.8.7. Обеспечение живучести и стойкости ЭС к воздействию
ионизирующих излучений
Согласно РМГ-78-2005, ионизирующими называются любые излучения, взаи-
модействие которых со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Сово-
купность естественного радиационного фона и ионизирующего излучения (ИИ) по-
сторонних источников излучения называется фоном ионизирующего излучения.
ИИ классифицируют по следующим видам:*
• непосредственное, состоящее из заряженных частиц, кинетическая энергия кото-
рых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества;
• косвенное, состоящее из незаряженных частиц, взаимодействие которых со сре-
дой приводит к возникновению заряженных частиц, способных непосредствен-
ным образом вызвать ионизацию;
• моноэнергетическое, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц
одного вида с одинаковой кинетической энергией;
• немоноэнергетическое, состоящее из фотонов различной энергии или частиц
одного вида с различной кинетической энергией;
• смешанное, состоящее из различного вида частиц или из фотонов и частиц;
• направленное, характеризуемое выделенным направлением распространения;
• изотропное, все направления распространения которого равноценны;

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов
415
• непрерывное, длительность которого больше времени наблюдения;
• импульсное, длительность которого существенно меньше времени наблюдения;
• фотонное, представляющее собой электромагнитное косвенное ИИ;
• у-излучение, представляющее собой фотонное излучение, возникающее в про-
цессе ядерных превращений или при аннигиляции частиц;
• рентгеновское излучение, представляющее собой фотонное излучение, состоящее
из тормозного и характеристического излучений;
• тормозное излучение, представляющее собой фотонное излучение с непрерывным
энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии
заряженных частиц;
• характеристическое излучение, представляющее собой фотонное излучение с
дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетиче-
ского состояния электронов атома;
• а-излучение, представляющее собой корпускулярное излучение, состоящее из
альфа-частиц, испускаемых в процессе ядерных превращений;
• р-излучение, представляющее собой корпускулярное излучение, состоящее из
электронов или позитронов, возникающее при радиоактивном распаде ядер.
Общими, наиболее важными, характеристиками ИИ различной природы являются
поток частиц (фотонов) и его плотность, поток энергии и его плотность, флюенс частиц
(фотонов) и флюенс энергии.
Потоком частиц (фотонов) называется отношение числа частиц (фотонов) dNy пе-
ресекающих заданную поверхность за интервал времени dt, к величине этого интер-
вала, с-1:
Флюенсом частиц (фотонов) называется отношение числа частиц (фотонов) dN,
проникающих в элементарную сферу, к площади поперечного сечения этой сферы dS,
частиц/м"2:
Плотностью потока частиц (фотонов) называется отношение числа частиц (фото-
нов) dNy пересекающих заданную поверхность за интервал времени dt, к площади этой
поверхности dS и величине временного интервала, м-2 • с-1:
Потоком энергии называется отношение изменения энергии излучения dR за ин-
тервал времени dt к величине этого интервала, Вт:
Плотность потока энергии представляет собой отношение изменения флюенса энер-
гии d\\f за интервал времени dt к величине Этого интервала, Вт • м"2:

416
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Из всех видов ИИ наибольшую опасность представляет нейтронное и у-излучение,
обладающее наибольшей проникающей способностью, поэтому его необходимо учиты-
вать в первую очередь при проектировании радиационно-стойкой электронной аппа-
ратуры [30, 45]. В соответствии с ГОСТ 18298-79, под радиационной стойкостью пони-
мают свойство аппаратуры, ее комплектующих и материалов выполнять свои функции
и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ.
Критерием радиационной стойкости служит предельное значение определяющего ра-
диационную стойкость параметра изделия. Если значение этого параметра находится
в пределах установленных норм, то гарантируется нормальное функционирование ЭС
во время и после воздействия ИИ. Показателем радиационной стойкости ЭС служит
значение характеристики поля ИИ, при котором достигаются критерии радиационной
стойкости.
Воздействие ИИ на ЭС проявляется в виде радиационного и ионизационного эф-
фектов, обратимого или необратимого радиационных дефектов, радиационного разо-
грева и других явлений. Радиационный эффект заключается в изменении значений
параметров, характеристик и свойств ЭС в результате воздействия ИИ. Радиационный
эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества, называется ио-
низационным эффектом. Радиационный дефект проявляется в нарушении структуры
вещества материалов ЭС под воздействием ИИ. Различают обратимый и необратимый
радиационные дефекты. Обратимый дефект исчезает с прекращением действия ИИ,
а необратимый дефект длительно сохраняется в веществе, изменяя его свойства. Ра-
диационный разогрев представляет собой эффект, проявляющийся в повышении тем-
пературы материалов в результате поглощения ими энергии ИИ.
Нейтронное излучение, в основном, является причиной радиационных дефектов,
обусловленных физико-химическими изменениями в материалах. Возможен радиаци-
онный разогрев с выделением кислот и газообразованием. При у-излучении преобла-
дают ионизационные эффекты. Скорость образования избыточных носителей заряда
пропорциональна поглощенной дозе излучения. Рост концентрации избыточных но-
сителей заряда приводит к увеличению проводимости диэлектрических и полупрово-
дниковых материалов и в итоге — к утечкам и пробоям.
Из всех материалов наиболее устойчивы к воздействию ИИ металлы, поскольку им
свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики
их слабо зависят от дефектов кристаллической решетки. Поэтому у-излучение на свой-
ства металлов практически не влияет, а последствия облучения нейтронами начинают
сказываться только при флюенсе частиц порядка 1020 нейтрон/см2. В этом случае у
большинства металлов предел текучести возрастает в 2...3 раза, ударная вязкость сни-
жается, а проводимость повышается на 10...30 %.
Взаимодействие ИИ со средой оценивают поглощенной дозой излучения, равной
отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в
элементарном объеме, к массе dm содержащегося в нем вещества, Дж • кг-1 или в Гр
(грей):
Флюенс энергии представляет собой отношение энергии излучения dRy падающей
на сферу с площадью поперечного сечения dSy к площади этого сечения, Дж • м"2:

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 417
Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и маг-
нитные материалы, у которых изменяется магнитная проницаемость и проводимость
при флюенсе частиц порядка 1018 нейтрон/см2. Некоторые металлы, например, бор,
марганец, кобальт, кадмий, цинк, молибден и др. после облучения нейтронами стано-
вятся источниками вторичного ИИ.
Наименее устойчивы к воздействию ИИ полупроводниковые и органические мате-
риалы. У полупроводниковых материалов при облучении изменяются время жизни
и подвижность носителей заряда, коэффициент Холла, а у органических — механи-
ческие свойства, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость, тангенс
угла диэлектрических потерь.
Неорганические материалы более устойчивы к ИИ, поскольку их сопротивление
изоляции, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь
и другие параметры изменяются незначительно, однако у стекол могут измениться
оптические свойства и цвет.
Различная устойчивость разнообразных материалов к воздействию ИИ соответ-
ственно определяет и разную радиационную стойкость ЭРИ [30, 45]. Так, у рези-
сторов под воздействием ИИ происходят обратимые и необратимые изменения со-
противления, возрастает уровень шумов, и ухудшается влагостойкость. Наиболее
устойчивыми являются керамические и проволочные резисторы, а наиболее уязви-
мыми — металлопленочные углеродистые резисторы. У конденсаторов ИИ, в первую
очередь, приводит к изменению физических свойств диэлектрика, что сказывается
на таких параметрах, как электрическая емкость, сопротивление изоляции и тан-
генс угла диэлектрических потерь. Наиболее стойки к воздействию ИИ конденсаторы
с неорганическим диэлектриком — слюдой, керамикой, стеклом. Электролитиче-
ские конденсаторы наименее надежны из-за разложения электролита, а конденса-
торы с органическим диэлектриком по степени устойчивости к ИИ занимают про-
межуточное положение. В полупроводниковых ЭРИ — транзисторах, диодах, ИМС
и др. ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объеме полупро-
водникового кристалла избыточных зарядов, что вызывает появление избыточных
фототоков, величина которых пропорциональна эффективному объему прибора. По-
этому минимизация размеров кристаллов полупроводниковых приборов повышает
их устойчивость к ИИ. Структурные нарушения обусловлены взаимодействием ИИ
с кристаллической решеткой полупроводника. Степень таких нарушений зависит от
вида и энергии частиц, поэтому следствием структурных нарушений являются необ-
ратимые дефекты полупроводниковых ЭРИ.
Следует подчеркнуть, что в зависимости от конкретного типа ЭРИ, технологии его
изготовления, условий функционирования, вида и энергии ИИ будет преобладать тот
или иной механизм нарушения и определять в итоге радиационную стойкость ЭРИ.
Таким образом, при выборе номенклатуры комплектующих ЭРИ, предназначенных
для создания аппаратуры, удовлетворяющей заданным требованиям по стойкости к
воздействию ИИ, конструктор руководствуется различными показателями стойкости
ЭРИ к воздействию ИИ.
Наиболее эффективной защитой ЭС от воздействия ИИ является применение спе-
циальных массивных защитных экранов из металлов с высоким кулоновским барье-
ром (например, свинца), закрывающим ЭС от ИИ с любой стороны [30]. Для защиты от
у- и нейтронного излучений наиболее эффективны многослойные экраны со слоями из
свинца, полиэтилена, слоя полиэтилено-графитового замедлителя быстрых нейтронов
и кожуха из нержавеющей стали.

418
Конструирование узлов и устройств электронных средств
4.8.8. Герметизация блоков ЭС
Герметизация ЭС осуществляется с целью предотвращения воздействия внешних
климатических факторов на конструктивные элементы и ЭРИ, входящие в состав бло-
ков ЭС, а также защиты от механических, биологических ВВФ и загрязнений радио-
активными и специальными средами. Различают частичную и полную герметизацию
[29, 44, 45, 39].
Частичная герметизация предусматривает пропитку, обволакивание и заливку
изоляционным материалом свободного внутреннего пространства корпуса электрон-
ного компонента или узла. Заливка представляет один из наиболее распространен-
ных способов защиты ЭС из-за простоты технологических процессов. Заливка позво-
ляет оградить узлы ЭС от воздействия климатических ВВФ и повысить механическую
прочность электронного модуля, но, в то же время, неизбежно увеличить его массу.
Другим недостатком заливки является невозможность обеспечения полной гермети-
зации, поскольку все же не исключено проникновение влаги внутрь защищаемого
узла.
Полную герметизацию проводят для поддержания внутри корпуса блока опреде-
ленной в ТЗ относительной влажности и химического состава газового наполнителя.
Для создания комфортного микроклимата внутри корпуса блока его внутренний объем
через откачную трубку заполняется инертной средой в виде различных газов или их
смесей с избыточным давлением не более 12 • 104 Па. Различные варианты конструк-
ции откачных трубок показаны на рис. 4.8.8, а-д.
В качестве газового наполнителя обычно используют сухой азот, который по своим
тепловым характеристикам близок к воздуху. В последнее время широко проводятся
экспериментальные работы по использованию в качестве инертной среды различных
нетоксичных жидких растворов, обладающих более высокой теплопроводностью, чем
сухой азот, однако влияние этих жидкостей на электрические параметры бескорпус-
ных ЭРИ и, соответственно, на их надежность, еще неполностью изучено [39].
Герметичность блоков достигается герметизацией их корпусов, а также внешних
электрических соединителей, устанавливаемых на лицевой и (или) задней панелях ап-
паратуры. С учетом специфики герметизации корпусов блоков и электрических соеди-
нителей, рассмотрим эти вопросы отдельно.
Герметизация корпусов блоков ЭС может выполняться путем сварки основания с
корпусом блока, паяным демонтируемым соединением корпуса с крышкой блока и с
помощью уплотнительной прокладки. Выбор способа герметизации определяется тре-
бованиями, предъявляемыми к блокам ЭС в зависимости от условий эксплуатации,
его габарита или объема, а также материалов корпуса и основания блока. При этом
степень герметичности корпуса определяется степенью натекания газа
где V — объем газа внутри блока ЭС, дм3;
Ар — избыточное давление внутри блока, Па;
t — срок службы (хранения) блока.
Герметизацию сваркой обычно выполняют для неподлежащих ремонту блоков,
объем которых не превышает 0,5 дм3. Вскрытие таких блоков возможно только с помо-
щью механического снятия сварного шва, что влечет за собой обязательное попадание
металлической пыли на бескорпусные ЭРИ и, соответственно, их отказ. Этот способ
герметизации широко используется для герметизации корпусов ИМС и микросборок
и обеспечивает степень натекания газа Бн = 1,33- 10"10 дм3 Па/с. Герметизация с

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 419
помощью паяного демонтируемого соединения применяется для блоков, объем кото-
рых лежит в пределах от 0,5 до 5 дм3. При этом способе степень натекания газа состав-
ляет Бн = 1,33 • 10~7 дм3- Па/с, что определяет достаточно высокую степень защиты
блока. Конструктивные элементы герметизации блоков паяным соединением пока-
заны на рис. 4.8.9, а-г.
Рис. 4.8.8. Варианты конструкции откачных трубок: 1 — корпус;
2 — трубка; 3 — втулка; 4 — компаунд; 5 — стакан; 6 — резиновый
уплотнитель; 7 — шарик; 8 — штифт
К конструктивным элементам паяного соединения предъявляются определенные
требования. Так, для устранения перегрева блока в момент пайки в элементах кон-
струкции корпуса крышки, вблизи от паяного соединения, необходимо предусмотреть
специальную тепловую канавку. Диаметр проволоки должен быть меньше ширины за-
зора между крышкой и корпусом на 0,1 ...0,2 мм. В качестве материала уплотнительных
прокладок используется термоустойчивая резина, обладающая высокой эластично-
стью, податливостью и способностью заполнять мельчайшие углубления и неровности.
Обычно используют следующие марки резины: ИЕП-1267, ИРП-1338 и ИРП-1354.
Перед сборкой прокладка смазывается тонким слоем масла ЦИАТИМ-221.
В паяном соединении проволока над прокладкой укладывается по ее периметру,
причем один из проволочных концов выводится через специальный паз в крышке из
зоны соединения и обычно укладывается в тепловую канавку. Расстояние по всему пе-
риметру соединения заливается легкоплавким припоем. Такое соединение позволяет
вскрывать корпус блока до трех раз. В целях предотвращения нарушения герметич-
ности блока наружная сторона паяного соединения не должна выполнять функцию
установочной поверхности блока, а все элементы крепления должны располагаться на
максимально возможном расстоянии от паяного соединения.
Большое значение при проектировании герметичных блоков играет правильный
выбор материалов для составных частей их корпусов. Рекомендуемые материалы де-
талей корпусов блоков, герметизируемых паяным демонтируемым соединением, и их
защитные покрытия приведены в табл. 4.8.11.

420
Конструирование узлов и устройств электронных средств
в г
Рис. 4.8.9. Варианты конструкций паяных соединений: 1 — корпус блока;
2 — крышка; 3 — прокладка уплотнительная; 4 — проволока; 5 — тепловая
канавка
Таблица 4.8.11
Материалы деталей корпусов и их покрытия
Наименование материала
Алюминиевый сплав АМц
Алюминиевый сплав АМг
Алюминиевый сплав Д16
Алюминиевый сплав В95
Латунь Л63
Латунь ЛС59-1
Сталь 10КП
Сталь 20
Титановый сплав ВТ1
Тип покрытия
Н12.0-Ви (99,7)6
Н24.0-Ви (99,7)12
Н24.0-Ви(99,7)1!2
Н24.0-Ви (99,7)12
Ср6.Н3.0-Ви(99,7)3
НЗ.О-Ви (99,7)6
МЗ.О-Ви (99,7)3
МЗ.О-Ви (99,7)3
Нб/МЗ.Срб
Степень защиты
легкая
средняя
сильная
сильная
средняя
сильная
средняя
средняя
сильная
Герметизацию с помощью уплотнительных прокладок выполняют для блоков,
объем которых превышает 3 дм3, так как блоки меньших объемов герметизировать дан-
ным способом нецелесообразно из-за относительно больших размеров крепежных эле-
ментов [29, 44, 39]. Этот способ обеспечивает скорость натекания газа Вн = 1,33 • 10~4
дм3 • Па/с.
Заметим, что уплотнительными прокладками, устанавливаемыми в корпусах боль-
ших габаритов, трудно обеспечить абсолютную герметичность. Тем не менее, они в до-
статочной мере предохраняют внутреннюю полость прибора от влажного воздуха или

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов
421
воды, обеспечивая более благоприятные условия работы изделий во влажной среде,
особенно если при этом в ЭС используют средства осушения. Наиболее эффективным
способом осушки внутренней полости изделия в период эксплуатации является ис-
пользование различных поглотителей влаги. Широко применяется силикагель, кото-
рый в размельченном виде помещают в патроны, футляры или мешочки, устанавли-
ваемые внутри изделия. Осушительный патрон предусматривает замену силикагеля
при полном насыщении его влагой. Контроль за влагонасыщением силикагеля произ-
водится по изменению его цвета. Для этого силикагель обрабатывают 3 % -м водным
раствором хлористого кобальта, после чего при полном насыщении влагой силикагель
окрашивается в розовый цвет, а после просушки становится синим.
На рис. 4.8.10 показаны типичные конструктивные элементы герметизации корпу-
сов блоков уплотнительными прокладками [39].
Рис. 4.8.10. Герметизация корпуса блока уплотнительной прокладкой:
1 — основание блока; 2 — прокладка уплотнительная; 3 — корпус блока;
4 — болт; 5 — гайка
Необходимо отметить, что размеры конструктивных элементов выбираются в за-
висимости от герметизируемого объема и избыточного давления, создаваемого в нем.
Ширина фланца определяется по формуле
где 8С — толщина стенки корпуса;
dK — диаметр крепежного болта.
Высота фланца h\ должна быть максимально допустимой, при этом материал бол-
тов должен иметь предел текучести в два или в три раза выше предела текучести мате-
риала фланца. Геометрические размеры канавки и прокладки определяют, исходя из
следующей зависимости:
где ак и tK — ширина и высота канавки;
Ьпр и /7inp — ширина и высота прокладки соответственно.

422
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Как число болтов, так и шаг их установки определяются на основе учета внутрен-
него избыточного давления в блоке и усилия, необходимого для деформации уплотни-
тельной прокладки.
Межблочная электрическая коммутация в герметичных блоках осуществляется с
помощью отечественных цилиндрических герметичных разъемов типов РСГ, РСГС,
2РМГ, 4РТГ, РРН29, РРНЗО, РРСЗ-РРС6, РБН1, РРМ46Г, РРМ47Г, РБМ4, РБМ5,
РМГ, ОНЦ-БМ-1(2), ОНЦ-БС-Ц2), СНЦЗО, СНЦ31, СНЦ127, СНЦ130, СНЦ132,
СНЦ146, СНЦ147, СНЦ282, СНЦ272, СНЦ281 и др., или прямоугольных разъемов ти-
пов РПС1, ГРПМЗ, ГРППЗ, ОКП-ВС-1-х, ОНП-ВГ, ОНП-КГ, ОНП-ВС, ОНП-НС, РП-15,
СН058, СН059, РПМ7, РПМ12-РПМ14, СНП58, СНП59, СН063, СН064, СНП228,
СНП231, СНП232, СНП234, СНП235, СКП201, СШК8, СШЩ8 и др. с учетом обеспе-
чения их герметичности. Кроме того, на современном рынке ЭРИ представлено множе-
ство герметичных электрических соединителей, выпускаемых различными зарубеж-
ными фирмами, такими, как Molex, Hermetic Seal Corporation, AMETEK SCP и пр.
Герметизация стандартных электрических соединителей в блоках осуществля-
ется тремя способами [39]: уплотнительными прокладками (рис. 4.8.11, а), уплотни-
тельными прокладками и заливкой компаундом мест соединения разъема с корпусом
(рис. 4.8.11, б), а также пайкой монтажной металлизированной платы электриче-
ского соединителя с корпусом с последующей заливкой компаундом места соединения
(рис. 4.8.11, в, г).
Рис. 4.8.11. Герметизация вилок электрических соединителей: а — цилиндри-
ческого уплотнительной прокладкой; б — цилиндрического уплотнительной
прокладкой и компаундом; в — цилиндрического пайкой и компаундом; г — пря-
моугольного пайкой и заливкой компаундом: 1 — вилка электрического соеди-
нителя; 2 — корпус блока; 3 — прокладка уплотнительная; 4 — компаунд;
5 — пластина; 6 — печатная плата
Длина плеча Ьпл определяется по формуле

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 423
При герметизации двумя последними способами выводы электрических соедини-
телей необходимо нарастить жесткой проволокой с помощью пайки. Выбор способа
герметизации электрических соединителей определяется эксплуатационными требо-
ваниями, свойствами материалов и защитных покрытий конструктивных элементов
корпусов блоков.
Современные электрические соединители так же, как и другие ЭРИ, имеют в кон-
струкции токоведущие выводы, которые должны быть надежно изолированы от кор-
пуса и друг от друга. В качестве изолятора может быть использована пластмасса, ке-
рамика, стекло и другие материалы. Стекло обладает рядом достоинств, основное из
которых — возможность его непосредственного механически прочного и герметичного
спая с металлом. Металлостеклянные соединения устойчивы к механическим и кли-
матическим ВВФ согласно требованиям ГОСТ 16962-71. Выводы в соединениях спо-
собны выдержать без механических повреждений и нарушений герметичности воздей-
ствия следующих факторов:
• растягивающей силы — для гибких проволочных, ленточных и лепестковых вы-
водов;
• скручивания — для гибких проволочных выводов;
• крутящего момента — для резьбовых выводов.
Вакуумно-плотный металлостеклянный спай обеспечивает высокие герметичность,
механическую прочность, сопротивление изоляции и малую газопроницаемость. В ка-
честве примера на рис. 4.8.12 показаны конструктивные элементы различных метал -
лостеклянных соединений.
Рис. 4.8.12. Конструкции мёталлостеклянных соединений в ЭРИ:
1 — втулка; 2 — стеклянный изолятор; 3 — основание; 4 — стеклянный
шарик; 5 — штыревой вывод; 6 — резьбовая втулка; 7 — контакт
В зависимости от используемых материалов, метал лостеклянные соединения раз-
деляют на согласованные и несогласованные спаи. Под согласованными спаями по-
нимаются соединения, в которых коэффициенты температурного расширения (КТР)
спаиваемых материалов равны или незначительно отличаются друг от друга. Несогла-
сованные спаи имеют различные КТР спаиваемых материалов. Поэтому при проекти-
ровании отдельных модулей ЭС необходимо большое внимание уделять выбору мате-
риалов и их взаимному сочетанию.
В производстве проходных стеклянных изоляторов обычно используются, в основ-
ном, согласованные спаи стекла марки С48-2 и сплава 29НК (ковар). Иногда приме-
няют композиции из стекла марок С48-5 и С48-2. Рекомендации по выбору сочетаний
соединяемых материалов, типы и основные размеры мёталлостеклянных. вакуумно-
плотных герметичных соединений приведены в ОСТ 4Г0.010.042.

424
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Стеклянные изоляторы могут изготовляться двумя способами: при первом в каче-
стве заготовки используются стеклянные капилляры, разрезаемые на заготовки опре-
делённой высоты, а при втором способе из стеклянного порошка выполняется таблетка
стеклянного изолятора.
Вопросы для контроля
1. Что понимают под внешним воздействующим на ЭС фактором, и какие значения
ВВФ называются нормальными, номинальными и эффективными?
2. Как классифицируют ВВФ по ГОСТ 26883-86?
3. Каков состав механических ВВФ?
4. Какие ВВФ относят к климатическим?
5. Какие внешние факторы образуют электромагнитные ВВФ?
6. Какие вредные воздействия определяют состав термических ВВФ?
7. Какие воздействия на ЭС относят к биологическим ВВФ?
8. Что представляют собой воздействия на ЭС специальных сред?
9. Какое влияние на ЭС в зависимости от объекта установки оказывают механиче-
ские ВВФ?
10. Какие характерные повреждения в ЭС могут возникнуть после механических
воздействий?
11. Как классифицируют механические ВВФ в соответствии с ГОСТ 16962-71 по сте-
пеням жесткости?
12. Какие требования по механическим воздействиям предъявляются к выводам
ЭРИ и местам их присоединения?
13. Как оценивают устойчивость ЭС к воздействию акустического шума?
14. Как защищают ЭС от влияния звукового давления?
15. В чем заключаются особенности климатических ВВФ по их воздействию на ЭС?
16. Как классифицируют климатические ВВФ в соответствии с ГОСТ 16962-71 по
степеням жесткости?
17. Какие требования накладываются на ЭС по устойчивости к климатическим воз-
действиям?
18. Какие основные способы защиты элементов конструкций ЭС применяют от воз-
действий климатических факторов?
19. Какие основные виды покрытий используются для защиты от климатических
ВВФ, в чем их достоинства и недостатки?
20. В каких целях и с применением каких материалов осуществляются пропитка и
заливка?
21. Какие основные виды систем охлаждения применяют для защиты ЭС от пере-
грева?
22. Как осуществить правильный выбор системы охлаждения?
23. Какие основные источники являются причиной возникновения электромагнит-
ных полей?
24. В чем состоит специфика воздействий на ЭС электромагнитных ВВФ?
25. Какие основные методы защиты от внешних электромагнитных воздействий ис-
пользуют при конструировании ЭС?
26. Какие принципы составляют основу схемотехнических и структурно-функцио-
нальных методов защиты ЭС от электромагнитных ВВФ?
27. В чем заключаются особенности конструкционных методов защиты от электро-
магнитных факторов?
28. Какой смысл заложен в концепции зонирования?

Глава 4.8. Защита ЭС от внешних воздействующих факторов 425
29. Какое влияние на уменьшение вредных последствий электромагнитных ВВФ
оказывает заземление?
30. Что представляет собой система схемных заземлений?
31. Какие косвенные способы защиты ЭС от электромагнитных ВВФ наиболее рас-
пространены?
32. Как осуществляют реализацию электромагнитных экранов?
33. Какое влияние оказывают плесневые грибы на конструктивные элементы ЭС?
34. В чем заключается опасность биологического воздействия на ЭС беспозвоночных
животных?
35. Какие повреждения ЭС могут нанести позвоночные животные?
36. Какие методы борьбы используют для защиты ЭС от биологических воздей-
ствий?
37. Как в соответствии с РМГ-78-2005 осуществляют классификацию ИИ?
38. Какие виды ИИ наиболее опасны для ЭС?
39. Как проявляется воздействие ИИ на материалы конструкции ЭС?
40. Какое действие оказывает ИИ на активные и пассивные ЭРИ?
41. Какими принципами необходимо руководствоваться при разработке радиацион-
но-стойких ЭС?
42. Как осуществляют защиту ЭС от воздействия ИИ?
43. В каких целях проводят герметизацию блоков ЭС?
44. В чем состоят различия между частичной и полной герметизацией?
45. Какими основными способами выполняют герметизацию корпусов блоков ЭС?
46. Как определяют степень герметичности корпуса?
47. В чем заключаются достоинства и недостатки герметизации сваркой и с помо-
щью паяного соединения?
48. Какие материалы рекомендуется использовать для составных частей корпусов
герметичных блоков?
49. Как выполняют герметизацию блоков с помощью уплотнительных прокладок?
50. Как осуществляют осушку внутренней полости ЭС в период эксплуатации?
51. Как осуществляется межблочная электрическая коммутация в герметичных
блоках?
52. Как выполняют герметизацию стандартных электрических соединителей?
53. Каким требованиям должны удовлетворять выводы ЭРИ и электрических соеди-
нителей в металлостеклянных соединениях?
54. В чем особенности согласованных и несогласованных спаев?
55. Как осуществить правильный выбор материалов для металлостеклянных соеди-
нений?

Часть V
КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭС
Глава 5.1
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Повышение качества ЭС, т. е. степени их пригодности согласно запросам потреби-
телей, является одной из важнейших проблем. Именно качество, в первую очередь,
определяет сегодня конкурентоспособность выпускаемой электронной аппаратуры.
Повышение качества продукции во многом зависит от уровня внедрения современных
инструментов управления качеством и его контроля, которые определяются успехом
массового обучения руководителей, инженерно-технического персонала, рабочих и
служащих предприятий. Эффективное применение инструментов контроля позволяет
получить достаточно полную, достоверную и оперативную информацию для принятия
своевременных и обоснованных решений по корректировке качества выпускаемой про-
дукции, а также для согласования решаемых задач на всех этапах жизненного цикла
проектирования и производства ЭС любых уровней модульности.
5.1.1. Основные понятия и терминология в области управления
качеством
Государственный стандарт ГОСТ Р ИСО 9000-2008, идентичный международному
стандарту ISO 9000:2005, определяет терминологию в области качества. В соответ-
ствии с ним под качеством понимают совокупность качественных и количественных
характеристик (физических, функциональных, эргономических, органолептических
и др.), присущих данному объекту, относящихся к его способности удовлетворять
установленные и предполагаемые в нем потребности. Другими словами, качество лю-
бого объекта закладывается в процессе его создания, а оценивается при эксплуатации
потребителем.
Под объектом качества понимают:
• деятельность или процесс;

Глава 5.1. Качество электронных средств
427
• продукцию как материальную, например, в виде технических изделий, так и не-
материальную в виде информации или услуги, а также их сочетания;
• организацию, систему или отдельного человека;
• любую комбинацию из первых трех.
Всеобщее управление качеством — ВУК (международное название Total Quality
Management — TQM) следует рассматривать как принципиально новый подход к
управлению любой организацией. Особенностью данного подхода является его на-
целенность на качество при участии всех членов коллектива организации и направ-
ленность на достижение долгосрочного успеха через удовлетворение требований по-
требителя и получение выгоды как для членов данной организации, так и общества
в целом.
Согласно ГОСТ Р ИСО 9000-2008 следует различать:
• менеджмент качества (quality management), т. е. скоординированную деятель-
ность по руководству и управлению организацией;
• управление качеством (quality control), представляющее собой часть менеджмента
качества, нацеленную на выполнение требований к качеству;
• обеспечение качества (quality assurance), направленное на достижение уверенно-
сти в выполнении требований к качеству;
• улучшение качества (quality improvement), представляющее собой часть менед-
жмента качества, направленную на увеличение способности выполнить требова-
ния к качеству.
В условиях рыночных отношений качество проектируемых ЭС необходимо рассма-
тривать не обособленно, а как компонент конкурентоспособности. Если понятие каче-
ства четко определено действующими международными стандартами, то для термина
«конкурентоспособность» пока нет общепринятого определения. Наиболее близко тер-
мин «конкуренция» по смыслу соответствует понятию «соревнование» по критерию
лучшего соотношения выручка/издержки или превышения доходов над расходами.
В соответствии с этим, конкурентоспособность продукции (product competitiveness)
можно рассматривать как обобщенную характеристику, которая позволяет выявлять
преимущества совокупности свойств технического уровня и качества изделия перед
аналогичными товарами конкурентов. Конкурентоспособность предприятия пред-
ставляет собой относительную оценку преимущества предприятия, его продуктов и
услуг, которая позволяет с большей эффективностью удовлетворять запросы потреби-
телей [55].
Связь между терминами «качество» и «конкурентоспособность» в наиболее нагляд-
ном виде может быть представлена многоугольником конкурентоспособности, а при
сравнении нескольких изделий или предприятий — совокупностью таких многоуголь-
ников (радаром конкурентоспособности), как показано на рис. 5.1.1.
5.1.2. Система управления качеством ЭС
Система управления качеством применяется ко всем видам деятельности, влияю-
щим на качество ЭС, и взаимодействует с ними. Это воздействие распространяется на
все стадии жизненного цикла продукции и процессов — от первоначального определе-
ния концепции проекта до конечного удовлетворения требований заказчика. В общем
виде структура системы управления качеством ЭС по этапам его жизненного цикла
представлена на рис. 5.1.2.^
Рассмотрим элементы представленной на рис. 5.1.2 структуры более подробно.
1. Маркетинг и изучение рынка предполагает выявление требований потребителей
к изделию и определение возможных рынков сбыта. Результатом выполнения этого

428
Конструирование узлов и устройств электронных средств
этапа является поручение научно-исследовательскому отделу разработать техническое
задание на продукцию, которую предлагается модернизировать или спроектировать
заново.
Концепция
Предприятие
(изделие) 1
Качество
Предпродажная
подготовка
Внешняя
политика
Послепродажное
обслуживание
Цены
Предприятие
(изделие) 2
Финансы
Сбыт
Рис. 5.1.1. Радар конкурентоспособности для предприятий (изделий) 1 и 2
Рис. 5.1.2. Структура системы управления качеством ЭС
2. Разработка технического задания на изделие позволяет определить назначение и
область применения разрабатываемого ЭС, его технические, эксплуатационные, кон-
структивные и экономические характеристики, условия хранения и транспортировки,
требования к надежности и правилам испытания и приемки образцов.

