Praktikum Iz Konstruisanja Elektronskih Ure 273 Aja

(1)

Rifat Ramovi

ć

Vitomir

Milanovi

ć

Sedat

Širbegovi

ć

P

R

A

K

T

I

K

U

M

i

z

K

O

N

S

T

R

U

I

S

A

N

J

A

E

L

E

K

T

R

O

N

S

K

I

H

U

R

E

Đ

A

J

A

(2)

Dr. Rifat Ramovi

ć

Dr. Vitomir Milanovi

ć

Dr. Sedat Širbegovi

ć

P

R

A

K

T

I

K

U

M

i

z

K

O

N

S

T

R

U

I

S

A

N

J

A

E

L

E

K

T

R

O

N

S

K

I

H

U

R

E

Đ

A

J

A

Recezenti:

Dr. Jovan Radunovi

ć

, prof.

Dr. Milenko Cvetinovi

ć

, doc.

Izdavač:

Katedra za mikroelektroniku i tehni

č

ku fiziku

Tehnička obrada:

(3)

P

PR

RE

ED

D

GO

G

OV

VO

OR

R

Konstruisanje elektronskih uređaja je vrlo složen, delikatan i odgovoran posao. Za to je potrebno široko znanje ne samo iz velikog broja elektrotehničkih disciplina nego i iz drugih oblasti nauke i tehnike. Stoga se za konstrukciju elektronskih uređaja angažuju timovi vrsnih stručnjaka različitih profila. Jedino se tako može doći do valjanih konstrukcionih rešenja jer se pred konstruktore postavalja veliki broj zahteva koje nije lako ispuniti. Postoji i niz pravila kojih se konstruktor mora pridržavati u procesu konstruisanja elektronskih uređaja, kako bi taj uređaj radio sa traženom tačnošću. Takođe, postoje i faze u konstrukciji kojima treba posvetiti posebnu pažnju ako se želi da uređaj ima visoke performanse. Nalaženje optimalnog rešenja na osnovu oprečnih zahteva za što bolje performanse uređaja, sa jedne strane i što niže cene, sa druge strane, nije ni malo jednostavno.

Da bi uređaj bio visokog kvaliteta, pri konstrukciji mora da se zna u kakvom će okruženju taj uređaj raditi, odnosno potrebno je razmotriti njegov rad i ponašanje pri zadatim klimatskim i ostalim uslovima okruženja.

Razrada konstrukcije vrši se postepeno i po etapama, a kao rezultat razrade pojavljuje se odgovarajuća konstrukciona dokumentacija. Pri tome se mora poći od materijala na bazi kojih su sačinjeni elementi elektronskih uređaja i upoznati se sa performansama tih elemenata. Dakle, potrebno je poznavati konstruktivne karakteristike svih elemenata, počev od otpornika, kondenzatora, kalemova, relea i transformatora, preko diskretnih poluprovodničkih komponenata do integrisanih kola i sistema (naprava) proizvoljne složenosti. Takođe je potrebno znati kako se ti elementi montiraju na štampanim pločama i drugim podlogama i kako se mogu međusobno povezivati da bi se ostvario prvi korak u realizaciji elektronskog uređaja.

Kada se završi faza konstruisanja, koja obezbeđuje radnu funkciju elektronskog uređaja, pristupa se rešavanju problema zaštite kako sastavnih delova tako i kompletnog uređaja. Pri tome je neophodno obezbediti adekvatnu zaštitu od pregrevanja, od unutrašnjih i spoljašnjih smetnji kao i od mehaničkih dejstava.

U toku čitavog procesa konstruisanja uređaja potrebno je voditi računa da se mora ostvariti njegova zahtevana pouzdanost i odgovarajuća pogodnost održavanja. U tom cilju je potrebno izvršiti dobru alokaciju pouzdanosti na sastavne delove i pridržavati se često preporučivanih pravila konstruisanja sa aspekta pouzdanosti i sa aspekta pogodnosti održavanja.

Aspekti konstruisanja uređaja zavise ne samo od zahteva koji se postavljaju pred uređajem nego i od namene i vrste proizvodnje (masovna, serijska, pojedinačna).

Osnovu ove knjige čine predavanja koja su autori držali na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, Elektrotehničkom fakultetu u Banjaluci i Vojnoj vazduhoplovnoj akademiji u Beogradu.

(4)

pri čemu se smatra da korisnici (čitaoci) poseduju odgovarajuća potrebna znanja iz oblasti vezanih za elektronske uređaje.

Kompletna materija prezentirana u knjizi podeljena je u dva dela. Prvi deo se bavi zahtevima koji se postavljaju pri konstrukciji elektronskih uređaja i načinima realizacije tih zahteva. Drugi deo je posvećen konstrukciji i karakterizaciji elemenata (sastavnih delova) elektronskih uređaja. Normalno, ta navedena dva dela čine jedinstvenu celinu, jer konstruisati uređaje mogu samo stručnjaci koji dobro poznaju sastavne delove tih uređaja.

Koristimo priliku da se zahvalimo recezentima prof. Dr. Jovanu Radunoviću i doc. Dr. Milenku Cvetinoviću na stručno obavljenoj recenziji i korisnim sugestijama. Takođe se zahvaljujemo dipl. ing. Nemanji Đokoviću za kvalitetnu tehničku obradu.

Autori se unapred zahvaljuju svima koji ukažu na propuste, gerške i nedostatke u ovoj knjizi.

Beograd 2005. god. Autori

*** * ***

Praktukum iz konstruisanja elektronskih uređaja ima za cilj da studente elektrotehničkog fakulteta upozna sa zahtevima koji se postavljaju pred konstruktore tih uređaja i problemima koje konstruktori treba da reše ne ulazeći u načine i postupke rešavanja tih problema. To je samo uvid u jednu složenu problematiku koji treba da bude izazov mladim ljudima da se njome bave i u njoj nađu način oplemenjenja svog naučnog i stručnog znanja.

(5)

S

SA

AD

D

RŽ

R

ŽA

A

J

I DEO...1

1. UVOD U KONSTRUISANJE ELEKTRONSKIH UREĐAJA ...1

1.1.OSNOVNIPOJMOVIIDEFINICIJE...2

1.2.USLOVIEKSPLOATACIJE...4

1.2.1. ZEMLJINA ATMOSFERA...4

1.2.2. KLIMATSKI USLOVI...5

1.2.3. UTICAJ VISOKIH I NISKIH TEMPERATURA NA KOMPONENTE ELEKTRONSKIH UREĐAJA.8 1.2.4. UTICAJ VLAŽNOSTI NA KOMPONENTE ELEKTRONSKIH UREĐAJA (KOROZIJA) ...10

1.2.5. UTICAJ VIBRACIJA I UDARA NA KOMPONENTE ELEKTRONSKIH UREĐAJA ...11

1.2.6. OSTALI USLOVI...11

1.3.ZAHTEVIZAPOUZDANOST...12

1.4.JEDNOSTAVNOSTRUKOVANJAIOPSLUŽIVANJA...12

1.5.MOGUĆNOSTPOPRAVKE ...12

1.6.DIMENZIJEIMASA ...13

1.7.ZAŠTITAODSPOLJAŠNJIHFAKTORA ...13

1.8.KONSTRUKCIONONASLEDE,UNIFIKACIJA,NORMALIZACIJAISTANDARDIZACIJA ...14

1.9.TEHNOLOŠKAIZVODLJIVOSTIEKONOMIČNOSTKONSTRUKCIJE...15

2. RAZRADA KONSTRUKCIJE ELEKTRONSKIH UREĐAJA, KONSTRUKTORSKA DOKUMENTACIJA...16

2.1.ETAPERAZRADEELEKTRONSKIHUREĐAJA...17

2.2.KONSTRUKTORSKADOKUMENTACIJA ...19

3. NIVOI KONSTRUISANJA...24

3.1.KONSTRUKCIONAHIJERARHIJA ...24

4. ZAŠTITA KOMPONENATA I UREĐAJA...27

4.1.OKLOPLJAVANJE...27

4.1.1. PRINCIP OKLOPLJAVANJA I VRSTE ...27

4.1.2. TEORIJSKE OSNOVE OKLOPLJAVANJA – OTVORENI OKLOPI...29

4.2.PROBLEMIODVOĐENJATOPLOTEIHLADNJACI(RADIJATORI) ...31

4.2.1. PROSTIRANJE TOPLOTE PROVOĐENJEM...31

4.2.2. PROSTIRANJE TOPLOTE STRUJANJEM ...33

4.2.3. PROSTIRANJE TOPLOTE ZRAČENJEM ...34

4.2.4. RADIJATORI (HLADNJACI)...35

4.3.ZAŠTITAUREĐAJAODSMETNJI ...40

5. POUZDANOST UREĐAJA ...43

5.1.OSNOVNI POKAZATELJI POUZDANOSTI ...45

5.2.UGRADNJAPOUZDANOSTIPRIKONSTRUKCIJINOVOGUREĐAJA ...49

5.2.1. PRINCIPI KONSTRUISANJA U POGLEDU POUZDANOSTI...50

5.3.POGODNOSTODRŽAVANJAUPROCESUKONSTRUISANJA ...53

5.3.1. PRINCIPI KONSTRUISANJA U POGLEDU POGODNOSTI ODRŽAVANJA...55

(6)

