книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

3. Конструирование элементов, узлов и устройств электронной аппаратуры

Е$ ш т - Ф -j

г ~ \

ш

Рис. 3.11. Направляющие печатных плат ТЭЗ:

1— печатная плата

2 3

Рис. 3.12. Металлические направляющие:

1— направляющая; 2 — плоская пружина; 3 — клин

ляющих ниже, чем пластмассовых, и зависит от конкретной конструкции. На рис. 3.12 представлены конструкции четырех направляющих с указанием относительных величин их тепловых сопротивлений. Минимальным тепло­ вым сопротивлением обладает клиновая направляющая. После установки ТЭЗ клин 3 винтом плотно прижимается к поверхности платы. Для бокового перемещения клина в направляющей под винт должно быть выполнено фи­ гурное отверстие.

Надежная коммутация ТЭЗ с ответной частью соединителя в блоке обеспечивается расчетом на сочленение соответствующих размерных цепей блока. При этом определяют по известному допуску замыкающего звена допуски составляющих размеров, либо номинальный размер и допуск замы­ кающего звена по заданным размерам и допускам составляющих звеньев.

Элементы крепления и фиксации должны исключить возможность выпадения ТЭЗ при воздействии ударов и вибраций. Предусматривается индивидуальное или групповое крепление ТЭЗ. Для индивидуального креп­ ления рекомендуется использовать невыпадающие винты, защелки. В боль-

72

3.6. Модули второго уровня

а

в

Рис. 3.13. Вертикальная (а, 6) и горизонтальная (в) оси раскрытия бло­ ков книжной конструкции:

1 — плата в сборе; 2 — коммутационная печатная плата; 3 — несущая конст­ рукция блока; 4 — шарнирный узел

шинстве случаев групповое крепление осуществляется прижимной крышкой с наклеенной с внутренней стороны пористой прокладкой. После установки всех ТЭЗ в блок со стороны лицевых панелей крепится винтами прижимная крышка.

В блоках книжной конструкции (рис. 3.13) механическое объединение печатных плат между собой и с несущей конструкцией обеспечивается шар­ нирными узлами 4, позволяющими поворачивать платы 1 подобно страни­ цам книги. В рабочем состоянии платы 1 объединяют в пакет стяжными винтами или резьбовыми шпильками. Возможны вертикальная (рис. 3.13, а, б) и горизонтальная (рис. 3.13, в) ориентация плат в блоке. Блоки устанавли­ вают в стойку или монтажное устройство. Электрические соединения вы­ полняют объемными проводами, печатными жгутами, паяными соедине­ ниями. Проводники и жгуты подпаиваются к платам 1 со стороны подвески плат и к коммутационной плате 2, осуществляющей коммутацию плат 1 со­ гласно принципиальной схеме. На задней панели несущей конструкции бло­ ка устанавливают внешние соединители.

73

3. Конструирование элементов, узлов и устройств электронной аппаратуры

Рис. 3.14. Шарнирные узлы

Конструкция блока позволяет контролировать в рабочем режиме лю­ бую плату после удаления стяжных винтов.

Шарнирный узел (рис. 3.14, а) применяется в несложных конструкци­ ях на 2—4 платы, выполненных по компоновочной схеме рис. 3.13, а. Эле­ менты подвески плат располагают у задней и лицевой панелей блока по два с каждой стороны. Платы раскрываются подобно открытию двустворчатых дверей стойки ЭА. Элементы подвески в блоке должны располагаться в раз­ ных плоскостях с шагом установки, несколько большим толщины платы, и выполняться в виде штыря либо перемычки между двумя прямоугольными отверстиями, на которые надевается цилиндрическая часть шарнирного уз­ ла. Преимущество рассмотренной конструкции в ее простоте, недостаток — некоторое увеличение длин электрических соединений за счет размещения элементов подвески на противоположных сторонах блока.

В сложных конструкциях используют шарнирные узлы, представлен­ ные на рис. 3.14, б и в. Несколько шарнирных узлов совместно с платами штифтовым соединением или каким-либо другим способом объединяются в наборы — пакеты, которые крепятся к несущей конструкции блока. Если печатная плата фиксируется на рамке, то удобно рамку и шарнирные узлы

74

3.6. Модули второго уровня

Рис. 3.16. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) направления откиды­

вания плат в блоках:

1 — кожух; 2 — плата; 3 — откинутая плата; 4 — несущая конструкция; 5 — ось шарнира

вода на ремне не должны иметь резких перегибов и больших натяжений. Плата крепится к ремню винтовым соединением.