Глава 5.1. Качество электронных средств
429
3. Формирование технического предложения подразумевает проведение анализа
существующих технических решений, патентного поиска, определение наиболее опти-
мального варианта конструкции ЭС, макетирование отдельных узлов и выработку тре-
бований для последующих этапов проектных работ.
4. Выполнение эскизного проекта основано на конструкторско-технологической
проработке выбранного варианта ЭС, изготовлении серии образцов и проведении их
испытаний в объеме заданных в ТЗ параметров.
5. Выполнение технического проекта позволяет сформировать окончательные ре-
шения о конструкции изделия и его составных частей, разрабатывается полный ком-
плект конструкторско-технологической документации, изготавливается опытная се-
рия ЭС, и проводятся ее испытания.
6. Технологическая подготовка производства предусматривает разработку техноло-
гических процессов изготовления, процессов измерения и инструментальных средств
как для контроля в процессе изготовления деталей и сборочных единиц, так и готовой
продукции.
7. Этап закупки материалов и комплектующих изделий предполагает, что для про-
изводства новой продукции необходимо приобрести сырье, материалы, комплектую-
щие изделия, средства измерения и контроля, расходные материалы и т. п.
8. Производство ЭС, серийное или массовое, начинается после того, когда разрабо-
таны технологические процессы и закуплены необходимые материалы и комплектую-
щие части. Результатом этого этапа является готовая продукция в требуемом объеме.
9. Испытания и контроль ЭС на соответствие заданным характеристикам позво-
ляют осуществлять контроль качества результатов выполнения как отдельных опе-
раций технологического процесса в процессе производства, так и готовой продукции
в целом.
10. Этап упаковки и хранения предусматривает организацию процесса консерва-
ции, упаковки и хранения готовых изделий.
11. Реализация продукции подразумевает доставку готовой продукции к местам
сбыта, что требует высокой организации погрузочно-разгрузочных работ и транспор-
тировки.
12. Монтаж и ввод ЭС в эксплуатацию предусматривает предоставление услуг по
установке изделия на месте его эксплуатации и (или) снабжение соответствующими
инструкциями потребителя.
13. Гарантийное, постгарантийное и сервисное обслуживание предусматривает по-
лучение от изготовителя технической помощи (профилактических и ремонтных ра-
бот, поверки и др.) при эксплуатации как в период гарантийного срока, так и после его
окончания.
14. Утилизация является важным этапом жизненного цикла продукции, так как
позволяет провести переработку отслуживших материалов ЭС для последующего при-
менения в новых изделиях. В настоящее время утилизация ЭС занимает много вре-
мени, что обусловлено широкой номенклатурой утилизируемых материалов и соблю-
дением экологических норм переработки.
5.1.3. Оценка качества ЭС
Качество ЭС оценивается совокупностью различных характеристик, таких как це-
левое назначение, надежность, безопасность и др. Группы основных показателей каче-
ства представлены на рис. 5.1.3.

430
Конструирование узлов и устройств электронных средств
С ГРУППЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭС J
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
(габариты и масса, потребляемая
мощность, быстродействие,
чувствительность, частота и др.)
БЕЗОПАСНОСТИ И ЭРГОНОМИКИ
(экологичность, безопасность,
гигиенические, антропометрические,
психофизиологические параметры)
УНИФИКАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ
(трудоёмкость, материалоёмкость,
себестоимость, применяемость,
повторяемость и др.)
^
^^~
^
^ ■
^
ь
^w
^
~ф
_fc
^
НАДЁЖНОСТИ
(безотказность, долговечность,
сохраняемость,
ремонтопригодность и пр.)
ЭСТЕТИКИ
(выразительность, рациональность,
симметричность, композиционная
целостность, исполнение и др.)
ПАТЕНТО-ПРАВОВАЯ
(патентная чистота, патентная
защита, соблюдение авторских
и смежных прав и пр.)
Рис. 5.1.3. Распределение показателей качества ЭС по группам
Показатели качества ЭС могут быть единичными, относящимися только к одному
из его свойств в группе: масса, вероятность безотказной работы, интенсивность отка-
зов и т. п., или групповыми (комплексными), относящимися к нескольким свойствам
группы, например: коэффициент готовности, срок эксплуатации и др.
Во многих случаях качество определяется на основе сравнения характеристик раз-
рабатываемого ЭС с некоторым эталоном (образцом). Для такой относительно^ оценки
качества используются базовые показатели [25].
Расчет показателей качества конструкции ЭС выполняют с помощью заполнения
карты технического уровня показателей качества. Уровень качества конструкции
(УКК) оценивается в три этапа.
На первом этапе осуществляется выбор номенклатуры показателей качества кон-
струкции ЭС в зависимости от объекта размещения. Например, для стационарных ЭС
может быть выбрана совокупность показателей из всех групп показателей качества
(см. рис. 5.1.3): функционального назначения, надежности, безопасности и эргоно-
мики, эстетики, унификации и технологичности, патентно-правовой.
Целью второго этапа является обзор существующих аналогов и выбор из них одного,
принимаемого за базовый образец. Базовым образцом считается изделие, которое по
показателям качества превосходит на настоящий момент другие подобные изделия,
а его техническая реализуемость подтверждена на практике.
На третьем этапе заполняется карта технического уровня показателей качества
и выполняется расчет УКК. Этот расчет основан на сравнении показателей качества
оцениваемой (разрабатываемой) конструкции с базовыми показателями. Сравнение
производится сначала для оценки частных показателей качества каждого параметра
(масса, вероятность безотказной работы и др.), затем для каждой группы показателей
качества, а уже по ним — для обобщенного (комплексного) показателя уровня каче-
ства ЭС.

Глава 5.1. Качество электронных средств
431
Для расчета частных показателей свойств конструкции в случае, если повышение
ее качества характеризуется уменьшением значения показателя (масса, габариты,
трудоемкость, энергопотребление и др.), используется формула:
На практике для определения значений весовых коэффициентов ац (Aj) наиболее
широко используются стоимостный, вероятностный и экспертный методы [25].
Стоимостный метод предполагает, что весовые коэффициенты а,ц зависят от затрат,
которые со временем меняются:
где qtj — частный уровень качества i-то свойства конструкции для у-ой группы показа-
телей;
Btj — базовый показатель £-го свойства конструкции для у-ой группы;
Dtj — показатель i-то свойства оцениваемой конструкции для у-ой группы показа-
телей;
rtj — число частных показателей у-ой группы;
N — количество групп показателей качества.
Если повышение качества конструкции приводит к увеличению значения показа-
теля (механическая жесткость, быстродействие, время наработки на отказ и др.), то
расчет qtj выполняется по формуле
Для определения группового уровня качества конструкции по у-ой группе показате-
лей используется выражение
где Aj — весовой коэффициент у-ой группы показателей качества оцениваемой кон-
струкции;
N — количество групп показателей качества.
Если полученное значение обобщенного показателя качества конструкции Qo6 > 1,
то качество проектируемого ЭС в целом лучше базового изделия.
Следует заметить, что оценка Qo6 существенно зависит от назначаемых весовых ко-
эффициентов atjHAj. Эти коэффициенты должны учитывать степень важности показа-
телей и удовлетворять условиям нормировки, т.е.
где atj — весовой коэффициент i-ro свойства в у-ой группе показателей оцениваемой
конструкции.
Обобщенный показатель уровня качества изделия можно представить в виде суммы
«взвешенных» значений групповых показателей Q;, у =l,iV, т. е.

432
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где Stj(t) — стоимостные затраты на обеспечение i-ro показателя качества в /-ой группе
показателей для текущего момента времени t.
Недостатком этого метода является необходимость частого пересчета значений а,ц
при изменении цен на материалы, энергоресурсы и т. д.
Вероятностный метод основан на том, что систематически производится статисти-
ческая обработка показателей качества и проектов, и определяется некоторая функ-
ция, показывающая зависимость ai} от степени приближения £-го свойства показателя
качества к эталонному значению. Весовой показатель выше, чем ближе значение част-
ного показателя qtj к значению, принимаемому за эталон.
Экспертный метод позволяет находить весовые коэффициенты а,ц на основе обра-
ботки мнений группы специалистов. С целью повышения объективности получения
оценок весовых коэффициентов процедура обработки строго регламентируется и сво-
дится к следующему:
• устанавливается ограниченный перечень показателей, наиболее полно характе-
ризующих качество ЭС (обычно их число составляет от 5 до 10);
• определяется балльная шкала оценок. Например, 3 балла соответствует оценке
«отлично», 2 балла — «хорошо», 1 балл — «удовлетворительно», а оценке «неу-
довлетворительно» соответствует ноль баллов. Такие баллы обеспечивают психо-
логически обоснованную разницу в 100 % между оценками «отлично» и «неудо-
влетворительно», а между оценками «хорошо» и «отлично» — 25 %;
• проводится экспертиза с привлечением группы экспертов предпочтительно ста-
бильного состава, например, из семи специалистов. Тогда в этом случае оценка
весового коэффициента atj считается принятой, если за нее отдано не менее пяти
голосов;
• для повышения достоверности получаемых результатов выставление баллов про-
изводится в два тура при открытом обосновании каждым экспертом своей оценки
между турами.
Метод предполагает, что голоса всех экспертов равноценны, поэтому большое зна-
чение имеет место подбор состава конкретной экспертной группы.
Пример заполнения карты технического уровня показателей качества приведен в
табл. 5.1.1.
Таблица 5.1 Л
Карта технического уровня показателей качества
№
п/п
Наименование показателя
Численное значение показателя
щ
»Ч
Яц
аа
9ijaij
1. Группа функционального назначения
1.1
1.2
1.3
1.4
Объем, дм3
Масса, кг
Мощность потребляемая, Вт
Уровень миниатюризации
25
160
160
200
20
120
130
220
1,25
1,33
1,23
1Д
0,3
0,2
0,3
0,2
0,375
0,266
0,369
0,22
Qx = l,23; Ах = 0,3; А^ = 0,369

Глава 5.1. Качество электронных средств
433
Окончание табл. 5.1.1
№
п/п
Наименование показателя
Численное значение показателя
*ц
А,
2. Группа надежности
2.1
2.2
2.3
Время наработки до отказа, ч
Средний срок службы, лет
Среднее время восстановления, ч
2000
6
2
2500
6
1
Q2-l,5; А2-0,3; A2Q2-0,45
3. Группа безопасности и эргономики
3.1
3.2
3.3
3.4
Безопасность, баллы
Гигиена, баллы
Антропометрия, баллы
Психофизиология, баллы
3
3
3
3
3
3
2,6
3
Qs=l,09; А3 = 0,1; ASQ3 = 0,109
4. Группа эстетики
4.1
4.2
4.3
Выразительность, баллы
Рациональность формы, баллы
Совершенство исполнения, баллы
3
2
3
3
3
3
04=1,2; А4 = 0,4; A4Q4 = 0,48
5. Группа унификации и технологичности
5.1
5.2
5.3
5.4
Трудоемкость, нормо-часы
Материалоемкость, кг
Себестоимость, тыс. руб.
Применяемость
220
120
11
0,5
200
100
10
0,6
в5=1ДЗ; A5 = 0,1; A5Q5 = 0,113
6. Группа патентно-правовая
6.1
6.2
Патентная защита, баллы
Патентная чистота, баллы
2
2
3
2
Q6=l,4; A6 = 0,1; A6Q6 = 0,14
Qo6= 1,661
Яч
1,25
1
2
1
1
1,30
1
1
1,5
1,0
1Д
1,2
1,1
1,2
1,5
1
ач
0,4
0,2
0.4
0,4
0,1
0,3
0,2
0,2
0,4
0,4
0,5
0,2
0,2
0,1
0,8
0,2
Чц aij
0,5
0,2
0.8
0,4
0,1
0,39
0,2
0,2
0,6
0,4
0,55
0,24
0,22
0,12
1,2
0,2
Как видно из табл. 5.1.1, значение обобщенного УКК Qqq> 1, поэтому можно сде-
лать вывод, что проектируемое ЭС качественнее базового образца.

434
Конструирование узлов и устройств электронных средств
5.1.4. Общие сведения о контроле качества ЭС
В общем случае под контролем качества изделия понимается проверка количествен-
ных и качественных характеристик (показателей) его свойств на соответствие установ-
ленным требованиям, поэтому для достижения требуемого качества ЭС, как техниче-
ского объекта, большую роль играет организация контроля его качества (рис. 5.1.4).
( КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ )
- -L --Г- JL-■
Объекты контроля
Материал
Заготовка
Сборочная
единица
Комплект
^
^"_
^
ч
*—
ь
W
ЭРИ 1
Деталь 1
Комплекс
Технологический
процесс
Виды контроля
L
—►
—►
—►
—►
—►
Входной
Операционный
Функциональный
Параметрический
Выходной
Категории контроля
Сплошной
Выборочный
Непрерывный
Периодический
Рис. 5.1.4. Структура организации контроля качества ЭС
При контроле материала, заготовки и детали обязательной проверке подлежат: марка
материала, его физико-химические свойства, внешние и внутренние дефекты, геометри-
ческие параметры. Для сборочной единицы, комплекса, комплекта предусмотрен кон-
троль геометрических и функциональных параметров, внешних и внутренних дефектов.
На всех стадиях (операциях) технологического процесса предусматривается кон-
троль качественных и количественных характеристик изделий, средств технологи-
ческого оснащения и контроля. Процессы контроля должны обеспечивать решение
задач, установленных для входного, операционного, функционального, параметри-
ческого и выходного контроля, и охватывать весь технологический процесс и его ре-
зультаты, предотвращать попадание дефектных заготовок и изделий на последующие
этапы изготовления.
При входном контроле контролируется качество материалов, полуфабрикатов, за-
готовок, комплектующих деталей, сборочных единиц.

Глава 5.1. Качество электронных средств
435
При операционном контроле выявляют отклонения режимов технологической
операции, свойств исходных материалов, свойств окружающей среды, определяют
ошибки операторов и параметры настройки технологического оборудования.
Функциональный контроль определяет качество функционирования ЭС в соответ-
ствии с логикой его работы, ориентирован на обнаружение постоянных неисправно-
стей и является основным видом контроля при производстве и эксплуатации ЭС, в том
числе при ремонте.
Параметрический контроль предназначен для проверки соответствия электриче-
ских параметров ЭС требованиям, установленным в ТЗ.
При выходном контроле контролируется качество готовой продукции в соответ-
ствии с требованиями нормативно-технической документации. Он осуществляется от-
делом ОТК с привлечением, при необходимости, представителя заказчика.
Как видно из рис. 5.1.4, процессы контроля подразделяют на четыре основные кате-
гории, применяемые как по отдельности, так совместно. Так, по полноте охвата разли-
чают сплошной и выборочный контроль, а по связи с объектом контроля — непрерыв-
ный и периодический. Сплошной контроль применяют в условиях высоких требований
к уровню качества продукции, у которых недопустим пропуск дефектов в дальнейшее
производство и эксплуатацию. Выборочный контроль применяют для изделий, когда
их количество достаточно для обеспечения качественного статистического метода кон-
троля. Непрерывный контроль применяют для обеспечения постоянного контроля ко-
личественных и качественных характеристик изделия с помощью средств автоматиче-
ского или полуавтоматического контроля. Периодический контроль применяют при
установившемся производстве и стабильности технологического процесса.
5.1.5. Анализ качества технологических процессов производства ЭС
Проведение анализа качества технологических процессов начинается с выбора
информативных показателей качества, который требует проведения структурного
анализа технологического процесса и определения точек контроля. Контролируемые
параметры необходимо классифицировать и упорядочить по их важности для техноло-
гического процесса по критерию ценности информации и провести их анализ. Следует
заметить, что контролируемые параметры могут характеризовать отдельную опера-
цию, аппаратно-процессную единицу (АПЕ), часть процесса или технологический про-
цесс в целом. Здесь под АПЕ понимается любой основной аппарат в технологической
цепочке, в процессе работы которого производится изменение состояния или струк-
туры полуфабриката изделия [56].
В качестве примера на рис. 5.1.5 представлена обобщенная структурная схема
формирования выходных параметров ЭС для технологического процесса его изготов-
ления.
На входе технологического процесса имеются исходное сырье, заготовки, матери-
алы комплектующие, параметры которых можно разделить на геометрические пара-
метры, определяющие размеры и качество поверхности, физико-химические параме-
тры, определяющие твердость, упругость, микроструктуру, текучесть, прочностные и
магнитные свойства, электропроводность и т. п., а также химические параметры, ха-
рактеризующие состав исходного сырья.
Каждая группа параметров изменяется качественно и количественно в ходе тех-
нологического процесса с помощью АПЕ, состав и количество которых определяются
характером технологического процесса и масштабами производства. Каждая АПЕ пре-
образует геометрические, электрофизические и химические параметры исходного ма-
териала, заготовок, полуфабрикатов в геометрические параметры деталей. Например,

436
Конструирование узлов и устройств электронных средств
диаметр и длина поковки преобразуются в размеры отдельных деталей; физико-
механические параметры заготовок — в физико-механические параметры деталей;
химический состав исходного сырья определяет химический состав материала и т. д.
Изменения всех этих параметров описываются определенными законами распределе-
ния. Совокупность законов распределения параметров определяет выходные функцио-
нальные характеристики деталей, их точность и надежность, а следовательно, и каче-
ство в целом.
Законы
распределения
электрофизических
и химических
свойств материалов
для АПЕ 1
Законы
распределения
электрофизических
и химических
свойств материалов
для АПЕ N
Законы
распределения
электрофизических свойств
и геометрических размеров
заготовок
АПЕ1
Законы распределения
выходных параметров,
характеризующих качество
изготовленных на АПЕ 1
деталей
АПЕЫ
Законы распределения
выходных параметров,
характеризующих качество
изготовленных на АПЕ N
деталей
Законы
распределения
выходных характеристик
комплектующих
изделий или деталей
для АПЕ 1
Законы
распределения
выходных характеристик
комплектующих
изделий или деталей
для АЛЕ N
Рис. 5.1.5. Структурная схема формирования выходных параметров ЭС
Технологический процесс, состоящий из операций, выполняемых соответствую-
щими АПЕ, можно характеризовать четырьмя большими группами факторов для
заготовительных, обрабатывающих, сборочных и испытательных операций соответ-
ственно [56].
К первой группе относятся входные контролируемые и управляемые параметры
^з = { х1з }у^-о = { xio }> ^с = { xtc} и Хи = { хы }, i = 1, k9 призванные уменьшать погреш-
ности технологического процесса и поддерживать заданные режимы, обеспечивая тем
самым получение продукции требуемого уровня качества. Пределы изменения каждого
из параметров определяются технологическим регламентом процесса. Однако непосред-
ственно при производстве задаются значением xi9 отвечающим условию ximin <xt< ximax.
Вторая группа состоит из входных контролируемых, но неуправляемых параме-
тров W3 = { wi3}, WQ = { wio }, Wc = { wic}, WH = { wivl}, i = 1J, пределы изменения которых
определяются также технологическим регламентом процесса и заданными допусками
W- • <W<W-
**4min —wi— "'шах*
К третьей группе относятся неконтролируемые и неуправляемые параметры каче-
ства исходных материалов, деталей и сборочных единиц технологических факторов
процесса Z3 = {zi3}, Z0 = {zio}, Zc = {zic}, ZH = {ziH}, i = l^n.

Глава 5.1. Качество электронных средств
437
В состав четвертой группы включаются выходные показатели Y3 = {yi3}9 Y0 = {yio}9
Yc = { yic}, Уи = { yiK }, i = 17Я, несущие информацию о качестве полуфабрикатов, деталей
и готовых изделий и удовлетворяющие установленным допускам yimin <уь<у1тах.
На рис. 5.1.6 приведена упрощенная модель технологического процесса изготовле-
ния ЭС.
Рис. 5.1.6. Модель технологического процесса типа «черный ящик»
Необходимо заметить, что хотя задача выбора информативных параметров доста-
точно хорошо разработана теоретически, на практике приходится сталкиваться со
многими трудностями, поэтому от качества решения данной задачи напрямую зависит
контроль качества технологического процесса.
Для анализа качества технологического процесса разрабатывают так называемую
технологическую схему контроля качества, основанную на принципиальной или
аппаратно-технологической схеме и дающую полную картину контроля качества тех-
нологического процесса [56].
В качестве примера на рис. 5.1.7 приведен один из вариантов такой схемы, в кото-
рой указаны управляемые и контролируемые входные параметры { xt}, i = 1, k, выход-
ные параметры полуфабрикатов, деталей или готового изделия {yt}, i = l,n, и управ-
ляющие сигналы {А^}, i = l,fc, выработанные системой на основании информации,
полученной от пунктов контроля при измерении выходных параметров уь.

438
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где t — текущее значение параметра, а стрелками указано направление формирова-
ния параметров изделия.
Следует заметить, что здесь учтены только управляемые входные факторы {xt}.
Однако на выходные параметры оказывают влияние также неуправляемые факторы
{щ}, i = l9l. Поэтому на основании текущих значений, по крайней мере, двух факто-
ров xt(t) и wt(t) прогнозируется ожидаемое значение выходного параметра yt(t). Если
значение yt(t) не соответствует заданному, то вырабатывается управляющее воздей-
ствие Axt(t). В зависимости от величины и знака управляющего сигнала осуществля-
ла
ется изменение входных параметров Х*а(0 таким образом, чтобы совокупность xt(t)
и и>№) определила значение yt(t)9 близкое к заданному yt.
Информация о параметрах уг воспринимается датчиками, преобразующими иден-
тифицируемые величины в электрический сигнал необходимого вида. Следовательно,
метод получения, обработки и отображения информации о качестве технологического
процесса производства электронных средств подобен методам получения, преобразо-
вания, передачи и отображения информации, реализуемых в любых информационно-
измерительных системах. Однако реализация такого метода применительно к техно-
логии производства ЭС имеет следующие особенности [56]:
• трудности преобразования информационного сигнала в управляющий из-за от-
сутствия достаточных сведений о системе взаимодействия технологических фак-
торов с выходными параметрами качества изделия;
• необходимость адаптации каждой системы контроля и управления к конкрет-
ному производству из-за различной структуры и состава информационных по-
токов, сигналов управления, а также соответствующего математического и аппа-
ратного обеспечений.
Проведение анализа погрешностей параметров качества при изготовлении целого
ряда ЭМО, в первую очередь, ИМС, приводит к выводу, что для стабильного производ-
ства распределение этих погрешностей должно быть близко к нормальному закону.
Между тем на практике иногда распределения погрешностей отличны от гауссовского
закона.
Несмотря на практические трудности в получении гауссовских законов распределе-
ния производственных погрешностей, следует подчеркнуть, что во всех случаях откло-
нение распределений погрешностей параметров качества изделий от нормального закона
служит отправной точкой к анализу процессов для отыскания причин отклонения.
Рекомендуется следующий порядок исследования технологического процесса с це-
лью его анализа по критериям точности и стабильности [56].
1. Сбор статистического материала, представляющего собой совокупность наблюде-
ний за параметром качества в течение определенного времени.
2. Обработка собранного материала для получения полных распределений погрешно-
стей параметров качества и построения точностных диаграмм исследуемого процесса.
3. По виду полных распределений, точностных диаграмм и значениям статистиче-
ских критериев сходимости эмпирических распределений с теоретическими принима-
ется гипотеза о принадлежности исследуемого процесса к определенной схеме возник-
новения производственных погрешностей.
В соответствии с рис. 5.1.7, информация о параметрах управляющего процесса
представляется в виде последовательности

Глава 5.1. Качество электронных средств
439
4. Путем анализа физико-технологической сущности исследуемого процесса и до-
полнительного эксперимента подтверждается принятая гипотеза, и определяются
факторы, действие которых обусловливает данную схему.
5. Даются рекомендации к изменению технологического процесса для повышения
его точности и стабильности.
6. После выполнения разработанных рекомендаций в течение определенного срока
производится сбор и обработка статистического материала для подтверждения эффек-
тивности реинжиниринга технологического процесса.
Приведем пример анализа технологического процесса изготовления тонкопленоч-
ных резисторов по критериям точности и стабильности [56].
Одним из распространенных видов брака в производстве гибридно-пленочных
ИМС является отклонение сопротивлений тонкопленочных резисторов от номинала
за пределы установленного поля допуска. В процессе предварительного исследования
был собран статистический материал, представляющий собой совокупность значений
сопротивлений тонкопленочных резисторов, измеренных после каждого цикла напы-
ления в течение большого временного периода. Источником статистической информа-
ции служила одна из вакуумных установок технологического участка, а напыление в
течение всего времени осуществлялось через один комплект биметаллических масок.
Очевидно, что совокупность тонкопленочных резисторов, полученных за один цикл
напыления, может быть представлена мгновенным распределением погрешностей па-
раметра качества (в данном случае — сопротивления резисторов). Совокупность тон-
копленочных резисторов, полученных за несколько циклов напыления, представляет
полное распределение погрешностей параметра качества.
На основе обработанного статистического материала была построена эмпирическая
точностная диаграмма исследуемого технологического процесса (рис. 5.1.8).
— Изменение полей
рассеивания (±3а)
погрешностей
сопротивления
резисторов;
— Изменение центров
группирования
погрешностей
сопротивления
резисторов;
— Номер цикла
напыления.
Рис. 5.1.8. Точностная диаграмма процесса напыления резисторов
Из рассмотрения диаграммы следует, что, начиная с четвертого цикла напыления,
поле рассеивания погрешностей сопротивления тонкопленочных резисторов выходит
за пределы поля допуска, центры группирования погрешностей сопротивления тонко-
пленочных резисторов в мгновенных распределениях практически линейно растут во
времени, а также поле рассеивания погрешностей сопротивления тонкопленочных ре-
зисторов в мгновенных распределениях не меняется во времени.

440
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Также были построены и проверены по критерию Пирсона (хи-квадрат) эмпириче-
ское полное распределение погрешностей сопротивления тонкопленочных резисторов
(см. рис. 5.1.9). Проверка показала, что полное распределение по внешнему виду
весьма напоминает композицию нормального закона с законом равной вероятности.
Рис. 5.1.9. Гистограмма полного распределения сопротивления резисторов
Следовательно, в данном случае имеется вполне определенная теоретическая схема
возникновения погрешностей, а именно схема суммы, в которую, кроме большого
числа случайных погрешностей, входит одно или несколько неслучайных. Зная физи-
ческую сущность технологического процесса, можно сделать следующее заключение.
Наличие неслучайных слагаемых погрешностей, значения которых меняются во вре-
мени, связано с систематической невоспроизводимостью линейных размеров тонко-
пленочных резисторов в процессе напыления от цикла к циклу.
5.1.6. Операционный, функциональный и параметрический виды
контроля качества ЭС
В соответствии с принципами ВУК, на этапе разработки ЭС закладывается опреде-
ленный уровень их качества, а на этапе производства осуществляется реализация этого
уровня. Соответствие изготавливаемых ЭС необходимому уровню качества во многом
зависит от полноты и достоверности информации, получаемой в результате операци-
онного контроля технологического процесса их изготовления.
Операционный контроль позволяет выявить брак уже на ранних стадиях изготов-
ления ЭС, обеспечить устранение некоторых причин появления этого брака и, тем са-
мым, обеспечить эффективность производственного процесса. При помощи операци-
онного контроля выявляют отклонения режимов технологической операции, свойств
исходных материалов, свойств окружающей среды, определяют ошибки операторов и
параметры настройки технологического оборудования.
По применяемым средствам операционный контроль подразделяется на измери-
тельный, регистрационный (когда измерительные параметры регистрируются), орга-
нолептический контроль и технический осмотр.
Широкое применение в производстве ЭС находит органолептический контроль, при
котором первичная информация воспринимается органами чувств человека. Органо-
лептический контроль обеспечивает получение непредставленной в числовом выраже-
нии информации. Решение относительно объекта контроля принимается в этом слу-
чае только по результатам анализа чувственных восприятий (например, по цветовым
оттенкам, форме и цвету дефектов изделий и т. д.). При органолептическом контроле
могут применяться средства контроля, не являющиеся измерительными, но увеличи-
вающие разрешающую способность или восприимчивость органов чувств.

Глава 5.1. Качество электронных средств
441
Органолептический контроль составляет большой объем при контроле качества ЭС.
Трудоёмкость операций органолептического контроля составляет от 25% и выше тру-
доёмкости всех контрольных операций. Например, до 30 % затрат на производство пе-
чатных плат приходится на органолептический контроль, и тратится до 30 % общего
технологического времени.
Органолептический контроль, осуществляемый органами зрения, называют визу-
альным контролем. В США визуально проверяется около 78 % печатных плат. Однако
достоверность визуального контроля, осуществляемая оператором, зависит от многих
субъективных факторов и составляет 60...65 % [56].
С ростом степени интеграции современных ЭС соответственно возрастают требова-
ния к визуальному контролю. Возникает необходимость осуществления 100 % визу-
ального контроля с высокой степенью достоверности, что невозможно реализовать на
практике без применения автоматизированных систем.
Все методы органолептического анализа оперируют с качественными показате-
лями изделий и позволяют дать ответ на вопрос, годно изделие или нет. Однако для
автоматизации визуального контроля необходимо качественные показатели оценить
количественно. Для этого используются системы Технического зрения (СТЗ). Идея
использования автоматизированных систем визуального контроля качества продук-
ции (в частности, печатных плат) возникла еще в 60-е годы, однако только с широ-
ким распространением средств вычислительной техники стало возможным реальное
внедрение в операционный контроль СТЗ, имеющих много преимуществ как перед
электронными средствами контроля, так и перед зрительной проверкой, выполняемой
человеком [56, 57]. Это и возможность неконтактного считывания, высокое быстро-
действие и точность контроля; способность видеть в малых или ограниченных обла-
стях спектра и др.
Процессы операционного контроля в производстве ЭС характеризуются рядом осо-
бенностей [56]. К ним относятся:
• широкое многообразие применяемых методов и технических средств;
• рост относительной трудоёмкости доли контрольных операций в общей трудоем-
кости технологического процесса изготовления ЭС;
• постепенная замена процессов контроля продукции на процессы контроля техно-
логических процессов.
Многообразие средств контроля вытекает из широкой номенклатуры объектов про-
изводства ЭС и роста конструктивной сложности этих изделий. Объектами современного
производства ЭС являются электронные модули различной конструктивной иерархии,
в том числе пассивные и активные ЭМ0, разнообразные по назначению цифровые и ана-
логовые функциональные узлы и блоки, а также устройства СВЧ-диапазона. В произ-
водстве ЭС используется широкий набор различных комплектующих изделий, включая
разнообразные ЭРИ: транзисторы, диоды, ИМС, конденсаторы, резисторы, коммута-
ционные устройства и другие ЭМ0. Современное производство ЭС — это производство,
использующее различные варианты технологий создания полупроводниковых и пле-
ночных ИМС, технологию печатного монтажа, технологии процессов сборки, включая
процессы герметизации. Разнообразие конструктивно-технологических вариантов из-
делий ЭС требует применения в производстве широкой номенклатуры как методов кон-
троля самих изделий, так и методов контроля технологии их изготовления.
При операционном контроле продукции применяют обширный спектр методов, как
правило, неразрушающего контроля. Это оптические, рентгенографические, тепловые
методы, методы электронной микроскопии, электрических измерений и т. д., которые
используют, в частности, при операционном контроле технологических процессов из-
готовления печатных плат, микросхем и микросборок. Например, при операционном

442
Конструирование узлов и устройств электронных средств
контроле технологического процесса изготовления изделий микроэлектроники широ-
кое применение нашли тестовые схемы, состоящие из тестовых структур [56].
Тестовая структура представляет собой совокупность определенным образом спро-
ектированных и соединенных элементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов,
проводников и т. д.), изготавливаемых совместно с реальными изделиями по анали-
зируемому технологическому процессу и предназначенных для определения погреш-
ностей формирования геометрических размеров и физических характеристик, а также
характеристик дефектности физической структуры реального изделия.
Тестовая схема (ТС) представляет собой совокупность тестовых структур, число ко-
торых обеспечивает получение параметров распределений погрешностей формирова-
ния геометрических размеров, физических характеристик, характеристик привноси-
мой дефектности с заданной точностью при определенной доверительной вероятности,
а набор элементов адекватно отражает физическую структуру реального изделия, из-
готавливаемого по анализируемому технологическому процессу.
Статистические методы операционного контроля технологического процесса обе-
спечивают получение таких параметров процесса, как точность и стабильность, для
оценки которых требуется статистически значимая информация. Поэтому методы,
обеспечивающие получение такой информации, должны характеризоваться высокой
производительностью измерения и обработки результатов. Этим требованиям отвечает
метод статистического анализа технологического процесса, основанный на примене-
нии тестовых схем [56, 58]. ТС состоит из совокупности элементов, не входящих в со-
став рабочих элементов изделия и предназначенных для получения информации, обе-
спечивающей расчет характеристик качества технологического процесса или критерия
годности реального изделия, расположенного на той же подложке. Таким образом,
специальная конструкция и определенная комбинация элементов, составляющих ТС,
позволяют использовать ее в качестве инструмента получения нужной информации.
Широкое применение ТС как источника информации о качестве изготовления из-
делий микроэлектроники обусловлено групповым характером обработки изделий на
большинстве операций технологического процесса. Вследствие этого сильно коррели-
рована погрешность геометрических размеров на элементах ТС и элементах реальной
схемы, изготовленных в одном цикле (в партии на подложке или в групповой партии).
Высокая коррелированность погрешностей формирования геометрических размеров
и дефектности при одновременном изготовлении тестовых схем й реальных изделий
позволила использовать тестовые схемы для получения информации о свойствах тех-
нологического процесса и одновременно о качестве изготавливаемых изделий. Так как
тестовая схема проектируется специально для получения такой информации и имеет
унифицированную для данного конструкторско-технологического варианта конструк-
цию, то процесс измерения и обработки результатов измерений производят с примене-
нием автоматизированных систем.
При проектировании ТС для анализа технологического процесса осуществляют:
• определение содержания и формы представления получаемой информации;
• выбор метода измерения параметров элементов ТС, измерительного оборудования
и режима измерения;
• определение номенклатуры тестовых элементов;
• разработку конструкции каждого тестового элемента;
• определение числа однотипных элементов в ТС;
• выбор способа размещения и соединения элементов, геометрии и мест расположе-
ния контактных площадок.
■\ При проектировании тестовых схем необходимо учитывать, что выходкой информа-
цией, получаемой как результат измерения и математической обработки результатов

Глава 5.1. Качество электронных средств
443
измерения, является совокупность статистических данных: моменты распределений
параметров физической структуры, функциональных элементов, характеристик де-
фектности.
Так как контроль технологического процесса с использованием тестовых схем воз-
можен только с применением автоматизированных систем измерения, то предпочте-
ние отдается конструкциям тестовых элементов, характеризующихся электрически
измеряемыми параметрами, по которым расчетным путем и должна быть получена не-
обходимая выходная информация. Основными требованиями, предъявляемыми к из-
мерительному оборудованию, являются возможность измерения электрических пара-
метров тестовых элементов в автоматическом режиме и наличие в своем составе ЭВМ,
не только управляющей процессом измерения, но и проводящей обработку измерен-
ных результатов по специально разработанным программам.
С учетом роста стоимости современных электронных средств первостепенное зна-
чение при контроле качества приобретает параметрический и функциональный кон-
троль ЭС на различных этапах их жизненного цикла. Эти виды контроля осуществля-
ются с помощью специальных тестов.
Функциональный контроль определяет качество функционирования ЭС в соответ-
ствии с логикой его работы, ориентирован на обнаружение постоянных неисправно-
стей и является основным видом контроля при производстве и эксплуатации ЭС, в том
числе при ремонте. Тесты функционального контроля достаточно компактны, время
проверки ЭС невелико, так как не требуется проводить дорогостоящие измерения, не-
обходимые при параметрическом контроле [56].
Параметрический контроль предназначен для проверки соответствия электриче-
ских параметров ЭС техническим требованиям и, в свою очередь, подразделяется на
статический и динамический контроль. Статический контроль предназначен для
контроля статических электрических параметров (например, контроль допустимых
значений амплитуды выходного сигнала, значений входных токов, тока потребления
и т. д.), а динамический — для контролирования временных характеристик электри-
ческих сигналов (например, времени задержки сигнала или длительности его фронта).
В отличие от функционального контроля параметрический контроль связан с точными
измерениями амплитуды сигнала, значений входных токов, времени задержки, дли-
тельности фронта сигнала и т. д., что приводит к существенным временным затратам
и использованию дорогостоящего оборудования. Основным назначением параметриче-
ского контроля является отработка технологического процесса, контроль в процессе
производства и выборочный входной контроль [56].
Для обеспечения эффективного применения функционального и параметрического
контроля, необходимо наличие тестопригодного изделия. Это требование должно вы-
полняться в процессе проектирования ЭС.
Тестопригодным называют ЭС, для каждой неисправности которого существует, по
крайней мере, один тестовый набор, с помощью которого эта неисправность выявля-
ется, а время построения тестов не превышает установленных временных и (или) ре-
сурсных затрат при построении тестов.
Здесь под тестом понимают множество тестовых наборов, предназначенных для
контроля качества ЭС, а тестовый набор представляет собой набор стандартных сиг-
налов, соответствующих логическим нулю или единице на входе ЭС (входной набор),
и ожидаемый набор стандартных сигналов на его выходе (выходной набор), соответ-
ствующий входному набору и логике функционирования проверяемого ЭС [56].
Выполнение условий тестопригодности при проектировании ЭС существенно со-
кращает время и упрощает получение необходимых тестовых наборов для выявления
неисправностей заданных классов.

