Konstruowanie urządzeń elektronicznych

Konstruowanie urządzeń elektronicznych Cel i zakres procesu konstruowania Opracowanie optymalnej (z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia) koncepcji rozwiązania problemu oraz wykonanie dokumentacji umożliwiającej wytworzenie projektowanego urządzenia. 1

Konstruowanie urządzeń elektronicznych Konstruowanie jako praca twórcza korzysta z różnych dziedzin wiedzy, takich jak: matematyka, fizyka, chemia, psychologia, socjologia, fizjologia, ekonomia, estetyka, techniki wytwórcze, materiałoznawstwo i inne. Nauki humanistyczno-społeczne dostarczają konstruktorowi informacji o tym, jak najlepiej dopasować wytwory myśli ludzkiej i techniki do potrzeb człowieka, głównie pod względem ergonomicznym i estetycznym. Nauki przyrodnicze wyjaśniające prawa i zależności panujące w zjawiskach przyrody, pozwalają je wykorzystać do tworzenia coraz to doskonalszych konstrukcji. Techniki wytwórcze umożliwiają w optymalny sposób wykonanie konstrukcji, powstałych w procesie konstruowania, w postaci gotowych wyrobów mogących zaspokoić określone potrzeby i decydują o tym, jak i gdzie produkować. 2

Konstruowanie jako system przetwarzania informacji ZADANIE ANALIZA SYNTEZA OCENA DECYZJA OPTYMALIZACJA ZMIEŃ ZADANIE Według zwolenników takiego poglądu konstruowanie polega na przetwarzaniu informacji, podobnie jak w komputerze. Na wejście (oko i ucho konstruktora) dostarcza się informacji, następnie w umyśle konstruktora jest przeprowadzany szereg operacji analitycznych, syntetycznych i oceniających, dotąd, aż uzyska się dobre rozwiązanie. Analiza i synteza są nieodłączną częścią każdej pracy twórczej i badawczej, czyli również i konstruowania. W procesie konstruowania na ogół synteza, czyli szukanie rozwiązania, następuje po uprzednim zbadaniu problemu lub jego części składowych w procesie analizy. NASTĘPNY ETAP 3

Konstruowanie jako system przetwarzania informacji Analiza (gr. analysis - rozbiór) - w swojej istocie jest zdobywaniem informacji o pewnej całości przez jej podział i rozkładanie na pojedyncze elementy, a następnie badanie własności tych elementów i zależności występujących między nimi. Synteza (gr. synthesis - zestawienie) - połączenie różnych części (elementów) w nową całość; może to znaczyć, że części starej konstrukcji łączy się w nową lub może znaczyć coś bardziej twórczego, jak np. nowy sposób łączenia nowych i starych części. Ocena i decyzja - ocena konstrukcji, która została stworzona podczas zabiegu syntezy, polega na zbadaniu (często tylko myślowym) czy proponowane rozwiązanie spełnia wymagania i czy jest zgodne z kryteriami przyjętymi dla danego wyrobu. 4

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metoda ewolucyjne, Metoda rewolucyjna, Metody intuicyjne: - Burza mózgów, - Metoda delficka, - Metoda 635, - Synektyka, Metoda dedukcyjna, Metody spekulatywne: - Metoda morfologiczna, - Analiza wartości (AW), 5

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody ewolucyjne konstruowania - (zwane metodami prób i błędów) - polegają na tym, że konstrukcja na przestrzeni dłuższego czasu przechodzi naturalną ewolucje (wprowadzanie zmian i ulepszeń). Zalety: - małe ryzyko popełnienia zasadniczych błędów (każda zmiana to nieznaczne ulepszenie poprzedniego modelu), Wady: - droga ewolucji jest długa i kosztowna. 6

