РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК
RADIOELCTRONIC UNIT

Изобретение относится к радиоэлектронным блокам, предназначено для использования в высокопроизводительных электронных устройствах бортового исполнения преимущественно в условиях космического вакуума.
Известны радиоэлектронные блоки (РЭБ), состоящие из набора плоских плат, имеющих разъемные электрические соединители, установленные на поверхности платы. Наиболее известны РЭБ кассетной конструкции [1], у которых разъемные соединители располагаются локально вдоль одного края прямоугольной платы. Такие устройства обладают высокой ремонтопригодностью, однако они имеют длинные электрические связи между платами, а платы, вдвигаемые по направляющим в корпус (как правило, сборно-разборный), имеют с направляющими из-за малой площади контакта - по линии или в точках плохой тепловой контакт. Для обеспечения теплового режима электрорадиоэлементов таких устройств используется конвективный способ отвода тепла, и, соответственно, требуется наличие газовой среды. В РЭБ с компоновкой печатных плат по книжной конструкции, а также в блоках с компоновкой печатных плат по пакетной конструкции [1], печатные платы устанавливаются на кронштейны или на рамки и имеют с ними тепловой контакт больше по площади (пятна контакта в местах крепления) по сравнению с тепловым контактом плат с направляющими в РЭБ кассетной конструкции, однако этого недостаточно для полного обеспечения теплового режима электрорадиоэлементов, и требуются дополнительные конструктивные меры, такие как применение радиаторов или принудительной вентиляции. Так же как и в предыдущем случае, такие устройства имеют длинные электрические связи между печатными платами, выполненные проводами, гибкими печатными кабелями и др. Кроме того, для установки кронштейнов или рамок с печатными платами требуется корпус или кожух, а для электромонтажа - панель с электрическими соединителями, что усложняет и удорожает конструкцию.
2
Наиболее близким к заявленному РЭБ является РЭБ [2], состоящий из основания, набора параллельных плоских плат, электрически соединенных между собой по плоскости их сопряжения с помощью разъемных соединителей, выполняющих функцию схемной шины, в корпусах которых расположены штыри и гнезда контактов, каждый контакт которых пересекает плоскость платы через отдельное электропроводящее отверстие платы и у которого первая плата устанавливается на основании, а остальные платы установлены над первой платой с помощью стоек и крепежных винтов, образуя пакет. Такая компоновка плат позволяет выполнить самые короткие связи между платами, сохраняя при этом ремонтопригодность устройства. Недостатком прототипа является плохая кондуктивная связь верхних плат с основанием (площадь контакта менее 1,5 см), что приводит к перегреву электрорадиоэлементов и требует применения конструктивных мер в виде использования дополнительных радиаторов для тепловыделяющих электрорадиоэлементов или организации принудительной вентиляции, что усложняет и удорожает конструкцию. В прототипе возможно применение плат лишь с незначительным тепловыделением (несколько ватт), и невозможно применение плат силовой электроники с тепловыделением в десятки и сотни ватт. Кроме того, стыковка многоконтактных разъемных соединителей при установке печатных плат в пакет осуществляется вручную путем совмещения штырей контактов соединителя верхней печатной платы с гнездами контактов соединителя нижней печатной платы без применения направляющих, что затрудняет процесс стыковки и расстыковки и не исключает повреждение контактов.
Задачей настоящего изобретения является создание такого РЭБ, в котором сохранялись бы короткие электрические связи между платами, ремонтопригодность РЭБ, но при этом повышалась его технологичность, и обеспечивался оптимальный тепловой режим работы электрорадиоэлементов и РЭБ в целом в условиях космического вакуума.
Техническим результатом является повышение надежности и технологичности РЭБ и расширение его функциональных возможностей.