444
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Построение тестов функционального контроля проводится для определенного
класса неисправностей. Однако при реальном тестировании ЭС не всегда необходимо
строить тесты для логических схем, представленных на уровне логических элементов
И, ИЛИ, НЕ, когда рассматривается множество неисправностей всех входов и выхо-
дов. Можно рассматривать множество неисправностей, отнесенных к входам и выхо-
дам конструктивных элементов. В этом случае тест строится только для данного мно-
жества неисправностей, а его построение чаще всего требует меньше времени и имеет
меньшее количество тестовых наборов.
Для построения тестов функционального контроля наибольшее распространение
получили алгоритм случайного поиска и D-алгоритм [56].
Алгоритм случайного поиска предполагает выполнение следующих этапов.
1. С помощью генератора псевдослучайных чисел формируется входной набор и по-
дается на вход логической модели.
2. Моделируется исправное состояние схемы и N - N^* неисправных состояний
схемы; здесь N — общее число неисправностей, a No6h — число неисправностей, обна-
руженных тестом. На первом шаге число обнаруженных неисправностей равно нулю,
поэтому моделируются все неисправности. Если состояние хотя бы одного выхода ис-
правной схемы отличается от состояния схемы с заданной неисправностью, то эта не-
исправность считается обнаруженной. Все обнаруженные неисправности заносятся в
специальный список.
3. Проверяется эффективность тестового набора Э,. Если Эь > В, где В — заданное
количество обнаруженных неисправностей для включения тестового набора в тест, то
набор включается в тест, при этом изменяются списки обнаруженных и необнаружен-
ных неисправностей, и осуществляется переход к п. 4. В противном случае, т. е. при
Э, < Б, производится запись номера тестового набора в таблицу невк л юченных в тест
наборов, и осуществляют возврат к п. 1.
4. Производится проверка эффективности последних К тестовых наборов (здесь
К — константа), для чего сравнивают их номера в таблице невк л юченных в тест те-
стовых наборов. Если номер i идут подряд, т. е. последние К тестовых наборов были
неэффективны, то переходят к п. 5, в противном случае — к п. 6.
5. Осуществляется изменение процесса генерации входных наборов (изменение на-
чальной установки генератора, принципа генерации и т. д.).
6. Производится проверка обнаружение всех неисправностей (N = Л/^). Если это
условие выполняется, то переходят к п.7.
7. Производится проверка временного критерия. Если время работы алгоритма
Т <ТЪ где Ti — заданный временной интервал работы алгоритма случайного поиска,
то переходят к п. 1, если нет, то работа алгоритма завершается.
Таким образом, результатом работы алгоритма случайного поиска является тест
функционального контроля и список необнаруженных неисправностей.
Дальнейшее построение тестовых наборов при наличии списка необнаруженных
неисправностей производится при помощи детерминированных алгоритмов. Детерми-
нированные алгоритмы обеспечивают получение тестов с большей полнотой, чем ал-
горитмы случайного поиска, однако выполняются значительно медленнее. Наиболее
широко в качестве таких алгоритмов применяют модификации £>-алгоритма.
Математический аппарат, применяемый в £>-алгоритме, основанный на понятии
логических кубов и правил действий над ними, подробно рассмотрен в [56]. Сущность
алгоритма заключается в реализации идеи активизации пути, которая состоит в том,
что на выходе неисправного элемента должно изменяться значение сигнала как сви-
детельство наличия неисправности. Этот сигнал должен быть передан по цепочке по-
следовательно соединенных логических элементов, составляющих так называемый

Глава 5.1. Качество электронных средств
445
активизированный путь, на какой-либо выход схемы. В результате значения сигналов
на этом выходе у исправной и неисправной схем будут различными.
С помощью £>-алгоритма находят такой входной набор, который для заданной не-
исправности выявляет в логической схеме активизированный путь и обеспечивает из-
менение сигналов на входах и выходах элементов по всему активизированному пути от
неисправного элемента до выхода схемы.
Следует заметить, что целесообразно совместное использование алгоритма случай-
ного поиска и детерминированных алгоритмов. В этом случае на начальном этапе по-
строения теста используется случайный поиск, а после снижения его эффективности
применяется детерминированный алгоритм.
Необходимость параметрического контроля качества ЭС обусловлена рядом при-
чин. Основными из них являются следующие [56]. {
1. При производстве ЭС нано- и пикосекундного диапазона, в которых задержки
распространения сигналов в связях становятся соизмеримыми с задержками распро-
странения на элементах, а иногда и превышают их, предъявляются повышенные тре-
бования к точности технологического процесса. Малейшие отклонения от норм приво-
дят к недопустимым изменениям электрических и динамических характеристик ЭС:
во-первых, к увеличению доли физических дефектов, которые не могут адекватно мо-
делироваться классами постоянных логических неисправностей; во-вторых, обнару-
жение дефектов, связанных с качеством технологии производства, предъявляет свои
требования к процессу генерации тестов и не может быть сведено только к пассивному
измерению значений параметров на тестовых последовательностях, ориентированных
на другой класс неисправностей.
2. Некоторые виды физических дефектов приводят к появлению неустойчивого
логического уровня сигнала (в одних случаях сигнал определяется как логический
ноль, а в других — как логическая единица). Естественно, такие дефекты могут быть
не обнаружены тестами, ориентированными на класс устойчивых логических неис-
правностей. Некоторые из такого рода физических дефектов обнаруживаются тестами
параметрического контроля. Другими словами, параметрический контроль позволяет
расширить область обнаруживаемых неустойчивых неисправностей.
3. Информация о разбросе действительных электрических и динамических ха-
рактеристик позволяет корректно организовывать некоторые контрольные экспери-
менты, например, с заданием не нормируемых, а изменяющихся в пределах допуска
значений входных сигналов (допусковый контроль).
4. Информация о действительных электрических и динамических характеристиках
необходима для оценки качества выпускаемой продукции в текущий момент времени.
Таким образом, современный этап развития технологии производства ЭС требует
внедрения не только тестов функционального, но и тестов параметрического кон-
троля.
Для формализации процесса получения тестов параметрического контроля необхо-
дима математическая модель. Это может быть, например, динамическая модель в виде
системы дифференциальных уравнений, позволяющая детально рассматривать дина-
мику изменения этих параметров. Однако использование такого рода моделей чрезвы-
чайно сложно для указанных выше объектов контроля, а получаемая от них информа-
ция является избыточной для поставленных целей.
В этих случаях используются аналитические и структурные модели, построенные
на основании различного рода зависимостей, в качестве которых используются, на-
пример, зависимости, описывающие величину задержки сигнала, максимальных то-
ков потребления схемы и выходного сигнала, формирования напряжения на выходе
устройства и др. [56].

446
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Зависимости, представляющие суммирование токов и ориентированные на про-
верку помехозащищенности, могут служить для обнаружения коротких замыканий
и обрывов входной периферии, а также выявления неисправности элементов вход-
ного уровня, работающих непосредственно от входов проверяемого ЭС. Контроль
этих параметров полезен при отсутствии тестов, ориентированных на обнаружение
неисправностей типа «короткое замыкание связей», «короткое замыкание элемен-
тов», так как позволяет обнаружить наиболее вероятные из дефектов технологиче-
ского процесса.
Тесты для порогового значения входного сигнала, основанные на зависимостях,
полученных в предположении существования активизированного пути «у-й вход
схемы — i-й выход», позволяют диагностировать дефекты, связанные с потерей стаби-
лизирующих свойств элемента, и дефекты связей, влияющие на уровни напряжения
(сопротивления проводников, превышающие значения, определяемые стабилизирую-
щими свойствами элементов).
Необходимо заметить, что выбор моделей должен учитывать поставленные задачи,
технологию производства и состав средств моделирования.
Построение измерительных тестов параметрического контроля предъявляет более
жесткие требования к алгоритмам генерации тестовых наборов, чем построение тестов
для функционального контроля.
Такой алгоритм должен не только удовлетворять всем условиям построения тестов
для константных неисправностей, но и также обеспечивать следующие основные тре-
бования:
• активизацию любого пути в схеме;
• подачу перепада на входе активизируемого пути (изменение логического значе-
ния сигнала на входе с единицы на ноль или с нуля на единицу) при условии по-
стоянного значения сигналов на других входах;
• блокировку параллельного распространения перепада логических значений по
путям со сходящимися разветвлениями.
Обеспечение этих требований осуществляется при помощи программ построения
тестов параметрического контроля, входящих в состав системы автоматизированного
построения тестов.
Разработка теста для ЭС, как правило, начинается с априорной оценки трудоемко-
сти построения теста для данного электронного средства. Для этого существует целый
ряд методов, на основании которых может быть дана такая количественная оценка —
тестопригодность, позволяющая обратить внимание разработчика на те составные ча-
сти ЭС, которые имеют наименьшие показатели тестопригодности, с целью внесения
изменений в проектируемое средство и, как следствие, упрощения процедуры построе-
ния тестов.
Процедура построения тестов состоит из двух основных частей: обеспечения на вхо-
дах схемы ЭС значений, необходимых для обнаружения неисправности, и обеспечения
наблюдения реакции схемы с данной неисправностью на ее выходах. Оценка трудоем-
кости первой части соответствует значению «управляемости», а второй — значению
«наблюдаемости» для данного элемента схемы. На основании значений управляемо-
сти и наблюдаемости и рассчитывается тестопригодность схемы [56, 59].
Первый показатель тестопригодности — управляемость, может принимать значе-
ния в диапазоне от О до 1. Максимальное значение имеет вход схемы, где можно легко
установить как логическую 1, так и логический 0. Другое предельное значение управ-
ляемости — логический 0, имеет элемент, вход которого не может быть установлен в
одно из двух возможных состояний, например, заземленный вход. Практически зна-
чения управляемости большинства элементов лежат между этими двумя границами.

Глава 5.1. Качество электронных средств
447
При этом удовлетворяются следующие условия: Т = О, если либо С = О, либо VV 0;
Т= 1,еслииС= 1,иТ^ = 1;0<Г< 1при0<С< 1и0<^< 1.
где Kv — коэффициент передачи наблюдаемости.
Коэффициент Kv является количественной мерой, характеризующей уменьшение
значения наблюдаемости элемента по мере продвижении к выходу вдоль активизи-
рованного пути при условии, что другие элементы схемы управляемы. Этот коэффи-
циент определяет способность схемы передавать изменения логического состояния
одного входа на определенный выход. Коэффициент передачи наблюдаемости от входа
элемента к его выходу должен быть равен 0, если не существует пути транспортировки
неисправности между этими двумя точками. С другой стороны, Kv = l, если транспор-
тировка осуществляется всегда независимо от состояний активизирующих входов.
Однако в действительности величина Кv находится между этими двумя предельными
значениями.
Определив понятия управляемости, наблюдаемости и способы их оценки, рассмо-
трим меру тестопригодности Т элемента и всего ЭС [56]. Для каждого элемента мы
имеем соотношение
Здесь Кс — коэффициент передачи управляемости элемента, связанный с этим выхо-
дом, а /(Свх) зависит от значений управляемости всех входов, которые управ-
ляют рассматриваемым выходом.
Заметим, что коэффициент Кс выхода является мерой, характеризующей степень
различия способности элемента генерировать на данном выходе значение логической
единицы от способности генерировать значение нуля. Этот коэффициент зависит
только от логической функции, реализуемой элементом, и не зависит от места его рас-
положения в схеме. Значение функции /(Свх) определяется как среднее арифметиче-
ское значение управляемости на входах элемента. Если вход может быть непосред-
ственно установлен в 1, то значение /(Свх)=1 и, соответственно, Свых = Кс.
Рассмотрим теперь второй показатель тестопригодности — наблюдаемость. Для
элемента логической схемы он определяется как мера, характеризующая способность
к передаче информации о логическом состоянии данного элемента на один или не-
сколько выходов схемы. Это означает, что наблюдаемость входа схемы равна 1, и это
значение уменьшается по мере продвижения сигналов вдоль активизированного пути.
Однако, в общем случае, процесс распространения информации о неисправности зави-
сит как от условия активизации определенного входа, так и от условия установки фик-
сированных значений на некоторых или всех других входах, позволяющих активизи-
ровать путь к определенному выходу. Следовательно, наблюдаемость на выходе
Если входы логической схемы управляются непосредственно, то управляемость ее
выходов должна просто отражать меру способности устройства к установке на каж-
дом выходе 0 или 1, что определяется логической функцией схемы. Однако, в общем
случае, управляемость входов не составляет 100 %. Поэтому управляемость выходов
должна учитывать как способность к передаче логических значений через элемент,
так и значения управляемости на ее входах, и выражение, используемое для вычисле-
ния значений управляемости для каждого выхода, имеет вид:

448
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где N — число элементов в ЭС.
В настоящее время тесты для различных видов контроля качества ЭС разрабатыва-
ются, в основном, с помощью систем автоматизированного проектирования, в которых
имеются специальные независимые подсистемы автоматизированного построения тестов,
использующие информацию о логических схемах ЭС и электрических характеристиках
элементов ЭС, хранящуюся в базе данных САПР. В состав таких САПР, кроме того, вхо-
дят программы, с помощью которых возможно определить тестопригодность ЭС.
Блок-схема автоматизированной системы построения тестов, приведенная на рис. 5.1.10,
является общей для функционального и параметрического контроля качества ЭС. Рас-
смотрим ее основные элементы [56].
1 Опирание
логической
схемы на
языке САПР
База
данных
САПР
Библиотека
компонентов
логических
схем
Управление
диалоговой
системой
8 Структурный
анализ
Оценка I
тестопригодности/
Транслятор для
параметрического|
контроля
12
Логическая
модель схемы
Алгоритмы
построения тестов!
|параметрического|
контроля
r14 ^
Тесты
динамического
контроля
Рис. 5.1.10. Структура автоматизированной системы построения тестов
Блок 1 предназначен для трансляции описания логической схемы рассматриваемого
ЭС на языке САПР и передачи в базу данных (блок 2), где хранится информация о всех ло-
гических схемах ЭС. Блок 3 представляет библиотеку логических элементов, соответству-
ющих разработанным и выпускаемым интегральным микросхемам, типовым элементам
замены, модулям и т. п. с описанием их логических схем и физических характеристик.
Например, если элемент имеет С = 0,5 и7= 0,5, то его тестопригодность можно оце-
нить как Т = 0,25.
Общий показатель тестопригодности для всего ЭС определяется как мера средней
трудоемкости получения теста для каждого элемента, а следовательно, эта мера явля-
ется средним арифметическим значением тестопригодности всех элементов ЭС:
1
Генератор
псевдослучайных
входных
сигналов J
Транслятор для
логической
модели
ь. А
Транслятор для
функционального
контроля
[ Алгоритмы
построения тестов
функционального
i контроля
Тесты
статического
контроля
16 Выходные
трансляторы I
тестов I
функционального!
^ контроля )
Г 17Выходные Л
трансляторы
тестов
параметрического
I контроля J

Глава 5.1. Качество электронных средств
449
Управление (блок 4) осуществляется через диалоговую систему, основным на-
значением которой являются задание режимов работы системы построения тестов,
отображение и анализ информации о результатах работы, ввод исходных данных и
анализ проектируемых тестов, а также внесение необходимых изменений в тестируе-
мые ЭС.
Преобразование входной информации о тестируемом ЭС и представление ее в удоб-
ной для последующей работы системы форме выполняется тремя трансляторами.
Транслятор для логической модели (блок 5) подготавливает информацию для блока 8
структурного анализа логической схемы ЭС. Этот блок на рис. 5.1.10 выделен отдельно,
но он тесно связан с блоком 12 «Логическая модель схемы». Кроме того, информация
о структуре ЭС и его элементах может быть использована также для количественных
оценок тестопригодности ЭС. Получение такой информации позволяет разработчику
проанализировать и при необходимости изменить принципиальную схему тестируе-
мого ЭС.
Наиболее быстрым методом построения тестов функционального контроля явля-
ется формирование входных последовательностей генератором псевдослучайных чи-
сел — алгоритм случайного поиска. Такие входные последовательности подаются на
вход логической модели, где проверяется их корректность и их тестовая способность —
обнаружение дефектов, имеющихся на данном шаге в списке необнаруженных неис-
правностей (блоки 11, 12), после чего формируется тестовый набор.
Тестовый набор заносится в список тестов функционального контроля, а список
необнаруженных неисправностей корректируется — исключаются обнаруженные те-
стовым набором неисправности (блок 15). Получение тестов с помощью алгоритма слу-
чайного поиска прекращается по любому из критериев, введенных в систему построе-
ния тестов — времени работы или числу обнаруженных неисправностей на п-м шаге.
В дальнейшем, если в списке неисправностей остались необнаруженные дефекты, че-
рез управление системой запускаются алгоритмы построения тестов функционального
контроля (блок 9, в который из блока 15 передается список необнаруженных неисправ-
ностей). Результатом работы блока 9 является полученный для данной неисправности
тестовый набор, передаваемый в блок 12.
Для построения тестов параметрического контроля требуется получить специаль-
ную информацию из базы данных САПР. Это осуществляется с помощью специального
транслятора (блок 7) для программ построения тестов параметрического контроля.
Алгоритмы построения тестов параметрического контроля (блок 10) тесно связаны с
детерминированными алгоритмами, так как в обоих случаях необходимо иметь так
называемый «активизированный путь» от входа до выхода схемы. Результатом ра-
боты этих алгоритмов являются тесты статического и тесты динамического контроля
(блоки 13 и 14). Построенные тесты подаются на выходные трансляторы (блоки 16
и 17), которые преобразуют их в команды тестеров.
Следует отметить, что для каждого вида контроля необходим тестер со своим на-
бором функций. Общей частью для всех тестеров являются коммутирующее устрой-
ство (так называемый контактор, в который помешается проверяемое ЭС) и устройство
управления. В устройстве управления могут использоваться микропроцессоры, платы
интерфейса, ЭВМ.
Динамический контроль, связанный с измерением времени задержек и фронтов,
требует применения специальных тестеров. Методы измерения этих параметров от-
личаются от методов, используемых при статическом контроле. Кроме того, высокие
требования предъявляются к коммутирующим устройствам, поэтому тестеры динами-
ческого контроля проектируют и производят отдельно от тестеров других видов кон-
троля.

450
Конструирование узлов и устройств электронных средств
5.1.7. Основные инструменты контроля качества ЭС
Один из важнейших принципов ВУК заключается в том, что в основе принятия ре-
шений должны находиться факты, основанные на статистическом материале, а не ин-
туиция. Поэтому задачи сбора, обработки и анализа фактов для всех видов контроля
качества ЭС обычно решаются методами математической статистики. Основное назна-
чение статистических методов — контроль протекающего процесса и предоставление
фактов для корректировки и улучшения процесса, причем их можно использовать
не только при производстве ЭС, но и в планировании, проектировании, маркетинге,
материально-техническом снабжении и т. д.
Прежде чем собирать данные, надо четко сформулировать, для чего и как они бу-
дут использоваться. Целями сбора данных могут быть контроль и регулирование про-
цесса, анализ отклонений от установленных требований, контроль выхода процесса.
Например, если исследуются вариации в течение рабочего дня (смены), то бесполезно
собирать по одному измерению в день. При необходимости выявить источники дефек-
тов следует брать раздельные выборки. Перед анализом данные следует упорядочить,
в том числе:
• зарегистрировать источник данных (время, оборудование и т. п.);
• зарегистрировать данные, используя табличные формы.
Все методы анализа данных основаны на выборках. Выборка — часть данных, полу-
ченных из общей, так называемой, генеральной совокупности. Если выборка хорошо
представляет генеральную совокупность, то ее называют представительной (репрезен-
тативной). Следовательно, целью статистических методов является обработка неких
данных, содержащихся в информационном сообщении в виде числового массива, на-
пример:
где п — размерность массива.
В предположении, что массив (5.1.1) представляет собой выборку объемом п для не-
которой случайной величины X, производится оценка всех числовых характеристик
этой величины. Наиболее важными числовыми характеристиками случайной вели-
чины (СВ) являются следующие:
• характеристики центра распределения СВ (среднее значение, медиана и мода);
• характеристики рассеивания СВ около ее математического ожидания (дисперсия,
среднее квадратичное отклонение, размах варьирования, среднее линейное откло-
нение от математического ожидания, коэффициенты вариации и осцилляции);
• характеристика асимметрии распределения и его эксцесса.
Рассмотрим их более подробно.
Среднее значение или оценка математического ожидания вычисляется по формуле
среднего арифметического
Заметим, что оценка математического ожидания дискретной СВ может вычис-
ляться как сумма произведений всех возможных значений СВ на вероятности этих
значений, т.е.
где Pi — вероятность i-ro значения СВ.

Глава 5.1. Качество электронных средств
451
Значение тх характеризует как бы «центр тяжести» распределения СВ. Наряду с
математическим ожиданием центр распределения определяют медиана и мода.
Медианой СВ называется такая величина Мех> для которой с одинаковой вероят-
ностью значение X может оказаться меньше Мех и больше Мех. Для расчета медианы
массив (5.1.1) записывается в виде ранжированного ряда
(5.1.2)
где значения xt расставлены в порядке возрастания или убывания, как в качестве при-
мера показано в табл. 5.1.2.
Таблица 5.1.2
Пример ранжированного ряда
№ п/п
Xi
\xiP
1
3
1
2
1
2
3
2
3
4
5
3
5
8
3
6
7
4
7
4
5
8
3
7
9
3
7
10
9
8
11
7
9
12
10
10
В случае, если п — четное число, медиана равна
а при нечетном п
В нашем примере п = 12, тогда
При малом п медиана наиболее устойчиво характеризует центр распределения
СВХ.
Модой Мох называется наиболее вероятное значение СВ. В качестве оценки моды в
ранжированном ряду (5.1.2) берется значение xf9 которое повторяется большее число
раз (имеет большую частоту). Тогда для данных, приведенных в табл. 5.1.2, Мох =3.
Распределение СВ может характеризоваться несколькими модами, такое распределе-
ние называют полимодальным. Применительно к данным табл. 5.1.2 можно указать
второе значение моды Мох =7. Если массив (5.1.1) не содержит повторяющихся значе-
ний, то значение моды оценивается после построения гистограммы.
Основной характеристикой рассеивания значений СВ около ее математического
ожидания является дисперсия.
Дисперсией СВ X называется математическое ожидание квадрата центрированной
величины. Центрированная случайная величина х получается из исходной X вычи-
танием ее математического ожидания тх; таким образом, х имеет нулевое матема-
тическое ожидание. Дисперсия имеет размерность квадрата СВ и рассчитывается по
формуле:

452
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Непосредственно с дисперсией связана другая характеристика рассеивания СВ —
среднее квадратичное отклонение, определяемое по формуле: ах = >[ЬХ-
Рассеивание значений X характеризуется также размахом варьирования
Для оценки рассеивания СВ относительно среднего тх используют коэффициент
вариации, вычисляемый в процентах:
и коэффициент осцилляции
1 п 4
где Д4 = ~~ S (xt ~ ™х ) — оценка четвертого центрального момента СВ.
В случае положительного эксцесса (Ek>0) распределение имеет островершинный
характер, при Ek <0 — плосковершинный (рис. 5.1.11, б).
Рис. 5.1.11. Распределение случайной величины: а — с различной асимметрией;
б — с различным эксцессом
В настоящее время во всем мире при контроле качества наибольшую популярность
приобрел так называемый «японский» подход, который нашел свое выражение, в том
1 п з
где Д3 =—X (xt ~ ™х ) — оценка третьего центрального момента СВ.
Если А8>0, то имеет место положительная или правостороння асимметрия, если
А3 <0, то отрицательная или левосторонняя (рис. 5.1.11, а).
Остро- или плосковершинное распределение СВ определяется с помощью числовой
характеристики, называемой эксцессом, и рассчитываемой по формуле:
В качестве числовой характеристики асимметрии распределения СВ применяется
коэффициент асимметрии, определяемый по формуле
и средним линейным отклонением от тх

Глава 5.1. Качество электронных средств
453
числе, в специфике применяемого математического аппарата. Так, из большого числа
методов математической статистики японские ученые и инженеры под руководством
профессора Каору Исикавы отобрали семь, которые превратили в эффективные ин-
струменты контроля качества, причем для их использования не требуется специаль-
ной математической подготовки (рис. 5.1.12) [60].
Рис. 5.1.12. Семь инструментов контроля качества: а — гистограмма; б — диа-
грамма Парето; в — причинно-следственная диаграмма; г — контрольный ли-
сток; д — диаграмма разброса; е — контрольная карта; ж — стратификация
Эти семь инструментов являются необходимыми и достаточными средствами для
решения большинства производственных проблем повышения качества. Рассмотрим
каждый из них более подробно.
1. Контрольный листок
Контрольный листок представляет собой инструмент для сбора данных и их упо-
рядочения для упрощения дальнейшего использования собранной информации. Он
представляет собой бумажный или электронный бланк произвольной формы, на кото-
ром заранее напечатаны контролируемые параметры [60]. Данные в него заносятся с
помощью простых пометок, как показано на рис. 5.1.13 на примере листка сбора ин-
формации по отказам ЭРИ усилителей мощности различных модификаций при объеме
выпуска 100 шт.
На основе контрольного листка составляется итоговая табл. 5.1.3 суммарных отка-
зов элементов.
Суммарные отказы ЭРИ
Таблица 5.1.3
| По всем модификациям ЭС
1
|имс
Транзисторы
Число отказов
2
4
12
Процентное содержание
3
4,56
13,57

454 Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 5.1.3
По всем модификациям ЭС
1
Диоды
Конденсаторы
Резисторы
Трансформаторы
Итого:
Число отказов
2
10
36
21
5
88
Процентное содержание
3
11,4
41,03
23,84
5,6
100
I Форма отметок: I II III I III WW Дата: 05.04.2012 г. Мастер по ремонту: Петров СИ. I
Наименование ЭС: Усилитель мощности звуковой частоты ХХХХ.ХХХХХХ.001 — 100 шт.
Наименование ЭРИ
ИМС
Транзисторы
Диоды
Конденсаторы
Резисторы
Трансформаторы
III
Ж II
МП
Отметки о замене
1111 1111 1111 1111 II
ГТТ1 Ггп Ггп ГТЛ 11
ггН 1111
II
ИТОГО:
Количество
3 1
7 1
4
22 1
9 1
2
47 1
Наименование ЭС: Усилитель мощности звуковой частоты ХХХХ.ХХХХХХ.002 — 100 шт.
Наименование ЭРИ
|имс
Транзисторы
Диоды
Конденсаторы
Резисторы
Трансформаторы
1
ггН
ггН 1
ЖЧ ггН ПН
№ Ш III
III
Отметки о замене
ИТОГО:
Количество
1 1
5 1
6
14
12 1
3 1
41
V У
Рис. 5.1.13. Примерная форма бланка контрольного листка
Контрольный листок отказов ЭРИ

Глава 5.1. Качество электронных средств
455
2. Диаграмма разброса (рассеяния)
Диаграмма разброса характеризует вид и тесноту связи между парами переменных
(х, у)> т. е. поле корреляции. Парой (х, у) может служить: характеристика качества у и
влияющий фактор х; две характеристики качества; два фактора.
Диаграмма разброса используется для определения:
• характера вида и тесноты связи;
• анализа характера изменения параметров качества во времени или определения
влияния какого-либо фактора на показатель качества;
• временного лага (сдвига) при формировании пар (х, у).
Построение диаграммы рассеяния рассмотрим на примере оценки степени влия-
ния входных факторов xi9 j = 1,12 (табл. 5.1.4) на выходные показатели yj9 у = 1,3
(табл. 5.1.5) некоторого абстрактного процесса.
Таблица 5.1.4
Перечень входных переменных процесса
Входные факторы
*i
х2
Хз
х4
*5
*6
*7
х»
*9
*10
*11
1 *12
Значения факторов по регламенту
нижнее х*
4
30
40
8
15
120
25
120
500
6
65
200
верхнее х*
5
40
50
10
' 20
130
30
150
550
8
75
250
Таблица 5.1.5
Перечень выходных переменных процесса
Обозначение выходных переменных
У\
Уг
Уз
Значения по регламенту
нижнее у*
500
200
3,3
верхнее у*
510
220
3,5
После формирования исходных данных из числа входных переменных выделяется
группа так называемых активных факторов, значения которых можно устанавливать
в заданных пределах, а затем выбирается метод экспериментального исследования,
и составляется план проведения эксперимента.