II DEO ...59

1. ELEKTROTEHNIČKI MATERIJALI...59

1.1.STRUKTURAIPODELAELEKTROTEHNIČKIHMATERIJALA...59

2. OTPORNICI...64

2.1.KARAKTERISTIKEOTPORNIKA ...64

2.2.POKAZATELJIKVALITETAOTPORNIKA ...66

2.3.PODELAOTPORNIKA...71

2.4.NIZOVINOMINALNIHVREDNOSTIOTPORNOSTI ...71

2.5.OZNAČAVANJEOTPORNIKA ...72

3. KONDENZATORI...75

3.1.KARAKTERISTIKEKONDENZATORA ...75

3.1.1. KAPACITIVNOST...75

3.1.2. DIELEKTRICI ZA KONDENZATORE ...77

3.1.3. OTPORNOST IZOLACIJE I VREMENSKA KONSTANTA KONDENZATORA ...78

3.1.4. GUBICI U KONDENZATORU...80

3.1.5. FREKVENCIJSKA SVOJSTVA KONDENZATORA ...82

3.1.6. ELEKTRIČNA ČVRSTOĆA KONDENZATORA...83

3.1.7. STABILNOST KONDENZATORA ...83

4. KALEMOVI ...85

4.1.KARAKTERISTIKEKALEMOVIMA...85

4.1.1. INDUKTIVNOST KALEMOVA...85

4.1.2. TOLERANCIJE IZRADE ...86

4.1.3. EKVIVALENTNA ŠEMA KALEMA...86

4.1.4. VREMENSKA KONSTANTA KALEMA ...88

4.1.5. GUBICI U KALEMU ...88

4.1.6. FAKTOR DOBROTE KALEMA...90

4.1.7. STABILNOST KALEMOVA I TEMPERATURSKI KOEFICIJENAT INDUKTIVNOSTI...91

5. TRANSFORMATORI ...93

5.1.OPŠTEOTRANSFORMATORIMAINJIHOVAFUNKCIJA...93

5.2.KONSTRUKCIJATRANSFORMATORAINAČINTRANSFORMACIJESTRUJEINAPONA...94

5.3.EKVIVALENTNAŠEMAREALNOGTRANSFORMATORA...96

5.4.TRANSFORMATORSKAJEZGRA...99

5.5.KALEMSKATELA ...102

6. RELEA ...104

6.1.OPŠTAPODELARELEAINJIHOVEKARAKTERISTIČNE VELIČINE...105

(7)

I

D

DE

EO

O

1

1. .

U

UV

VO

OD

D

U

K

KO

ON

NS

ST

TR

RU

UI

IS

SA

AN

N

JE

J

E

EL

LE

EK

KT

TR

RO

ON

NS

SK

KI

IH

H

U

UR

R

E

Đ

A

J

A

Konstruisanje elektronskih uređaja je vrlo delikatan i složen proces , koji zahteva široko znanje iz većeg broja disciplina i to ne samo iz oblasti elektrotehničke struke. Prilikom konstruisanja nekog uređaja mora se uzeti u obzir veliki broj različitih zahteva , koji se mogu svrstati u tri kategorije:

- konstrukciono – tehnološki - eksploatacioni i

- ekonomski

U glavne konstrukciono – tehnološke i eksploatacione zahteve spadaju (kao što je prikazano na sl. 1.1. ) : o zahtevi performansi o zahtevi proizvodnje o zahtevi bezbednosti o zahtevi pakovanja o zahtevi operativnosti o zahtevi pouzdanosti

o zahtevi pogodnosti održavanja o zahtevi podrške i drugi.

(8)

Uvod u konstruisanje elektronskih uređaja

Među eksploatacione zahteve spada : pouzdanost, kvalitet izvršavanja osnovnih funkcija elektronskog uređaja, jednostavnost rukovanja, mogućnost popravke, stabilnost na starenje, dimenzije i težina.

Među konstrukciono-tehnološke zahteve spada : zaštita od spoljašnjih faktora, konstruktivno nasleđe – dosadašnja rešenja i tehnološka izvodljivost.

Među ekonomske zahteve spada : utrošak vremena rada, materijalnih i finansijskih sredstava za razradu, izradu i eksploataciju.

1.1. OSNOVNI POJMOVI I DEFINICIJE

Projektovanje je razrada osnovnih pokazatelja konačnog produkta (za koji se ono vrši) i puteva njihove praktične realizacije. Kao rezultat projektovanja pojavljuje se skup podataka koji može da bude osnova za razradu radnih tehničkih dokumenata, koji su neophodni za dobijanje konačnog produkta (sistema, uređaja, aparata i tome slično).

Na primer , u procesu proračuna električne šeme bloka za oscilatorno kolo mogu biti dati sledeći osnovni pokazatelji: frekvencija, stepen njene stabilnosti pod zadatim uslovima, granične dimenzije, masa. Unapred može da bude određena i metoda zaštite od vlage (na primer utvrđeno je da je neophodno vršiti vakumsku hermetizaciju, itd.).

Konstruisanje predstavlja proces izbora elemenata i materijala konstrukcije, proces izbora strukture njihovih uzajamnih prostornih i energetskih veza i veza sa okolnom sredinom. Takođe obuhvata i uspostavljanje kvantitativnih veličina (normi) pomoću kojih se može izraditi proizvod koji odgovara zadatim uslovima.

Kao konačan proizvod procesa konstruisanja javlja se komplet tehničkih dokumenata koji sadrže sve zadate norme za razrađeni proizvod.

U toku konstruisanja često se koriste takvi termini kao što su norma, višak, zaliha i rezerva.

Norma je veličina koja je uspostavljena za određene zadate uslove. Na primer,

frekvencija oscilatornag kola je 10 MHz ±0.01 % na temperaturi okolne sredine od 40 do 80°C i pri relativnoj vlažnosti 98% ; kontaktna sila komutacionog uređaja je 100N ±10N pri istim uslovima.

Višak je mera prevazilaženja zadate ili uspostavljene veličine (količine). Na

primer, za napon 10V koristi se kondenzator s radnim naponom od 200V; za uključivanje kola primenjuju se dva samostalna (paralelna) kontakta.

(9)

Zaliha je višak koji se uvek nalazi u dejstvu. Primena spomenutog kondenzatora

ilustruje višak napona. Ako se za obezbeđenje tražene mehaničke čvrstoće za određeni materijal i dužinu zahteva prečnik od 6 mm, a koristi se prečnik od 8 mm, onda ovaj višak čvrstoce uvek učestvuje u radu. Slična je situacija kada se koriste dve diode umesto jedne.

Rezerva je višak koji ne učestvuje u radu ali u određenom trenutku može aktivno

da deluje. Kao primer može da pasluži bilo koji uredaj sa kvantitativnim viškom.

Pod funkcijom koju vrši konstrukcija podrazumeva se rezultat uzajamnog dejstva

raznih faktora (sila, polja, itd).

Osnovna krajnja funkcija (OKF) - predstavlja željeni efekat za čije postizanje je predviđen elektronski uređaj. OKF se sastoji u pretvaranju ili generisanju električnih signala koji nose informacije. Za elektronski uređaj OKF predstavlja izdvajanje iz mnoštva signala, koji deluju na njegovom ulazu, onog željenog i dobijanje na izlazu potrebnog nivoa energije korisnog signala, koji odgovara željenom ulaznom signalu.

Pojedinačne krajnje funkcije (PKF) su one funkcije bez kojih se ne može dobiti osnovna krajnja funkcija. U elektronskom uredaju PKF su selektivnost, konverzija, pojačanje i slično.

Na elemente konstrukcije mogu da deluju spoljašnje sile o kojima se u potpunosti ili delimično nije vodilo računa u toku projektovanja uređaja. Ove sile mogu imati štetan uticaj.

Sve sile i uslovi u kojima one dejstvuju na elemente konstrukcije često se nazivaju faktorima. Treba razlikovati tri grupe faktora:

1. Osnovni faktori - koji se proračunavaju i odabiraju u procesu razrade. Oni uglavnom određuju radne funkcije uređaja.

2. Sporedni faktori - koji se uzimaju u obzir pri razradi , jer je neizbežno njihovo uzajamno dejstvo sa osnovnim faktorima.

3. Slučajni faktori - koji ne mogu biti uzeti u obzir u procesu razrade, pošto je neizvestan njihov karakter i vreme uzajamnog dejstva sa osnovnim faktorima.