Как и в блоках стеллажной конструкции, конкретное конструктивное исполнение блоков книжной конструкции может различаться: шарнирные узлы могут выполняться совместно с рамкой, индивидуально, на шарнир­ ный узел может устанавливаться одна или несколько плат и т. д., коммута­ ция может осуществляться печатным или объемным вязаным жгутом, оди­ ночными проводниками и т. д. Однако правила объединения конструктив­ ных элементов и узлов остаются неизменными.

В блоках с откидными платами (рис. 3.16) платы 2 механически объе­ диняют между собой и с несущей конструкцией 4 подвижным соединением на оси 5, позволяющим обеспечивать поворот (откидывание) любой платы и контроль этой платы в откинутом положении при функционировании блока. Конструкцией должна быть предусмотрена фиксация платы в откинутом состоянии. В рабочем состоянии платы объединяют в пакет и крепят к не­ сущей конструкции. Электрические соединения выполняют объемными проводами, жгутами, соединителями. При разработке электромонтажной схемы блока необходимо предусмотреть подвижность монтажа, например, искусственным увеличением длины жгута для обеспечения откинутого по­ ложения платы. Возможны вертикальное и горизонтальное направление от­ кидывания плат. В качестве недостатка этого вида компоновки следует от­ метить некоторое увеличение длины монтажных проводов.

Этажерочная компоновка блока (рис. 3.17) достигается параллельным объединением между собой плат 3 и установочной панели в единую конст­ рукцию стяжными винтами 2. Нужный шаг установки между платами паке­ та обеспечивается введением в конструкцию распорных втулок. Несущей конструкцией блока является установочная панель. Возможны вертикальная

75

3. 7. Модули третьего уровня

Необходимо отметить, что в каждом конкретном случае выбор конструк­ тивного исполнения блока решается комплексно и, в первую очередь, с уче­ том ограничений, накладываемых объектом эксплуатации.

3.7. Модули третьего уровня

Модуль третьего уровня конструктивной иерархии — шкафная стойка, стойка, шкаф — предназначен для установки и коммутации блоков или рам и обеспечения их работоспособности в составе ЭА (рис. 6 цветной вклейки).

Конструктивной основой любой стойки является каркас, обычно изго­ тавливаемый из стального уголкового профиля или труб прямоугольного или квадратного сечений, использование которых по сравнению с уголко­ вым профилем позволяет снизить материалоемкость конструкций. На рис. 3.18 представлен каркас шкафной стойки, который собирается из двух боко­ вин 3, нижнего 8 и верхнего 2 оснований каркаса. Боковины и основания сварены из труб прямоугольного и квадратного сечений и в единую конст­ рукцию объединяются болтовым соединением. Для этого в трубы боковин и оснований в местах болтовых соединений помещаются вкладыши, имеющие форму и размеры поперечного сечения, равные форме и размерам попереч­

77

3. Конструирование элементов, узлов иустройств электронной аппаратуры

Рис. 3.17. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) расположение уста­ новочной панели в блоках этажерочной конструкции:

1 — установочная панель; 2 - стяжной винт; 3 — плата; 4 — кожух

и горизонтальная установка панели в модуле высшего уровня. На выбор способа ориентации панели влияет конструкция, тепловой режим блока, а также характер и направление внешних механических воздействий. М еж­ платные электрические соединения в блоке осуществляют жгутовым мон­ тажом, фиксированным паяным, разъемными соединениями. Внешние со­ единители должны устанавливаться на несущей конструкции блока 7. Ос­ новным преимуществом данного типа компоновки является простота конструкции, недостатком — низкая ремонтопригодность. Можно рекомен­ довать при конструировании несложной аппаратуры на микропроцессорах.

Кроме рассмотренных компоновочных схем блоков возможны раз­ личные их комбинации. Например, блок состоит из двух субблоков, объеди­ няемых в книжную или откидывающуюся конструкцию, а каждый субблок имеет стеллажную или этажерочную компоновку.