456
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Необходимо отметить, что в реальных условиях нельзя провести чисто активный
эксперимент, так как часть входных факторов имеет характер возмущающих воздей-
ствий, значения которых не могут быть установлены на определенном уровне в задан-
ное время, например, атмосферное давление или температура окружающей среды.
Поэтому вектор входных переменных обычно делится на активную (/ix-факторов) и пас-
сивную части. Эксперимент, в опытах которого часть входных переменных устанавли-
ваются на заданных уровнях, а часть переменных изменяется независимо, и их зна-
чения лишь фиксируются оператором, называется гибридным или смешанным. Один
опыт эксперимента соответствует выпуску отдельной партии изделий при задаваемых
значениях «активных» переменных и зафиксированных уровнях «пассивных» пере-
менных. В случае нашего примера будем считать все входные факторы активными.
Для составления плана активного эксперимента целесообразно использовать ме-
тодику случайного баланса. В соответствии с ней при изменении переменных на двух
уровнях матрица планирования строится следующим образом:
• множество «активных» компонентов делится на 2-3 группы по 4-8 факторов в
каждой;
• в первую группу включаются наиболее важные факторы;
• для факторов первой группы выбирается полный или дробный факторный экспе-
римент;
• опыты проводятся в случайной последовательности;
• для остальных групп опыты выбираются случайным образом из плана фактор-
ного эксперимента первой группы (с использованием случайных чисел);
• все щ столбцов матрицы планирования попарно проверяются на отсутствие совпа-
дения значений в N опытах; если какие-либо столбцы совпадают, то предыдущий
этап повторяется, т. е. определяется новая выборка случайных чисел. В оконча-
тельном плане не должно быть повторяющихся столбцов. Число опытов N обычно
устанавливается равным 16 или 32.
Факторным называется такой эксперимент, при котором одновременно от опыта
к опыту варьируют всеми факторами. Полным факторным экспериментом (ПФЭ) на-
зывается эксперимент, при котором опыты ставятся для всех возможных уровней
факторов. Если в эксперименте берется число возможных уровней, равное двум, то
сокращенно такой ПФЭ обозначается N = 2"1, где щ — число активно варьируемых
факторов. Для сокращения количества опытов применяется часть ПФЭ — дробная ре-
плика или дробный факторный эксперимент (ДФЭ). В табл. 5.1.6 приведены некото-
рые планы ДФЭ для N = 16 опытов.
Таблица 5.1.6
Планы ДФЭ
(1)
АЕ
(1)
АВ
(1)
ACF
АВ
BE
АВСЕ
СЕ
EFG
BDF
ACDE
CD
ABDF
DF
ABCD
ACEG
План# = 25-1
BCDE
ABCD
АС
AD
ПланАГ = 26"2
CDEF
ABCDEF
ACD
ACF
План N = 27"3
ABCDEFG
BDEG
ABG
ADE
ВС
BD
AEF
ADE
CDG
ВСЕ
DE
СЕ
BCF
BCD
ABEF
ADFG
ABDE
АВСЕ
BDE
BEF
CDEF
BCFG

Глава 5.1. Качество электронных средств
457
Рассмотрим составление матрицы планирования эксперимента для приведенных
в табл. 5.1.4 исходных данных. Разделим наши активные входные факторы на две
группы: 7 факторов в первой и 5 во второй. Используя табл. 5.1.6, при N = 16 выби-
раем план ДФЭ 16 = 27_3 для первой группы факторов.
Для выбора опытов во второй группе случайным образом отберем 16 опытов из плана
ДФЭ первой группы. Полученный ряд случайных чисел имеет вид: 8;1;2;9;10; 14; 15;
3;4;13;5;6;11;7;12;16. Составим матрицу планирования эксперимента (табл. 5.1.7).
Таблица 5.1.7
Матрица планирования эксперимента
№
опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
А
*i
-
+
+
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
В
*2
-
+
+
+
• -
+
-
-
+
-
+
-
+
-
+
С
*з
-
+
+
-
+
-
+
+
-
+
-
-
+
-
+
I
D
,*4
-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
-
Группы факторов
Е
*5
+
-
+
-
-
+
+
-
-
+
+
+
+
-
-
F
*в
+
-
+
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
G
*7
+
-
+
+
+
-
-
-
-
+
+
-
-
+
+
*8
-
-
+
-
-
+
+
+
+
+
-
+
+
-
-
*9
-
-
-
+
+
-
+
+
-
+
-
-
+
+
+
II
*10
+
-
-
+
-
+
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
ХЦ
+
-
-
-
+
-
+
+
+
+
-
+
-
-
+
-
х12
+
-
+
-
■ -
+
-
-
+
+
-
-
+
+
+
- 1
Главной задачей эксперимента является максимально точное поддержание значе-
ний режимных параметров в соответствии с составленной матрицей планирования.
При этом последовательность проведения опытов не играет решающей роли. Пример
результатов эксперимента приведен в табл. 5.1.8.
Таблица 5.1.8
Обработка результатов эксперимента
№
опыта
1
2
3
4
5
Входные переменные процесса
XI
4
4
5
5
5
*2
30
30
40
40
40
*з
40
40
50
50
40
х4
8
8
10
10
8
*5
15
20
15
20
15
*б
120
130
120
130
120
х7
25
30
25
30
30
*8
120
120
120
150
120
*9
500
500
500
500
550
*10
8
6
6
8
6
*и
75
65
65
65
75
*12
250
200
250
200
200
Выходные
показатели
Vi
505,0
500,6
500,7
505,1
506,3
У2
217,4
208,0
209,3
205,1
213,4
Уз
3,4
3,5
3,4
3,5
3,5

458
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 5.1.8
№
опыта
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Входные переменные процесса
*1
4
5
4
5
4
5
4
5
4
5
4
«2
30
40
30
30
40
30
40
30
40
30
40
*з
50
40
50
50
40
50
40
40
50
40
50
х4
10
8
10
8
10
8
10
10
8
10
8
*5
15
20
20
15
15
20
20
20
20
15
15
*в
120
130
130
130
130
120
120
120
120
130
130
*7
30
25
Я5
25
25
30
30
25
25
30
30
*8
120
150
150
150
150
150
120
150
150
120
120
*9
550
500
550
550
500
550
500
500
550
550
550
*10
8
6
8
8
6
6
8
8
6
6
8
*п
65
75
75
75
75
65
75
65
65
75
65
*12
250
200
200
250
250
200
200
250
250
250
200
Выходные
показатели
Vi
508,9
509,3
509,4
502,3
505,9
508,8
503,0
501,9
504,1
508,4
505,5
»2
208,1
213,9
209,0
209,8
208,3
202,7
203,1
201,7
205,3
208,2
210,5
Уз
3,3
3,4
3,3
3,5
3,4
3,5
3,4
3,5
3,4
3,3
3,3
Наиболее трудоемким этапом обработки экспериментальных данных является по-
строение диаграмм рассеяния, представляющих собой графическое представление
экспериментальных данных о входных переменных xt, i = l,12 и выходных перемен-
ных yjy у = 1,3, компактно характеризующее связь между ними. В некотором смысле
диаграмму рассеяния можно рассматривать как упрощение изображения корреляци-
онного поля. На рис. 5.1.14 показан образец построения диаграммы рассеяния для вы-
ходного показателя у^ рассматриваемого примера.
Степень влияния xt на i/; оценивается двумя показателями — величиной вклада Bt и
числом выделившихся точек Wt.
Для определения вклада сначала находятся медианные значения Ме^-у Ме^+) для
левой и правой совокупностей точек диаграммы. При расчете медианы совокупность
значений уь предварительно записывается в виде ранжированного ряда уг, у2, ... , уп.
Тогда в случае, если п четное число, медиана равна
а при нечетном п
Вкладом Bi9 характеризующим степень влияния входной переменной хь на выход-
ной показатель z/;, называют разность медианных значений Ме^_), Мв^+), полученных
соответственно для правой и левой совокупностей точек диаграммы рассеяния:
Чем больше абсолютное значение вклада \Bt\9 тем сильнее влияние входной пере-
менной на выходной показатель. Знак вклада определяет направление этого влияния:
при Вь > О с увеличением xt значение yt в среднем возрастает, в случае Bt < О с увеличе-
нием xt значение у} уменьшается. На диаграмме рассеяния значению вклада соответ-
ствует заштрихованный столбик, как показано на рис. 5.1.14.

Глава 5.1. Качество электронных средств
459
Рис. 5.1.14. Пример построения диаграммы рассеяния

460
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где rrij — число данных xi9 равных значению Х;;
rii<n — число различных значений СВ X,
п — объем выборки.
Таблица 5.1.9
Упорядоченный ряд значений СВ и их частот
№ п/п
Значениях,
mi
Pi
F(x)
1
1
1
0,083
0,083
2
2
1
0,083
0,167
3
3
3
0,25
0,417
4
4
1
0,083
0,5
Ь
5
1
0,083
0,583
6
7
2
0,166
0,75
7
8
1
0,083
0,833
8
9
1
0,083
0,917
9
10
1
0,083
1,0
Чем больше число Wi9 тем сильнее оказывает влияние входная переменная xt на
выходной показатель у у Следует заметить, что показатель Wt обычно считается более
важным, чем вклад Вь при выделении существенных связей между входными перемен-
ными процесса xi9 i = 1,п и выходными параметрами yt, i = l9m.
Следовательно, по значениям вклада и числу выделившихся точек можно предста-
вить перечень наиболее влияющих факторов на выходные показатели процесса и отме-
тить, на каком уровне их предпочтительнее держать для улучшения качества. Особый
интерес представляют факторы, которые существенно влияют одновременно на два
или на три выходных показателя.
На практике диаграмму рассеяния удобно применять при анализе качества различ-
ных технологцческих процессов, например, изготовления печатных плат, герметиза-
ции блоков ЭС, нанесения защитных покрытий и т. п.
3. Гистограмма
Наиболее часто в качестве полных характеристик распределения СВ используются
эмпирическая функция распределения и эмпирическая плотность распределения,
обычно представляемая столбчатой диаграммой — гистограммой.
В качестве исходных данных рассматривается информационное сообщение, пред-
ставляющее собой одномерный числовой массив вида (5.1.1). Рассмотрим построение
эмпирической функции распределения F(x) и гистограммы f(x) для массива данных,
значения элементов которого приведены в табл. 5.1.2.
Для построения функции F(x) составляют табл. 5.1.9, содержащую значения СВ Xj
в массиве (5.1.1) в виде возрастающего ряда и их частоты
Выделившимися точками слева W^ и справа W^+) для диаграммы рассеяния опре-
деляются по правилам:
1. Если левая медиана ниже правой, т. е. Met^ < Me^+^ то W^ образуют точки левой
совокупности, находящиеся ниже наименьшего значения точек правой совокупности,
a Wn+) образуют точки справа, расположенные выше наибольшего значения точек слева;
2. Если левая медиана выше правой, т. е. Ме1(г) > Мец+у то W^ образуют точки левой
совокупности, находящиеся выше наибольшего значения точек справа, a W^ — точки
правой совокупности, расположенные ниже наименьшего значения точек слева.
3. Если Mei(_) = Mei(+) или разность между медианами мала, то выделившиеся точки
определяются при наличии явного смещения между интервалами значений левой и
правой совокупности точек.
Общее число выделившихся точек для i-ro фактора равно

Глава 5.1. Качество электронных средств
461
Из табл. 5.1.9 видно, что пх = 9 (всего данных п = 12), первое значение Хг = 1 содержится
в выборке один раз, т. е. mi = 1 ирх« 0,083 соответственно. Аналогично для Х2 = 2 /тг2 = 1 и
р2 « 0,083, аХ3 = 3 содержится в выборке три раза, поэтому т3 = 3,/?3 = 0У25 и т. д.
Эмпирическая функция распределения по данным табл. 5.1.9 строится следующим
образом (рис. 5.1.15).
Наименьшее значение X в выборке Хг = 1, поэтому до значения 1 F(x) = 0. Так
как Xi = 1 наблюдалось один раз (mx = 1) и его частота рх = 1/12 « 0,083, то в точке
Хг = 1 функция F(jc) скачком изменяется на величину/?! « 0,083. В промежутке от 1
до 2 F(x) = 0,083. Следующий скачок она делает в точке Х2 = 2 и увеличивается на ве-
личину^ ~ 0,083 соответственно. На интервале от 2 до 3 F(x) = 0,167. В точке Xs = 3
величина скачка равнар3 « 0,25 и т. д. Последний скачок происходит в точке Х9 =10,
и при х > Х9 эмпирическая функция F(x) принимает единичное значение.
Функцию F(x) удобно использовать для решения задач, связанных с определением
вероятностей того, что СВ X примет значение в некотором интерзале.
Например, необходимо определить вероятность того, что СВ X будет иметь значе-
ние в интервале [0; 3]. Для полученной эмпирической функции эта вероятность равна
разности Р(3) - F(0) * 0,42.
Построение гистограммы, или эмпирической плотности распределения f(x) непре-
рывных СВ, связано с группированием выборочных данных по интервалам (разрядам),
на которые разбивается весь диапазон значений СВ. Обычно интервалы берутся одина-
ковыми по величине. Величину (ширину) интервала d и число интервалов k при доста-
точном объеме выборки п обычно определяют с помощью выражения:
где R — размах варьирования, а число интервалов к определяется по формуле Г. Стер-
джесса:
fc = l + 3,3221gn.
Рис. 5.1.15. Эмпирическая функция распределения СВ

462
Конструирование узлов и устройств электронных средств
После определения числа интервалов и значений границ интервалов заполняется та-
блица, в первой и второй строках которой указывают соответственно номера интервалов
и значения их границ. Покажем заполнение табл. 5.1.10 для гистограммы на примере
данных табл. 5.1.2 в предположении, что это непрерывная случайная величина.
Возьмем интервал изменения СВ X от 0 до 11, пусть k = 4 и d = 2,75 (табл. 5.1.10)
Таблица 5.1.10
Группирование данных по интервалам
Номера интервалов
Значения границ интервалов, dj
Число наблюдений в интервале, Л,
Относительная частота, pj
Значение fs
1
0; 2,75
2
0,167
0,061
2
2,75; 5,5
5
0,417
0,152
3
DjOl OyAo
3
0,25
0,091
4
8,25; 11
2
0,167
0,061
Заполнение табл. 5.1.10 ведется по следующим правилам. Так как в первый интер-
вал [0; 2,75] попадают значения jcf = 1 и х\ - 2 ранжированного ряда (см. третью строку
табл. 5.1.2), то в третьей строке таблицы 5.1.10 hi = 2. Поскольку на второй интервал
[2,75; 5,5] приходятся значения х$ = х\ = xl = 3; х% = 4 и xj? = 5, то h2 = 5 в третьей строке
таблицы. Аналогично находятся Л3 и h4- Необходимо отметить, что если значение xj
будет расположено на границе между интервалами, то его делят между интервалами
(0,5 значения принадлежит левому интервалу и 0,5 — правому).
В четвертой строке табл. 5.1.10 расположены относительные частоты, определяе-
мые по формуле
Рис. 5.1.16. Гистограмма
В последней строке табл. 5.1.10 приведены значения высот столбиков гистограммы,
получаемые делением значений р;. на величину интервала d, т. е.
Правильность расчетов проверяется выполнением условий:
Рассчитанная гистограмма показана на рис. 5.1.16.

Глава 5.1. Качество электронных средств
463
По виду гистограммы делаются предположения о возможном законе распределения
СВ, а также отмечается, насколько соответствуют оценки асимметрии и эксцесса виду
эмпирической плотности вероятности.
С помощью визуального сравнения полученной гистограммы f(x) с теоретической
кривой плотности вероятности f(x), а также учитывая знаки эксцесса и асимметрии,
можно сделать предположение о возможном законе распределения СВ с выборочными
данными (5.1.1).
В заключение отметим, что по гистограмме можно оценить моду Мох непрерывной
СВ при отсутствии повторяющихся значений xt. Для этого берется наиболее высокий
столбик гистограммы, и для него проводятся построения, показанные на рис. 5.1.16.
4. Контрольные карты
Для повышения эффективности статистического контроля качества, быстроты и
наглядности анализа полученных показателей удобно применять метод контрольных
карт (точечных контрольных диаграмм). Этот метод заключается в том, что сводные
статистические показатели по каждой выборке наносятся точками на специально под-
готовленные карты.
Точечная контрольная диаграмма, или контрольная карта, строится для каждой
контролируемой статистической характеристики количественного параметра изде-
лия. Наиболее часто контролируют следующие две статистические характеристики:
• среднее значение х параметра в пробе;
• размах варьирования R значений параметра в пробе.
Каждая точечная контрольная диаграмма строится следующим образом: по оси
абсцисс откладывают номера последовательных выборок, по оси ординат — значения
контролируемой статистической характеристики параметра изделия. На диаграмме
имеется центральная линия, отвечающая среднему значению статистической характе-
ристики, а также две контрольные линии (нижний и верхний контрольные пределы),
проведенные от центральной линии на таком расстоянии, что выход значения контро-
лируемой характеристики за эти линии имеет достаточно малую вероятность.
Точками контролер отмечает средние результаты по каждой выборке. Если точки
не выходят за контрольные линии, то процесс производства находится в норме. Выход
какой-либо точки за эти линии указывает на нарушение устойчивости производствен-
ного процесса и сигнализирует о необходимости вмешательства в него с целью его кор-
рекции, т.е. устранения неполадок оборудования, внесения изменения в технологиче-
ский процесс и т. п.
В качестве примера рассмотрим применение контрольных карт при оценке каче-
ства изготовления валов для редуктора электродвигателя. Для контроля диаметра ва-
лов производятся N = 15 выборок по т = 5 валов в каждой. Диаметр вала X = 73,7 мм,
а его допуск составляет TD = ±0,05 мм.
По исходным данным заполняется табл. 5.1.11 расчетными значениями, причем
количество значений X соответствует объему выборки т.
Таблица 5.1.11
Исходные и расчетные характеристики процесса
№ выборки
1
2
Значения X
xt
73,71
73,69
х2
73,72
73,68
Хз
73,66
73,66
х4
73,67
73,69
Хь
73,70
73,65
Среднее X
73,69
73,67
Размах R
0,06
0,04

464
Конструирование узлов и устройств электронных средств
№ выборки
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Xi
73,67
73,68
73,72
73,67
73,68
73,66
73,67
73,71
73,66
73,69
73,74
73,74
73,74
Значения X
х2
73,71
73,67
73,73
73,67
73,69
73,65
73,68
73,70
73,71
73,68
73,71
73,73
73,66
ИТОГ
*з
73,66
73,69
73,68
73,66
73,73
73,67
73,72
73,68
73,68
73,66
73,65
73,70
73,66
О:
Х4
73,66
73,72
73,71
73,71
73,70
73,72
73,72
73,69
73,72
73,74
73,69
73*68
73,72
*5
73,70
73,70
73,72
73,67
73,74
73,66
73,73
73,67
73,68
73,69
73,75
73,71
73,70
Окончание табл. 5.1.11
Среднее X
73,68
73,69
73,71
73,68
73,71
73,67
73,70
73,69
73,69
73,69
73,71
73,71
73,70
1105,40
Размах R
0,05
0,05
0,05
0,05
0,06
0,07
0,06
0,04
0,06
0,08
0,1
0,06
0,08
0,91
Вначале определяются верхний и нижний пределы допуска по формулам:
и помещают в табл. 5.1.11.
По данным табл. 5.1.11 для построения контрольных карт вычисляют среднее зна-
чение диаметра вала
и средний размах
Далее рассчитываются контрольные пределы для средних значений:

Глава 5.1. Качество электронных средств
465
Значение коэффициента
определяется с помощью табл. 5.1.12.
Таблица 5.1.12
Коэффициенты для определения контрольных линий на диаграммах
при выборках малого объема
Объем выборки,
т
2
3
4
5
6
7
dm
1,128
1,693
2,059
2,326
2,534
2,707
3
dmyfm
1,880
1,023
0,729
0,577
0,483
0,419
Dt
0
0
0
0
0
0,205
D*
3,686
4,358
4,698
4,918
5,078
5,203
Dt/dm
0
0
0
0
0
0,076
Di/dm
3,268
2,574
2,282
2,114
2,004
1,924
Коэффициенты Di/dm и D2/dm также определяются по табл. 5.1.12.
Следовательно,
Контрольные карты имеют вид, показанный на рис. 5.1.17 и 5.1.18.
Выход какой-либо точки за контрольные линии указывает на нарушение устойчи-
вости технологического процесса и сигнализирует о необходимости вмешательства в
этот процесс с целью его стабилизации. Этот сигнал будет своевременным, т. е. преду-
преждать брак, если точки, вышедшие за контрольные линии, останутся все же внутри
линий, отвечающих техническим пределам (например, нижний и верхний пределы
допуска).
5. Диаграмма Парето
Диаграмма Парето представляет собой инструмент анализа, позволяющий наглядно
представить вклад отдельных факторов в общий результат. В основе этого инструмента
лежит принцип итальянского экономиста В. Парето, который устанавливает, что
обычно большинство последствий являются результатом малого числа причин. Диа-
грамма Парето служит для выявления этих причин, которые часто называют «малой,
но жизненно важной частью».
Подставляя известные значения, получим:
Затем подсчитываются контрольные пределы для размаха:

466
Конструирование узлов и устройств электронных средств
73,77
73,76
73,75
73,74
73,73
73,72
73,71
73,70
73,69
73,68
73,67
73,66
73,65
73,64
73,63
Рис. 5.1.17. Контрольная карта средних значений
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
Верхний контрольный предел, Нж
Центральная (средняя) линия, R
Нижний контрольный предел, RH
Рис. 5.1.18. Контрольная карта размаха варьирования

Глава 5.1. Качество электронных средств
467
Основная цель диаграммы Парето — графически показать неравномерность рас-
пределения причин (факторов) и результатов их воздействия. При помощи диаграммы
Парето факторы группируются по уровню вклада в общий результат для дальнейшего
сравнительного анализа — выявления основных этапов, с которых нужно начинать
действовать с целью преодоления возникающих проблем. Различают два вида диа-
грамм Парето:
• диаграмма Парето по результатам деятельности. Предназначена для выявления
главной проблемы и отражает следующие нежелательные результаты: качество
(дефекты, неисправности, ошибки, рекламации, возвраты изделий); себестои-
мость (объем потерь, затраты); сроки поставок (нехватка запасов, ошибки плани-
рования, срыв сроков); безопасность (несчастные случаи, аварии, экологические
последствия);
• диаграмма Парето по причинам проблем, возникающих в ходе производства. Ис-
пользуется для выявления главной причины: исполнитель работы (смена, бри-
гада, возраст, стаж, квалификация, индивидуальные характеристики); оборудо-
вание (станки, инструменты, оснастка, организация использования); сырье (вид,
изготовитель, партия, поставщик); метод работы (условия производства, техно-
логия, последовательность операций); измерения (точность, верность, повторяе-
мость и стабильность).
Построение диаграммы Парето включает в себя следующие этапы [60].
1. Определяется, какие проблемы надо исследовать и как собирать данные. Данные
можно собирать по видам дефектов, по месту появления, по процессам, по исполните-
лям и т. д. Затем выбирается метод и период сбора данных. При необходимости заго-
тавливается и заполняется специальный бланк (табл. 5.1.13).
Таблица 5.1.13
Листок регистрации дефектов ПП
1 Наименование дефектов
Сколы
Деформации основания ПП
...
Прочие
ИТОГО
Группы данных
...
Итого
10
104
...
14
200
2. Разрабатывается бланк таблицы для проверки данных (например, в виде
табл. 5.1.14), данные в которой располагаются в порядке значимости.
3. Чертятся оси, и строится столбиковая диаграмма (рис. 5.1.19). На горизонталь-
ной оси выделяются интервалы по числу контролируемых признаков.
4. Строится накопленная гистограмма дефектов и Парето-кумулятивная кривая
(штриховая линия на рис. 5Л.20), и делаются соответствующие выводы, например,
83 % дефектов приходится на 1, 2, 3 группы.
Рекомендации по построению диаграмм Парето:
• необходимо использовать разные классификации и строить много диаграмм Па-
рето, рассматривать проблемы с разных сторон с целью выявления немногочис-
ленных существенных факторов;
• нежелательно, чтобы группа «прочие» имела большой процент, это говорит о не-
правильно выбранной структуре классификации.

468
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Рис. 5.1.19. Гистограмма дефектов ПП
Рис, 5.1.20. Накопленная гистограмма дефектов ПП и Парето-кумулятивная
кривая
Таблица 5.1.14
Данные для построения диаграммы Парето
№
п/п
1
2
3
4
Наименование
дефектов
Деформации основания
Царапины фольги
Отслоения проводников
Сколы
Число
дефектов,
dt
104
42
20
10
Накопленная
сумма числа
дефектов
104
146
166
176
Процент числа
дефектов по каж-
дому признаку в
общей сумме, djd
52
21
10
5
Накоплен-
ный процент,
52
73
83
88

Глава 5.1. Качество электронных средств
469
Окончание табл. 5.1.14
№
п/п
5
6
7
Наименование
дефектов
Пятна
Разрыв проводников
Прочие
ИТОГО
Число
дефектов,
6
4
14
200
Накопленная
сумма числа
дефектов
182
186
200
-
Процент числа
дефектов по каж-
дому признаку в
общей сумме, &J&
3
2
7
100
Накоплен-
ный процент,
РЛ
91
93
100
-
После выявления проблемы путем составления диаграммы Парето по результатам
важно определить причины возникновения проблемы, чтобы решить ее. Поэтому в
этом случае требуется составить диаграмму Парето по причинам. Например, на складе
скопилось много готовой продукции, реализация которой задерживается. Изготови-
тель несет убытки. Продукция делится по группам А, Б и С в зависимости от затрат на
выходной контроль (табл. 5.1.15).
Таблица 5.1.15
Запасы продукции на складе
Стоимость (за-
траты) 3{, млн р.
Число образцов
mt, тыс. шт.
90...
100
0,2
80...
90
0,3
70...
80
0,5
60...
70
0,5
50...
60
0,8
40...
50
1,2
30...
40
1,5
А
20...
30
2,5
10...
20
5
В
0...
10
12,5
С
Ито-
го
25,0
Для проведения ABC-анализа строится табл. 5.1.16 с накоплением стоимости и ча-
стоты.
Таблица 5.1.16
Накопленные стоимости и частоты
Затраты 34
(центр класса),
тыс. р.
А
95
85
75
65
55
45
35
Число об-
разцов m-i,
тыс. шт.
0,2
0,3
0,5
0,5
0,8
1,2
1,5
Затраты на продукцию
Накопленная
стоимость
Ст£, тыс. р.
19,0
44,5
82,0
114,5
158,5
212,5
265,0
Относитель-
ная стоимость
Ctj/Ct, %
4,1
9,6
17,6
24,5
34
45,5
56,7
Число образцов
Накопленное
число образ-
цов 71;, ТЫС. ШТ.
0,2
0,5
1,0
1,5
2,3
3,5
5,0
Относитель-
ная частота
Щ/N, %
0,8
2
4
6
9,2
14
20

470
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Окончание табл. 5.1.16
Затраты 3t
(центр класса),
тыс. р.
В
С
25
15
5
Число об-
разцов mt,
тыс. шт.
2,5
5,0
12,5
Затраты на продукцию
Накопленная
стоимость
Giy, тыс. р.
327,5
402,5
465,0
Относитель-
ная стоимость
Ст4/Ст, %
70,2
86,7
100
Число образцов
Накопленное
число образ-
цов щ, тыс. шт.
7,5
12,5
25,0
Относитель-
ная частота
щ/N, %
30
50
100
Заполнение табл. 5.1.16 накопленных стоимостей и частот осуществляется следую-
щим образом.
1. Находятся общие затраты (стоимость) по столбцам 1, 2 по формуле:
Далее строится диаграмма Парето (рис. 5.1.21). По оси абсцисс откладываются зна-
чения относительной частоты, щ/N (столбец 6 табл. 5.1.16), а по оси ординат — отно-
сительная стоимость Ctj/Ct (столбец 4 табл. 5.1.16). В группу А включаем наиболее до-
рогую продукцию (от 30 до 100 тыс. р.), а в группу С — самые дешевые образцы (0-10
тыс. р.). Группа Б занимает промежуточное положение (см. табл. 5.1.15).
Рис. 5.1.21. Парето-кумулятивная кривая
2. Заполняется столбец 3 с использованием формул:
3. Подсчитывается процент относительной стоимости и заносится в столбец 4 таб-
лицы.
4. Определяются значения столбца 5:
5. Рассчитываются данные столбца 6:

Глава 5.1. Качество электронных средств
471
Далее выполняется анализ построенной диаграммы Парето: на группу А (20 % об-
разцов) приходится более 50 % затрат (56,7 % ), а на группу С (50 % образцов) — всего
13,3 % (см. табл. 5.1.17).
Таблица 5.1.17
ЛВС-анализ складского запаса
Группа
А
В
С
Относительная частота, %
20
30
50
Относительная стоимость образцов
в группе, %
56,7
30
13,3
Вывод: группу А надо жестче контролировать, это очень важная группа. Факторы
групп А и В анализируются более тщательно, и по ним разрабатывается план меропри-
ятий по устранению проблемы. После реализации плана проверяется эффективность
(путем нового построения диаграммы Парето и ее сравнения с предыдущими резуль-
татами).
6. Стратификация (расслаивание данных)
Данные, разделенные на группы в соответствии с их особенностями, называют сло-
ями или стратами. Стратификация представляет собой процесс разделения данных на
слои (страты). Метод стратификации заключается в селекции статистических данных
с целью получения информации о процессе, данные группируются в зависимости от
условий их получения, и каждая группа обрабатывается в отдельности. Существуют
разные методы расслаивания. Метод 5М используется наиболее часто в производствен-
ных условиях и предполагает проведение расслаивания по пяти категориям факторов:
1. По исполнителям (квалификация, стаж работы, пол и т. д.);
2. По оборудованию (тип, марка, степень износа, конструкция, производитель
и пр.);
3. По материалу (партия, изготовитель, место производства, качество сырья и др.);
4. По технологическим режимам производства (температура, время, влажность
и т. д.);
5. По измерению параметров (метод, средства измерения, точность и др.).
Метод 5Р используется в сервисе (обслуживании), здесь учитываются такие фак-
торы, как персонал организации, процедуры обслуживания, потребители сервисных
услуг, место, где осуществляется сервис и его окружающая обстановка, а также по-
ставщики, осуществляющие снабжение необходимыми ресурсами.
Основными условиями при использовании методов расслаивания для определения
отклонения контролируемого параметра от заданного значения являются следующие:
• различие (рассеяние) между значениями случайной величины внутри слоя (т. е.
дисперсия) должно быть как можно меньше по сравнению со значением в исхо-
дной совокупности (до расслоения);
• различие между слоями (средними значениями случайной величины в слоях)
должно быть как можно больше.
Метод стратификации родственен дисперсионному анализу, он часто применяется
совместно с диаграммами Парето.
Например, имеются результаты измерений пробивного напряжения диэлектриче-
ских слоев однотипных КМОП-структур [60]. Допустим, что часть экземпляров КМОП-
структур изготовлена исполнителем А, а другая часть выполнена исполнителем Б.

472
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Распределение частот для интервального ряда приведено в табл. 5.1.18. Легко ви-
деть, что КМОП-структуры, изготовленные исполнителем Б, более качественные, так
как имеют большее пробивное напряжение, чем структуры, изготовленные исполни-
телем А.
Совершим обработку этого статистического материала, расслоив данные по испол-
нителям АиВ соответственно.
На основе данных табл. 5.1.18 построим столбиковую диаграмму, как это показано
на рис. 5.1.22. На нем штриховыми линиями отображены данные для исполнителя А,
а сплошными — для исполнителя В. Осуществив такое расслаивание, можно сделать
вывод, что результаты разных исполнителей отличаются друг от друга весьма суще-
ственно.
Таблица 5.1.18
Интервальный ряд распределения пробивных напряжений диэлектрических
слоев однотипных КМОП-структур
Интервальные диапазоны
пробивного напряжения, В
176,5...179,4
179,5...182,4
182,5...185,4
185,5... 188,4
188,5...191,4
191,5...194,4
194,5...197,4
197,5...200,4
200,5...203,4
203,5...206,4
206,5...209,4
209,5...212,4
Середина ин-
тервала xt
178
181
184
187
190
193
196
199
202
205
208
211
Частота т{
Исполнитель А
1
3
5
21
16
29
Исполнитель В
31
21
18
9
5
1
Накопленная
частота Z и»;
1
4
9
30
46
75
106
127
145
154
159
160
Рис. 5.1.22. Гистограмма результатов измерений пробивного напряжения
КМОП-структур

Глава 5.1. Качество электронных средств
473
Определив среднее значение пробивного напряжения и дисперсию результатов из-
мерений, расслоенных по исполнителям А и В, получим: среднее для А = 189,4 и дис-
персия DA = 13,2; среднее для Б = 199,9 и дисперсия DB = 14,7. При этом до расслаи-
вания среднее значение и дисперсия составляли х-194,95 и Dx = 41,2 соответственно.
Таким образом, благодаря проведенному расслаиванию дисперсия внутри слоев за-
метно снизилась.
Следует заметить, что решение поставленной задачи бывает не всегда таким про-
стым и однозначным, как в рассмотренном выше примере. Иногда случаются ситуа-
ции, когда расслаивание по достаточно очевидному параметру не приводит к ожида-
емому результату. В этом случае необходимо продолжить анализ данных в поисках
решения возникшей проблемы.
7. Причинно-следственная диаграмма (диаграмма Исикавы)
Причинно-следственная диаграмма определяет характер многофакторных отноше-
ний типа «причина—следствие» по данным систематических наблюдений и позволяет
выявить наиболее существенные факторы, влияющие на конечный результат [60].
Впервые эту диаграмму как инструмент контроля качества предложил применять про-
фессор Токийского университета Каору Исикава в 1953 г., а к настоящему времени она
получила широкое распространение во всем мире'. Эта диаграмма показывает отноше-
ния между показателем качества и воздействующими на него факторами. Обычно диа-
грамма Исикавы используется совместно с методом расслаивания 5М, как показано на
рис. 5.1.23.
Основные
производст-
венные
факторы
Система причинных факторов 5М
Матери-
алы
Оборудо-
вание
Исполни-
тели
операций
Операци-
онные
методы
Средства
измерений
Процесс
Следствие
Параметры
качества
изделия
Показатели
качества
Контроль
процесса
по качеству
Рис. 5.1.23. Структура использования причинно-следственной диаграммы
Структура диаграммы Исикавы напоминает скелет рыбы (см. рис. 5.1.24).
«Хребет» скелета связывает различные причины (факторы) и показатели качества.
«Большие кости» характеризуют главные причины первого уровня А, Б, С, D,E,Fn G,
которые являются следствиями других причин: Ах, А2, ... , At; Б1? В2> ••• > -В; — «средние
кости»; могут быть и третичные причины — «малые кости», например Gn.
Показатели качества обязательно характеризуются разбросом. Поиск факторов,
оказывающих наиболее сильное влияние на разброс показателей качества, называют
исследованием причин. Информацию для построения причинно-следственной диа-
граммы собирают из всех доступных источников: журналы регистрации (операций,
текущего контроля и др.); сообщений персонала и т. д. Используются также эксперт-
ные оценки и корреляционные зависимости.