Prve dve grupe mogu biti podeljene u tri osnovne podgrupe: 1) kontrolisani (napon napajanja i sl.);

2) slabo kontrolisani (udari, vibracije i sl.);

(10)

1.2. USLOVI EKSPLOATACIJE

Karakter i intenzitet dejstva klimatskih (u manjoj meri), mehaničkih i radijacionih (u većoj meri) faktora zavisi od načina korišćenja i objekta na kome se nalazi elektronski uređaj. Na taj način se elektronski uređaji mogu podeliti u pet grupa:

1) zemaljski ( kopneni – stacionarni ) 2) brodski – pomorski

3) drumski (železnički ) 4) avionski i

5) raketni

Posebna vrsta su još kosmički i satelitski.

Treba razlikovati dve sredine, koje opkoljavaju elemente konstrukcije: unutrašnju i spoljašnju .

Unutrašnja sredina se nalazi u malom prostoru, koji okružuje mali broj konstrukcionih elemenata. Broj takvih lokalnih sredina u jednom elektronskom uređaju može biti veći. One mogu da imaju različita fizičko-hemijska svojstva.

Spoljašnja sredina se nalazi u radnom prostoru koji okružuje elektronski uređaj. Ona takođe može da bude različita. Spoljašnja sredina može da bude gasovita i tečna. Gasovita sredina može da ima različit sastav, pritisak i električna svojstva. Tečna sredina može da ima različit sastav i gustinu (rečna voda, morska voda, itd.).

Okolni objekti takođe mogu da utiču na funkcije koje ispunjava uređaj. Tako na primer, objekti koji stvaraju jaka električna, magnetna ili elektromagnetna polja mogu u većoj ili manjoj meri da utiču na parametre konstrukcije i time na kvalitet rada elektronskog uređaja.

1.2.1. ZEMLJINA ATMOSFERA

Vazdušni omotač koji okružuje zemljinu kuglu, a koji se naziva atmosfera , u zavisnosti od fizičko-meteroloških svojstava može se podeliti na sledeća četiri sloja: troposfera, stratosfera, jonosfera i tropopauza.

Troposfera je najniži sloj i širina mu je od 8km do 17km. U srednjim geografskim širinama gradijent temperature je prosečno 6,5˚C/km i zavisi od uticaja promenljivih horizontalnih i vertikalnih strujanja vazduha. Temperatura na gornjoj granici troposfere iznosi oko –57˚C i prestaje dalje da opada.

Iznad troposfere je stratosfera koja se prostire do visine od (80-85) km i ima stabilnu temperaturu do visine od 32km kao i stabilne smerove horizontalnih strujanja

(11)

vazduha u njoj. Vazduh je prozračan sa dobrom vidljivošću jer u ovom sloju nema magle i oblaka.

Prelazna oblast između troposfere i stratosfere širine (1–2) km naziva se tropopauza.

Slika 1.2. – Šema rasprostiranja troposfere

Jonosfera je najviši sloj i na visini je od (80-85) km. Njena svojstva su specifična. Ukupna masa jonosfere iznosi svega 0,5% mase zemljine atmosfere. Zbog razređenog vazduha u gornjim slojevima atmosfere, predaja toplote telu koje se nalazi u toj sredini je veoma spora i ostvaruje se uglavnom zračenjem.Zbog toga temperature tela i vazduha koji ga okružuje u tim uslovima mogu biti veoma različite.

Osobine donjih slojeva zemljine atmosfere dobrim delom se odlikuju njenim klimatskim uslovima.

1.2.2. KLIMATSKI USLOVI

1. Umerena klima obuhvata oblasti u kojima je temperatura vazduha retko ispod -30°C i iznad +35°C. Relativna vlažnost od 80% i više na temperaturi od 20°C susreće se izuzetno.

2. Hladna klima obuhvata oblasti u kojima se temperatura vazduha na duže vreme smanjuje ispod -40°C. Za ove oblasti je karakteristično obrazovanje inja, zaleđivanje i hladni vetar.

3. Tropska klima obuhvata oblasti u kojim u toku 2 do 12 meseci u godini svakodnevno temperatura vazduha prevazilazi 20˚C pri čemu je relativna vlažnost vazduha i po 12h na dan viša od 80%. Za tu klimu su karakteristični jaki pljuskovi sa padavinama do 100 litara/m2 u toku 10 min.

(12)

4. Žarka suva klima obuhvata oblasti gde se pri veoma jakom delovanju sunca u toku dužeg vremena pojavljuje visoka temperatura uz jednovremeno smanjenje relativne vlažnosti do veoma niskih granica. Svakodnevno se javljaju temperature oscilacije vazduha uz česte peščane oluje.

Slika 1.3. – Promena temperature atmosferskog Slika 1.4. – Sadržaj vodene pare u vazduha u zavisnosti od visine (minimumi vazduhu na različitim su na granicama raznih sfera) temperaturama

Sastav vazdušne sredine u znatnoj meri zavisi od različitih uslova (uticaj mora, okeana i industrijskih reona).

Količina vode u vazdušnoj sredini zavisi od temperature i pritiska. Na sl. 1.4. prikazana je temperaturna zavisnost sadržaja vodene pare.

Sadržaj vlage u vazduhu se procenjuje apsolutnom vlažnošcu tj. količinom pare izražene u g/m3 vazduha ili relativnom vlažnošću tj. odnosom apsolutne vlažnosti i odgovarajuće količine vodene pare u g/m3, koja na odgovarajućoj temperaturi zasićuje prostor. Atmosferski pritisak u blizini zemljine površine se neprekidno menja. Normalni atmosferski pritisak je 760 mmHg = 1 atm = 1,013 bar.

Sa povećanjem visine iznad nivoa mora pritisak pada (sl. 1.5. pokazuje zavisnost pritiska atmosferskog vazduha od visine).

(13)

Voda u obliku kiše ili kondenzanta na površini ko-mponenata formira vodene fil-move, a pri udaru njenih kapljica vrši mehanička dejstva. Voda u atmosferi je uvek zagrađena aktivnim materijama usled čega lako stupa u hemijske spojeve sa mnogim materijama.

Veliko dejstvo na kom-ponente i konstrukcije vrši i biološka sredina.

Slika 1.5. – Zavisnost atmosferskog pritiska od nadmorske visine

Pojava plesni je karakteristična za tropsku klimu. Smatra se da su optimalni uslovi za razvoj svih vidova plesni velika vlažnost vazduha (iznad 85%), temperatura od 20°C do 30°C i nepokretan vazduh.

Termiti su veoma opasni za elektronske uređaje. Susreću se i u tropskim i u suvim zonama. Usled njihove proždrljivosti zaštita elektronskih uređaja od njih je veoma teška.

Prašina i pesak koji se nalaze u zemljinoj atmosferi ravnomerno se i polagano talože. Disperzija prašine je najbitnije svojstvo koje određuje njenu fizičko-hemijsku aktivnost. Čestice prašine mogu da budu neorganskog i organskog karaktera. Čestice prašine i peska usled trenja ili absorpcije jona mogu da nose naelektrisanje.

Sunčeva radijacija vrši neposredno dejstvo na površine komponenata, koje se nalaze u otvorenom vazduhu. Na sl. 1.6. predstavljen je spektar zračenja sunca.

(14)

1.2.3. UTICAJ VISOKIH I NISKIH TEMPERATURA NA KOMPONENTE

ELEKTRONSKIH UREĐAJA

Promena temperatura tela može dovesti do promene njihovih svojstava. Povećanje temperature izaziva kako postepene tako i nagle promene u materijalima. Na primer, ubrzavaju se hemijske reakcije, pri čemu je brzina reakcije veća ukoliko je viša temperatura.

Pod uticajem periodičnih toplotnih dejstva dolazi do deformacije komponenata konstrukcije usled mehaničkih povreda. Najveće promene parametara konstrukcije primećuju se pri naglim prelazima od pozitivnih vrednosti temperature do negativnih i od negativnih do pozitivnih (preko O°C).

Na visokim temperaturama neki ogranski izolacioni materijali se razlažu. Zavisnost parametara fizičkih tela od temperature kao po pravilu je nelinearna. Parametri većine poluprovodničkih komponenata znatno zavise od temperature.

Magnetni materijali velike magnetne propustljivosti kao i dielektrični materijali velike dielektrične konstante odlikuju se velikom temperaturnom zavisnošću parametara.

Pod dejstvom toplote smanjuje se mehanička čvrstoća izolacionih materijala što dovodi i do njihovog fizičkog razaranja. U mnogim izolacionim materijalima organskog porekla povećanjem temperature se javljaju nepovratne promene (starenje). Mnogi materijali koji su u normalnim uslovima gipki i elastični na niskim temperaturama su veoma kruti.