2
Технический результат достигается тем, что в заявленном РЭБ, содержащем основание, набор печатных плат, механически параллельно соединенных между собой в пакет и электрически соединенных между собой по плоскостям их сопряжения с помощью разъемных соединителей, в корпусах которых расположены штыри и гнезда контактов, пересекающих плоскость платы каждый в отдельном электропроводящем отверстии платы, а корпуса соединителей опираются на одну из сторон печатной платы, в отличие от ранее известного каждая печатная плата установлена в рамку из тепло- и электропроводящего материала, опираясь на нее по периметру, и закреплена в рамке посредством крепежных элементов и стыковочных элементов в виде втулки, посадочной части, резьбовой части и штыря-ловителя, а во втулке выполнено гнездо под штырь-ловитель смежной печатной платы, посадочная часть установлена в металлизированное электронепроводящее отверстие печатной платы по посадке, резьбовая часть установлена в бобышку рамки, и каждая рамка установлена торцом на основании и закреплена на нем посредством крепежных элементов. Такая конструкция РЭБ обеспечивает хорошую тепловую связь между печатными платами и рамками, рамками и основанием (например, более 40 см) и, соответственно, хороший теплосъем с электрорадиоэлементов. Для бортового РЭБ, работающего в условиях космического вакуума, кондуктивный теплосъем с электрорадиоэлементов (не считая теплового излучения, на которое приходится не более 8% от выделяемой тепловой энергии) является единственным способом отвода тепла, обеспечивающим их тепловой режим работы. При многофункциональности задач, выполняемых РЭБ, где тепловыделение у каждой из печатных плат может меняться от минимального до максимального, плоское основание РЭБ, которое имеет хорошую тепловую связь со всеми печатными платами, выполняет функцию тепловой шины, постоянно перераспределяя тепловые потоки, идущие от печатных плат к основанию, обеспечивая, таким образом, оптимально возможный тепловой режим работы электрорадиоэлементов, что повышает надежность работы РЭБ. Рамки печатных плат, контактирующие между собой по площади, меньшей, чем с основанием, также, но в меньшей степени, выполняют функцию тепловой объемной шины и вместе с основанием создают оптимальную тепловую схему работы РЭБ. Кроме того, закрепление печатной платы (готовой сборочной единицы) в рамке стыковочными элементами позволяет реализовать сразу несколько сборочных и технологических задач - закрепление печатной платы в рамке вместо части крепежных деталей, установка посадочной части стыковочных элементов в металлизированные электронепроводящие отверстия печатной платы по посадке и закрепление резьбовой их части в рамке позволяет точно, без применения технологических приспособлений установить печатную плату в рамке и, соответственно, точно сориентировать электрический соединитель, ранее установленный на печатной плате, для последующей его стыковки с электрическим соединителем смежной печатной платы, штыри-ловители стыковочных элементов входят в гнезда стыковочных элементов смежной платы и обеспечивают последующую стыковку электрических соединителей, а также их расстыковку, исключая повреждения контактов. Конструкция рамки совмещает в себе несущую конструкцию для установки печатной платы, панель с внешними электрическими соединителями и вместе с крышками образует корпус, а выполнение в конструкции рамки уступа по периметру рамки с одной стороны и выступа по периметру рамки с другой стороны исключает в плоскости соединения рамок между собой образование щелей, что создает равномерную защиту РЭБ от космической радиации. Рамки изготовлены одного типоразмера на прогрессивном оборудовании (станке с ЧПУ). Перечисленные выше признаки делают конструкцию РЭБ технологичной.
Суть изобретения поясняется фиг.1-3, на фиг.1 изображена конструкция основания, рамки и установка печатной платы в рамку; на фиг.2 показано преимущество заявленного РЭБ по сравнению с прототипом; на фиг.3 изображен заявленный РЭБ.