Ориентация и расстояния между платами ТЭЗ зависят от технических требований на аппаратуру, теплового режима, характера и направлений внешних воздействий. Выбор варианта конструкции диктуется производст­ венными и техническими требованиями на основе анализа основных опре­ деляющих факторов. Производственные условия рекомендуют применять однотипные конструкции ТЭЗ, элементов несущих конструкций, фиксации, крепления, монтажа.

В зависимости от сложности ЭА и возможностей объекта эксплуата­ ции в герметичный корпус блока устанавливают один или несколько паке­ тов модулей первого уровня. Компактные герметичные блоки могут разме­ щаться в любом месте объекта эксплуатации, что является преимуществом подобной компоновки, но при этом возрастают длины электрических соеди­ нений между блоками. Установка блоков на специально вводимую несущую конструкцию (раму) позволяет разместить блоки компактно в одном месте, уменьшить длины связей, но масса аппаратуры увеличивается за счет рамы.

76

3. Конструирование элементов, узлов иустройств электронной аппаратуры

при этом неизбежно появление магнитных полей и возможно их влияние на работающую аппаратуру.

Дверцы и щиты должны плотно прилегать к каркасу без щелей, через которые происходит утечка охлаждающего воздуха, а внутрь стойки проникает пыль, внешние электрические, магнитные и электромагнитные поля.

По требованиям техники безопасности, а также из соображений экра­ нирования стойки электрическое сопротивление между деталями каркаса, дверцами и щитами должно быть минимальным. Для этого все детали кар­ каса, щиты, дверцы электрически объединяют оплеткой экранированного проводника с контактными лепестками «под винтовое соединение» (рис. 3.19). На детали каркаса привариваются бобышки, на щиты и дверцы — скобы. В бобышках и скобах нарезают резьбовые отверстия, зачищаются до металли­ ческого блеска установочные поверхности каким-либо механическим спо­ собом и устанавливаются контактные лепестки оплетки. Оплетка, коммути­ рующая дверцы, должна иметь некоторое провисание и крепиться в местах подвески, чтобы свободно открывать и закрывать дверцы.

Принципы построения компоновочных схем шкафных стоек приведе­ ны на рис. 3.20, где стрелками показана входимость (установка) модулей разного уровня. ТЭЗ 5 является составной частью неразъемного блока 3 и разъемных вставных блоков 4 и 10. Разъемный вставной блок 9 (кассетная конструкция) представляет коммутационную печатную панель с соедините­ лем 8 и несколькими печатными платами 7 с микросхемами. Блоки 3, 4, 9, 10 устанавливают либо непосредственно в стойку 1, либо в промежуточный модуль — раму 2, а раму уже монтируют в стойку.

78

3.7. Модули третьего уровня

Рис. 3.20. Принципы компоновки шкафных стоек:

/ — каркас; 2 — рама; 3 — неразъемный блок; 4, 9, 10 — разъемные вставные блоки; 5 — ТЭЗ; 6— микросхема; 7— печатая плата в сборе; 8 — соединитель

Неразъемные блоки 3 размещают по всей высоте каркаса стойки или рамы и жестко закрепляют. Блоки в стойке коммутируют жгутом, закреп­ ляемым на монтажной панели стойки. Этот же жгут подводит сигнальные цепи к соединителям внешней коммутации, размещаемым на боковых по­ верхностях или поддоне стойки.

Установку и закрепление блоков на каркасе стойки, минуя раму, используют, если ТЭЗ 5 имеет длину, позволяющую полезно использо­ вать всю глубину стойки (глубина стойки, как правило, варьируется в пределах 600...800 мм). Однако при конструировании ЭА на МС печат­ ная плата ТЭЗ может иметь существенно меньшие размеры. При малой длине платы и установке блоков 3, 9 непосредственно в стойку возникает необходимость в использовании стоек малой глубины, которые при ме­ ханическом воздействии могут легко упасть. Предотвратить этот недос­ таток возможно:

•искусственным увеличением глубины стойки и площади опоры, что приведет к потерям объема стойки и уменьшению плотности компоновки аппаратуры — одного из основных показателей конструкции;

•жестким закреплением основания стойки на объекте эксплуатации;

•использованием блоков 4, 10 с вертикальным продольным располо­ жением монтажной панели, позволяющим размещать ТЭЗ по всей глубине стойки;

•установкой рам в стойку.