Slika 1.7. – Temperaturna zavisnost ICB i β silicijumskog tranzistora

(15)

Uvod u konstruisanje elektronskih uređaja Materijal a [10-6_{— ]}1 ˚C Delovi od presovanih materijala i kompaundi 40-150 Tekstolit 20-40 Perinaks 17 -25 Staklotekstolit 50-80 Keramički materijali 6-12 Organsko staklo 80-140 Polietilen 100-180 Poliuretan 130 Vinoplast lisnati 70 Fluoroplast 50-110 Polistirol 70 Staklo 60-120 Kvarc 0.5

Tabela 1.1. - Temperaturni koeficijenti α Tabela 1.2. - Temperaturni koeficijent za metale izolatora

Velika razlika u temperaturnam koeficijentu α linearnog širenja metala i plastičnih masa izaziva teškoce pri konstruisanju spojeva između elemenata od takvih materijala, naročito na višim temperaturama.

Postoji veliki broj komponenata čiji izlazni parametri zavise od promene lineamih dimenzija njihovih elemenata. Pri tome su neke komponente veoma osetljive čak i pri neznatnim promenama temperature. Na primer, običan kalem ima temperaturni koeficijent induktivnosti αL (20±10)·10-6 1/˚C. Ako se u visokofrekventom kalemu upotrebi jezgro od magnetodielektrika αL je (100–200) ·10-6 1/˚C .Kalemovi sa feritnim jezgrom mogu imati αL od 100·10-6 do 5000·10-6 1/˚C .

Povišena temperatura vrši štetan uticaj na parametre svih komponenata konstrukcije, a njene ciklične promene (od negativne do pozitivne i obrnuto) za veliki broj komponenata su krajnje opasne.

U potpunosti se elektronski uređaji ne mogu zaštititi od pregrejavanja. Zbog toga se sa posebnom pažnjom mora vršiti izbor materijala i konstrukcija i uzimati u obzir uticaj temperaturnih promena. α(10-6/C) u intervalu Metal od 20-200°C Aluminijum 23,8 Bronza 17,6 Gvožđe 12,2 Zlato 14,3 Invar 0,9-1,2 Kadmijum 24,7 Mesing 17,8-18,2 Magnezijum 26 Bakar 16,6-17,10 Nikl 13,3 Kalaj 23,8 Olovo 29,1 Srebro 19,7 Čelik 10,6-12,2 Cink 39,5

(16)

1.2.4. UTICAJ VLAŽNOSTI NA KOMPONENTE ELEKTRONSKIH UREĐAJA

(KOROZIJA)

Pod dejstvom vlage na metalnim površinama se menja boja, stepen hrapavosti, električna provodnost, površinska čvrstoća i slično.

Prodiranje - brzina korozije u dubinu metala je različita kod različitih materijala (μm/godini):

Pb- 4 Cu – 12 Zn– 50 Sn – 12 Al- 8 Ni – 32 Fe – 200

Iz ovih podataka je očigledno da je gvožđe najviše izloženo dejstvu atmosferske korozije.U realnim konstrukcijama se ne koriste hemijski čisti metali, nego tehnički u kojima se uvek nalaze primese drugih elemenata. Brzina atmosferske korozije zavisi od relativne vlažnosti i od temperature(sl. 1.8.)

.

Kontaktna korozija metala je nepoželjnija od atmosferske. U procesu kontaktne korozije razara se materijal sa negativnim kontaktnim potencijalom. Do razaranja površine metala i njihovih metalnih spojeva dolazi usled jednovremenih hemijskih i elektrohemijskih procesa. Kao po pravilu u ulaznim kolima radioprijemnika povećan je nivo šuma na mestima kontaktne korozije. Stvoreni filmovi su izolacioni. Dejstvu vlage izloženi su i nemetalni materijali.

Dielektrična konstanta vlažnog vazduha utiče na parametre elektronskog

relativna uređaja. vlažnost

Slika 1.8. - Brzina atmosferske korozije

u funkciji od relativne vlažnosti ( zavisi još i od temperature)

Probojni napon se smanjuje sa povećanjem vlažnosti vazduha. Vlaga u obliku kondenzata koji se može formirati na površini komponenata pri brzoj promeni temperature od negativne do pozitivne, vrši znatan štetan uticaj.

(17)

1.2.5. UTICAJ VIBRACIJA I UDARA NA KOMPONENTE ELEKTRONSKIH UREĐAJA

Razlikuju se dve vrste mehaničkih dejstava: udari i vibracije.

Udar se javlja u onom slučaju kada elektronski uredaj trpi naglu promenu brzine. Uticaj udara je vezan sa mehaničkim razaranjem slabih komponenata konstrukcije ili sa mogućom pojavom prigušenih oscilatornih kretanja pojedinih elemenata na sopstvenoj mehaničkoj frekvenciji .

Elementi konstrukcije, koji se nalaze pre udara pod velikim mehaničkim naponom, lako se razaraju udarom. Na primer , izvodi kablova, otpornika, kondenzatora , poluprovodničkih dioda i tranzistora i dr. ukoliko su u procesu montaže bili jako zategnuti, lome se pod dejstvom udara.

Komponente koje su delovi oscilatornih kola, mogu pod dejstvom udara da izazovu parazitnu modulaciju. Na primer, udar koji izaziva mehaničke oscilacije ploča promenljivog kondenzatora jednog oscilatomog kola izaziva parazitnu frekventnu modulaciju.

1.2.6. OSTALI USLOVI

Prašina i pesak izazivaju niz neželjenih posledica. Padajući na površinu komponenata prašina olakšava kondenzaciju, pojačava koroziju i procese slabljenja izolacionih materijala.

Sniženi pritisak utiče na smanjenje električne čvrstoce vazduha. Poznato je da je u homogenom električnom polju za elektrode datog materijala probojni napon funkcija proizvoda pritiska gasa ρ i rastojanja d između elektroda.

Starenje i dotrajalost su procesi postepenih nepovratnih promena koji u nekim slučajevima mogu izazvati izrazitu promenu parametara. Starenje se neprekidno odvija nezavisno da li je konstrukcija u radnom ili neradnom stanju.

Uticaj kosmičkih zraka kod izolacionih materijala se ogleda u pojavi procesa jonizacije u materijalu ili prevođenju njegovih orbitalnih elektrona u pobuđeno stanje.

(18)

1.3. ZAHTEVI ZA POUZDANOST

Nemoguće je proizvesti elektrnski uređaj idealne pouzdanosti. Povećanje pouzdanosti elektronskog uređaja uvek je povezano sa dodatnim utroškom vremena, materijalnih i finansijskih sredstava. Zbog toga zadati nivo pouzdanosti treba da bude usaglašen sa eksploatacionim i proizvodno-tehničkim zahtevima, sa ekonomskom celishodnošcu i mogućnostima.

Za uređaje od posebnog značaja čiji bi kvar mogao dovesti u opasnost ljudske živote ili ogromne materijalne štete predviđa se maksimalni mogući nivo pouzdanosti. Povećanje pouzdanosti može izazvati neophodnost povećanja dimenzija i mase što ponekad nije dozvoljeno.O pouzdanosti će biti više reči u glavi 5.

1.4. JEDNOSTAVNOST RUKOVANJA I OPSLUŽIVANJA

Pored brzine, upravljanje treba da obezbedi i zahtevanu tačnost izlaznih parametara. Da bi rukovanje elektronskim uređajem bilo efikasnije neophodno je:

1. Smanjiti broj organa za upravljanje,

2. Rasporediti organe za upravljanje na pogodno mesto za operatora,

3. Uzeti u obzir fiziološke osobenosti čoveka pri konstruisanju organa za upravljanje,

4. Organe za upravljanje tako projektovati da budu otporni na dejstvo slučajnih mehaničkih udara i vibracija.

U toku upravljanja operator se koristi različitim indikatorima: u obliku figura, brojeva, slova, strelica, boja i sl. Svi oni moraju biti jasni, čitko nacrtani i da se dobro razlikuju u konkretnim uslovima eksploatacije.

1.5. MOGU

Ć

NOST POPRAVKE

Jedan od najvažnijih zahteva koji se postavlja projektantu elektronskih uređaja je mogućnost njihove jednostavne popravke. Konstrukcija elektronskog uređaja pre svega treba da obezbedi mogućnost brzog pronalaženja mesta kvara.

U većini konstrukcija elektronskih uređaja celishodno je koristiti kontrolna kola. Ona, kao po pravilu, omogućavaju pronalaženje povrede, ali ne i njenog uzroka i mesta. Da bi se moglo brzo pronaći mesto kvara i izvršiti popravka, konstrukcija mora da omogući lak pristup do bilo kog njenog dela.

Obezbeđenje dobre dostupnosti do elemenata konstrukcije ograničavaju korišcenje hermetizacije specijalnim kompaundima za zalivanje ili primena vakumske

(19)

1.6. DIMENZIJE I MASA

Dimenzije i masa elektronskih uređaja imaju naročit značaj kada se koriste u raketnim avionskim i drugim pokretnim objektima.

Dimenzije i masa elektronskih uređaja zavise u znatnoj meri od koeficijenta korisnog dejstva i termičke stabilnosti svih njenih komponenata.

Veliku primenu nalaze mikrominijaturne konstrukcije (tankoslojna, debeloslojna, hibridna i monolitna integrisana kola), koje omogućavaju smanjenje dimenzija i mase nekih blokova male snage.