474
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Следствие
Рис. 5.1.24. Диаграмма Исикавы
Этапы построения причинно-следственной диаграммы:
• определяется результат, которого требуется достичь;
• проводится «хребет», концом которого является показатель качества. Выделя-
ются главные причины и соединяются с хребтом стрелками («большие кости»);
• выделяются вторичные причины и строятся «средние кости», затем третичные
причины в виде «мелких костей»;
• причины (факторы) ранжируются по их значимости, для этого используется диа-
грамма Парето. Выделяются наиболее важные факторы;
• на диаграмму наносится вся необходимая информация: ее название, наименова-
ние изделия, процесса, имена сотрудников, дата и т. п.
При построении диаграммы Исикавы рекомендуется рассмотреть проблему с точки
зрения «изменчивости». Так, формируя «большие кости», нужно рассмотреть воз-
можные изменения в показателе качества. Если изменения существуют, надо проана-
лизировать, с чем это связано. Например, если рост количества дефектов приходится
на понедельник, то надо определить причину. Для поиска причин прибегают к различ-
ным методам, в том числе к активному обсуждению или методу «мозгового штурма»,
который предложил американский специалист А.Ф. Осборн. При анализе диаграммы
Исикавы систематизацию причин следует проводить в такой последовательности:
от «мелких костей» к «средним», а затем от «средних костей» к «большим». На
рис. 5.1.25 показан пример применения причинно-следственной диаграммы в сфере
производства.
Оборудование
Оператор
Производственная
среда
Результат
Метод
Материал
Рис. 5.1.25. Применение диаграммы Исикавы в сфере производства

Глава 5.1. Качество электронных средств
475
Рассмотренные семь инструментов контроля качества представляют собой методы,
основанные на использовании статистической информации, и в настоящее время явля-
ются общепризнанными средствами, используемыми при анализе качества производи-
мого продукта. Их можно применять как раздельно, так и совместно при выполнении
всех видов контроля: входного, операционного, функционального, параметрического
и выходного.
Вопросы для контроля
1. Какой смысл заложен в понятие «качества» согласно ГОСТ Р ИСО 9000-2008?
2. Что может являться объектом качества?
3. Что представляет собой Всеобщее управление качеством?
4. Какая связаны между собой понятия «качества» и «конкурентоспособности»?
5. Какова структура системы управления качеством ЭС?
6. Что понимают под термином «показатель качества»?
7. Какие группы показателей характеризуют качество ЭС?
8. Какие основные этапы включает в себя оценка уровня качества конструк-
ции ЭС?
9. Как рассчитываются частные показатели качества?
10. Как выполняется оценка группового уровня качества?
11. Как определяется комплексный (обобщенный) показатель уровня качества кон-
струкции ЭС?
12. В чем состоят особенности стоимостного, вероятностного и экспертного методов
оценки весовых коэффициентов показателей качества?
13. Какова структура организации контроля качества ЭС?
14. В чем заключаются основные особенности входного, операционного, функцио-
нального, параметрического и выходного контроля?
15. Каким образом осуществляют выбор информативных показателей качества?
16. Как проводится контроль качества технологического процесса?
17. Из каких основных элементов состоит анализ технологического процесса по кри-
териям точности и стабильности?
18. В каких целях проводится операционный контроль качества ЭС?
19. Что представляет собой тестовая структура и тестовая схема?
20. В чем отличие функционального контроля от параметрического?
21. Какие основные алгоритмы используются при построении тестов функциональ-
ного контроля качества?
22. Чем обусловлена необходимость применения параметрического контроля?
23. Какой смысл заложен в понятие тестопригодности ЭС?
24. Что представляют собой управляемость и наблюдаемость?
25. В чем состоит назначение и какова сфера применения автоматизированных си-
стем построения тестов?
26. В чем состоит цель статистических методов анализа данных?
27. Какие параметры характеризуют центр распределения СВ?
28. Какие параметры характеризуют рассеяние СВ относительно центра?
29. Какие параметры характеризуют рассеяние СВ около ее математического ожи-
дания?
30. Что представляет собой асимметрия распределения СВ и эксцесс?
31. Каковы особенности семи инструментов контроля качества?
32. В каких целях применяется и что представляет собой контрольный листок?
33. Какие сведения можно получить из построенной диаграммы разброса?

476
Конструирование узлов и устройств электронных средств
34. Что понимают под активными и пассивными факторами?
35. Что представляет собой полный и дробный факторные эксперименты?
36. Как осуществляется построение диаграммы рассеяния?
37. Что понимают под вкладом и числом выделившихся точедс?
38. Как определяется степень влияния факторов на выходной показатель с помощью
диаграммы рассеяния?
39. Что представляют собой эмпирическая функция распределения и эмпирическая
плотность распределения СВ?
40. Какую информацию можно получить по гистограмме?
41. Как выполняют построение гистограммы?
42. В каких целях применяют контрольные карты?
43. Как осуществляют построение основных видов контрольных карт?
44. Для каких целей выполняют диаграммы Парето?
45. Какие существуют виды диаграмм Парето?
46. Какие основные этапы включает в себя процесс получения диаграммы Парето?
47. В чем заключается метод стратификации?
48. В чем особенности и различия методов 5М и 5Р?
49. Какую информацию о контролируемом процессе дает метод стратификации?
50. В чем состоит сущность причинно-следственной диаграммы?
51. Какие этапы включает в себя процесс построения причинно-следственной диа-
граммы?
52. Как выполняют анализ диаграммы Исикавы?

Глава 5.2
НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Надежность является одним из важнейших показателей качества ЭС и выражает
прежде всего свойство изделия функционировать и сохранять свои параметры в тече-
ние определенного срока в заданных условиях. Надежность является комплексным
показателем качества, состоящим из ряда частных, таких как безотказность, долго-
вечность, ремонтопригодность, сохраняемость и др.
Понятия надежности и качества настолько связаны друг с другом, что иногда их
ошибочно рассматривают как синонимы. Так, например, характеризуя какое-либо
изделие как качественное, подразумевают, в том числе, его надежность. Поэтому при
анализе качества любого искусственно созданного объекта обязательно оцениваются
его показатели надежности.
Проблема создания конкурентоспособных ЭС, особенно специального назначения,
работающих в жестких и очень жестких условиях (возимые, авиационные, космиче-
ские, медицинские, морские ЭС, а также аппаратура, эксплуатируемая на Земле в экс-
тремальных климатических условиях Арктики и Антарктики, высокогорья, пустынь
и тропических влажных лесов), требует повышенного внимания к обеспечению высо-
ких надежностных свойств изделия.
5.2.1. Основные понятия и определения
Основная терминология и определения в области надежности технических изде-
лий, и в том числе ЭС, определяется ГОСТ Р 27.002-2009.
В соответствии с ним, надежностью называется свойство готовности, учитывающее
влияние свойств безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического об-
служивания.
Готовностью называется способность ЭС выполнять заданную функцию в требуе-
мых условиях эксплуатации при обеспечении необходимых внешних ресурсов.
Безотказность ЭС определяет его способность выполнять заданную функцию в опре-
деленном интервале времени при конкретных эксплуатационных условиях.
Ремонтопригодность — это способность ЭС при данных условиях использования и
технического обслуживания к поддержанию или восстановлению состояния, в кото-
ром оно может функционировать.
Сохраняемость определяет способность ЭС выполнять требуемые функции в тече-
ние и после хранения и транспортировки.

478
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Долговечностью называется способность ЭС выполнять требуемую функцию, т. е.
сохранять работоспособное состояние, до наступления предельного состояния (ремонт
нецелесообразен) в данных условиях при установившейся системе технического обслу-
живания.
Работоспособным состоянием называется такое состояние ЭС, при котором оно спо-
собно выполнять требуемую функцию при обеспечении необходимых внешних ресур-
сов, сохраняя значения своих параметров в заданных пределах. Следует заметить, что
в работоспособном состоянии допускаются некоторые отклонения от требований нор-
мативно-технической документации, которые не влияют на качество функционирова-
ния ЭС (например, наличие царапин или вмятин на корпусе и т. п.).
ЭС находится в неработоспособном состоянии, если оно неспособно по какой-либо
причине выполнять требуемую функцию. При этом различают неработоспособное со-
стояние по внутренней причине, при котором ЭС неспособно функционировать из-за
внутренней неисправности или проведения профилактического обслуживания, и не-
работоспособное состояние по внешней причине, при котором ЭС не способно функци-
онировать в связи с отсутствием или нехваткой внешних ресурсов (например, отсут-
ствием напряжения питающей сети).
Предельным считается такое состояние ЭС, при котором его дальнейшее примене-
ние по назначению недопустимо или нецелесообразно по экономическим, экологиче-
ским причинам либо опасно.
Событие, заключающееся в нарушении способности ЭС выполнять заданную функ-
цию, называется отказом. Различают частичный, полный, зависимый и независимый
отказы. При частичном отказе ЭС может выполнять свои отдельные функции, а пол-
ный отказ приводит к полной потере работоспособности. Причиной зависимого от-
каза ЭС может стать отказ или неисправность какого-либо элемента или блока, входя-
щего в состав изделия. Соответственно, независимый отказ не вызывается прямо или
косвенно каким-либо другим отказом или неисправностью.
Неисправность — это такое состояние ЭС, при котором оно не может выполнять за-
данную функцию. Неисправности бывают:
• стабильные, которые можно устранить только с помощью ремонта;
• нестабильные, проявление которых исчезает самостоятельно;
• перемежающиеся, к которым относят проявляющуюся неоднократно нестабиль-
ную неисправность;
• неявные, приводящие к ошибкам только в специфических условиях;
• скрытые, которые существуют, но пока не выявлены;
• систематические, регулярно проявляющиеся при сочетании определенных обсто-
ятельств;
• конструкционные, связанные с несовершенством разработки ЭС;
• производственные, возникающие из-за некорректного изготовления ЭС.
Важную роль при рассмотрении надежности играет выделение класса системы по
отношению к ремонту и восстановлению. Восстановление — это процесс обнаружения
и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности. Си-
стема (объект) называется восстанавливаемой, если работоспособность ее в случае воз-
никновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях, и невос-
станавливаемой — если не подлежит. Один и тот же объект в зависимости от ситуации
может быть восстанавливаемым или невосстанавливаемым. Например, аппаратура
космического аппарата на этапе хранения и подготовки к старту — восстанавливае-
мая, а во время полета — невосстанавливаемая.
Ремонт представляет собой комплекс операций по восстановлению исправности и
работоспособности объекта, а также восстановлению ресурса объекта или его состав-

Глава 5.2. Надежность электронных средств
479
ных частей. Заметим, что ресурс (технический ресурс) — наработка объекта от начала
его эксплуатации или ее возобновление после среднего или капитального ремонта до
наступления предельного состояния. Под наработкой понимается продолжительность
или объем работы объекта.
Ремонт объекта может выполняться заменой или восстановлением отдельных эле-
ментов и сборочных единиц. Объект называется ремонтируемым, если исправность его
в случае возникновения отказа или повреждения подлежит восстановлению, прове-
дение ремонта объекта предусматривается в нормативно-технической документации.
Объект, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа
(повреждения) не подлежит восстановлению, — неремонтируемый. Таким образом,
понятие «ремонт» предусматривает возможность замены отказавших частей и не увя-
зывается с рассматриваемыми условиями (ситуацией). Классификация объектов по
отношению к ремонту и восстановлению приведена на рис. 5.2.1.
Неремонтируемые
Невосстанавливаемые
Недопустимы перерывы
в работе
Допустимы перерывы
в работе
Рис. 5.2.1. Классификация объектов по ремонту и восстановлению
Основным компонентом модели надежности объекта, т. е. технического изделия
(элемента, системы) определенного целевого назначения, рассматриваемого в период
проектирования, является закон распределения случайного времени Т работы до от-
каза. Существует два основных пути определения распределения времени Т. Первый
состоит в использовании априорных сведений о надежности элементов системы в виде
кривых интенсивностей отказов. Второй метод оперирует с эмпирическими данными,
полученными в результате проведения и обработки результатов испытаний, а также
при наблюдении за работой различных образцов оборудования в процессе эксплуата-
ции систем, в которых применяются аналогичные элементы, работающие в подобных
условиях. При таком подходе по полученным экспериментальным данным строят ги-
стограмму для времени Т и определяют соответствующую функцию распределения от-
казов. Наиболее предпочтительна комбинация указанных методов, когда для опреде-
ления распределения времени Т используются достаточные статистические данные
и представление о механизме возникновения отказов на основе физико-химических
и других соображений.
Знание законов распределения времени работы до отказа и времени ремонта необ-
ходимо при расчете показателей надежности систем, т.е. технических характеристик,
Восстанавливаемые
Ремонтируемые
Объекты ЭС

480
Конструирование узлов и устройств электронных средств
количественно определяющих одно или несколько свойств, составляющих надежность
объекта: безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.
При анализе надежности ЭС рассматривается как система (сложный объект), логи-
ческую связь компонентов которой отображает структурная схема надежности. В пер-
вую очередь, при анализе определяются:
• состояния, которые являются отказами системы; факт возникновения отказа
устанавливается критериями отказа согласно нормативно-технической докумен-
тации;
• характер процессов возникновения отказов компонентов исследуемой системы;
эти процессы описывают с помощью вероятностных законов и дифференциаль-
ных уравнений;
• конфигурацию (структуру) системы, отражающую характер соединения элемен-
тов, правила работы, наличие резервирования, схему обслуживания и т. п.
5.2.2. Показатели надежности ЭС и их оценка
Для количественной оценки надежности используют показатели. Неремонтируе-
мые объекты работают до первого отказа; основные показатели их надежности и фор-
мулы оценки показателей по результатам испытаний приведены в табл. 5.2.1 [3].
Таблица 5.2.1
Показатели надежности и формулы их оценки
Показатели надежности
Вероятность безотказной работы — вероятность выполнить
заданную функцию при данных условиях в пределах интер-
вала времени [0; t]
Средняя наработка до отказа — математическое ожидание
случайной наработки Т до первого отказа, ч
Интенсивность отказов, 1/ч, — условная плотность вероят-
ности возникновения отказа объекта, определяемая для
рассматриваемого момента t наработки при условии, что
до этого момента отказ не возник
Формулы оценки
R(t)=N(t)/N
1 N
w N(t)-At
Здесь N(t) — число объектов, работоспособных к моменту времени t; N — число испыты-
ваемых объектов; Ть — наработка до отказа £-го объекта.
Вероятность безотказной работы R(t) на временном интервале [0; t] и вероятность
отказа Q(t) (в зарубежной литературе иногда их называют соответственно функциями
надежности и ненадежности) определяются непосредственно по функции распределе-
ния F(t) случайного времени наработки до отказа 7\ т. е.
Функциональные связи между показателями R(t), Q(t), X(t), mt и плотностью рас-
пределения времени до отказа ср(£) приведены в табл. 5.2.2. Вероятность безотказной
работы в течение интервала [tх; 12] определяется по формуле:

Глава 5.2. Надежность электронных средств
481
Таблица 5.2.2
Связь между показателями надежности
Определяемый
показатель
надежности
R(t)
Q(t)
ф(0
X(t)
m(t)
Известный показатель надежности
R(t)
W)
1 - R(t)
-—R(t)
R(t) dt w
00
JR(t)dt
0
Qtt)
1-Q(0
Q(t)
' >>
тщи®®
][1-Q(t)]dt
0
<p(t)
м*ж*)
t
Jq>(*)d(*)
q>(<)
ф(0
00
J<p(x)dx
OO
0
4t) 1
Г * ~|
exp -jA.(*)dx
L о J
Г * 1
l-exp -J^(x)<ijc
L о J
Г * 1
L о J
X(t)
00 Г * 1
Jexp -Jx(jc)dx [Л
о L о J
Конкретный вид функций P(t)9 X(t) определяется законом распределения случай-
ной наработки до отказа Т. Во многих случаях на практике функция X(t) имеет вид,
показанный на рис. 5.2.2.
Рис. 5.2.2. Вид функции X(t)
Здесь можно выделить участки приработки (I), нормальной работы (II) и «старе-
ния» (III). Иногда как показатель рассматривают среднюю интенсивность отказов X
за время, соответствующее техническому ресурсу £р, т. е.
(5.2.1)
а также суммарную наработку tH до начала массовых параметрических отказов, ко-
торые характеризуются отклонением значения хотя бы одного рабочего параметра
за пределы допуска.

482
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Если система состоит из п элементов и отказ любого из них приводит к отказу всей
системы, то такое соединение элементов в смысле надежности называется последова-
тельным. Показатели надежности систем по известным характеристикам элементов в
предположении, что они соединены последовательно, рассчитываются по следующим
формулам.
Вероятность безотказной работы R(t) системы на временном интервале [0; t] равна
произведению вероятностей безотказной работы Rt(t)9 i=l,n, элементов, т. е.
(5.2.2)
или для отрезка времени [t0; t0 + т]
Значительная доля отказов системы связана с выходом ее параметров за пределы
допуска, т. е. установленные расчетом или экспериментально границы, при которых
объект способен выполнять заданные функции. Задача установления допусков с уче-
том требований надежности и проверка их обеспечения является одной из наиболее
сложных и ответственных при проектировании систем и анализе метрологических ха-
рактеристик ЭС [3].
Конструируемый объект обычно характеризуется рядом параметров, от значений
которых зависит его качество функционирования. К таким параметрам относятся
характеристики элементов, модулей, узлов, блоков, системы в целом, например: раз-
Интенсивность отказов A(t) системы равна сумме интенсивностей отказов Xt(t) эле-
ментов, т. е.
Плотность вероятности f(t) времени работы до отказа системы определяется по фор-
муле:
где <\>i(t) — плотность вероятности отказов i-ro элемента.
Среднее время mt работы системы до отказа при сроке службы tCJl рассчитывается
следующим образом:
Если для элементов имеет место показательный закон распределения времени ра-
боты до отказа, т. е. выполняется условие экспоненциального закона надежности, то
формулы (5.2.2)-(5.2.5) принимают следующий вид:

Глава 5.2. Надежность электронных средств
483
меры детали, омическое сопротивление резистора, емкость конденсатора, коэффици-
ент усиления и т. д. Значение параметра зависит от большого числа факторов, поэтому
его рассматривают как случайную величину.
Область допустимого изменения параметра называется допусковой областью, обо-
значим ее Sfl. Для д-мерного вектора параметров у = (уг, ... , уп) область Sn является
л-мерным параллелепипедом. Условие у е Sfl, т. е. что значение у принадлежит допу-
сковой области, проверяется выполнением соотношений
Из соотношения (5.2.6) следует, что применение области Sa вместо Sp при вычисле-
нии показателей надежности дает некоторую избыточность получаемых результатов.
Допуски делятся на две основные группы: двусторонние и односторонние (рис. 5.2.3).
Рис. 5.2.3. Допуски: а — двусторонний; б, в — односторонние
В одномерном случае область вд определяется следующими характеристиками:
поле допуска 28, нижняя уа и верхняя уъ границы поля допуска, середина поля допу-
ска г/с, номинальное значение параметра ун и смещение ус относительно номинального
значения Ас. Эти характеристики связаны соотношениями:
где уи а, yit b — граничные значения для составляющей yt.
Выход вектора у из области SA рассматривается как отказ объекта. Следует за-
метить, что наряду с областью SA может вводиться область работоспособного состоя-
ния Sp, такая, что
При анализе системы могут решаться прямая и две обратные задачи, которые свя-
заны с сопоставлением распределения параметра и и характеристик поля допуска.

484
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В случае прямой задачи задаются закон распределения параметра у, например,
в виде плотности вероятности <р(у), и поле допуска, характеризуемое параметрами уа,
уъ и ус. Требуется определить вероятность выхода параметра из допусковой области,
т.е.ф/е5д]=Рвых.
В первой обратной задаче задается плотность ц>(у) и допустимая вероятность РВЫХ,Д.
Требуется определить характеристики поля допуска, такие, чтобы для них выполня-
лось условие:
(5.2.7)
Во второй обратной задаче по известным характеристикам поля допуска и допусти-
мой вероятности Р„ых.д надо определить характеристики распределения у, при кото-
рых будет выполняться условие (5.2.7).
В основе решения этих задач лежат следующие формулы расчета вероятности Рвых,
соответствующие трем случаям, приведенным на рис. 5.2.3:
(5.2.8)
(5.2.9)
(5.2.10)
Исследования показывают, что в большинстве случаев распределение значения
параметра у по полю допуска для фиксированного момента времени близко к нор-
мальному. При нормальном законе распределения у формулы (5.2.8)-(5.2.10) для рас-
чета Рвых принимают следующий вид:
где ту, <jy — математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение случай-
ной величины у;
Ф(г) — функция распределения нормированного закона Гаусса (т = 0, а = 1), т. е.
В ряде случаев закон распределения у принимается равномерным, т.е.
(5.2.11)

Глава 5.2. Надежность электронных средств
485
где h — максимальное отклонение у от математического ожидания ту;
Утах> Ущт — минимальное и максимальное значения у соответственно.
Расчет вероятностей Рвых при распределении (5.2.11) производится по форму-
лам (5.2.8)-(5.2.10) с учетом границ изменения параметра. Например, при j/min < уа
и ymeLX < уь (рис. 5.2.4, а) формула (5.2.8) для двустороннего допуска принимает вид:
Рис. 5.2.4. Равномерное распределение параметра и поля допуска:
а — двусторонний допуск; б — односторонний допуск
В случае одностороннего допуска с верхней конечной границей пуь< У max (Рис • 5.2.4,
б) на основе (5.2.10) получаем:
Во многих случаях на практике законы распределения параметров отличаются от
нормального или равномерного и обычно асимметричны. В этих случаях рассчитыва-
ются координаты середины и границы поля рассеивания параметра на основе извест-
ных распределений влияющих на него факторов, и затем решаются другие задачи.
При проектировании ЭС часто решается следующая задача аналитического опреде-
ления погрешности. Задаются вектор х = (xlf..., хп) входных (первоначальных) и век-
тор у = (yi,..., ут) выходных конструкторских параметров. Связь между х и у описыва-
ется системой уравнений yi = fi(xi,..., хп) i = l,m.
Требуется для заданных ошибок входов определить погрешности для выходных па-
раметров.
Для одномерного случая (со скалярными входом и выходом), т. е.
где ft, fe5 — коэффициенты влияния соответственно абсолютной и относительной оши-
бок первичного конструкторского параметра на ошибку выхода.
в предположении непрерывности функции (5.2.12) абсолютные Ах> Ау и относитель-
ные 8*, 8у погрешности в первом приближении связаны соотношениями:

486
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Эти коэффициенты определяются по производной f(x) для конкретного значе-
ния ху например, тх, или экспериментально для измеренных значений (xv, yv), (л;ц, у^)
по формулам
где Axi9 8xt — погреп1Ности i-ro входного конструкторского параметра xt;
hi* k5i — коэффициенты влияния соответствующих погрешностей xt на выходной
параметр у;
тПуу пгх — математические ожидания у их.
Отклонения р^, i = 1, п первичных параметров конструкции xt от номинальных зна-
чений удобно выразить через систематические At и случайные р^ составляющие в виде
где V; — коэффициент, характеризующий отклонение распределения случайной со-
ставляющей ошибки лг^от нормального.
В предположении, что функция п аргументов
непрерывна и среди случайных погрешностей входов нет доминирующих, ошибки Ау
и 8у приближенно определяются с использованием соотношений
Систематическая ошибка At определяется алгебраическим суммированием состав-
ляющих, обуславливаемых воздействием различных факторов: температуры, давле-
ния и т. д. Если число факторов — N, и систематическая ошибка, вызываемая ;-м фак-
тором на параметр xi9 равна Л*,, то
Случайные составляющие складываются по правилу дисперсий, т.е.
где piy — случайная составляющая ошибки, вызываемая у-м фактором.
Отклонение выходного параметра конструкции с учетом (5.2.13)-(5.2.16) опреде-
ляется по формуле

Глава 5.2. Надежность электронных средств
487
Расчет экстремальных отклонений Ау = у-ти по абсолютным отклонениям
Pi «ц
Axi=xi-mx9 i=l9n при —/(jclf...,xn)>0, £=1,^ и _/(хр...,*л)<0, i = (n1+l),n произ-
ОХ^ OXi
водится по Формулам:
В ряде случаев требуется найти закон распределения выходного конструкторского
параметра по известным распределениям входных параметров. Для одномерного объ-
екта (5.2.12) в предположении, что обратная зависимость х = f~Hy) = Siy) однозначна,
плотность распределения <ру(у) случайной величины у по известной плотности распре-
деления <рх(х) случайной величины х определяется по формуле:
ФУНКЦИИ у = /(*), у = /(Л, 2)
Плотность распределения <ру(у)
у = а + Ьх
ч>Лу) =
у-а
у=1/х
%^-^.и
у = ех
<Ри(У) =
-cpx(lni/)
у = \пх
<Ру(у) = еу<Рх(еу)
у = х<
% 0)= J-r[^x(yfy)] + Фх(-л/у )
y = * + z
%(y)=№x(v}Vz(y-v)dv = iVx(y-v)'Vz(v)dv
y = xz
ф^)-/Цф.(«'>ф.(5)*-/||ф.(5)-ф.(»)^
У = Х/2
%(y)=j\vWx(v)4>z(y-v)dv=j
Фх(У)ф2
du
Математическое бжидание и дисперсия у соответственно равны:
В табл. 5.2.3 представлены плотности распределения (ру(у) для некоторых распро-
страненных функций у = f(x) и у = f(x, г).
Таблица 5.2.3
Плотности распределения функций случайных аргументов

488
Конструирование узлов и устройств электронных средств
При большом числе случайных аргументов аналитическое определение плотности
%(у) в общем случае достаточно громоздко, поэтому обычно ограничиваются опреде-
лением основных моментов распределения выхода у. Математическое ожидание и дис-
персия выходного параметра у как функции п случайных независимых аргументов
(xi, ... , хп) определяются по формулам:
»3x
где производные df/дх берутся в точках mXiii=l,n;
цзх/ — третий центральный момент xt, i =l,n.
В случаях, когда входные величины xt,i=l,n, коррелированы, в формулы для ту,
Dy добавляются слагаемые с корреляционными моментами, например:
Если в модели (5.2.13) п велико и среди входных переменных xi,i = l,n нет резко
выделяющихся по влиянию на выходной параметр у, то имеет место распределение,
близкое к нормальному.
Для ремонтируемых объектов важным показателем надежности является параметр
потока отказов ©(f). Для ординарных потоков без последействия применительно к ре-
монтируемым невосстанавливаемым системам параметр потока отказов (рис. 5.2.5, а)
совпадает с интенсивностью потока и представляет собой отношение среднего числа
отказов за произвольную малую его наработку к значению этой наработки, т.е.
где r(t, t + At) — число отказов за интервал (t, t + At);
M[X] — математическое ожидание случайной величины X.
Среднее значение параметра потока отказов со определяется по формуле, аналогич-
ной формуле (5.2.1). Если при t —> оо плотность вероятности co(f) —► 0, то существует
установившееся значение параметра потока отказов
В случае экспоненциального распределения наработки между отказами с параме-
тром X имеет место выражение:
где Rtj — корреляционный момент между хь и х7, т.е.

Глава 5.2. Надежность электронных средств
489
где R(t; t + т) — вероятность безотказной работы на интервале [t; t + т];
mt — средняя наработка между отказами.
Состояния
Неработоспособное
Работоспособное
Состояния
Работоспособное
Неработоспособное
Рис. 5.2.5. Поток отказов (а) и реализация случайного процесса эксплуатации
восстанавливаемого объекта (б)
Для ремонтируемых восстанавливаемых (обслуживаемых) объектов при их исполь-
зовании в течение заданного времени работы [t; tK] допускаются отказы и вызванные
ими кратковременные перерывы в работе. В процессе эксплуатации такого объекта че-
редуются случайные периоды времени безотказной работы Т(1) и времени восстановле-
ния (ремонта) Тв(1) (рис. 5.2.4, б), т. е. имеет место альтернирующий процесс функцио-
нирования объекта.
Надёжность объектов данного класса характеризуется рядом комплексных - коэф-
фициенты готовности, оперативной готовности, технического использования, и еди-
ничных - вероятность безотказной работы, среднее время работы системы до отказа
и др. показателей.
Нестационарный коэффициент, или функция готовности, есть вероятность того,
что в момент времени t объект находится в состоянии работоспособности (при извест-
ных начальных условиях в момент t = 0). На основе проведения испытаний с N объек-
тами функция готовности оценивается по формуле:
где N(t) — число объектов, находящихся в момент времени t в состоянии работоспо-
собности.
Стационарный коэффициент готовности представляет собой вероятность нахож-
дения объекта в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме
планируемых периодов простоя; он равен предельному значению Kr(t)> т.е.

490
Конструирование узлов и устройств электронных средств
где mt — средняя наработка между отказами (наработка на отказ);
тв — среднее время восстановления объекта.
Для ремонтируемых систем, состоящих из п узлов, в предположении, что ремонт
отказавшего узла производится независимо от состояний работоспособности других
узлов, расчет коэффициента готовности выполняется по формуле:
Рис. 5.2.6. Показатели надежности: а — Kr(t), KT, Ku(t) и Ки; б — Ког(х)
Нестационарный коэффициент оперативной готовности Kor(t; t + т) есть вероят-
ность того, что объект окажется работоспособным в момент времени t и, начиная с
этого момента, проработает безотказно в течение заданного времени т; он оценивается
по формуле
где Kri(t) — коэффициент готовности i-ro узла.
С показателями Kr(t) и КТ жестко связаны функция Ku(t) и коэффициент Кп про-
стоя (рис. 5.2.6, а):
где N(t; t + т) — число объектов, работоспособных в момент времени t и проработав-
ших безотказно до момента времени t + т.
Стационарный коэффициент оперативной готовности определяется как вероят-
ность безотказной работы объекта в течение заданного интервала времени т, начиная с
произвольного «достаточно удаленного» момента времени, т. е.

Глава 5,2. Надежность электронных средств
491
где £раб — суммарное время нахождения объекта в работоспособном состоянии;
*рем — суммарное время ремонта;
*обсл — суммарное время профилактического обслуживания.
Показатели ремонтопригодности восстанавливаемых объектов представляют со-
бой характеристики случайной величины 0 длительности восстановления. Широко
используются такие показатели ремонтопригодности, как вероятность восстановле-
ния за временный интервал [0; t] PB(f)=(P[0<t]=FB(f) и среднее время восстановле-
ния mB=M\Q~\ = jt<pB(t)dt. Здесь FB(t)> срв(0 — функция и плотность распределения вре-
мени 0.
Если время 0 имеет показательное распределение с параметром ц, т. е. фв(£) =
= ц • ехр[-ц*], то PB(t) = 1 - е-»*г тв = 1/ц.
Стационарный коэффициент готовности при показательных распределениях вре-
мени работы между отказами Т и времени восстановления 0 с параметрами соответ-
ственно X и |Li рассчитывается по формуле Кг = ц/(|я + А,).
5.2.3. Способы повышения надежности ЭС
Основными причинами отказов ЭС являются следующие: нарушение работоспо-
собности ЭРИ, отказы элементов конструкции, ошибки при схемотехническом и кон-
структорском проектировании, нарушения технологии и условий эксплуатации. Для
повышения надежности ЭС используется большое число способов, которые представ-
лены на рис. 5.2.7.
Наиболее действенным способом является введение резервирования (избыточно-
сти). Различают пять видов резервирования:
• структурное или аппаратное, предусматривающее использование избыточных
структурных элементов (электронных модулей различных уровней);
• временное (с применением резерва времени);
• нагрузочное (используется запас по нагрузке);
• функциональное (применяются компоненты с избыточными функциями);
• информационное (применяется избыточность приема, передачи и хранения ин-
формации).
Наиболее часто используются структурное и временное виды резервирования. Под
структурным резервированием понимается метод повышения надежности системы,
предусматривающий использование избыточных структурных элементов. Классифи-
кация способов реализации структурного резервирования приведена в табл. 5.2.4.
Предполагается, что вероятность безотказной работы в течение времени т не зави-
сит от момента начала работы. На рис. 5.2.6, б, показан вид функции Ког(т).
Для учета всех простоев объекта, в том числе и не связанных с отказами, исполь-
зуется коэффициент технического использования. Он представляет собой отношение
математического ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоя-
нии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени
пребывания объекта в работоспособном состоянии, времени простоев, обусловленных
техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации, т.е.