79

3. Конструирование элементов, узлов и устройств электронной аппаратуры

Компоновка стоек вставными разъемными блоками широко использу­ ется при конструировании транспортируемой (бортовой) аппаратуры и сто­ ек электропитания. Внешняя коммутация блоков осуществляется прибор­ ными или приборно-кабельными соединителями, обеспечивающими быструю замену блоков. Введение приборно-кабельного соединителя обес­ печивает работу ЭА при частично выдвинутом или удаленном из стойки для контроля блоке, но приводит к увеличению длин соединений и, как следствие, понижению быстродействия.

Установка на блок приборного соединителя не удлиняет соединений, но для проверки его работоспособности в составе стойки требуется ее отключение, установка блока в переходное устройство, искусственно смещающее ответный соединитель монтажной панели к лицевым панелям блока, включение аппаратуры и собственно контроль. Подобные действия увеличивают время подготовки для выполнения операций контроля, а введение переходного устройства может привести к искажению сигналов.

При использовании приборно-кабельных соединителей приборная часть соединителя устанавливается на тыльную сторону блока, блок встав­ ляется и фиксируется в стойке. В стойке отсутствует монтажная панель, а коммутация блоков обеспечивается кабелями, закрепляемыми в пазах стой­ ки на стороне, противоположной лицевым панелям блоков. Ответные части кабельных соединителей вставляются в приборные блоки и фиксируются на блоках.

Главное требование к вставным разъемным блокам — их функцио­ нальная и конструктивная законченность. Однако схемы, предназначенные для конструктивной реализации блоками, как правило, имеют разную сте­ пень сложности и, если разрабатывать единую конструкцию блока для са­ мой сложной схемы, то для менее сложных схем часть конструктивного пространства блоков не будет использоваться. Поэтому в конструкцию стойки вводят основной базовый блок 3, имеющий наибольшие размеры и устанавливаемый по всей ширине каркаса стойки, и частичные вставные блоки 9, 10, составляющие по ширине часть основного, но размещаемые в той же стойке, что и основной.

На рис. 3.21 приведен пример компоновки стойки частичными встав­ ными блоками, установка которых в стойку производится в вводимые и за­ крепляемые на каркасе / коробчатые конструкции с направляющими 3 или установочные панели для направляющих, жестко фиксируемые на каркасе 1. Направляющие 3 устанавливают по месту в зависимости от размеров, фор­ мы и числа размещаемых на одном горизонтальном уровне блоков. Блоки с зазором 20 ...30 мм устанавливают по высоте каркаса рядами и жестко фик­ сируют на коробчатой конструкции 2. Установка основного базового блока подобна установке частичных блоков.

80

3.Конструирование элементов, узлов иустройств электронной аппаратуры

Втрехрамной стойке две крайние рамы А и С выполняют поворачи­ вающимися, центральную раму В — неподвижной, фиксируемой на каркасе. Для доступа к монтажным сторонам рам А и С достаточно открыть дверцы стойки. Доступ к монтажной стороне рамы В возможен со стороны рамы А при открытой дверце и повернутом на 90° положении этой рамы. При повер­ нутом положении рамы С открывается доступ к лицевым панелям рам £ и С.

При числе рам в стойке больше трех одна из рам жестко закрепляется на каркасе, остальные выполняются выдвижными и поворачивающимися вокруг подвески.

Коммутацию в стойке рам между собой удобно выполнять плоским объемным или печатным жгутом. Для этой цели со стороны подвески рам на боковой поверхности устанавливают соединители внешней коммутации. Эти же соединители на неподвижной раме можно использовать для межсгоечной коммутации. В качестве дополнительных соединителей внешней коммутации можно рекомендовать крайние соединители ТЭЗ блоков.

3.8. Рамы

Рама в стойке служит для установки и коммутации неразъемных и разъемных вставных блоков. Конструктивной основой рамы является каркас с направляющими. Каркас чаще всего выполняется из нормализованного профиля сварным способом, что придает ему высокую жесткость. На рис. 3.23 приведена компоновочная схема рамы на шесть блоков. Пять неразъ­ емных блоков жестко фиксируются боковинами на каркасе рамы 3, вставной разъемный блок 5 (блок вентиляции) по направляющим вставляется в каркас

82