Smanjenje dimenzija i težine elektronskih uređaja predstavlja jedan od najvažnijih i najtežih zadataka koji se postavljaju konstruktoru.

1.7. ZAŠTITA OD SPOLJAŠNJIH FAKTORA

U procesu eksploatacije na elektronski uredaj deluje spoljašnja sredina i objekti koji ga okružuju:

a) vlaga, aktivni gasovi, čvrste čestice;

b) znatne temperaturne promene i sunčeva radijacija; c) vibracije i udari;

d) mikroorganizmi i mikrobiološka sredina; e) kosmička sredina;

f) specifična spoljašnja dejstva u velikim morskim dubinama ili unutrašnjosti zemlje.

Da bi se obezbedio normalan rad pri eksploataciji, čuvanju i transportu, elektronski uređaj mora biti zašticen od spoljašnjih dejstava. Ponekad se zbog zaštite elektronskog uređaja od spoljašnjih dejstava usložnjava njegova konstrukcija. Pri tome se povećavaju dimenzije, masa, cena, a često se pogoršava mogućnost jednostavne popravke. Bez zaštite od spoljašnjih dejstava znatno bi se smanjila pouzdanost elektronskih uređaja. Zbog toga je neophodno pravilno uskladiti odnos izmedu faktora koji usložnjavaju konstrukciju i pouzdanosti elektronskih uređaja.

Najteže je izvesti zaštitu od toplote i vlage. Odvođenje toplote je uvek povezano sa znatnim povećanjem dimenzija.

(20)

1.8. KONSTRUKCIONO NASLEDE, UNIFIKACIJA,

NORMALIZACIJA I STANDARDIZACIJA

Konstrukciono nasleđe se odnosi na celishodnost korišcenja pojedinih ranije razrađenih delova. Ono se odnosi kako na veće delove (npr. složene blokove), tako i na relativno male delove (komponente).

Osnovni ekonomski efekat pri korišćenju konstrukcionog nasleđa dobija se isključivanjem dodatnog utroška vremena za izradu velikog broja blokova i komponenata koje su već osvojene i proizvode se.

Potpuno obnavljanje konstrukcije i celokupne materijaine opreme tehnoloških procesa opravdano je samo u onim slučajevima kada se zastareli elektronski uređaj mora zameniti principijelno novim.

Važan preduslov za korišćenje konstrukcionog nasleđa je unifikacija, normalizacija i standardizacija.

Unifikacija je proces smanjenja raznovrsnih konstrukcija koje su predviđene za

iste ili slične funkcije.

Primena unifikacije pri razradi elektronskih uređaja daje mogućnost da se znatno skrati vreme, finansijska i materijaina sredstva.

Unifikaciji se mogu podvrći svi strukturni delovi konstrukcije elektronskog uređaja (od komponente do bloka) i materijali.

Na primer, u radioprijemniku se mogu koristiti unificirani zaštitni filtri, koji imaju iste karakteristike, blokove za napajanje i slično.

Normalizacija predstavlja viši stupanj ograničenja raznovrsnosti konstrukcija. Zahtevi za normalizaciju pri razradi elektronskih uređaja sadrže primenu već razrađenih komponenata, blokova, a takode i ograničenu nomenklaturu materijala, polufabrikata i tipičnih elemenata.

Standardizacija je metod ograničenja raznovrsnosti i uspostavljanje jedinstva

kvalitativnih pokazatelja industrijske proizvodnje, klasifikaciie, kodiranja, terminologije, tehničkih zahteva,metoda za ispitivanje, zahteva za pakovanja, transpotr i sl.

Upotreba državnih standarda pri razradi i proizvodnji elektronskih uređaja je obavezna.

Primena standarda u znatnoj meri olakšava celokupni proces stvaranja novih elektronskih uređaja.

Pored državnih standarda postoje i međunarodni standardi koji olakšavaju međunarodnu trgovinu, naučne, tehničke i kulturne veze.

Osim standarda postoje preporuke različitih međunarodnih komisija, koje su u većini slučajeva obavezne za konstruktora elektronskih uređaja.

(21)

1.9. TEHNOLOŠKA IZVODLJIVOST I EKONOMI

Č

NOST

KONSTRUKCIJE

Kvantitativna procena tehnološke izvodljivosti određuje se materijalnim i finansijskim troškovima i vremenom koje je neophodno za osvajanje i proizvodnju elektronskog uređaja.

Novi tehnološki procesi se uvode samo onda kada njihovo korišćenje može dati znatne tehničko-ekonomske rezultate.

Tehnološka izvodljivost elektronskog uređaja povezana je sa racionalnim izborom njegove konstrukcije.

Blokovi treba da imaju što manji broj komponenata.

Potrebne izlazne parametre blokova treba obezbediti minimalnim brojem operacija. Izbor i individualno podešavanje komponenata konstrukcije treba izbegavati.

U konstrukciji blokova i njinovih tehnoloških delova mora se obezbediti vizuelna kontrola svih komponenata, takođe jednostavno vršenje mehaničkih i električnih provera.

Ekonomičan je onaj elektronski uređaj koji je dobro razrađen i optimalan za date uslove proizvodnje i eksploatacije.

Ekonomičnost elektronskog uređaja se odreduje troškovima za njegov razvoj, proizvodnju i eksploataciju. Za sve elektronske uređaje se ulažu znatna sredstva za njihov razvoj i pripremu proizvodnje.

Prema utrošku vremena i sredstava elektronski uređaji se mogu podeliti na sledeće osnovne grupe:

1. Principijeino nove uz korišćenje velikog broja novih naučno-tehničkih rešenja. 2. Zasnovane na dobro poznatim naučno-tehničkim karakteristikama, ali predviđene za ispunjavanje funkcija , koje ranije nisu vršili.

3. Predviđene za korišcenje relativno velikog broja novih tehničkih rešenja, šema, konstrukcija.

4. Predviđene za korišcenje malog broja tehničkih rešenja, šema, konstrukcija. 5. Modifikovane (modernizovane) vec poznate elektronske uređaje.

Zadatak konstruktora se sastoji u tome da funkcionalne zahteve usaglasi sa ekonomskim karakteristikama elektronskog uređaja.

(22)

2

2 .

.

R

RA

A

ZR

Z

R

AD

A

DA

A

K

ON

O

N

ST

S

TR

R

UK

U

KC

C

IJ

I

J

E

EL

LE

EK

KT

TR

RO

ON

NS

SK

K

IH

I

H

U

RE

R

E

Đ

AJ

A

J

A,

A

,

K

ON

O

NS

ST

TR

R

UK

U

KT

TO

OR

RS

SK

KA

A

D

OK

O

K

UM

U

ME

EN

NT

TA

AC

C

IJ

I

J

A

Razrada je proces svestranog pripremanja predviđen za dobijanje zadatih

rezultata. Obično se razrađuju: naučno-istraživačke teme, projekti, konstrukcije, tehnološki procesi, tehnička dokumentacija, norme ,standardi, sistemi, uređaji, aparati, planovi, grafikoni i tome slično.

Razrada mehaničkih konstrukcija predstavlja proces nalaženja takvih oblika fizičkih tela i materijala i njihovih uzajamnih prostornih veza, pri kojem se na najcelishodniji način obezbeđuju njihove osnovne funkcije.

U konstrukcijama elektronskih uređaja zadate osnovne funkcije se obezbeđuju ne samo prostornim, nego i električnim vezama, elektrostatičkim, magnetnim i elektromagnetnim poljima između pojedinih elemenata.

U početku se razrada elektronskih uređaja delila na dve samostalne etape: električnu i mehaničku. Primenom viših frekvencija sličan metod nije davao pozitivne rezultate. Pri prelazu od električne etape razrade na mehaničku obično su se javljale protivrečnosti između zahteva tih etapa, što je izazivalo višestruke prerade konstrukcije.

Mikrominijaturne konstrukcije i korišćenje tankoslojnih, debeloslojnih i monolitnih kola onemogućuju da se razrada deli na električnu i mehaničku etapu.

Bilo koji (ponovo) razrađeni elektronski uređaj predaje se u proizvodnju. Svaka proizvodnja ima svoje osobenosti, koje unapred određuju mogućnosti ispunjavanja normi koje je predvideo konstruktor. Dakle, konstruktor elektronskih uređaja treba da zna tehnologiju proizvodnje.

Konstrukcija je veštački formiran skup fizičkih tela i materijala koji je namenjen za izvršavanje zadatih funkcija pod određenim uslovima.

Kao konačan rezultat procesa konstruisanja javlja se skup tehničkih dokumenata koji sadrže celokupne zadate propise za razrađeni (ili ponovo razrađeni) elektronski uređaj.

Svaka konsirukcija se odlikuje svojim izlaznim parametrima (za kalem izlazni parametar je induktivnost, za pojačavač - pojačanje i sl.).