492
Конструирование узлов и устройств электронных средств
ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И КОНСТРУКЦИИ ЭС
Применение более
надёжной элементной
базы и конструкции
Облегчение режимов
эксплуатации ЭС
Применение
и совершенствование
системы профилактики
и ремонта
Совершенствование
технологии
производства
Замена аналоговой
обработки сигналов
цифровой
Резервирование
Замена механических
КУ электронными
Повышение
квалификации
обслуживающего
персонала
Упрощение
конструкции ЭС
(устранение излишнего
усложнения)
Структурное
резервирование
По объему
(общее,
раздельное,
смешанное)
Функциональное
резервирование
Информационное
резервирование
По числу
элементов
(однократное,
многократное)
По режиму
работы
(ненагруженный,
нагруженный,
облегчённый
резерв)
Временное
резервирование
Структура
резервированного
элемента
(постоянное,
динамическое,
замещением,
скользящее)
Рис. 5.2.7. Пути увеличения надежности ЭС
Таблица 5.2.4
Классификация способов структурного резервирования
Признак
| классификации
Способ включения
резерва
Схема включения
резерва
Состояние резерва
Способ резервирования
Постоянное резервиро-
вание
Резервирование замеще-
нием
Общее резервирование
Раздельное резервиро-
вание
Ненагруженный резерв
Облегченный резерв
Описание
Резервные элементы участвуют в функцио-
нировании наравне с основным
Функции основного элемента передаются
резервным элементам после его отказа
Резерв предусматривается на случай отка-
за объекта в целом
Резерв предусматривается на случай отка-
зов отдельных элементов или их групп.
Резервные элементы практически не несут
нагрузок 1
Резервные элементы находятся в менее на-
груженном режиме, чем основной

Глава 5.2. Надежность электронных средств
493
Окончание табл. 5.2.4
Признак
классификации
Однородность ре-
зервирования
Кратность резерви-
рования
Способ резервирования
Нагруженный резерв
Однородное резервиро-
вание
Смешанное резервиро-
вание
Однократное резервиро-
вание
Многократное резервиро-
вание
Описание
Резервные элементы работают в том же
режиме, что и основной элемент
Резервирование имеет один вид по соответ-
ствующему признаку классификации
Совмещение в объекте различных видов
резервирования
Кратность резервирования равна единице
(дублирование)
Кратность резервирования свыше единицы
Элемент (узел), минимально необходимый для выполнения системой заданных
функций, называется основным или рабочим, элементы, обеспечивающие работоспо-
собность системы в случае отказа основного элемента, — резервными. На структурной
схеме расчета надежности резервные элементы размещаются параллельно основному.
Резервные элементы могут иметь соединение с основным элементом без переключа-
теля и с переключателем, как показано на рис. 5.2.8, а, б [3].
Рис. 5.2.8. Параллельное соединение элементов в структурной схеме
надежности: а — нагруженный резерв; б — ненагруженный резерв
с переключателями
Для невосстанавливаемой системы вероятность Rt(m)(t) безотказной работы i-го узла
на интервале времени [0; t] при тп-кратном нагруженном резерве (без переключателей)
определяется по формуле
где Roj(t)9 Rij(t), j=l,m — вероятности безотказной работы основного и /-го резерв-
ного элементов соответственно. '

494
Конструирование узлов и устройств электронных средств
В данном случае отказ i-ro узла наступает, когда выйдут из строя все (т + 1) эле-
менты. Если основной и резервные элементы, работающие в одном режиме, одина-
ковы, то
Недостатком нагруженного резерва является одновременная работа всех т + 1 эле-
ментов, и, следовательно, их повышенный износ. В случаях, когда допустимы пере-
рывы в работе системы, необходимые для замены основного элемента резервным, более
экономичными являются облегченный и ненагруженный виды резерва, т. е. резервы
замещением.
При ненагруженном резерве без восстановления средняя наработка до отказа
группы равна сумме средних наработок всех элементов, т. е.
Средняя наработка до отказа *-го резервируемого узла равна
Если отключение и подключение элементов при резервировании выполняются с по-
мощью переключателей Пу (рис. 5.2.7, б), то
где Rnj(t) — вероятность безотказной работы у-го переключателя.
При экспоненциальном распределении времени работы основного и т резервных
элементов с параметром X для вероятности Ri(m)(t) и среднего времени до отказа имеют
место соотношения:
В случае экспоненциального распределения времени работы элементов с параме-
тром Xt вероятность R^m)(t) при ненагруженном резерве определяется по формуле:
Следует заметить, что при резерве замещением может потребоваться использование
переключающих устройств (см. рис. 5.2.8, б).
Для восстанавливаемых систем, когда в процессе функционирования могут восста-
навливаться основные и резервные элементы при построении модели надежности необ-
ходимо учитывать число k рабочих элементов в группе, которая резервируется, состав
резервных элементов и показатель обслуживания г, т. е. сколько элементов может од-
новременно восстанавливаться. Схема такой системы представлена на рис. 5.2.9, а со-
кращенно ее модель обозначается кортежем

Глава 5.2. Надежность электронных средств
495
где Ш\у т2, и т3 — числа резервных элементов соответственно в нагруженном, облег-
ченном (характеризуется показателем 0 < v < 1) и незагруженном состояниях.
Рис. 5.2.9. Структурная схема надежности системы
Данная система с т = mi + т2 + ти3 резервными элементами работает следующим
образом. Если при функционировании отказывает один из k рабочих элементов, то
он замещается резервным элементом, находящимся в нагруженном состоянии. Отка-
завший элемент поступает на восстановление, место восстанавливаемого элемента из
числа rrti занимает элемент из группы т2у а группа т2 пополняется из т3. Данное со-
стояние системы обозначается Х\> т. е. имеется один отказавший элемент. Из состоя-
ния Xi система может вернуться в состояние х0, если отказавший элемент будет восста-
новлен (он пополнит группу 77i3), или перейти в состояние х2, если откажет еще один
элемент, и т. д. Следует заметить, что отказывать могут не только рабочие элементы,
но и элементы из групп т1 и т2. Отказ системы (k9 щ9 пц, пц, г) наступает при достиже-
нии состояния xm+i, т. е. когда в состоянии отказа будут находиться (mi + т2 + /п3 + 1)
элементов.
Если время работы элементов до отказа и время восстановления показательные с
параметрами X и ц соответственно, то для решения задач моделирования кортеж со-
става (k, rn^y т2У т3, г) дополняется кортежем интенсивностей отказов и восстановления
(X, X, vX9 О, ц). Для расчета вероятности безотказной работы R(t) системы, представлен-
ной на рис. 5.2.9, составляется ориентированный граф Gn изменения состояний си-
стемы с поглощающим состоянием xm+i (рис. 5.2.10, а).
По графу Gn в предположении, что процесс изменения состояний марковский, за-
писывается система из т + 2 дифференциальных уравнений. Интенсивности дуг Лу
графа, связанные с отказами элементов, определяются из соотношения:
Элементы нагруженного резерва
Элементы облегчённого резерва
Элементы ненагруженного резерва
Рабочие элементы

496
Конструирование узлов и устройств электронных средств
а интенсивности дуг Му, связанные с восстановлением:
Рис. 5.2.10. Графы изменения состояний резервированной системы:
а — граф Gu с поглощающим состоянием хт+1;
б — граф G0 с отражающим состоянием хт+1
Система дифференциальных уравнений для расчета вероятностей состояний Pj(t),
у=0, тп + 1, в компактной форме может быть записана следующим образом:
с учетом
На основе решения системы уравнений (5.2.17) при начальных условиях
Для определения коэффициента готовности Kr(t) рассматриваемой системы ис-
пользуется граф GQ с отражающим состоянием xm+i (рис. 5.2.10, б). Здесь также реша-
ется система уравнений (5.2.17), но при Мm+i * 0, т. е. с учетом Л_х =Лт+1 =М0 =Мт+2 = 0.
В результате решения системы уравнений определяются вероятность Pj(t), /=0,m + l,
и нестационарный коэффициент готовности
и средняя наработка системы между отказами
определяются вероятность безотказной работы

Глава 5.2. Надежность электронных средств
497
Например, объект состоит из двух элементов — рабочего и нагруженного резерв-
ного. Пусть законы распределения времени работы элементов между отказами и вос-
становления показательные с параметрами X и ц соответственно. При отказе одного
из элементов производится его восстановление. Отказ объекта происходит, когда при
восстановлении отказавшего элемента выходит из строя и другой элемент. Таким об-
разом, имеют место кортежи (1,1, 0, 0,1) и (X, X, О, 0, ц). Множество X включает в себя
три состояния: х0 — работоспособны оба элемента, хг — один элемент отказал и вос-
станавливается, х2 — отказали оба элемента, т. е. это — состояние отказа объекта. На
рис. 5.2.11 показаны графы переходов с поглощающим Gu и отражающим GQ состоя-
нием х2. С помощью первого графа определяются вероятности безотказной работы объ-
екта, с помощью второго — функция и коэффициент готовности.
а б
Рис. 5.2.11. Графы переходов системы (1,1,0,0, l): a — с поглощающим
состоянием х2; б — с отражающим состоянием х2
Графу (рис. 5.2.11, а) соответствует следующая система дифференциальных урав-
нений
где p(xt, t) — вероятность состояния xt в момент времени t.
В результате решения уравнения при начальных условиях р0(0)=1, р1(р)=р2(0>)=0
определяется вероятность безотказной работы
Стационарные вероятности состоянии р, =lim p,(f), / = 0, m + 1, могут быть опре-
J t-*oo J V 7
делены по графу G0 методом графов. В этом методе используется понятие остовного
входящего дерева (остова) G, со стоком в вершине L. Остов Gt содержит все вершины
графа G(X, D), не имеет контуров, и для любой вершины j ф ic существует единствен-
ный путь из j в ic.
В общем случае, граф G(X, Р)для произвольной вершины i имеет о^ различных осто-
вов, которые обозначим Gitj9 j = 1, о^. Интенсивность (вес) v{GtA остова Gitj равна произ-
ведению интенсивностей o(d) всех его дуг, а интенсивность р^ вершины i графа G равна
сумме интенсивностей всех различных остовов со стоком в вершине L Таким образом,
где Da — множество дуг у-го остова со стоком в £-й вершине.

498
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Стационарные вероятности р. методом графов определяют по формуле:
Если для всех вершин о^ = 1, т. е. граф G — одноостовный, то
и, следовательно,
при этом стационарный коэффициент готовности Кг =1-рт+1.
5.2.4. Расчет надежности на различных стадиях конструирования ЭС
Как уже отмечалось в § 1.1.5, процесс разработки КД на ЭС включает в себя ряд
последовательных стадий, которые существенно отличаются друг от друга по целям
и уровню описания будущего изделия. Поэтому в зависимости от степени проработки
проекта процедуры расчета надежности изменяются. В табл. 5.2.5 приведены сведения
о мероприятиях по оценке надежности для различных стадий проектирования ЭС.
Таблица 5.2.5
Оценка надежности на стадиях проектирования ЭС
Стадия проектирования ЭС
Разработка технического задания
на изделие
Техническое предложение
Эскизный проект
Технический проект
Мероприятия по оценке надежности
Выбор показателей надежности
Определение норм надежности
Прикидочный расчет надежности
Расчет надежности с учетом условий эксплуатации
На стадии разработки технического задания на ЭС в его состав обязательно входят
требования по надежности. Обычно задаются средняя наработка на отказ ти вероят-
ность безотказной работы R(t), а также средние сроки службы и сохраняемости.
На стадии технического предложения на основе требований, предъявляемых к на-
дежности проектируемого ЭС в целом, определяются нормы надежности на составля-
ющие изделие электронные модули.
Одноостовный граф называют линейчатым, если вершина i е [1, 2,..., 1, 2,..., и-1-1]
смежная только с вершинами i + 1 и i - 1, а вершины 0 и и смежные соответственно с
вершинами хг и xk-i.
В нашем случае граф G0 является линейчатым. Для него

Глава 5.2. Надежность электронных средств
499
На стадии разработки эскизного проекта с учетом практического опыта конструк-
торов выполняют прикид очный расчет надежности, который позволяет оценить воз-
можность реализации требований к надежности по разработанной структурной или
функциональной электрической схеме устройства.
На стадии технического проекта на основе принципиальной электрической схемы
выполняют уточненный расчет надежности с учетом режимов работы ЭРИ и дестаби-
лизирующих внешних факторов, воздействующих на изделие в процессе эксплуата-
ции. Этот вид расчета предназначен для выявления недостаточно надежных электрон-
ных модулей аппаратуры и может быть осуществлен на основе анализа электронной
модели, выполненного с применением средств современных информационных техно-
логий [3].
Рассмотрим мероприятия по оценке надежности более подробно [61].
1. Определение норм надежности
Для вновь разрабатываемых ЭС показатели надежности задаются нормативно-тех-
нической документацией или прописываются в техническом задании на изделие. При
разработке технического предложения необходимо эти показатели сопоставить с раз-
личными функциональными узлами ЭС. Целью расчетов является определение прин-
ципиальной возможности создания конструкции ЭС без специальных мер, направлен-
ных на повышение надежности.
При расчетах применяются следующие допущения:
• отказы ЭС вызываются только внезапными отказами его элементов;
• интенсивность отказов элементов X(t) = const;
• все элементы ЭС считают одинаково надежными.
Методика определения норм надежности на отдельные функциональные узлы за-
ключается в следующем:
1. Определяют количество ЭМ1 в проектируемом ЭС.
2. Рассчитывают требуемую вероятность безотказной работы ЭМ1 в течение задан-
ного времени t:
Полученное значение Xt сравнивают со справочными данными о значениях интен-
сивностей отказов типовых ЭРИ, которые планируется использовать при изготовле-
нии ЭМ1. Имеющиеся данные для нормальных условий эксплуатации не должны пре-
вышать рассчитанное значение более чем в 2 раза.
Необходимо заметить, что оценка Xt имеет весьма приближенный характер и по-
зволяет оценить возможность построения изделия без дополнительных средств
где г — количество функциональных узлов в ЭС;
Rrpit) — заданное значение вероятности безотказной работы ЭС.
3. Оценивают допустимое значение интенсивности отказов ЭМ1 по условию
4. Ориентировочно определяют количество элементов в функциональных узлах ni9
i = lj г.
5. Рассчитывают допустимое значение интенсивности отказов элементов:

500
Конструирование узлов и устройств электронных средств
увеличения надежности составляющих его компонентов. Однако в случае превыше-
ния интенсивностью отказов ЭРИ в нормальных условиях эксплуатации расчетного
значения Xt более чем в 2 раза, то необходимо искать способы сокращения общего ко-
личества как ЭМ1, так и ЭРИ в изделии.
2. Прикидочный расчет надежности
В сущности, разработка любого ЭС представляет собой выбор одного из нескольких
альтернативных вариантов. При проектировании сталкиваются с двумя задачами:
спроектировать ЭС с заданными характеристиками и одновременно обеспечить требуе-
мую надежность. До того, как будет выбран конкретный вариант, прикидочный рас-
чет надежности может дать правильное представление о том, какой из них обеспечит
наиболее высокую надежность или позволит выполнить требования к надежности наи-
более оптимальным путем.
Прикидочный расчет производится на стадии эскизного проекта, когда еще отсут-
ствуют полные данные о режимах и условиях работы отдельных элементов создавае-
мого изделия, но уже разработана его функциональная схема.
Прикидочный расчет выполняется со следующими допущениями:
• отказы любых элементов рассматривают как случайные и независимые события;
• отказ любого из элементов приводит к отказу всего ЭС;
• все элементы функционируют в номинальных режимах;
• однотипные элементы одинаково надежны;
• вероятности безотказной работы элементов изменяются во времени по экспонен-
циальному закону, а интенсивности отказов элементов X(t) = const.
Проведение прикидочного расчета предполагает выполнение следующих этапов:
1. По функциональной схеме определяют количество г электронных модулей (ЭМ1
или ЭМ2) в проектируемом изделии.
2. Для каждого электронного модуля по известным входным и выходным параме-
трам с использованием знаний о составе элементной базы подсчитывают количество
miy i = 1, г групп однотипных элементов и число элементов в каждой группе.
3. Подсчитывают интенсивности отказов для каждой группы элементов. При этом
значения интенсивностей отказов ЭРИ берутся из соответствующих справочников для
номинальных режимов работы. Учитывая значительную номенклатуру и количество
ЭРИ, входящих в функциональный узел, задаются минимальная и максимальная ве-
личины интенсивности отказов элементов и ее усредненное значение:
где пт. — число элементов в группе ть.
4. Определяют поток отказов ЭМ1 (ЭМ2) проектируемого ЭС для выявления функ-
циональных узлов с наиболее высокой интенсивностью отказов с целью повышения их
надежности:
Следует заметить, что число групп и количество элементов в группах для проек-
тируемого ЭС определяется приближенно на основании его сравнения с имеющимися
аналогами или используя принятый вариант функциональной схемы и статистические
данные о соотношении между ЭРИ различных типов в аппаратуре подобного вида. Так,

Глава 5.2. Надежность электронных средств
501
По результатам прикидочного расчета делаются следующие выводы. Если расчет-
ное значение mt >mtJ то изделие будет удовлетворять требованиям ТЗ. В случае, когда
mt <mt<mt как бы удовлетворяет требованиям ТЗ, однако окончательный вы-
вод можно сделать только при уточненном расчете надежности, поэтому целесообразно
перейти к разработке принципиальной электрической схемы ЭС. Когда mt < mt9 де-
лается заключение о несоответствии надежности ЭС требованиям ТЗ. Следовательно,
необходимо переработать функциональную схему, попытаться сократить количество
электронных модулей и (или) определить ЭРИ, имеющие наибольшие значения интен-
сивностей отказов и предусмотреть для них облегченный режим функционирования.
После реализации этих мер прикидочный расчет надежности производится заново.
3. Расчет надежности с учетом условий эксплуатации
Полученные в результате прикидочного расчета количественные показатели, ха-
рактеризуя специфику электрической функциональной схемы, еще не дают возмож-
ности сказать, какова будет надежность ЭС в реальных условиях эксплуатации при за-
данных режимах работы его элементов. Поэтому в этих целях выполняют уточненный
расчет надежности, который производится на стадии технического проекта, когда раз-
работана принципиальная электрическая схема ЭС. Расчет надежности с учетом усло-
вий эксплуатации позволяет оценить влияние условий функционирования ЭРИ и ВВФ
окружающей среды на надежность ЭС.
Расчет надежности с учетом условий эксплуатации предполагает последовательное
выполнение следующих этапов.
1. Составляют расчетную схему надежности, условно выделяя из состава ЭС глав-
ные функциональные узлы, которые определяют выполнение основных заданных
функций и вспомогательные, например, элементы контроля, индикации, защиты
и т. п.
2. Находят количество групп однотипных ЭРИ, входящих в рассчитываемый элек-
тронный модуль (на основе анализа принципиальной электрической схемы и специ-
фикации). Затем подсчитывают число ЭРИ в каждой группе. Например, в схеме ис-
пользуются 12 конденсаторов типа К10-17, работающих в одинаковых электрических
и тепловых режимах, поэтому их имеет смысл объединить в одну группу.
3. Определяют уточненные значения интенсивностей отказов для каждой группы
ЭРИ с учетом условий эксплуатации.
7. Оценивают вероятности безотказной работы изделия:
6. Определяют среднюю наработку на отказ ЭС по формулам:
для большинства ЭС ориентировочное количество пассивных элементов, принимают
из приблизительного соотношения: 2...4 резистора, 1...3 конденсатора, 0...1 индуктив-
ный элемент и т. п. на один активный ЭРИ.
5. Вычисляют поток отказов для всего изделия:

502
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Заметим, что обычно реальные режимы работы элементов в ЭС отличаются от но-
минальных режимов в сторону облегчения, что, соответственно, приводит к снижению
интенсивности отказов. В случае расчета надежности аппаратуры, используемой в
жестких эксплуатационных условиях, например, на подвижных, плавающих или ле-
тающих объектах, а также в полевых условиях, дополнительно вводятся поправочные
коэффициенты, учитывающие воздействия механических нагрузок, влажности, дав-
ления и пр. ВВФ. Тогда пересчет интенсивности отказов ЭРИ в нормальных условиях
на соответствующие условия применения производится по формуле
где t/ncT, С/дер» t/имп — приложенные к конденсатору постоянное, переменное и им-
пульсное напряжения соответственно;
С/дОП — допустимое напряжение для конденсатора данного типа.
Для полупроводниковых диодов, в зависимости от режима работы,
где к0 — интенсивность отказа ЭРИ в нормальных условиях эксплуатации;
ам, ат, ав и ад — поправочные коэффициенты, учитывающие влияние на надеж-
ность механических, термических ВВФ, влажности и атмосферного давления
соответственно;
Ки — коэффициент электрической нагрузки, учитывающий особенности работы
электрической принципиальной схемы с выбранными ЭРИ.
Следует учесть, что влияние ВВФ на элементы различных видов различно, что при-
водит к достаточно сложной оценке обобщенного Хр для всего электронного модуля.
Поэтому наиболее точный результат расчета потока отказов узла Лр дает формула, учи-
тывающая соответствующие коэффициенты для каждого i-ro элемента:
где Рпст, РПер> -Римп — рассеиваемые резистором мощности по постоянному, перемен-
ному и импульсному токам соответственно;
Рдоп — допустимая мощность рассеяния для данного типа резистора.
Для конденсаторов
Таким образом, при расчете надежности с учетом условий эксплуатации для опре-
деления интенсивности отказов каждого ЭРИ необходимо предварительно установить,
при какой электрической нагрузке и значениях механических, термических и клима-
тических ВВФ он будет функционировать, и по справочным материалам определить
значение соответствующих поправочных коэффициентов а.
Электрическая нагрузка характеризуется коэффициентом КШУ различным для раз-
ных видов ЭРИ.
Для резисторов

Глава 5.2. Надежность электронных средств
503
где /вых — значение тока на выходе аналоговой ИМС в рабочем режиме;
^выхдоп — допустимый выходной ток для данного типа аналоговой ИМС;
NBX — количество входов других ИМС, подключенных к выходу рассматриваемой
цифровой ИМС;
Кр — коэффициент разветвления для цифровой ИМС данного типа. Если ИМС
имеет несколько выходов, то расчет проводят для каждого выхода, а затем вы-
бирают из них наибольшее значение.
Для вычисления показателей надежности ЭС в целом используются те же расчет-
ные формулы, что в прикид очном расчете. Для удобства целесообразно сначала опреде-
лить параметры потока отказов (интенсивностей отказов) конструктивно законченных
электронных модулей аппаратуры, имеющих относительно небольшую сложность.
Тогда поток отказов г-го электронного модуля рассчитывается по формуле
Вероятность безотказной работы ЭС в течение заданного времени t определяется по
формуле:
где Рк — мощность, рассеиваемая коллектором транзистора в рабочем режиме;
РКдоп — допустимая мощность рассеяния на коллекторе для транзистора данного
типа.
Для интегральных микросхем, в зависимости от способа преобразования сигнала
(аналоговых или цифровых),
где /пр и t/^p — значение прямого тока и обратного напряжения в рабочем режиме;
^прд0п' ^обрдоп — допустимые значения прямого тока и обратного напряжения для
данного типа диода.
Для транзисторов
где Xip — интенсивность отказов i-ro ЭРИ в реальных эксплуатационных условиях;
п — число элементов в электронном модуле.
Предполагая, что отказ любого электронного модуля (ЭМ1 или ЭМ2) приведет к от-
казу всего ЭС, то параметр потока его отказов определяется как сумма параметров по-
тока отказов соответствующих функциональных узлов:
Наработка на отказ ЭС определяется по рассчитанному значению Л^:

504
Конструирование узлов и устройств электронных средств
После определения количественных показателей надежности делается заключение
о необходимости переработки (или доработки) принципиальной электрической схемы,
и рассматриваются способы повышения надежности.
5.2.5. Расчет надежности сложных электронных систем
Многие ЭС рассматриваются как сложные системы, состоящие из множества раз-
личных объектов (частей). Отказы отдельных частей, как правило, не приводят к
полному отказу всей системы, а лишь снижают эффективность ее функционирова-
ния. В качестве примеров сложных систем можно привести многоканальные системы
связи, радиотехнические комплексы, системы управления технологическим оборудо-
ванием и т. д. [3].
При расчете надежности сложных систем необходимо учитывать два обстоятель-
ства. Во-первых, показатели надежности системы часто являются промежуточными,
необходимыми для расчета ее эффективности и безопасности, а во-вторых, отражают
специфику изменения состояния системы, вызываемого отказами входящих в нее эле-
ментов. На рис. 5.2.12 показан пример траектории изменения состояний работоспо-
собности сложной системы; здесь Нt — подмножество состояний с i-ми отказавшими
элементами. Среднюю эффективность функционирования сложной системы можно
оценить как
Рис. 5.2.12. Изменение состояний сложной системы во времени
Если сложная система состоит из и одинаковых элементов, то в качестве показа-
теля ее надежности можно рассматривать среднюю долю нормально функционирую-
щих элементов, т. е.
где 8 + 1 — число состояний системы;
et — эффективность системы в состоянии Нt;
Pi — стационарная вероятность состояния Нь.
Моделирование надежности сложной системы значительно упрощается, если при
ее декомпозиции на составные части (элементы) выполняются условия: отказы эле-
ментов — события независимые, каждый элемент имеет два состояния — нормальной
работы и отказа. Пусть время работы и время ремонта элементов подчиняются экспо-

Глава 5.2. Надежность электронных средств
505
ненциальным распределениям. Тогда исходными данными для расчета будут параме-
тры отказов элементов Xj, у = 1, 2, ... , и, интенсивности восстановления элементов цу,
j = 1, 2, ... , о и число ремонтных бригад г.
Для расчета вероятностей состояний сложной системы составляется граф перехо-
дов G. Например, система состоит из двух объектов с интенсивностями отказов и вос-
становления соответственно Xly \ii и Х2, \х2, обслуживание неограниченное (г = 2). Для
данной системы возможны следующие состояния: Н0 = х0 — оба объекта исправны,
Xi — неработоспособен первый объект, х2 — неработоспособен второй объект, xz = Н2 —
неработоспособны оба объекта. Из состояния х0 система может перейти в состояние х±
с интенсивностью отказов ^ив состояние х2 с интенсивностью Х2. Из состояния jcx
с интенсивностью Х2 система может перейти в состояние л?з и с интенсивностью вос-
становления Цх вернуться в состояние х0 и т. д. По графу переходов сложной системы
(рис. 5.2.13) составляют квадратную матрицу переходных вероятностей Р= я/;. .
Рис. 5.2.13. Граф переходов сложной двухобъектной системы
с неограниченным обслуживанием
Элемент rciy матрицы представляет собой вероятность перехода системы из состоя-
ния xt в состояние х, за малый промежуток времени dt. Для графа переходов, представ-
ленного на рис. 5.2.13, матрица Р имеет следующий вид:
Сумма элементов каждой строки матрицы Р равна 1, т. е. матрица является стоха-
стической. По столбцам матрицы Р записывают систему дифференциальных уравнений
(5.2.18)

506
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Заметим, что элементы Пц матрицы (без dtnl) служат коэффициентами перед веро-
ятностями pt(t) в правых частях уравнений.
Решением системы дифференциальных уравнений (5.2.18) являются нестационар-
ные вероятности состояний pt(t), i = 0,3.
Вектор стационарных вероятностей р = (#,* = 0,3) определяют, решая систему алге-
браических линейных уравнений, получаемых из условий р. =0, i = 0,3 и ^pt =1. В на-
шем случае эта система уравнений (последнее уравнение заменено уравнением норми-
ровки) имеет следующий вид:
При значительном числе элементов системы определение вероятностейpt(t) npt свя-
зано с громоздкими вычислениями. Для отдельных частных случаев можно использо-
вать конечные формулы. Например, в случае г = 1, разных значений интенсивностей
отказов kif i = l, n и одинаковых интенсивностях восстановления цх = ...цд = ц формулы
для определения стационарных вероятностей имеют вид:
где pi — сумма вероятностей состояний, характеризуемых числом I отказавших эле-
ментов.
С ростом числа объектов трудности моделирования надежности сложных систем
быстро возрастают из-за большого количества возможных состояний N. Так, напри-
мер, для системы из п объектов число состояний, отличающихся номерами отказав-
ших элементов, равно
и при п = 20 составляет более миллиона. Если учитывать очередность отказавших эле-
ментов, то
т.е. при п = 20 число состояний достигает N > 1018.
Оперировать такими массивами чисел чрезвычайно трудоемко даже при исполь-
зовании современных средств вычислительной техники. В этих случаях вычисляют
нижние и верхние граничные значения показателей надежности. Для систем, у кото-
рых A,j разные, ц — одинаковые, 1 < г < п, нижние граничные значения вероятностей
рассчитываются по формулам:

Глава 5.2. Надежность электронных средств
507
а верхние границы оцениваются по этим же формулам при использовании вместо А,
значения Хя = min |ху, у = 1,п\.
Применительно к системам с разными интенсивностями восстановления элементов
для нижних границ в формулах (5.2.19)-(5.2.22) используются X и \in=minUij9 j = l9n\f
а для верхних — Хж и цв = max |цу, у = 17л}.
5.2.6. Конструкторско-технологические методы создания
высоконадежных ЭС
Для создания высоконадежных ЭС на этапах конструирования и производства из-
делий необходимо выполнять следующие условия:
• материалы и элементную базу выбирать строго в соответствии с требованиями
технического задания и условий эксплуатации;
• выбирать режимы работы ЭРИ таким образом, чтобы при функционировании ап-
паратуры не возникали максимально допустимые значения электрических пара-
метров;
• исключать отказы, связанные с конструктивными ошибками на основе рассмо-
трения альтернативных вариантов проектных решений;
• использовать качественные материалы и элементную базу с высокими значени-
ями интенсивностей отказов;
• использовать современные информационные технологии как на стадии проекти-
рования, так и на стадии производства;
• применять передовое высокотехнологичное оборудование;
• обеспечить полное соблюдение регламента технологического процесса;
• проводить постоянный мониторинг надежности с целью выявления «узких» мест
и устранять их с использованием различных видов резервирования.
В качестве примера на рис. 5.2.14 представлены основные методы обеспечения вы-
сокой надежности ЭС.
Своеобразным «эталоном» специальных ЭС повышенной надежности служит элек-
тронная аппаратура американской межпланетной космической станции «Вояджер-2»,
запущенной НАСА в 1977 г. для исследований дальних планет Солнечной системы.
После успешного завершения миссии к Нептуну в 1989 г. аппарат сохраняет свою
работоспособность по настоящее время, т. е. уже около 35 лет. Сейчас «Вояджер-2»

508
Конструирование узлов и устройств электронных средств
покидает Солнечную систему. По оценкам специалистов, связь с аппаратом можно бу-
дет еще поддерживать около 10 лет, после чего из-за огромного расстояния станция
потеряет местоположение Земли, и направленный радиолуч уйдет мимо.
Методы обеспечения высокой надежности ЭС
Механическая
прочность
и устойчивых
несущих
конструкций
Обеспечение
электромагнитной
совместимости
Применение ЭРИ
с высокими
показателями
надёжности
Выбор систем
охлаждения
для обеспечению
условий теплообмена
Обеспечение
требуемой
точности размеров
элементов
конструкции
Использование
информационных
технологий
Выбор материалов
и ЭРИ, стойких
к воздействию ВВФ
окружающей среды
Использование
оптимальных видов
резервирования
Использование
передовых
технологических
процессов
Рис. 5.2.14. Методы создания высоконадежных ЭС
Следует учитывать, что повышение надежности ЭС всегда неизбежно связано с ро-
стом их себестоимости. Поэтому важную роль играет использование новейших дости-
жений в области электроники, а также применение различных методов оптимизации.
Вопросы для контроля
1. По каким признакам характеризуется объект при анализе надежности?
2. Что такое отказ? Какие Вы знаете виды отказов?
3. Какие виды неисправностей могут приводить к отказам?
4. Как классифицируют объекты ЭС по ремонту и восстановлению?
5. Какие показатели используются для количественной оценки надежности проек-
тируемого ЭС?
6. Как выполняют оценку основных показателей надежности?
7. Какие распределения случайных величин широко используются при определе-
нии вероятностей выхода параметров за пределы допуска?
8. Как формулируются прямая и обратная задачи, связанные с допусками, при ана-
лизе системы?
9. Как определяются коэффициенты влияния отклонений входных параметров от
номинальных значений на значения погрешностей выходных?
10. Какими показателями характеризуется надежность ремонтируемых восстанав-
ливаемых объектов ЭС?
11. Какие модели используются для определения показателей надежности восста-
навливаемых систем?
12. Какие способы применяются для повышения надежности ЭС?

Глава 5.2. Надежность электронных средств
509
13. В чем заключаются особенности различных видов резервирования?
14. Как осуществляют классификацию способов структурного резервирования?
15. В чем отличие структурной схемы надежности соединения элементов ЭС от схемы
принципиальной электрической?
16. Какие мероприятия по оценке надежности проводят на различных стадиях про-
ектирования ЭС?
17. В чем заключается процедура определения норм надежности?
18. В каких целях проводится прикидочный расчет надежности?
19. Как выполняют оценку надежности с учетом условий эксплуатации ЭС?
20. Каковы особенности моделирования сложных электронных систем при анализе
их надежности?
21. Какие основные конструкторско-технологические методы используются при соз-
дании высоконадежных ЭС?

Глава 5.3
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Наиболее часто в качестве основной цели процесса конструирования рассматрива-
ется создание малогабаритных, качественных, надежных и высокоэффективных ЭС,
которые при производстве и эксплуатации требуют минимального расхода энергетиче-
ских, трудовых и материальных ресурсов. Эта цель достигается решением комплекса
задач, наиболее важными из них являются миниатюризация, энергетическая эффек-
тивность и высокая технологичность.
Для решения этих проблем при конструировании широко используются различные
методы оптимизации. Применение средств автоматизации проектирования позволяет
решать следующие достаточно сложные задачи:
• разработка оптимальных проектных решений по заданным требованиям, свой-
ствам и ограничениям к функционированию ЭС (структурный синтез ЭС, заклю-
чающийся в определении состава элементов и способов их соединения, и параме-
трический синтез, т. е. нахождение числовых значений параметров элементов);
• оптимальная компоновка, представляющая собой конструктивное распределение
всех компонентов на группы, соответствующие конструктивам различных уров-
ней (ИМС, функциональных узлов, блоков, стоек и т. п.);
• оптимальное геометрическое размещение компонентов нижестоящих конструк-
тивных уровней в монтажном пространстве вышестоящих (ЭРИ на печатных пла-
тах, печатных плат в блоках, блоков в стойках и т. д.);
• обеспечение оптимального теплового режима с применением различных видов
охлаждения;
• обеспечение оптимальной устойчивости ЭС к дестабилизирующему воздействию ВВФ;
• выбор оптимального варианта конструкции ЭС из множества альтернативных ва-
риантов и др.
5.3.1. Основные сведения о задачах оптимизации ЭС
Известно, что любое конструкторское решение определяется совокупностью опре-
деляющих конструкцию параметров, в качестве которых могут рассматриваться в том
числе параметры ЭРИ, габариты, масса и свойства используемых конструкционных
материалов, надежность, стоимость, уровень качества и пр.
Конструкторское решение, при котором достигаются наилучшие значения интере-
сующих технико-экономических показателей, называют оптимальным.