Заявленный РЭБ состоит из основания 1, выполненного из металла, набора печатных плат 2 (как правило, многослойных плоских печатных плат), механически параллельно соединенных между собой в пакет и электрически соединенных между собой по плоскостям их сопряжения с помощью разъемных соединителей, в корпусах 3 которых расположены штыри 4 и гнезда 5 контактов, пересекающих плоскость печатной платы 2 каждый в отдельном металлизированном электропроводящем отверстии 6 печатной платы, а корпуса 3 соединителей опираются на одну из сторон печатной платы 2. При этом каждая печатная плата 2 выполнена с металлизацией по торцам и по периметру и может иметь теплопроводящие металлические слои (медные) с гальванической и тепловой связью с торцами, установлена в рамку 7 из тепло- и электропроводящего материала (например, металла, все рамки одинаковые), опираясь на нее по периметру, и закреплена в ней посредством крепежных элементов и стыковочных элементов, выполненных многоступенчатыми, одна из ступеней которых выполнена в виде втулки 8, вторая - посадочной части 9, третья - резьбовой части 10, а четвертая выполнена в виде штыря-ловителя 11, при этом во втулке выполнено гнездо 12 под штырь-ловитель 11 смежной печатной платы, посадочная часть 9 установлена в металлизированное электронепроводящее отверстие 13 печатной платы 2, резьбовая часть 10 установлена в бобышку 14 рамки 7. Все металлизированные отверстия на печатной плате 2: электропроводящие отверстия 6 под штыри 4 разъемного соединителя, электронепроводящие отверстия 13 под штыри-ловители 11, а также другие отверстия под электронные компоненты выполняются однооперационно с высокой точностью по допуску не менее чем 0,03 мм. Каждая рамка 7 установлена торцом на основании 1 и закреплена на нем посредством крепежных элементов 15. Между собой рамки стягиваются вместе с крышками 16 шпильками 17. На рамки устанавливаются внешние электрические соединители 18.
Устройство работает следующим образом. При монтаже в рамку 7, выполненную из тепло- и электропроводного материала, устанавливается печатная плата 2 в виде сборочной единицы с электронными компонентами и стандартными разъемными соединителями 3 (как вариант - с одним соединителем). Рамка 7 с установленной таким образом печатной платой 2 устанавливается на плоское металлическое основание, на крайнее установочное место и крепится к основанию 1 с помощью крепежных элементов 15, образуя хороший тепловой контакт с основанием 1 и, одновременно, корпусной контакт, обеспечивая заземление рамки 7 через основание 1. Вторая рамка 7 последовательно устанавливается на основание 1 и вдвигается в первую рамку 7. При этом штыри-ловители 11 второй печатной платы 2 входят в гнезда 12 втулки 8 первой печатной платы 2, обеспечивая последующую стыковку разъемного соединителя и рамок между собой, а также их расстыковку без перекосов и заклинивания. Технологические приспособления при этой сборочной операции не требуются. Остальные рамки 7 устанавливаются аналогично второй, крепятся вместе с крышками 16 к основанию 1 и стягиваются шпильками 17, исключая зазоры и обеспечивая тепловой контакт между рамками 7, образуя вместе с крышками 16 корпус, при этом создается равномерная защита РЭБ от космической радиации. Демонтаж производится в обратной последовательности. При функционировании устройства (в вакууме) тепловые потоки перераспределяются в соответствии с фиг.2, создавая оптимально возможный тепловой режим работы электрорадиоэлементов, что повышает надежность работы РЭБ и позволяет использовать РЭБ в условиях космического вакуума.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный РЭБ позволяет сохранить короткие электрические связи между платами, ремонтопригодность, и при этом обеспечивается оптимальный тепловой режим работы электрорадиоэлементов и РЭБ в целом в условиях космического вакуума, что повышает надежность и технологичность РЭБ и расширяет его функциональные возможности.
ЛИТЕРАТУРА
1 Аксенова И.К., Мельников А.А. Основы конструирования радиоэлектронных приборов. - М.: Высш. шк. 1986.
2. «Консорциум РС/104 обсуждает стандарт РС/104 Express», статья от 14.07.06, http://www.ixbt.com/news/all/index.shtml?06/46/92 - прототип.