(23)

Razrada konstruisanja

2.1. ETAPE RAZRADE ELEKTRONSKIH URE

Đ

AJA

Proces razrade novog elektronskog uređaja sastoji se od dve etape : naučno- - istraživačke razrade i eksperimentalno-konstruktorske razrade.

U toku naučno-istraživačke razrade vrši se prethodna analitička i proračunska prorada uređaja. Rezultat tog rada je naučno-tehnološkog karaktera. On sadrži pregled novih principa u izgradnji elektronskih uređaja, naučno zasnovan pristup za realizaciju tih principa i analizu izvršenih ispitivanja. Etapa naučno-istraživačke razrade može dati i negativan odgovor da se na savremenom stepenu razvoja nauke i tehnike ne mogu realizovati postavljeni tehnički zahtevi ili da su preuranjeni.

Eksperimentalno-konstruktorska razrada se zasniva na rezultatima

naučno-istraživačke razrade i predstavlja proees inženjerskog pretvaranja teorijskih rezultata u šemu i konstrukciju elektronskog uređaja. U etapi eksperimentalno-konstruktorske razrade u prvi plan dolaze ekonomski zadaci, pošto se upravo ovde formiraju osnovni parametri uređaja koji utiču na njegovu cenu, dužinu razrade, kao i cenu razrade. U toku realizacije ove etape vrši se teorijsko, proračunsko i eksperimentalno ispitivanje ideja ugrađenih u uređaj. Rezultat ove etape je komplet tehničkih dokumenata i izrada i ispitivanje eksperimantalnog uzroka ( ili eksperimentalne serije).

Sama razrada elektronskih uređaja ima etape kako je to detaljno predstavljeno na sl.2.1.

U pripremnoj etapi se proučava zadatak i analiziraju savremene konstrukcije elektronskih uređaja. Razmatraju se naučno-tehnička dostignuća i novi principi. Takva analiza omogućava da se odrede orijentacione karakteristike budućeg uređaja.

Tehnički zahtevi treba da sadrže osnovnu namenu, tehničke i taktičko-tehničke karakteristike, pokazatelje kvaliteta i tehničko-ekonomske zahteve.

U trećoj etapi se vrši izbor komponenata koje mogu da zadovolje tehničke zahteve. U četvrtoj etapi se daje analiza algoritama koji određuju logičku strukturu elektronskog uređaja i ispunjavanje odgovarajućih operacija.

Razradom strukturne šeme treba da bude jasno uzajamno dejstvo svih sklopava elektronskog uređaja.

U etapama 5, 6 i 7 na sl.2.1 daju se principska i konstruktorska rešenja koja se razlikuju od onih u etapama 3 i 4 detaljnijom razradom uređaja u saglasnosti sa tehničkim zahtevima. U ovim etapama se razrađuju specijaine šeme za određenu namenu i vrši ispitivanje razrađenih šema. Vrši se izrada maketa složenih sklopova.

(24)

Razrada konstruisanja PRINCIPSKA REŠENJA

Slika 2.1. – Etape razrade elektronskih uređaja

( strelicama su od date etape pokazane "povratne" etape u slučaju da data etapa ne zadovolji )

1 Pripremna etapa

2 Razrada tehničkih zahteva

3 Izbor elektronskih komponenata 4 Analiza algoritama

5 Razrada strukturne šeme 6 Razrada sklopova

8 Detaljna razrada konstrukcije elemenata,sklopova,uređaja

13 Priprema proizvodnje i početak serijske proizvodnje

12 Eksperimentalna eksploatacija 11 Podešavanje eksperimentalnih uzoraka 10 Izrada eksperimentalnih uzoraka 9 Razrada tehnologije

7 Razrada funkcionalnih i principskih šema

16 Održavanje 15 Eksploatacija

14 Serijska (masovna) proizvodnja

TEHNI

Č

KO P

R

OJ

EKTOVANJE

(25)

U toku tehničkog projektovanja (etape 8 do 12) detaljno se razrađuju šematska i konstruktorska rešenja, izrađuju crteži za sve komponente, sklopove i uređaje, rešavaju problemi zaštite od mehaničkih, klimatskih i radijacionih dejstva, obezbeđuje pristup pri remontu i kontroli, specificiraju se pitanja tehnologije i cene itd. U procesu tehničkog projekta vrši se izrada maketa pojedinih sklopova i uređaja kao celine. Od tehničke dokumentacije se radi: zbirni crtež sa tekstualnim objašnjenjima, komplet elektronskih šema, instrukcija za eksploataciju i tehnički pregled. U tehničkom pregledu se daju svi osnovni mehanički i električni proračuni, rezultati istraživanja i ispitivanja.

Etape 13-16 ne zahtevaju objašnjenje.

2.2. KONSTRUKTORSKA DOKUMENTACIJA

Konstruktorska dokumentacija elektronskih uređaja se može svrstati u pet nivoa povezanih sa etapama razrade:

1. Tehnički zahtevi (TZ) uspostavljaju osnovnu namenu, taktičko-tehničke karakteristike, pokazatelje kvaliteta i tehničko-ekonomskih zahteva koji se postavljaju pred konstrukciju.

2. Tehnički predlozi predstavljaju skup konstruktorskih dokumenata, koji sadrže tehničke i tehničko-ekonomske pokazatelje svrsishodnosti razrade elektornskog uređaja na bazi analize tehničkih zahteva naručioca i različitih mogućih varijanti za njegovu realizaciju.

3. Idejni projekat daje skup konstruktorskih dokumenata koji sadrže principska konstruktorska rešenja, koja daju opštu predstavu o uređaju i principu njegovog rada kao i podatke koji određuju namenu i osnovne parametre razrađivanog elektronslog uređaja.

4. Tehnički projekat sadrži skup konstruktorskih dokumenata sa konačnim tehničkim rešenjima koja daju potpunu predstavu o elektronskom uređaju i polazne podatke za razradu radne dokumentacije.

5. Radna dokumentacija predstavlja skup konstruktorskih dokumenata namenjenih za izradu i ispitivanje eksperimentalnih uzoraka ili eksperimentalne serije.

Konstruktorska dokumentacija pojedinačno ili u celini određuje sastav i vrstu uređaja kao i neophodne podatke za njegovu razradu ili izradu, kontrolu, prijem, eksploataciju i remont.

Po formi konstruktorski dokumenti mogu biti grafički ili tekstualni.

U grafičke konstruktorske dokumente spadaju: crtež (komponente), zbirni, opšti, teoretski, gabaritni i montažni crteži, šeme i specifikacija.

(26)

Tekstualni konstruktorski dokumenti sadrže opis uređaja, princip dejstva i eksploatacione pokazatelje.

U zavisnosti od načina izrade i karaktera korišćenja konstruktorski dokumenti se dele na: originale, duplikate i kopije.

U zavisnosti od vrste komponenata od kojih se izraduje uređaj, njihove međusobne veze i namene električne šeme se dele na: strukturne, funkcionalne, principske, montažne i opšte.

Strukturne šeme utvrđuju sastav uređaja i njihove funkcionalne delove, njihove namene i međusobne veze. Strukturne šeme se razrađuju u početnim etapama projektovanja uređaja i koriste za izgradnju šema drugih tipova kao i opšle upoznavanje s uređajem.U strukturnoj šemi se predstavljaju svi funkcionalni delovi uređaja sa njihovim uzajamnim vezama.

Slika 2.2. – Opšti blok dijagram računarskog sistema – Strukturna šema

Funkcionalne šeme pojašnjavaju procese koji se odigravaju u odvojenim funkcionalnim sklopovima a i delovima uređaja ili u čitavom uređaju. Za njihovo crtanje po pravilu se koriste standardizovane grafičke oznake, ali se mogu koristiti i pravougaonici. Za pojašnjenje uz šemu se daju natpisi, dijagrami ili tablice u cilju određivanja vremenskog toka procesa. U karakterističnim tačkama se označavaju parametri (oblik i vrednost signala, logička funkcija i sl.).

(27)

Slika 2.3. – Funkcionalna šema

Funkcionalne šeme se koriste za izradu principskih šema, izučavanje principa rada kao i podešavanje, remont i eksploataciju uređaja.

Principske šeme u potpunosti utvrđuju sastav komponenata i njihovu međusobnu

vezu i daju detaljnu predstavu o principu rada uređaja ( sl. 2.4. ).

Koristeći se principskim šemama razrađuju se konstruktorski dokumenti kao što su montažne šeme, crteži komponenata, sklopova i uređaja.

(28)

Slika 2.4. – Principska šema modula

Komponente se predstavljaju standardizovanim grafičkim oznakama. Linije veza treba da su u potpunosti nacrtane, mada je, u slučaju potrebe dozvoljen prekid linije koja se završi strelicom sa oznakom priključka. U cilju pojednostavljenja linije se mogu sabiti u jednu podebljanu liniju. Pri tome se linije veza moraju obeležiti brojevima na oba kraja (sl. 2.5.).