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
511
Технико-экономический показатель, по значению которого делают вывод об опти-
мальности решения, называют целевой функцией. Иногда вместо термина * целевая
функция» используют такие термины, как «критерий оптимизации», «критериальная
функция», «функция качества», «экстремизируемый функционал» и т. п.
Параметры конструкторского решения, от значений которых в значительной сте-
пени зависит целевая функция, рассматриваются как оптимизируемые, а их значения,
обеспечивающие экстремум целевой функции, называют оптимальными значениями
оптимизируемых параметров.
Иногда говорят о «квазиоптимальном решении» или «псевдооптимальном реше-
нии», имея в виду, что найти оптимальное решение достаточно сложно, и на практике
получают некоторое его приближение.
В общем случае, математическая формулировка оптимизационной задачи констру-
ирования ЭС может быть записана следующим образом [3]:
где Q — экстремизируемый функционал;
L — условия функционирования объекта;
U — вектор (массив) варьируемых переменных (параметров);
S — область значений С/, при которых они удовлетворяют требуемым ограниче-
ниям в виде:
Эти ограничения в форме равенств и неравенств связаны с необходимостью удовлет-
ворения различных требований, предъявляемых к проектируемому ЭС.
В процессе проектирования определяются структура W системы и её параметры
С = (сх,..., сп). В качестве параметров могут использоваться значения элементов элек-
трических схем, характеристики электронных модулей и т. п.
Таким образом, в процессе проектирования ЭС определяется пара, состоящая из
структуры W и вектора параметров С, которые подлежат оптимизации, т. е.
компоненты которой находятся решением оптимизационной задачи:
где W* и С* — соответственно оптимальные структура и параметры ЭС;
Sw> Sc — множества допустимых структур и параметров.
На различных этапах проектирования задачи формулируются с учетом вида крите-
рия Q, состава варьируемых переменных и других особенностей исходных данных.
Рассмотрим некоторые оптимизационные задачи более подробно.
5.3.2. Задачи системотехнического проектирования
К основным задачам системотехнического проектирования относят следующие:
• инициация проекта;
• выбор и формулировка цели проектирования;

512
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• планирование проектных работ;
• разработка концепции;
• обоснование исходных данных;
• определение принципов действия и структуры системы;
• структурная оптимизация.
К особенностям таких задач необходимо отнести следующие:
• цена ошибки от неправильного принятого решения очень высока, она в большин-
стве случаев связана с большими материальными и временными затратами;
• многие задачи носят уникальный характер и для их решения отсутствуют мате-
матические модели;
• в задачах должно учитываться множество ограничений и частных показателей,
т. е. задачи являются сложными в математическом отношении;
• для решения многих задач отсутствуют достоверные данные, т. е. приходится
принимать решение в условиях неопределенности;
• большинство задач требуют оперативного решения, так как отводимое на них
время жестко ограничено;
• для решения многих задач необходим обширный справочный материал (базы
данных);
• во многих случаях для принятия правильного решения предварительно могут
быть использованы только квалификация, опыт и интуиция специалиста (экс-
перта).
К перечисленным особенностям следует добавить ряд обстоятельств, которые вы-
зывают дополнительные трудности в получении обоснованных решений, к этим обсто-
ятельствам относятся:
• отсутствие достоверных данных для построения математических моделей, необ-
ходимых при решении задач оптимизации;
• высокая стоимость и длительные сроки проведения экспериментальных исследо-
ваний для получения достоверных данных;
• субъективизм в выборе критериев, весовых коэффициентов, оценки стоимостных
затратит, д.;
• высокая размерность многих решаемых задач.
Кроме того, обычно проектирование ЭС выполняется значительным числом групп
специалистов разного профиля. В этом случае возникают проблемы конструирования
всей системы из готовых «черных ящиков», синтеза по техническим характеристикам
подсистем системы с требуемыми показателями качества и другие.
При решении задач системотехнического проектирования в условиях рыночной
экономики необходимо учитывать усиливающуюся нестабильность внешней среды.
Это проявляется в том, что события становятся все более непривычными и неузнавае-
мыми; повышаются темпы изменений, которые значительно превосходят скорость от-
ветной реакции предприятий; возрастает частоты появления неожиданных событий,
внезапных изменений, их непредсказуемость.
В этих условиях для принятия проектных решений возрастает роль качественных
методов, например, методов экспертных оценок, а также методов принятия решений в
условиях неопределенности или частичной неопределенности.
Успех решения задач системотехнического проектирования в значительной сте-
пени зависит от того, насколько четко и правильно они сформулированы, какой (или
какие) выбран метод для их решения и насколько грамотно интерпретируются резуль-
таты решения.
В зависимости от важности принимаемых решений для деятельности предприятия,
тяжести последствий от ошибочных решений выделяют три группы решений [3, 62]:

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
513
• стратегические решения, относящиеся к долгосрочным проектам и принимаемые
руководством верхнего уровня;
• тактические решения по среднесрочным проектам, они обычно принимаются ру-
ководителями среднего уровня;
• оперативные решения по краткосрочным проектным задачам. Эти решения мо:
гут относиться к различным этапам выполнения проекта и принимаются руково-
дителями разного уровня.
Рассмотрим простейшие постановки задач принятия проектных решений.
Пусть задано множество альтернативных вариантов решения
и сформулирован критерий Q, на основе которого мы должны принять решение о наи-
лучшем варианте v* e V. Данную задачу будем называть задачей выбора оптимального
варианта (ВОВ).
Если из множества (5.3.1) необходимо по критерию Q выделить подмножество ва-
риантов V0 с V, таких, что каждый вариант и;° е V предпочтительнее вариантов vv e
е V \V0, то данную задачу назовем задачей выбора предпочтительных вариантов (ВПВ).
Сформулированные задачи ВОВ и ВПВ можно записать в виде:
где q — знак предпочтения по критерию Q.
По степени определенности и полноты исходных данных для задач ВОВ, ВПВ и дру-
гих, решаемых при схемотехническом проектировании, можно выделить три класса
задач.
К первому классу относятся задачи, для которых рассматривается лишь множество
альтернативных вариантов и критерий в виде словесной формулировки целевой функ-
ции; это задачи принятия решений в условиях «полной» неопределенности или задачи
качественного характера.
Второй класс задач характеризуется заданием количественных данных (часто при-
ближенных) о значениях критерия в различных ситуациях, а в ряде случаев и вероят-
ностях этих ситуаций; это задачи принятия решений в условиях «частичной» неопре-
деленности (или просто неопределенности).
Для задач третьего класса задаются математические модели, позволяющие рассчи-
тывать значения критерия и другие характеристики, необходимые для принятия ре-
шения; это класс задач математического программирования.
Задачи первого класса обычно возникают, когда решение необходимо принять опе-
ративно и в достаточно новой области, для сбора экспериментальных (статистических)
данных и разработки математической модели нет времени (или средств). Источниками
информации здесь, в основном, являются интуиция и опыт специалистов (консультан-
тов, экспертов). Поэтому для решения задач этого класса широкое распространение
получили методы экспертных оценок и другие родственные им методы.
Для задач второго класса, т. е. в условиях неопределенности, известно большое число
методов, как классических с хорошо разработанной теорией, так и эвристических.
При реализации вариантов v e V могут возникнуть различные ситуации S, множе-
ство этих ситуаций (их число k) обозначим

514
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Например, для технических проектов, подаваемых на конкурс, такими ситуациями
могут быть следующие: несоответствие технических характеристик изделий получае-
мым на практике и ожидаемым по проекту; уменьшение потребительского спроса; уве-
личение себестоимости по сравнению с запланированной и т. д. Изменение ситуаций
может носить как нейтральный характер («игра с природой»), так и противодействую-
щий (конфликтный) характер.
На момент решения задач (5.3.2) или (5.3.3) неизвестно, какая из ситуаций s e S
будет иметь место в действительности. Значения критерия Q для различных ситуа-
ций будут различными, т. е. для двух вариантов vt и Vj надо сопоставлять множества
{Q(vi;s),seS} и {Q(i>.;s),seS}.
Если множество ситуаций S применительно к задачам (5.3.2), (5.3.3) четко опре-
делено для всех вариантов, то задачи будем соответственно называть задачами ВОВ и
ВПВ в условиях неопределенности, обусловленной возможными ситуациями S, или
сокращенно ВОВ на S и ВПВ на S.
Математически данные задачи записываются следующим образом:
где ЖУУ S) — значение критерия Q для варианта v с учетом возможных ситуаций s e S.
Если в задачах (5.3.4), (5.3.5) известны вероятности ситуаций pv(s), seS, veV, то
они соответственно называются задачами ВОВ и ВПВ на множестве вероятных ситуа-
ций или сокращенно ВОВ на P(S) и ВПВ на P(S). Здесь
Большое влияние на выбор метода решения задач ВОВ и ВПВ оказывает характер
критерия Q. Можно выделить четыре основных случая задания критерия:
1) критерий представляет собой скалярную величину, которую обозначим q; напри-
мер, это может быть один из показателей эффективности;
2) критерий Q является вектором с k компонентами, т. е.
в общем случае, критерий Q для разных проектов может содержать разные компо-
ненты;
3) вместо количественного показателя в качестве критерия рассматривается сло-
весно сформулированная цель, на основе которой принимается решение; такое словес-
ное описание критерия обозначим Ц;
4) в качестве критерия задаются статистические данные, характеризующие эффек-
тивности вариантов, обозначим эти данные для варианта vt массивом
Принятие решения применительно к любой из приведенных задач является заклю-
чительным этапом следующего процесса:
1) возникновение и конкретизация проблемы;
2) идентификация модели задачи;
3) формирование множества альтернативных вариантов, выбор критерия, введение
возможных ситуаций;

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
515
4) математическая постановка задачи;
5) наполнение задачи конкретными числовыми данными;
6) выбор метода решения;
7) численное решение задачи и анализ полученных результатов;
8) принятие решения по проблеме.
Наиболее эффективно использование компьютерных технологий на этапах 2, 5, 6
и 7.
В принятии оптимальных решений (выборе оптимального варианта) обычно при-
нимают участие 3 группы лиц, различающихся по их роли в процессе решения про-
блемы.
1. Лицо, принимающее решение, (ЛПР) или группа Л ПР. Это лицо формулирует
цель (критерий оптимальности), ограничения, окончательно устанавливает вариант
для реализации (принимает итоговое решение).
2. Группа экспертов — специалистов по конкретной проблеме или экспертная ко-
миссия (ЭК). Они определяют альтернативные варианты, критерии, выявляют отно-
сительную важность, значимость альтернатив, ранжируют или сравнивают варианты
и т. д.
3. Группа консультантов по математическим методам теории принятия решений
или рабочая группа. Они организуют работу экспертов и ЛПР, разрабатывают проце-
дуру работы, обрабатывают и анализируют информацию от экспертов.
В качестве модели задачи принятия решения применительно к выбору вариантов
будем использовать кортеж
со следующими компонентами: W — вид задачи по числу выделяемых вариантов —
ВОВ или ВПВ, поэтому в кортеже на первом месте может быть v* или V0; F — функ-
ционал, определяющий характер задания критерия, это может быть q, Q, Ц, или X;
N — вид неопределенности, связанной с возможными ситуациями N = S9 если задается
множество ситуаций, или N = P(S), если для ситуаций заданы вероятности, или N = 1,
если ситуации не определены; U — участники принятия решения, т. е. ЭК + ЛПР, или
ЛПР, или ЭК.
Например, модель
определяет задачу ВОВ при скалярном критерии q с заданием возможных ситуаций и
их вероятностей, решаемую ЛПР.
Число возможных моделей задач принятия решений определяется мощностью
множества 7Q9 которое представляет собой декартово произведение четырех мно-
жеств, т. е.
где 14/ = {v';V0}; F = {q,Q91bX};
5\T = {S,P(S),l}; ^ = {ЭК + ЛПР; ЛПР; ЭК}.
Исходные данные задачи КеТС представляют собой массив реквизитов вида
где п0 — число цредпочтительных вариантов (мощность к0);
extr — характер задачи на минимум или максимум;

516
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Mq(Mq) — матрицы значений критериев;
Мх — массивы статистических данных;
ns — число ситуаций;
Мр — матрица вероятностей ситуаций;
U — кто принимает решение (ЛПР, ЭК, ЭК + ЛПР). В круглые скобки в (5.3.8)
заключены компоненты R, которые для некоторых задач не требуются. Сле-
дует заметить, что в некоторых случаях вместо матриц Mqy Mq, Mp могут за-
даваться интервальные значения.
Рассмотренная модель задачи (5.3.7) и массив реквизитов (5.3.8) позволяет перейти
к созданию технологий, обеспечивающих оперативное решение задач принятия про-
ектных решений. Вместе с тем модель (5.3.7) не следует рассматривать как оконча-
тельную. Она позволяет вводить новые элементы с целью учета ряда частных особен-
ностей задач. К таким особенностям могут быть отнесены:
• число альтернативных вариантов п к началу решения задачи может быть неиз-
вестно, и множество V формируется в ходе решения задачи, это обстоятельство
нетрудно учесть расширением множества W видов задач;
• во многих случаях вследствие недостоверности исходных данных значения Mqy Ps и
другие задаются интервалами; это можно учесть дополнительной символикой в Т и N;
• решение задачи выбора оптимального варианта может быть совмещено с провер-
кой на выполнение некоторых ограничений, в том числе при различных усло-
виях эксплуатации, когда сначала требуется определить допустимые варианты
решения.
В общем случае, множество V наряду с вариантами проектных решений может
включать в себя варианты организационного характера: собрать дополнительную ин-
формацию, выполнить макетирование, моделирование и т. п. Большое значение для
принятия обоснованного решения имеет выбор метода, который наиболее соответ-
ствует рассматриваемой задаче. В ряде случаев целесообразно решать задачу различ-
ными методами и по их результатам принимать окончательные решения,
5.3.3. Задачи схемотехнического проектирования
Основными задачами схемотехнического или функционального проектирования
являются выбор элементной базы, разработка принципиальных схем частей ЭС, струк-
турный и параметрический синтез схем, анализ чувствительности и др. При решении
задач схемотехнического проектирования используются математические модели, ото-
бражающие физические процессы, которые протекают в схемах и трактах радиоси-
стем. Результатом выполнения работ данного этапа является техническое решение в
виде аппаратурной реализации ЭС с конкретным набором выбранных параметров (но-
миналов элементов схем и других характеристик), отвечающих заданным критериям
на проектирование.
К наиболее сложным и ответственным задачам схемотехнического проектирова-
ния относятся задачи структурного и параметрического синтеза, которые решаются
как задачи оптимизации в тесной взаимосвязи с соответствующими задачами анализа.
Сначала решается задача структурной оптимизации, а затем для выбранной струк-
туры — задача параметрической оптимизации. В условиях использования САПР за-
дачи структурного и параметрического синтеза, разработки конструкции и другие
формулируются как задачи оптимального проектирования. В достаточно общем виде
задача оптимального проектирования формулируется следующим образом.
Для проектируемого объекта выделяется вектор (совокупность) независимых пере-
менных Х = (х19 х2У ..., хп), которые можно изменять при выработке проектных реше-

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
517
ний, и от которых зависят показатели качества объекта. Переменные xi9 i = l, п, назы-
вают переменными проектирования или варьируемыми переменными, они могут иметь
различную природу в зависимости от решаемой задачи (например, отражать геометри-
ческие размеры компонентов, способы их включения и др.). Задаются допустимые обла-
сти изменения этих переменных, т. е. xt e [x*, jcf ], i = 1, п, где xf, x* — нижнее и верхнее
граничные значения переменной xt. Вводится критерий оптимальности (целевая функ-
ция) Q(X), который при выборе наилучших значений xi9 / = 1, п, принимает экстремаль-
ное (максимальное или минимальное) значение. Кроме того, записываются различного
рода ограничения и условия gj(X), у = 1, m, связанные с обеспечением выполнения про-
ектируемых объектом требуемых функций и получением необходимых технических
характеристик. Эти ограничения могут иметь вид равенств или неравенств. Следует за-
метить, что зависимости Q(X), gj(X), у = 1, /тг, обычно являются нелинейными.
С использованием введенных обозначений задача оптимального проектирования
математически формулируется следующим образом. Требуется определить такие зна-
чения переменных проектирования х*9 i = l, n, при которых выполняются все ограни-
чения
Если функции Q(X) и gj(X)> у = 1, т, известны, то задача (5.3.9)-(5.3.10) относится
к классу задач математического программирования. В этом классе задач выделяют за-
дачи линейного и нелинейного программирования. В первом случае функции Q(X),
gj(X), y = l, m, представляют собой линейные зависимости от переменных xi9 i = l, л,
во втором — нелинейные. Если переменные xt могут принимать только дискретные
значения (например, номиналы элементов электрической схемы) или целочисленные
значения (например, число каскадов усилителя), то решается задача дискретного про-
граммирования. Для решения этих задач используются соответственно методы линей-
ного, нелинейного и целочисленного программирования.
Стандартная задача линейного программирования формулируется следующим об-
разом.
Задается система т линейно независимых уравнений с п неизвестными
и критерий оптимальности достигает экстремальные значения
и целевая функция (линейная форма)
Требуется определить такие значения х* > О, i = 1, п, при которых критерий Q дости-
гает максимального (в задаче на максимум) или минимального (в задаче на минимум)
значения.
Отдельные ограничения в задаче линейного программирования при первоначальной
записи могут иметь вид неравенств («>» или «<»). Такие неравенства превращаются

518
Конструирование узлов и устройств электронных средств
в равенства введением добавочных переменных xn+j. Основным методом решения за-
дач линейного программирования является симплекс-метод, который подробно опи-
сан во многих учебниках и реализуется в ряде пакетов прикладных программ [3, 63].
При решении практических задач проектирования ЭС и технологических процес-
сов ограничения (5.3.9) и критерий Q(X) обычно описываются нелинейными зависи-
мостями, т. е. имеют место задачи нелинейного программирования (в том числе вы-
пуклое, квадратичное программирование и другие). Для решения задач нелинейного
программирования в зависимости от особенностей функций gj(X), ; = 1, m и Q(X) при-
меняются методы неопределенных множителей Лагранжа, градиентный метод, метод
наискорейшего спуска, Ньютона и ряд других.
Рассмотрим основные соотношения решения следующей задачи нелинейного про-
граммирования
методом неопределенных множителей Лагранжа. Сначала записывается функция Ла-
гранжа
Для численного решения задач линейного и нелинейного программирования можно
использовать распространенные программные продукты типа MATLAB, Mathcad,
Microsoft Excel и другие.
5.3.4. Структурный синтез
В общем случае под структурой проектируемого ЭС понимают состав основных
компонентов с описанием их важнейших характеристик и связей между ними. Задача
структурного синтеза (ЗСС) заключается в определении оптимальной структуры си-
стемы для реализации содержащихся в ТЗ функций в соответствии с выбранным на
этапе системотехнического проектирования принципом действия. В результате реше-
ния ЗСС находятся: перечень составных частей системы, схемы расположения компо-
нентов с указанием их типов, таблицы соединений компонентов, алгоритмы функцио-
нирования и т. д.
где у? — дополнительные переменные, которые аддитивно добавляются к левой части
ограничений — неравенствам для преобразования их в равенства.
Далее задача решается с использованием необходимых условий экстремума Куна-
Таккера, т. е.

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
519
Большинство задач структурного синтеза трудно формализуемы, обычно они сво-
дятся к формированию множества альтернативных вариантов структурных решений
и выбора из них наиболее предпочтительного (см. § 5.3.2).
Сложность формализации ЗСС вызывается большим числом факторов, которые
влияют на различные виды структур, их свойства и параметры. Следует заметить, что
состав вектора независимых переменных X (5.3.9)-(5.3.10) для каждой структуры мо-
жет сильно различаться. Это ведет к сильному увеличению числа варьируемых пере-
менных и размерности задачи.
Для преодоления этих трудностей может использоваться блочно-иерархический
подход, в основе которого лежит разбиение процесса проектирования на взаимосвязан-
ные иерархические уровни. В соответствии с этим принципом структура всей системы
декомпозируется на определенные функциональные части, блоки, устройства и т. д.
(см. § 1.1.6). Иерархический подход уменьшает число рассматриваемых вариантов на
каждом уровне. В зависимости от особенностей синтезируемых структур различают
задачи одномерного, схемного и геометрического синтеза.
По вычислительным возможностям выделяют ЗСС с полным перебором альтерна-
тивных вариантов (число вариантов невелико) и задачи, в которых рассмотреть все ва-
рианты за приемлемое время невозможно (например, множество вариантов структур
является счетным). Во втором случае получение точных решений ЗСС обычно не пред-
ставляется возможным, и здесь широкое применение находят различные эвристиче-
ские приближенные методы, позволяющие при небольших вычислительных затратах
получать решения, близкие к оптимальным. Такие методы, в частности, используются
при решении конструкторских задач компоновки, размещения и трассировки.
При разработке оптимальной структуры важная роль отводится задачам анализа
качества структуры системы, в том числе проверке существования решения задачи,
устойчивости используемых алгоритмов и т. п.
Структурный синтез можно рассматривать как преобразование исходной информа-
ции, содержащей описание требований к системе, функциональные характеристики,
условия ее эксплуатации, ограничения, накладываемые на элементную базу и т. п.,
в информацию о составе элементов, значениях их параметров, способах соединения
и т. д. Для такого описания используются специализированные машинные языки,
в частности, язык VHDL для электроники, который обеспечивает функциональное,
поведенческое и структурное описание системы, EXPRESS — универсальный язык
спецификаций для представления и обмена информацией в CALS-технологиях [1, 3].
Для решения ЗСС в настоящее время используется большое число различных мето-
дов, в том числе: метод дискретного математического программирования, метод ветвей
и границ, методы локальной оптимизации и поиска с запретами, методы распростра-
нения ограничений, эволюционные методы, генетические алгоритмы и др.
В ряде случаев при решении ЗСС целесообразно использовать функциональный под-
ход, при котором назначение проектируемой системы задается выполняемыми функ-
циями F = (f19...,fm). Вариант структуры системы с функциями F задается номенкла-
турой элементов, реализующих функции Ф = (ф1,...,ф ). При этом набор функций Ф
должен обеспечивать выполнение функций F системы и позволять решать задачи ее
дальнейшей модернизации.
Для представления альтернатив в информационно-поисковых системах при реше-
нии ЗСС используются разные виды описаний, в том числе [1]:
• представление множества альтернатив А кортежем
А = (С,Э),

520 Конструирование узлов и устройств электронных средств
где У — множество функций (свойств, характеристик) проектируемого объекта;
R — множество способов реализации соответствующих функций;
• альтернативные И-ИЛИ-графы (деревья) иерархического типа, у которых вер-
шины — логические операции, а ребра — значения функций и др.
Для решения ЗСС широкое применение находят морфологические методы синтеза
систем. Морфологический синтез новых структурных решений включает в себя сле-
дующие этапы:
• декомпозиция проектируемой системы на обобщенные функциональные подси-
стемы;
• выделение подмножеств альтернативных вариантов Atj каждой из подсистем;
• синтез всей системы на основе комбинированных альтернативных вариантов ее
подсистем;
• выбор из полученных вариантов наиболее предпочтительной или оптимальной по
некоторому критерию комбинации;
• реализация полученной комбинации в виде действующего макета и эксперимен-
тальная проверка [64].
Для альтернативных вариантов подсистем AVp j = 1, kt, формулируются существен-
ные функциональные fiv и конструктивные А£ц (а в случае необходимости, и техноло-
гические) признаки. Полученная информация систематизируется в виде морфологи-
ческой таблицы.
Например, в качестве обобщенных функциональных подсистем (ОФПС) для ра-
диолокационной станции могут рассматриваться: антенная система (АС), приемо-
передающий модуль (ППМ), система обработки информации (СОИ), система автомати-
ческого распознавания (САР) и автоматизированное рабочее место оператора (АРМО).
В этом случае строится морфологическая табл. 5.3.1, содержащая информацию об аль-
тернативах Atj с функциональными fiv и конструктивными к1)Х признаками.
Вариант структуры проектируемой системы представляет собой кортеж S;, содер-
жащий по одной альтернативе из каждой строки морфологической таблицы, т.е.
где L — число обобщенных функциональных подсистем.
Возможные варианты структур образуют морфологическое множество
где Ф;, i =1,L, — множество альтернатив i-ой строки морфологической таблицы.
Число возможных вариантов N, т. е. мощность множества Ф, составляет
Для последующего решения ЗСС на основе полученного морфологического множе-
ства Ф используются, в основном, два подхода. Первый предполагает наличие одного
или нескольких прототипов проектируемого объекта и сформулированные требования
к улучшаемым характеристикам прототипов. Второй подход используется при синтезе
новой системы в отсутствии прототипа.
где С — способ (алгоритм); Э — набор элементов;
• морфологические таблицы М вида

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
521
Таблица 5.3.1
Морфологическая таблица
Обобщенные функцио-
нальные подсистемы
ОФПС1 — АС
ОФПС2 — ППМ
ОФПСЗ — СОИ
ОФПС4 —САР
ОФПС5 — АРМО
Функциональные fiv и конструктивные kipL значения признаков
альтернативы Ац |
Al>fl2>-"
&П>#12'-"
^21
/21'/22>'*'
^21>^22',,#
...
...
/51>'52>"*
^51>«52'*"
^12
/ll>/l2»«»'
^22
^1>/22>,,#
^21'^24♦•••
...
...
^52
/52'/54>*"
^53'^54'**-
...
...
...
...
...
Ащ
/11>/12»""
/22>/24»,,в
"23> *J4''"
1
1
/53'/56»'в*
^53»^57»*,#
При реализации первого подхода используются следующие методы: метод непосред-
ственного оценивания критериев качества альтернатив; метод морфологического син-
теза, использующий попарное сравнение альтернатив; метод исключения наихудших
вариантов (например, трудно реализуемых и т. п.); метод расстановки приоритетов; ме-
тод оценки мер сходства и различия альтернативного варианта с прототипом и др.
Решение ЗСС с использованием второго подхода производится методами принятия
проектных решений в условиях нечеткой и неполной исходной информации. Для по-
лучения наиболее рациональной структуры системы вводится понятие «полезность»,
и формируется система показателей, конкретизирующих цель выбора и характеризу-
ющих качество проектируемого объекта, его функциональное назначение, экологич-
ность, соответствие нормативным международным нормам, защищенность патентами
и т. д.
5.3.5. Параметрический синтез
Задача параметрического синтеза (ЗПС) заключается в выборе или расчете наи-
лучщих значений параметров системы, имеющей определенную структуру. При этом
должны учитываться все требования ТЗ на проектируемое ЭС, т. е. выходные показа-
тели системы должны соответствовать требуемым значениям. ЗПС, в отличие от задач
структурного синтеза, хорошо формализуются, часто их называют задачами параме-
трической оптимизации.
Для математической постановки ЗПС вводятся векторы варьируемых переменных
(параметров) X = (х19 х2,..., хп) и выходных переменных Y = (ylf y2,..., yk). Переменные
X и У связаны определенными соотношениями, входящими в состав модели системы.
Вектор выходных параметров, соответствующих требованиям ТЗ, обозначим У0.
Обычно ЗПС формулируется как задача математического программирования, т. е.
требуется определить такое значение вектора X*, при котором выбранная целевая

522 Конструирование узлов и устройств электронных средств
функция Q(X) достигает экстремального значения, и выполняются все накладывае-
мые на X ограничения. Для определенности будем считать, что критерий Q(X) мини-
мизируется, тогда математически ЗПС записывается в виде:
• среднеквадратичное отклонение между у} и уу
и др.
Заметим, что выбор Q(X) носит субъективный характер, поэтому в результате ре-
шения ЗПС мы получаем оптимальное решение в смысле используемого критерия.
При задании значений у)\ у = 1, ft, следует ориентироваться на лучшие (эталонные) об-
разцы с учетом последних научно-технических достижений.
Определяющее значение в задачах параметрического синтеза имеет выполнение
условий работоспособности проектируемого ЭС. Эти условия определяются требуе-
мыми соотношениями между расчетными значениями выходных переменных (пара-
метров) yjy у = 1, ft, и задаваемыми (техническими требованиями) yf\ y=l,ft, которые,
в общем случае, имеют вид:
где Хдоп — область допустимых значений изменения X;
g(X, У), h(X, У) — векторные функции, описывающие условия и ограничения на
X>Y.
В качестве целевой функции часто используют следующие критерии:
• максимальное значение модуля отклонения выходных характеристик У;(Х) от
заданных yf\ у = 1, ft, с учетом весовых коэффициентов е., т. е.
где Ау; — допустимое отклонение р; от указанного в ТЗ значения.
Обычно постановка ЗПС включает в себя следующие основные этапы:
• выбор целевой функции F;
• выделение управляемых (варьируемых) X и выходных У переменных (параме-
тров);
• назначение ограничений на X и У;
• нормирование компонентов X и У.
Отдельные составляющие выходных переменных могут представлять собой каче-
ственные характеристики, которые при численном решении ЗПС оцениваются бал-
лами.

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
523
В большинстве случаев критерий оптимальности имеет векторный характер, при
этом направление изменения какого-либо компонента xt e X может приводить к улуч-
шению одних выходных параметров ЭС и ухудшению других. Такие задачи относятся
к классу многокритериальных, для их сведения к задачам математического програм-
мирования применяются различные способы свертки векторного критерия в скаляр-
ную целевую функцию.
Наиболее часто в качестве скалярной целевой функции используются следующие:
1) частный критерий, когда среди составляющих вектора У можно выделить один
основной показатель, например, для передатчика это может быть мощность, для при-
емника — чувствительность и т. д.;
2) взвешенный аддитивный критерий, например:
где z/>~^(X), уу(Х) — выходные параметры, которые соответственно следует умень-
шать (энергопотребление, габариты и т. п.) и увеличивать (помехоустойчи-
вость, надежность и т. п.);
3) мультипликативный критерий вида
где сь — весовой коэффициент, соответствующий важности точки уь.
При назначении ограничений выделяют:
• прямые ограничения на варьируемые переменные
здесь предполагается, что параметры уу'(Х)> уУ'(Х) не могут принимать нулевые
значения.
В ряде случаев для ЭС в результате решения ЗПС необходимо обеспечить наилуч-
шее совпадение функции изменения выходного параметра р(Х,у), зависящей от ар-
гумента у, с заданной функцией у(°'(Х9 у). В зависимости от характера функции в ка-
честве аргумента используются частота (для частотных характеристик), время (для
временных характеристик) и т. п. В этих случаях в интервале изменения аргумента
выделяются узловые точки yh * = 1, Z, и в качестве целевой могут использоваться сле-
дующие функции:
где xf,x* нижняя и верхняя границы интервала изменения переменной xi9 i=l, n со-
ответственно;

524
Конструирование узлов и устройств электронных средств
• функциональные ограничения типа равенств
где Axt — единичное значение xt.
В качестве примера постановки задачи параметрического синтеза рассмотрим за-
дачу синтеза параметров антенны в виде линейки из п необходимых элементарных из-
лучателей. Диаграмма направленности такой антенны может быть записана в виде:
• функциональные ограничения типа неравенств
Векторные функции g(x, у), h(x, у) обычно представляют собой условия работоспо-
собности по выходным параметрам, которые не вошли в целевую функцию. Прямые и
функциональные ограничения задают область изменения X при решении ЗПС, т. е. до-
пустимую область поиска Dx. Любое значение X е Dx является допустимым решением
ЗПС. Заметим, что если функциональные ограничения совпадают с условиями работо-
способности, то Dx еще называют областью работоспособности.
Нормирование компонентов переменных X и Y вводится для приведения их к без-
размерному виду или одинаковой размерности с целью облегчения процедур поиска
решений в многомерном пространстве. Широкое распространение находит способ ло-
гарифмического нормирования, когда переменная хь преобразуется к безразмерному
виду хь по формуле:
где G — угол в азимутальной плоскости;
kiy cpj, xiy bt — коэффициент усиления, фаза возбуждающего напряжения, относи-
тельная координата и характеристический параметр i-ro излучателя соответ-
ственно;
d — константа.
На взаимное расположение излучателей задаются габаритные ограничения
Требуется определить такие значения варьируемых переменных Х = (х1$ х2,..., хп),
K = (ki, &з,..., fcn), Ф = (фх, ф2, ..., Фп), которые при заданных ограничениях обеспечивают
минимальный относительный уровень максимального по величине бокового лепестка
общей диаграммы направленности
Для решения данной задачи может использоваться один из градиентных методов
поиска.

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
525
5.3.6. Оптимизация в задачах конструкторского проектирования
Основными задачами конструкторского проектирования являются задачи компо-
новки (разбиения), размещения и трассировки, решаемые на основе результатов схе-
мотехнического проектирования.
В большинстве случаев под компоновкой понимают процесс перехода от схемы ЭС
к конструктивному распределению (разбиению) всех элементов на группы, соответ-
ствующие конструктивам различных уровней (ИМС, функциональных узлов, блоков,
стоек и т. д.). Иногда выделяют три постановки задачи компоновки: типизация — раз-
биение схемы на конструктивные элементы различных типов; покрытие — преобра-
зование исходной схемы в схему соединений элементов; разрезание — разбиение ис-
ходной схемы на части [3, 26, 65].
В дальнейшем под компоновкой будем понимать разрезание большой схемы (струк-
турной, функциональной, логической, принципиальной) на части. Эта задача форму-
лируется следующим образом.
Пусть исходная схема представляется мультиграфом G(V, R); здесь множество вер-
шин Vсоответствует множеству конструктивных модулей, а множество ребер R — свя-
зям между ними. Требуется разрезать (разбить) граф G(V, R) на п частей Gi(Vi, J^), ... ,
Gn(VnJ Rn) c Ni9 i = l,n, вершинами в каждой части так, чтобы число ребер, соединяю-
щих вершины различных частей, было минимальным, т. е. критерий оптимальности
имеет вид:
где \Ritj\ — мощность множества ребер Ritj, инцидентных частям Gi(Vi9 Rt) и Gj(V^ Rj).
При этом должен выполняться ряд ограничений.
1. Число вершин в каждой части должно быть задано, т. е.
5. Раздельная компоновка отдельных вершин ик в различных частях графа:
2. Одна вершина должна принадлежать лишь одной части, т. е.
3. Объединение всех частей должно быть равно исходному графу, т. е.
4. Максимально допустимое число внешних связей каждой части не должно превы-
шать допустимой величины St:
6. Некоторые вершины ир, vq должны быть жестко закреплены за определенными
частями VhVj. Такие вершины называются закрепленными, т. е.