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody rewolucyjne poszukiwania rozwiązań - burzenie stereotypów myślowych, przyzwyczajeń i rutyny, - wykorzystywanie myślenia podświadomego, - oddzielanie w czasie procesu tworzenia pomysłów od ich oceny (zmniejszenie lęku przed krytyką), - rozbudzanie wyobraźni, fantazji, pomysłowości, - nie przywiązywanie wagi do względów formalnych i nieistotnych szczegółów, Zalety: - wykorzystanie najnowszych technologii, - wyrób spełnia oczekiwania klienta w zakresie najnowszych trendów wzorniczych, - możliwość wyprzedzenia konkurencji, Wady: - wysokie koszty wprowadzenia nowego wyrobu (dokumentacja i park maszynowy), - duże ryzyko popełnienia zasadniczych błędów, 7

Metody poszukiwania nowych rozwiązań BURZA MÓZGÓW (BM) - jedna z najstarszych i najbardziej uniwersalnych metod. Jest metodą pracy grupowej. Ludzie powołani do zespołu BM mają różne zawody, specjalności, doświadczenie i temperamenty. Etapy realizacji metody. prace przygotowawcze - powołanie zespołu (6-12 osób, wybór przewodniczącego), jednoznaczne określenie problemu, przygotowanie środków sprawnego rejestrowania pomysłów. szukanie pomysłów zasady: - swobodna atmosfera, - ujmowanie podstaw problemu (bez wchodzenia w szczegóły), - nie krytykowanie zgłaszanych pomysłów, - zgłaszanie wszystkich (nawet z pozoru nierealnych) pomysłów - pojedynczo, w zwięzły sposób, - czas trwania do 45 minut, ocena i selekcja pomysłów: - przeglądanie, segregowanie i ocenianie pomysłów pod kątem ich przydatności i możliwości realizacji (kompetentni specjaliści z udziałem przewodniczącego sesji), 8 - wybrane pomysły - ponowna dyskusja z zespołem.

Metody poszukiwania nowych rozwiązań METODA DELFICKA starannie opracowany program oparty na anonimowych ankietach. Pytania przebiegają według następującego schematu: 1. Jakie widzisz możliwości rozwiązania przedstawionego problemu. 2. Przejrzyj załączoną listę rozwiązań i podaj dalsze własne propozycje. 3. Przejrzyj załączoną listę końcowych ocen obu rund. Podaj własne propozycje, które wydają ci się najlepsze ze względu na możliwości realizacji. Szukanie rozwiązań odbywa się na ogół korespondencyjnie. Metoda nadaje się do rozwiązywania problemów konstrukcyjnych długoterminowych. 9

Metody poszukiwania nowych rozwiązań METODA 635 - jest modyfikacją burzy mózgów (6 osób, 3 pomysły, 5 minut). Zasady: uczestnicy (6 osób) pisemnie zgłaszają trzy pomysły; po 5 minutach wymieniają się kartkami; każdy stara się zweryfikować otrzymany pomysł i uzupełnić go własnym; proces kończy się gdy wszyscy uczestnicy zapoznają się ze wszystkimi pomysłami. Zalety w porównaniu z BM: - każdy z pomysłów początkowych jest systematycznie uzupełniany i rozwijany, - twórcy mogą mieć udokumentowane potwierdzenie autorstwa swoich pomysłów - nie trzeba wyznaczać przewodniczącego. Wady w stosunku do BM: - gorsze twórcze współdziałanie między uczestnikami, spowodowane izolacją i brakiem czynnika stymulującego, - konieczność wyrażania myśli na piśmie może być utrudnieniem dla niektórych uczestników. 10