Slika 2.5. – Pojednostavljeno crtanje više odvojenih linija

(29)

Montažne šeme pokazuju spojeve sastavnih delova uređaja i određuju provodnike, skupove žičanih vodova, kablove i druge spojne elemente uređaja, kao i mesta njihovog spajanja. Raspored komponenata na šemi treba da daje približnu predstavu o njihovom stvarnom položaju u uređaju ( sl. 2.6. ).

Slika 2.6. - Montažna šema

Provodnici, skupovi žičanih vodova i kablovi u šemama se predstavljaju odvojenim linijama. Svi provodnici pojedinačni i u skupovima treba da imaju sopstvenu oznaku na oba kraja. Pri velikom broju međusobnih veza tabelarno se daju tipovi veza, preseci, a kada je neophodna i višebojna predstava kablova i veza.

Opšte šeme se koriste za predstavljanje sistema u koje ulaze više elektronskih

(30)

3

3 .

.

N

NI

IV

VO

OI

I

K

KO

ON

NS

ST

TR

RU

U

IS

I

SA

A

NJ

N

JA

A

3.1. KONSTRUKCIONA HIJERARHIJA

U konstrukciji elektronskog sistema razlikuje se pet strukturnih nivoa.

Na nultom nivou nalaze se konstrukciono nedeljive pasivne ili aktivne

komponente uključujući integrisana kola (IK).

Na prvom nivou nedeljive komponente se objedinjavaju na štampanoj ploči pri

čemu obrazuju ćeliju, tipski zamenljivi element (TZE). U ovaj prvi strukturni nivo mogu se klasifikovati i velika hibridna integrisana kola.

Drugi nivo uključuje konstrukcione jedinice predviđene za mehaničko i električno objedinjavanje elemenata prvog nivoa: panel, subblok, blok.

Treći nivo hijerarhije - elektronski uređaj realizuje se u vidu kutije ili ormana čija je unutrašnjost ispunjena konstrukcionim jedinicama drugog nivoa.

Četvrti , poslednji nivo predstavlja sistem od nekoliko elektronskih uređaja koji su međusobno spojeni kablovima (npr. ERM ).

Ovakva podela konstrukcije elektronskog uređaja na nivoe omogućava: a) proizvodnju po nezavisnim ciklusima za svaki strukturni nivo,

b) automatizaciju procesa montaže, c) skraćenje perioda podešavanja,

d) automatski razmeštaj komponenata i trasiranje međuveza, e) unifikaciju test opreme i

f) povećanje pouzdanosti konstrukcionih jedinica.

Na sl. 3.1c. predstavljena je jedna od najrasprostranjenijih varijanti konstruktivne hijerarhije univerzalnih elektronskih računskih mašina složene strukture - ćelijska. Prvi nivo (ćelija) predstavlja tipičan zamenljivi deo, koji je konstruktivno zaokružen i po tehnologiji samostalan. Ovi zamenljivi delovi su pravougaone štampane ploče sa konektorom i ručkom. One se montiraju u panele - metalnu konstrukciju koja sadrži odgovarajuće konektore za ćelije, napajanje, uzemljenje. Nekoliko panel konstrukcija se stavlja u kutiju u kojoj još mogu da se nalaze blokovi za napajanje, ventilaciju, blokadu i sl.

(31)

Nivoi konstruisanja

Slika 3.1a. – Panel (subblok)

(32)

Nivoi konstruisanja

Konstrukciona hijerarhija u kojoj se kao zamenljivi elementi (TZE) koriste moduli različite dužine (umesto ćelija) - naziva se modularna. Subblok ili podsklop (II) je pljosnata konstrukcija koja objedinjuje module. Subblokovi se direktno montiraju u kutije - ormane (III) bez dodatnih konstrukcionih jedinica koje se kombinuju u uredaj (ERM).

(33)

4

4 .

.

Z

ZA

AŠ

ŠT

TI

IT

TA

A

K

KO

OM

MP

PO

ON

NE

EN

NA

AT

TA

A

I

U

UR

R

E

Đ

AJ

A

JA

A

Da bi komponente i uređaji mogli da rade kako treba neophodno ih je zaštititi od uticaja spoljne sredine. Ta zaštita obuhvata:

inkapsulaciju i hermentaciju problematiku oklopljavanja zaštitu od povišenih temperatura obezbeđenje uređaja od smetnji zaštitu od mehaničkih dejstava

4.1. OKLOPLJAVANJE

Pri oklopljavanju razlikuju se dva osnovna slučaja :

1) Magnetno oklopljavanje pomoću oklopa od materijala velike magnetne

propustljivosti. Zahvaljujući svojoj velikoj propustljivosti oklop odvodi energiju polja smetnji mimo oklopljenog objekta.

2) Elektromagnetno oklopljavanje, kada se oklop pravi od materijala sa velikom

električnom provodnošću. Oklopljavanje se ostvaruje zahvaljujući uticaju vihornih struja koje se indukuju u materijalu pod dejstvom polja smetnji. Zato se javlja veliko povratno dejstvo oklopa na izvor polja smetnji (kalem,transformator,generator).

Često se oba načina oklopljavanja primenjuju istovremeno u različitim kombinacijama.

Ovde će se razmotriri:

- principi oklopljavanja i vrste,

- teorijski osnovi i konstrukcije oklopa.

4.1.1. PRINCIP OKLOPLJAVANJA I VRSTE

Da bi se odstranile parazitne sprege između pojedinih delova elektronskih uređaja, odnosno da bi se odstranio uticaj spoljašnjih polja na pojedine komponente, koriste se oklopi. Konstrukcija i materijal za oklope se bira u zavisnosti od vrste i jačine polja od

(34)

Zaštita komponenata i uređaja

koga se zaštićuje komponenta od spoljašnjeg prostora. Prema principu dejstva oklopa razlikuje se elektrostatičko, magnetostatičko i elektromagnetno oklopljavanje.

Elektrostatičko oklopljavanje se sastoji od zatvaranja električnog polja na površini metalnog oklopa i odvođenja naelektrisanja u kućište uređaja (sl. 4.1.1.).Ako se npr., između elemenata konstrukcije A, koji je izvor električnog polja i elemenata B, na koji električno polje štetno deluje, ubaci oklop D, koji je uzemljen, on će prihvatiti silnice električnog polja, čime vrši zaštitu elemenata B od štetnog dejstva elemenata A.

Slika 4.1.1. Električno oklopljavanje

a)električno polje između elemenata A i B; b) zatvaranje električnog polja pomoću oklopa D

Magnetostatičko oklopljavanje se sastoji od zatvaranja magnetnog polja u debelom oklopu što je posledica njegove velike magnetne provodnosti. U datom slučaju materijal oklopa treba da ima veliku magnetnu propustljivost.

Princip dejstva magnetostatičkog oklopa je dat na sl.4.1.2. Magnetni fluks, koji obrazuje element konstrukcije 1 (u datom slučaju provodnik), zatvara se kroz zidove magnetnog oklopa, jer oklop ima malu magnetnu otpornost.

Slika 4.1.2. – Princip dejstva magnetostatičkog oklopa: 1) Izvor smetnji,

2) Deo koji se oklopljava, 3) Oklop (μ>>1)

Efikasnost takvog oklopa je veća što je veća njegova magnetna propustljivost i debljina. Sa povećanjem dimenzija oklopa njegova efikasnost opada. Magnetostatički oklop se uspešno upotrebljava samo pri jednosmernom polju i u opsegu niskih frekvencija.

(35)

Elektromagnetno oklopljavanje ili oklopljavanje pomoću vihornih struja zasniva se na korišćenju magnetne indukcije. Princip dejstva elektromagnetnog oklopljavanja je prikazan na sl.4.1.3. Ako se na put homogenom naizmeničnom magnetnom polju postavi bakarni cilindar (oklop) u njemu će se indukovati naizmenične ems , koje sa svoje strane obrazuju indukcione vihorne struje. Magnetno polje ovih struja će biti zatvoreno. Unutar cilindra ono je suprotno usmereno, dok je izvan cilindra istog smera kao i pobudno polje. Rezultantno polje (sl.4.1.3c) je oslabljeno unutar, a pojačano van cilindra, tj. polje se potiskuje iz prostora koji okružuje cilindar, a u tome se i sastoji njegovo dejstvo oklopljavanja. Iz opisanog principa dejstva elektromagnetnog oklopljavanja očigledno je da se njegova efikasnost povećava sa povećanjem suprotnog polja, koje je veće što su veće vihorne struje koje protiču kroz cilindar.

Pošto se vihorne struje neravnomerno raspoređuju po dubini zidova oklopa,sa povećanjem frekvencije se smanjuje dubina s (vidi sledeći odeljak 4.1.2.) prodiranja struje u zidove oklopa.Pri tome struja raste u površinskim slojevima oklopa,usled čega raste magnetno polje koje iz oklopa potiskuje polje smetnji.

Slika 4.1.3. - Princip dejstva elektromagnetnog oklopljavanja:

a)ravnomerno naizmenično magnetno polje, b) bakarni cilindar (oklop),

c)rezultantno polje.