526
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Следует заметить, что ограничения (5.3.12)-(5.3.17) на компоновку накладыва-
ются в зависимости от различных требований, предъявляемых к изделию, а также для
учета различных физических факторов. Так, например, ограничение (5.3.16) обычно
связано с выполнением условий электромагнитной и тепловой совместимости раз-
личных компонентов ЭС. Поэтому применительно к реальным схемам при решении
задачи компоновки могут накладываться как все рассмотренные ограничения, так и
отдельные из них.
Размещение обычно рассматривается как проектная процедура, заключающаяся
в определении расположения заданного множества элементов в монтажном простран-
стве. При проектировании ЭС решаются задачи размещения микросхем на печатной
плате, компонентов в полупроводниковом кристалле, функциональных узлов в бло-
ках, блоков в стойке и т. п. Решением задачи размещения достигается повышение на-
дежности, уменьшение размеров конструктивных единиц и длины соединений, ми-
нимизация взаимных наводок, задержек сигналов и т. д. От результатов ее решения
зависит эффективность последующей задачи — трассировки.
Обычно задача размещения формулируется как задача оптимизации. Исходными
данными для решения задачи являются: множество конструктивных элементов
V = {vl9 ... , un}, множество связей между ними R = (r19 ... , г А и множество устано-
вочных мест (позиций) на коммутационной плате T = {ti9 ... , tm}9 причем т> п. Ука-
зываются конфигурация монтажного пространства, ограничения на расположение
отдельных элементов по установочным местам и друг относительно друга, а также на
тепловой и электрический режимы платы (блока). Схема соединений элементов может
задаваться графом G(V, R)9 матрицей цепей или списком. Кроме того, задается целевая
функция Q. Наиболее часто в задачах размещения минимизируется суммарная длина
соединений
суммарное число внутрисхемных пересечений
а также число соединений, длина которых превышает задаваемую величину /3,
где ltj — расстояние между i-м и ;-м установочными местами, в которых расположёны
соответствующие конструктивные элементы;
l\j — расстояния l-ф превышающие 13;
stj — число кратных связей (ребер графа G), соединяющих элементы в i-м и у-м
установочных местах;
P(rij) — число пересечений ребра Гц графа G.
При размещении элементов на плоскости расстояние определяется по приближен-
ной формуле
или точной
где xi9 yt — координаты *-ой установочной позиции.

Глава 5.3. Оптимизация электронных средств
527
где ct — весовой коэффициент, учитывающий важность j-ro критерия.
Математически задача размещения формулируется следующим образом. Для за-
данных G(V, R) и Т требуется найти такое отображение графа схемы G на множество
установочных мест Т, чтобы выполнялись необходимые ограничения и обеспечивался
минимум целевой функции (5.3.18)-(5.3.20) или обобщенного критерия (5.3.21).
Трассировка является одной из самых сложных задач, встречающихся при про-
ектировании ЭС, и заключается в соединении между собой электрических контактов
(обычно, контактных площадок на ПП) электрической цепью, при этом критерий
качества соединений должен достигать экстремального значения, и должны выпол-
няться необходимые технологические ограничения.
Математически задача трассировки элементов проводящего рисунка на ПП формули-
руется следующим образом. На коммутационной поверхности задано координатами (х, у)
множество конструктивных элементов Z-\^zly z2, ... 9zn}. Выводы (контакты) этих эле-
ментов образуют некоторое множество из L связанных подмножеств, Е = {С19 С2, ... , Cz},
причем каждое подмножество Сг объединяет Nt выводов конструктивных элементов из
множества Z в соответствии с электрической принципиальной схемой. Кроме того, за-
даны расположение групп контактных площадок разъемов и монтажных отверстий,
а также ряд требований, предъявляемых к топологии платы: минимальная ширина
проводников и зазора между ними, размеры контактных площадок, число слоев метал-
лизации и способы перехода с одного слоя на другой и т. п. Требуется, с учетом задан-
ных конструкторско-технологических ограничений соединить выводы конструктивных
элементов внутри каждого подмножества Ctc:E так, чтобы выбранный критерий каче-
ства Q печатного монтажа достигал экстремального значения.
На практике при оптимизации топологии печатного монтажа часто используют
следующие критерии качества:
1) минимум суммарной длины всех соединений;
2) минимум числа пересечений проводников;
3) равномерность распределения трасс на печатной плате;
4) минимальная протяженность параллельных участков соседних трасс;
5) минимум числа изгибов проводников;
6) минимум числа переходов из слоя в слой (при проектировании многослойных пе-
чатных плат).
Каждый из перечисленных частных критериев учитывает одну из сторон качества
монтажа. Во многих случаях используются обобщенные критерии на основе несколь-
ких частных. Так как некоторые частные критерии являются противоречивыми, то
при выборе обобщенного критерия следует учитывать их важность, например, с помо-
щью весовых коэффициентов.
Для решения задач компоновки, размещения и трассировки используется большое
число различных автоматизированных методов, которым посвящена специализиро-
ванная литература, например, [1, 3, 26, 11] и др.
Вопросы для контроля
1. Какие группы оптимизационных задач выделяют при проектировании ЭС?
2. Как в общем виде записывается математическая формулировка оптимизацион-
ной задачи конструирования ЭС?
Для совместного учета нескольких частных критериев при размещении элементов
удобно использовать обобщенный критерий, например, вида

528
Конструирование узлов и устройств электронных средств
3. Каковы особенности задач, решаемых при системотехническом проектиро-
вании?
4. Как формулируется задача выбора оптимального варианта проектного решения?
5. В чем заключаются особенности задач схемотехнического проектирования?
6. Как выглядит математическая постановка задачи оптимального проектиро-
вания?
7. По каким критериям оценивается качество решения схемотехнических проект-
ных задач?
8. Как формулируется задача структурного синтеза?
9. В чем особенности задач структурного синтеза?
10. Какие методы используются для решения задач структурного синтеза?
11. Как формулируется задача параметрического синтеза?
12. Какими особенностями обладают задачи параметрического синтеза?
13. Какие методы используются для решения задач параметрического синтеза?
14. Какие основные задачи решают при конструкторском проектировании ЭС?
15. Как математически формулируется постановка задачи компоновки?
16. Как формулируется постановка задачи размещения?
17. Какие целевые функции используются в задачах размещения?
18. Как формулируется математическая постановка задачи трассировки электриче-
ских соединений?
19. Какие критерии качества наиболее часто используют в задачах трассировки?
20. Какие ограничения могут накладываться в задачах трассировки?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренная в учебном пособии конструкторско-технологическая документа-
ция составляет основу организационно-методического обеспечения всех этапов жиз-
ненного цикла проектирования и производства электронных средств различного на-
значения. Полный состав технической документации насчитывает сотни различных
инструкций, стандартов, нормативов, норм, правил и других документов, поэтому в
учебном пособии приведены лишь базовые сведения о назначении основных конструк-
торско-технологических документов и их применении при разработке ЭС. Чтобы нау-
читься ориентироваться во всем многообразии технической документации и грамотно
применять ее на практике, будущему инженеру-проектировщику необходимо уметь
работать со справочной литературой, знать основные принципы и методологию про-
ектирования ЭС различных уровней модульности.
Представленная в пособии информация об электронных модулях нулевого уровня
конструктивной иерархии составляет лишь малую часть сведений о ЭРИ различного
назначения и принципа действия. Номенклатура современных электронных ком-
понентов насчитывает сотни различных видов и десятки тысяч разновидностей ин-
тегральных микросхем, транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов, катушек
индуктивностей, электровакуумных приборов, знакосинтезирующих индикаторов,
коммутационных изделий, и с каждым годом их количество растет. Сведения об этих
и других ЭРИ приведены в справочниках, технических условиях и другой специаль-
ной литературе, и специалист-проектировщик должен уметь разбираться во всем раз-
нообразии элементной базы и правильно осуществлять ее выбор при разработке ЭС в
соответствии с техническим заданием и условиями эксплуатации.
Тенденция к постоянному усложнению ЭС, увеличению их функциональных воз-
можностей и улучшению технических характеристик без снижения надежности и ка-
чества требует использования передовых технологий и новых материалов. Глобализа-
ция социально-экономического пространства и тесная интеграция производственных
мощностей различных стран на фоне усиливающейся конкуренции между разработчи-
ками и производителями ЭС также дают мощный импульс для развития радиоэлектро-
ники. Поэтому регулярно появляются сообщения о новых технологиях изготовления
печатных плат, о применении новых видов конструкционных материалов и защитных
покрытий, о новых способах защиты ЭС от тех или иных вредных факторов окружа-
ющей среды. Особенно быстро происходит освоение новейших разработок в области
конструирования аппаратуры специального назначения, медицинской и космической
техники. Типичными примерами являются развитие средств сотовой связи и вычисли-
тельной техники за последнее десятилетие.

530
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Процессы проектирования, производства электронной аппаратуры в настоящее
время уже немыслимы без использования современных информационных технологий.
Спектр существующего программного обеспечения охватывает все стадии жизнен-
ного цикла ЭС и позволяет автоматизировать процессы проектирования аппаратуры.
Использование специализированных систем автоматизированного проектирования,
предназначенных для схемотехнического моделирования, проектирования печат-
ных плат, разработки и оформления конструкторской документации, проведения
маркетинговых исследований, выполнения инженерных расчетов позволяет значи-
тельно ускорить разработку прототипов ЭС, снизить число возможных ошибок, уде-
шевить производство и повысить качество выпускаемой продукции. Следовательно,
специалист-проектировщик должен не только знать и уметь применять на практике
принципы и методы проектирования ЭС, разрабатывать конструкторско-технологи-
ческую документацию, но и свободно владеть средствами вычислительной техники,
иметь навыки работы с различными пакетами САПР. Только в этом случае специалист
будет соответствовать современным требованиям, предъявляемым к разработчику ЭС,
и всегда будет востребован на рынке труда.

ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1.
Образец оформления схемы электрической структурной

532
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Приложение 2.
Образец оформления схемы электрической функциональной

Приложения
533
Приложение 3.
Образец оформления схемы электрической принципиальной

534
Конструирование узлов и устройств электронных средств
Приложение 4.
Образец составления перечня элементов
Перб. примен. ]
N
г
о
геэ
ко
го
Is:
Lb
X
со
=3
Г
Зона
Йзм.|
1 Поз
ойозначе-
| ние
С1. С2
|fui
НИ
|qi
R1
|SA1
SB1
Т1
ХР1
А1
С1
|с2
СЗ
D01
DD2
роз
|ri
Лист
Разрой
Проб
Н.контр
Утб
Наименование
КонЗенсатор СГМ-500В-0.01 мкФ ± 20% - В 0Ж0Л61082ТУ
ВстаВка плабкая ВП1-2-0.5А-250В 0Ю0.Ш003 ТУ
СВетоЗиоЭ А/1307Б аАО 336.076 ТУ
Тумблер ТЗ ВР0.360 007ТУ
Резистор С2-ЗЗН-0.25Ч70 Ом ± 5% А-В 0Ж0А67.093ТУ
Тумблер МТ1 0Ю0.360.016ТУ
Кнопка КМ-1 ОЮ0.360.011ТУ
Трансформатор ТГТУ.ХХХХХХ.ХХХ
Разъем DB-25M Ningbo Zhenqin Electronic
Плата интерфейса ТГТУ.ХХХХХХ.ХХХ
Конденсаторы
К10-17а-25В-0.022 мкФ * 20% - М1500 - В 0Ж0А60.183ТУ
К52-1Б-25В-10 мкФ ± 20% - В 0Ж0А64.039ТУ
К10-17а-25В-300 пФ ♦ 10% - НЮ - В 0Ж0А60.183ТУ
Микросхемы
Триггер Шмитта SN74HC132N Texas Instruments
Логический элемент MC74F00N Texas Instruments
Драйвер шины ванных DM74ALS573BN Texas Instruments
Резисторы
С2-ЗЗН-0.125-4.7 кОм ♦ 5% А-В 0Ж0Л67.093ТУ
№ Эокум.
ПоЭп
Дата
Кол.
1
1
' "И
1
1
1
1
1
Примечание
хххх.хххххх.ххх пзз |
Muni ii/nmnn rricmnaui ia L
rlHUUKUIMU|J LUUIILmHUn It
LPT-nopma цифроЬой Г
Перечень злементоб £
Лит
ТТ
| Лист
I 1
Листоб |
3 |
t
Копировал
Формат А4

Приложения
1 "-3
к
\cz
1 с:
|ю
И
г1
N
Is:
IdO
1 з:
1 -3
1 го
|со
11X3
1 с
IfO
г
с!
N
N
Is
Зона
Иэм]
Поз!
обоэначе-
| ние
R2
|r3
|А2
С1-СЗ
|С4
001
D02 - 005
|006 - DD9
|HG1 - HG4
|R1 - R4
|r5 - R8
|VT1 - VT3
| A3
Лист
Наименобание
C2-33H-0.125-100 Ом ± 5% А-В 0Ж0А67.093ТУ
Набор резистороб НР1-29-8-0.125/1-4.7 кОм ± 5%
АЛСРА34310.003ТУ
Плата инбикации ТГТУ.ХХХХХХ.ХХХ
КонОенсагпоры
К10-17а-25В-0022 мкФ ± 20% - М1500 - В 0Ж0460.183ТУ
К53-4-20В-22 мкФ ± 20% - В 0Ж0А64.037ТУ
Микросхемы
Логический элемент MC74F00N Texas Instruments
Счетчик SN7490 Texas Instruments
Дешифратор SN74141 Texas Instruments
ИнЭикатор газоразряЭный энакобый ИН-14 3.341.043 ТУ1
Резисторы 0Ж0А67.093ТУ
С2-ЗЗН-0.125-1.8 кОм ± 10% А-В
С2-ЗЗН-0,125-33 кОм ± 10% А-В
Транзистор КТ940А аА0.336.246ТУ/02
Плата стабилизации ТГТУ.ХХХХХХ.ХХХ
№ Эокум.
ПоЗп
Дата
Кол
1
1
1
3
1
1
4
4
4
4
4
3
1
Примечание
ххххххххххххх [т
Пист\
2 |
Копировал Формат АС

536 Конструирование узлов и устройств электронных средств
CZ
to
И
з:
N
со
а
=3
Г
ее
га
с:
Зона
Йж|
1 Поз
обозначе-
| ние
С1
|С2
|сз
R1
|R2
R3
|R4
|VD1
|vD2
|vD3
|vD4-VD5
|VT1
VT2
/tucm
Наименование
Конденсаторы
К50-35-25В-Ю00 мкФ t 20% 0Ж0.464.223 ТУ
К53-4А-20 В-22 мкФ ± 20% 0Ж0.464.149 ТУ
К50-35-6В-4700 мкФ ± 20% 0Ж0.464.223 ТУ
Резисторы
С2-ЗЗН-0.5-220 Ом ± 10% А-В 0Ж0.467.093ТУ
С2-ЗЗН-0.5-5Ю Ом ± 10% А-В 0Ж0.467.093ТУ
СПЗ-19-1.5 кОм 110% А-А-В 0Ж0.468.134ТУ
С2-ЗЗН-0.25-220 0м ± 10% А-В 0Ж0.467.093ТУ
Диоды
Мост однофазный КЦ405Е АДБК.432120.491ТУ
Мост однофазный КЦ405Г АДБК.432120.491ТУ
Стабилитрон 2С156А СМ3.362.805ТУ
Диод 2Д522Б дР3.362.029-01ТУ/02
Транзисторы
2Т837Ф аА0.339.411ТУ
2Т630А ЮФ3.365.043ТУ
№ Эокди
ПоЗп
Нота
Кол.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
Примечание
хххх.хххххх.ххх гт
Лист]
3 |
Копиробал Формат А^

Приложения
537
Приложение 5.
Пример оформления чертежа печатной платы

ЛИТЕРАТУРА
1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов /
И.П. Норенков. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. — 336 с.
2. ГуткинЛ.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств: учеб. пособие /
Л.С. Гуткин. — м.: Радио и связь, 1986. — 288 с.
3. Информационные технологии проектирования радиоэлектронных средств: учеб.
пособие / Ю.Л.Муромцев, Д.Ю.Муромцев, И.В.Тюрин и др. — М.: Издательский
центр «Академия», 2010. — 384 с.
4. Петров А.В. Анализ и синтез радиотехнических комплексов / А.В. Петров,
А.А. Яковлев; под ред. В.Е. Дулевича. — М.: Радио и связь, 1984. — 248 с. /
5. Основы систем автоматизированного проектирования / М.М. Берхеев, И.А. За-
ляев, Ю.В. Кожевников и др.; под общ. ред. Ю.В. Кожевникова. — Казань: Изд-во Ка-
занского университета, 1988. — 353 с.
6. Арчибальд Р. Управление высокотехнологичными программами и проектами
[пер. с англ.] / Р. Арчибальд. — М.: ДМК Пресс, 2010. — 464 с.
7. Верхопятницкий ПД. Справочник по модульному конструированию радиоэлек-
тронной аппаратуры. / П.Д. Верхопятницкий, B.C. Латинский. — Л.: Судостроение,
1983. —232 с.
8. Управление качеством. Робастное проектирование. Метод Тагути: [пер. с англ.] /
Р. Леон, А. Шумейкер, Р. Какар и др. — М.: «Сейфи», 2002. — 384 с.
9. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры:
учеб. для вузов. / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева и др.; под общ. ред.
В.А. Шахнова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. — 528 с.
10. Единая система конструкторской документации: справочное пособие / С.С. Бору-
шек, А.А. Волков, Б.Я. Кабаков и др. — М.: Издательство стандартов, 1986. — 280 с.
11. Хайрнасов К.3., Сокольский М.С. Применение стандартов, норм и правил при
создании конструкторской, технологической и программной документации: учеб. по-
собие / К.З. Хайрнасов, М.С. Сокольский. — М.: Изд.-во МАИ, 2002. — 104 с.
12. ПухалъскийВА., СтеценкоА.В. Как читать чертежи и технологические доку-
менты / В.А. Пухальский, А.В. Стеценко. — М.: Машиностроение, 2005. — 144 с.
13. Единая система технологической документации: справочное пособие / Е.А. Ло-
бода, В.Г. Мартынов, Б.С. Мендриков и др. — М.: Издательство стандартов, 1992. —
325 с.
14. Рычина ТА., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и элек-
трорадиоэлементы: учеб. для вузов / Т. А. Рычина, А.В.Зеленский. — М.: Радио и
связь, 1989. — 352 с.

Литература
539
15. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устрой-
ства РЭА: справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко и др. — Мн.:
Беларусь, 1994. — 591 с.
16. Мукосеев В.В., Сидоров И.Н. Маркировка и обозначение радиоэлементов: спра-
вочник / В.В. Мукосеев, И.Н. Сидоров. — М.: Горячая линия-Телеком, 2001. — 348 с.
17. Триполитов СВ., Ермилов А.В. Микросхемы, диоды, транзисторы: справочник /
СВ. Триполитов, А.В. Ермилов. — М.: Машиностроение, 1994. — 382 с.
18. Полупроводниковые приборы: справочник / В.И. Галкин, А.Л. Булычев,
В.А. Прохоренко. — 2-е изд., перераб. и доп. — Мн.: Беларусь, 1987. — 285 с.
19. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: справочник / P.M. Te-
рещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Киев: Наукова думка,
1987. — 800 с.
20. ПухалъскийГ.И„ Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: учеб. пособие /
Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева. — СПб.: Политехника, 1996. — 885 с.
21. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник. / В.Л. Шило. — 2-е
изд. — Челябинск: Металлургия, 1989. — 352 с.
22. АтаевД.И.О, Болотников В А. Аналоговые интегральные микросхемы для быто-
вой радиоаппаратуры: справочник / Д.И.О. Атаев, В.А. Болотников. — 2-е изд. — М.:
Изд-во МЭИ, 1993. — 240 с.
23. ПироеоваЕ.В. Проектирование и технология печатных плат: учеб. / Е.В. Пиро-
гова. — М.: Форум-Инфра-М, 2005. — 560 с.
24. КечиевЛ.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей
аппаратуры / Л.Н. Кечиев. — М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. — 616 с.
25. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность /
Н.А. Барканов, Б.Е. Бердичевский, П.Д. Верхопятницкий и др.; под ред. Р.Г. Варла-
мова. — М.: Радио и связь, 1985. — 384 с.
26. Савельев АЛ., Овчинников В А. Конструирование ЭВМ и систем: учеб. для вузов /
А.Я. Савельев, В.А. Овчинников. — М.: Высшая школа, 1984. — 248 с.
27. Конструирование и технология печатных плат: учеб. пособие / А.Т. Жигалов,
Е.П. Котов, К.Н. Шихаев и др. — М.: Высшая школа, 1973. — 216 с.
28. Медведев AM. Технология производства печатных плат / A.M. Медведев. — М.:
Техносфера, 2005. — 360 с.
29. ТелльП.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование радиоэлектронной аппа-
ратуры: учеб. пособие / П.П. Гелль, Н.К. Иванов-Есипович. — Л.: Энергия, 1972. —
232 с.
30. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Л.Б. Ан-
дреева, Н.А. Барканов, А.С. Бегинин и др.; под ред. Р.Г. Варламова. — М.: Сов. радио,
1980. — 480 с.
31. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с
учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. —
М.: Радио и связь, 1989. — 224 с.
32. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов / В.Г. Уразаев. — М.: Техносфера,
2006. — 344 с.
33. Медведев AM. Печатные платы. Конструкции и материалы / A.M. Медведев. —
М.: Техносфера, 2005. — 304 с.
34. Талицкий Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Тео-
ретические основы: учеб. пособие / Е.Н. Талицкий. — Владимир: Изд-во Владим. гос.
ун-та, 2001. — 256 с.
35. ШимковичАА. Проектирование несущих конструкций электронных устройств:
учеб. пособие / А.А. Шимкович. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2003. — 308 с.

540
Конструирование узлов и устройств электронных средств
36. Основные конструкторские расчеты в РЭС: учеб. пособие / О.А. Белоусов,
Н.А. Кольтюков, А.Н. Грибков. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. — 84 с.
37. Муромцев Д.Ю., Белоусов О Л. Компьютерные технологии для расчета тепловых
режимов й механических воздействий: учеб. пособие / Д.Ю. Муромцев, О.А. Белоу-
сов. — Тамбов: Изд-во ФГБОУ ?ПО «ТГТУ», 2012. — 88 с.
38. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. Т. 1. / В.И. Ану-
рьев; под ред. И.Н. Жестковой. — 8-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение,
2001. —920 с.
39. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры / П.И. Овсищер, Ю.В. Го-
лованов, В.П. Ковешников и др.; под ред. П.И. Овсищера. — М.: Радио и связь,
1988, — 232 с.
40. Варламов Р.Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры / Р.Г. Варламов. —
М. : Энергия, 1990. — 200 с.
41. Кольтюков НЛ. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных
средств: учебное пособие / Н.А. Кольтюков, О.А. Белоусов. — Тамбов : Изд-во Тамб.
гос. техн. ун-та, 2009. — 84 с.
42. Токарев М.Ф. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппа-
ратуры : учебное пособие / М.Ф. Токарев, Е.Н. Талицкий, В.А. Фролов ; под ред.
В.А. Фролова. — М.: Радио и связь, 1984. — 275 с.
43. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: учеб. / А.П. Нена-
шев. — М.: Высшая школа, 1990. — 432 с.
44. Радиоэлектронная аппаратура и основы ее конструкторского проектирова-
ния: учеб. пособие / Н.И. Каленкович, СМ. Боровиков, A.M. Ткачук и др. — Минск:
БГУИР, 2008. — 200 с.
45. Конструирование радиоэлектронных средств: учеб. пособие /В.Ф.Борисов,
О.П. Лавренов, А.С. Назаров и др.; под ред. А.С. Назарова. — М.: Издательство МАИ,
1996.— 378 с.
46. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: учеб. пособие /
Е.М. Парфенов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев. — М. : Радио и связь, 1989. — 272 с.
47. КушелевскийАА., Абдрахманов ТА., Бабич АЛ. Опыт решения прикладных за-
дач аэродинамики при проектировании систем воздушного охлаждения передвижной
РЭА // Вопросы радиоэлектроники. Серия ТРТО. — 1984. — Вып. 3. — С. 102-108.
48. Алексеев В А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлек-
тронной аппаратуры / В.А. Алексеев. — М.: Энергия, 1979. — 128 с.
49. Кечиев JI.H. Электромагнитная совместимость и информационная безопасность в
системах телекоммуникаций / Л.Н. Кечиев, П.В. Степанов. — М.: Издательский Дом
«Технологии», 2005. — 320 с.
50. Дулънев Г.Н. Тепло- и массобмен в радиоэлектронной аппаратуре: учеб. для ву-
зов / Г.Н. Дульнев. — М.: Высшая школа, 1984. — 247 с.
51. РоткопЛ.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструиро-
вании РЭА / Л.Л. Роткоп, Ю.Е. Спокойный. — М.: Сов. радио, 1976. — 232 с.
52. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / В.И. Крав-
ченко, Е.А. Болотов, Н.И. Летунова; под ред. В.И. Кравченко. — М.: Радио и связь,
1987.— 256 с.
53. УайтД.РЖ. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и не-
преднамеренные помехи: пер. с англ. / Д.Р.Ж. Уайт; под ред. А.И. Сапгира. — М.:
Сов. радио, 1978. — 272 с.
54. Грачев Н.Н., МыроваЛ.О. Защита человека от опасных излучений: учеб. посо-
бие / Н.Н. Грачев, Л.О. Мырова. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. — 317 с.

Литература
541
55. Менеджмент для инженера: в Зч. Ч. 1. Основы менеджмента: учеб. / Н.Г.Ав-
деева, О.Н.Дмитриев, Э.С.Минаев; под ред. Э.С.Минаева. — М.: Высшая школа,
2002. — 359 с.
56. Управление качеством электронных средств: учеб. для вузов / О.П. Глудкин,
А.И. Гуров, А.И. Коробов и др. — М.: Высшая школа, 1994. — 412 с.
57. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математи-
ческое обеспечение) / А.Н. Писаревский, А.Ф. Чернявский, Г.К. Афанасьев и др.; под
ред. А.Н. Писаревского, А.Ф. Чернявского. — Л.: Машиностроение, 1988. — 424 с.
58. Системы технологического обеспечения качества компонентов микроэлектрон-
ной аппаратуры / В.Е. Власов, В.П. Захаров, А.И. Коробов; под ред. А.И. Коробова. —
М.: Радио и связь, 1987. — 160 с.
59. Беннетс РДж. Проектирование тестопригодных логических схем / Р.Дж. Бен-
нетс. — М.: Радио и связь, 1990. — 177 с.
60. Всеобщее управление качеством: учеб. для вузов / О.П. Глудкин, Н.М. Горбунов,
А.И. Гуров и др.; под ред. О.П. Глудкина. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. —
600 с.
61. Бородин СМ. Обеспечение надежности при проектировании РЭС: учеб. пособие /
СМ. Бородин. — Ульяновск, УлГТУ, 2010. — 106 с.
62. Информационные технологии управления: учеб. пособие для вузов / Под ред.
проф. Г.А. Титоренко. — 2-е изд., доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. — 439 с.
63. ТахаХЛ. Введение в исследование операций / Х.А. Таха. — М.: Издательский
дом «Вильяме», 2001. — 912 с.
64. ПоловинкинА.И. Основы инженерного творчества: учеб. пособие для студентов
втузов / А.И. Половинкин. — М.: Машиностроение, 1988. — 368 с.
65. Алексеев О.В. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: учеб.
пособие для вузов / О.В.Алексеев, А. А. Головков, И. Ю. Пивоваров и др.; под ред.
О.В. Алексеева. — М.: Высшая школа, 2000. — 479 с.

Учебное пособие
Муромцев Дмитрий Юрьевич,
Тюрин Илья Вячеславович,
Белоусов Олег Андреевич
КОНСТРУИРОВАНИЕ УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Ответственный редактор Боровиков А.А.
Технический редактор Логвинова Г. А.
Сдано в набор 26.10.2012 г. Подписано в печать 10.02.2013 г.
Формат 84x1081 /16- Бумага газетная.
Гарнитура Scool Book.
Тираж 2 000 экз. Заказ № 152.
ООО «Феникс»
344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80
Тел./факс: (863) 261-89-50, 261-89-59
Сайт издательства: www.phoenixrostov.ru
Интернет-магазин: www.phoenixbooks.ru
Отзывы и предложения по изданию присылайте в адрес редакции:
E-mail: phoenix_borovikov@mail.ru
Тел. 8 (863) 261-89-78
Отпечатано в ЗАО «Книга»
344019, г. Ростов-на-Дону, ул. Советская, 57.

Издательство
еникс
■ч
344082, г. Ростов-на-Дону,
пер. Халтуринский, 80
Тел.: (863)261-89-50;
www.phoenixrostov.ru
♦ Около 100 новых книг каждый месяц.
♦ Более 6000 наименований книжной продукции
собственного производства.
ОСУЩЕСТВЛЯЕМ:
♦ Оптовую и розничную торговлю книжной про-
дукцией.
ГАРАНТИРУЕМ:
♦ Своевременную доставку книп)в любую точку
страны, ЗА СЧЕТ ИЗДАТЕЛЬСТВА, автотранс-
портом и ж/д контейнерами.
♦ МНОГОУРОВНЕВУЮ систему скидок.
♦ РЕАЛЬНЫЕ ЦЕНЫ.
♦ Надежный ДОХОД от реализации книг нашего
издательства.
ТОРГОВЫЙ ОТДЕЛ
344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80
Контактные телефоны:
Тел.: (863) 261-89-53, 261-89-54, 261-89-55
261-89-56, 261-89-57, факс. 261-89-58
Начальник Торгового отдела
Аникина Елена Николаевна
Тел.: (863)261-89-52, torg153@aaanet.ru
ч.
издательство
е н и кс
344082, г. Ростов-на-Дону,
пер. Халтуринский, 80
Тел.: (863) 261-89-50
www.phoenixrostov.ru
Региональные представительства
Начальник отдела по работе с представительствами
Цукерман Марк Валерьевич (доб. 186) mark_fenix@mail.ru
МОСКВА
Моисеенко Сергей Николаевич
г. Москва, ул. Новодмитровская, д. 5а, стр. 3
(м. «Дмитровская»)
Тел.: (499) 558-03-09, (499) 558-03-11
E-mail: fenix-m@yandex.ru; fenix-mos@mail.ru
Мячин Виталий Васильевич
г. Москва, Шоссе Фрезер, 17 (м. «Авиамоторная»)
Тел.: (495) 517-32-95, (495) 789-83-17.
E-mail: mosfen@pochta.nj, mosfen@bk.ru
ЕКАТЕРИНБУРГ
Швидков Александр Владимирович
Тел.: (343) 382-43-01, 8-922-154-01-81
E-mail: fenix-ekb@mail.ru
ICQ 396-869-385
САМАРА (НИЖНЕЕ ПОВОЛЖЬЕ)
Митрохин Андрей Михайлович
Самара, ул. Товарная, 7«Е» (территория базы «Учебник»)
Тел.: (846) 951-24-76, 8-917-112-96-85.
E-mail: fenixma@mail.ru
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
Орлов Дмитрий Сергеевич
г. Санкт-Петербург, ул. Стрельбищенская, д. 15, к. 2
Тел.: 8-812-600-47-41, 8-952-248-49-38
E-mail: orlov@fx-spb.ru

Начальник торгового отдела
Аникина Елена Николаевна
(доб. 153), e-mail: torgl53@aaanet.ru
ОТДЕЛ ОПТОВЫХ ПРОДАЖ
Менеджер по продажам
* Серова Екатерина Игоревна
(доб. ПО), e-mail: torg@aaanet.ru
Кунгурцева Мария Сергеевна
(доб. 123), e-mail: torgl88@aaanet.ru
Чермантеева Татьяна Степановна
(доб. 155), e-mail: torgl55@aaanet.ru
Чуркина Юлия Сергеевна
(доб. Ill), e-mail: torgl52@aaanet.ru
Менеджер по работе с бюджетными организациями
Казакова Надежда Вячеславовна
(доб. 156), e-mail: sibir@aaanet.ru
Вы можете купить любую книгу издательства Феникс по самым
низким ценам в интернет-магазине www.phoenixbooks.ru.
Оплата — денежный перевод или электронный платеж,
доставка — почтой России или самовывоз из Ростова-на-Дону.
Для некоторых книг доступен онлайн просмотр отдельных глав,
разделов и содержания на страницах сайта www.phoenixbooks.ru.
Тел. 8(928)622-87-04 • E-mail: myphoenixbooks@gmail.com
Сайт: www.phoenixbooks.ru
Вы можете получить книги издательства «Феникс» по почте,
сделав заказ:
344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80,
издательство «Феникс», «Книга-почтой»,
Лозе Игорю Викторовичу.
Тел.: 8-909-4406421. E-mail: tvoyakniga@mail.ru
www.shop50.ru
^Издательство
ей и кс
ТОРГОВЫЙ ОТДЕЛ
344082, г. Росгов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80
Контактные телефоны
Тел.: (863) 261-89-50, 261-89-54, 261-89-55,
261-89-56, 261-89-57.
Факс: 261-89-58.