Kod magnetostatičkog i elektromagnetnog oklopljavanja u oklopu se gubi deo energije. Zato se materijal oklopa i njegove dimenzije biraju prema dozvoljenim gubicima koje on unosi u oklopljeno kolo.

Elektrostatičko oklopljavanje u oklopu ne izaziva pojavu struja imalo značajne vrednosti. Zbog toga za ovakve okope parametri nemaju bitnog značaja. Dakle, oklopi koji dobro ispunjavaju ulogu kao magnetostatički ili elektromagnetni, biće efikasni i kao elektrostatički oklopi.

4.1.2. TEORIJSKE OSNOVE OKLOPLJAVANJA – OTVORENI OKLOPI

Procesi oklopljavanja od električnoh i elektromagnetnih polja povezani su sa strujama koje teku kroz zidove oklopa. Zbog toga se ne mogu koristiti jednostavni metodi za proračun oklopa na principu spregnutih električnih kola, pri čemu je oklop deo kola, jer se ne mogu zanemariti električni i magnetni površinski efekti.

(36)

30

Analiza oklopljavanja se može izvršiti pomoću dva metoda : korišćenjem navedenih potencijala ili razmatranjem elektromagnetnog oklopljavanja talasnim metodama, pri čemu se dejstva oklopa izražavaju pomoću talasnih karakteristika dielektrika i metala od kojih je napravljen oklop.

U oba slučaja ispitivanje oklopa se bazira na primeni Maksvelovih jednačina. Za harmonijske oscilacije te jednačine imaju, kao što je poznato, oblik:

→ → → → rot H = ( σ + jωεa ) K = σ K + jωD → → → rot K = - jωμaH = - jωB

Na taj način se dobija veličina s koja ima dimenziju dužine i naziva se ekvivalentnadubina prodiranja . Veličina s [mm] računa se iz jednakosti :

(4.1.1)

Ovde je ρ

- specifična otpornost

u Ω mm2 / m ; μa/μ0 = μr - relativna vrednost magnetne propustljivosti materijala, gde je μa - apsolutna magnetna propustljivost ; μ0 - magnetna propustljivost vakuma.

Na slici 4.1.4. pokazana je zavisnost s od frekvencije za neke materijale.

Slika 4.1.4. – Ekvivalentna dubina prodiranja u Valjanost oklopa se definiše ili zavisnosti od frekvencije za različite koeficijentom S oklopljavanja ili metale slabljenjem b.

Hi

S = —— (4.1.2a) Ha

(37)

1 1

b = ln — [Np] ili b = 20 log — [dB] (4.1.2b) |S| |S|

gde su Ha i Hi magnetsko polje izvan i unutar oklopa respektivno. S je u opštem slučaju kompleksna veličina.

4.2. PROBLEMI ODVO

Đ

ENJA TOPLOTE I HLADNJACI

(RADIJATORI )

Termička analiza elektronskih uređaja i naprava zahteva poznavanje osnovnih načina i mehanizama prenošenja toplotne energije. U ovom poglavlju biće opisani osnovni termodinamički procesi kao i njihove karakteristike.

Toplotna energija može da se prostire na tri načina i to su: 1. Provođenje ili kondukcija

2. Strujanje ili konvekcija 3. Zračenje ili radijacija

Zavisno od toga šta se dešava sa telima koja razmenjuju toplotu, razmena toplote se opisuje različitim jednačinama.Tela koja razmenjuju toplotu po fizičkim svojstvima supstance mogu biti homogena i heteropena, izotropna i anizotropna. Sredina u kojoj se vrši razmena toplote može biti jednofazna i višefazna. Sve to zadaje velike probleme pri teorijskoj analizi razmene toplote. Zbog toga se često kod prostiranja toplote radi sa matematičkim modelom tela i sredine u kojoj se izvodi proces. Na ovaj način uprošćava se analiza teorijskog proračuna razmene toplote.

4.2.1. PROSTIRANJE TOPLOTE PROVOĐENJEM

Provođenjem toplote , toplotna energija se prenosi sa molekula na molekul u samom telu ili sa jednog tela na drugo uslovljavajući pri tome promenu temperature posmatrane sredine.Ovaj vid prostiranja toplote moguć je u svim agregatnim stanjima. Mehanizam kondukcije može biti baziran kako na mikro tako i na makro nivou.U primeni na mikroelektronske komponente, teorijska i praktična analiza kondukcije se bazira na makroskopskim fenomenima klasične termodinamike.

Osobine prenosa toplote se elektronskih sistema su vrlo teške za opisivanje, pa su zbog toga poželjnije analitičke i eksperimentalne tehnike.Prema hipotezi J. Fourier-a o prostiranju toplote kondukcijom,količina toplote δQ koja prođe kroz površinu dA u vremenu dT proporcionalna je gradijentu temperature na izotermsku površinu, površini i vremenu:

(38)

∂ T

δ

Q = -

λ

dAdT

(4.2.1) ∂n

Eksperimentalno je utvrđeno da je koeficijent proporcionalnosti λ fizička veličina materijala koja zavisi od vrste i strukture materijala, temperature i agregatnog stanja i zove se koeficijent provođenja toplote . Odavno postoje merene i tabulisane vrednosti koeficijenata provođenja toplote za veliki broj materijala. Njegovu prirodu otkriva mikroskopsko posmatranje termičke konduktivnosti, kao jednog neravnotežnog toplotnog stanja supstance. Mikroskopsko određivanje koeficijenta provođenja toplote bazirano je na merenju neophodnog vremena za uspostavljanje termičke ravnoteže.

Makroskopski koeficijent provođenja toplote proračunava se prema Fourier-ovom zakonu:

q

λ

=

(4.2.2) ∂T

∂n

Često se u praktičnim problemima uzima linearna zavisnost koeficijenta provođenja toplote od temperature. U jednačini (4.2.1) znak "−" dolazi jer je pozitivan gradijent od niže ka višoj temperaturi, a toplota se prenosi obrnuto gradijentu temperature ( II princip termodinamike). Količina toplote preneta u jedinici vremena zove se toplotni fluks i iznosi :

dQ · ∂T

= Q = - λ dA (4.2.3) dT ∂n

Prenos toplote provođenjem kod metala izvodi se preko slobodnih elektrona. Predaja toplote usled kretanja atoma takođe postoji, ali je ona neznatna u odnosu na prenos toplote slobodnihm elektronima. Pri kretanju elektrona iz toplije u hladniju sredinu oni predaju toplotu atomima, a i obrnuto, oduzimaju je od atoma. Kako su kod metala osnovni nosioci toplote elektroni , to postoji direktna zavisnost između koeficijenta provođenja toplote i koeficijenta elektroprovodnosti.

Ukupni koeficijent provođenja toplote može se napisati u obliku:

λ

=

λ

f

+

λ

e

(4.2.4)

λ

f - koeficijent provođenja toplote fononima

λ

e - koeficijent provođenja toplote elektronima

(39)

Sa povećanjem temperature veće je rasejanje elektrona što izaziva smanjenje koeficijenta provođenja toplote. Postojanje malih nečistoća (primesa) u metalu takođe izaziva znatno smanjenje koeficijenta provođenja toplote. To se javlja kao posledica nejednorodne strukture materijala što takođe dovodi do rasejanja elektrona.

4.2.2. PROSTIRANJE TOPLOTE STRUJANJEM

Konvektivno prostiranje toplote obuhvata proces razmene toplote pri kretanju fluida (tečnosti i gasova). Pri tome dolazi do simultanog prostiranja toplote kondukcijom i konvekcijom. Fluid se kreće iz sredine sa jednom temperaturom, dolazi u dodir sa sredinom druge temperature i pri tome se razmenjuje toplota. To je takozvani molarni prenos toplote jer je uslovljen molarnim kretanjem radnog fluida. Ukoliko ne postoji kretanje (brzina fluida je nula) nema ni razmene toplote konvekcijom.

Ako u jedinici vremena kroz jediničnu kontrolnu površinu prolazi masa fluida ρω, to se sa tom masom prenosi i toplotni fluks:

· →

q

k

=

ρω

H (4.2.5) ρ – gustina fluida ω – brzina fluida H – entalpija

Kako pored konvektivnog prenošenja toplote dolazi do kontakta pojedinih čestica

različitih temperatura tu se toplota prenosi kondukcijom, pa je ukupna razmena toplote:

̣

̣̣̣

̣

→

q = q

p

+ q

k

= –

λ

2

T +

ρω

H

(4.2.6)

Mnogo ranije nego što se znalo koje veličine utiču na razmenu toplote konvekcijom, Newton je dao sledeću hipotezu o prostiranju toplote konvekcijom, koja glasi: Q = α S ( T1 – T2 ) τ [ kJ ] (4.2.7) Φ = α S ( T1 – T2 ) [ kW ] (4.2.8) T1 – T2 q = α ( T1 – T2 ) = ——— [ kW/m2] ₁ α α – koeficijent prelaza toplote