Metody poszukiwania nowych rozwiązań SYNEKTYKA - spokrewniona z BM - metoda pracy grupowej. Grupa do 7 osób (wskazane są osobowości kontrastowe), 2-4 osoby znające problem (technolog, konstruktor), wskazany udział biologa i 3 osób różnych zawodów. Kierownik grupy postępuje zgodnie z następującym schematem: 1. Rozpoznanie problemu - badanie problemu, jego własności, specyfiki, wpływu otoczenia, zależności i powiązań. 2. Oddalenie się od problemu - oderwanie się od problemu przez wykonywanie innych czynności (niezależne działanie świadomości i podświadomości). 3. Tworzenie połączeń - poprzez swobodne myślenie i przeprowadzenie podświadomych porównań oraz systematyczne stosowanie analogii udaje się oderwać od dotychczasowych rozwiązań i dojść do połączenia odległych treści z rozwiązywanym problemem. Tworzy to korzystny klimat dla powstania nowych pomysłów. 4. Rozwiązanie problemu - przez połączenie i modyfikacje znanych pomysłów. Propozycje techniczne osiągane drogą nieprawdopodobnych analogii. 11

Metody poszukiwania nowych rozwiązań SYNEKTYKA c.d. Analogie rozwiązywania problemu: - analogie bezpośrednie - porównanie poszukiwanego rozwiązania z funkcjonowaniem organizmów biologicznych, - analogie osobowe - utożsamianie się z rozwiązywanym obiektem, wykorzystanie własnego ciała dla osiągnięcia wymaganej funkcji, - analogie symboliczne - skojarzenia abstrakcyjne, cechy jednej rzeczy lub pojęcia identyfikuje się z cechami innych rzeczy lub pojęć, - analogie fantastyczne - oparte na nierealnych, fantastycznych założeniach, na wyobrażaniu sobie rzeczy, o których wiadomo, że nie istnieją w rzeczywistości. Przeciwnicy wykorzystywania metod intuicyjnych do rozwiązywania problemów konstrukcyjnych twierdzą - nie bez racji -że metody te są bardzo ryzykowne, nie można bowiem opierać twórczości konstruktorskiej na szczęśliwym przypadku. Natchnienie i olśnienie oraz dobre pomysły przychodzą nie zawsze wtedy, kiedy są najbardziej potrzebne. 12

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody dedukcyjne oparte są na rozumowym ujmowaniu rzeczywistości i wnioskowaniu za pomocą racji logicznych. Rozwiązywanie problemów przez świadome zebranie faktów i odpowiednie ich przygotowanie. Postępowanie dedukcyjne nie wyklucza działań intuicyjnych (ale powinny być one wykorzystywane raczej do rozwiązywania problemów cząstkowych, a nie od razu do rozwiązań całościowych). 13

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody spekulatywne są metodami złożonymi, w których pomysłu poszukuje się przy pomocy metodycznie ułożonych działań (spekulacji). Do podstawowych metod tej grupy są zaliczane metoda morfologiczna i analiza wartości. Metoda morfologiczna - do nowych rozwiązań dochodzi się przez utworzenie systematyki rozwiązań dotychczas istniejących, nazywanej ich morfologią. Istotą metody jest podział problemu na niezależne od siebie problemy, ustalenie ich rozwiązań oraz zestawienie w jednej tablicy problemów, które mają być rozwiązane i znanych już rozwiązań takich problemów, ewentualnie pomysłów rozwiązań. 14

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody spekulatywne cd.: Analiza wartości (AW) - zorganizowane działanie, którego celem jest ujawnienie zbędnych kosztów; krytyczna analiza i ocena funkcji, jakie ma spełniać badany wyrób lub jego część. Wynikiem AW jest określenie zbioru funkcji koniecznych, drugorzędowych i zbędnych. AW przeprowadza zespół złożony ze specjalistów różnych dziedzin. ETAPY: 1. Sprecyzowanie zadania - przy wyborze przedmiotu do analizy należy wybierać wyroby, które: - przedstawiają sobą dużą wartość jednostkową, - są produkowane w wielkich seriach, - odgrywają istotną rolę w wyrobie wyższego rzędu, - są pracochłonne lub materiałochłonne, 15

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody spekulatywne (AW) cd.: 2. Zebranie informacji, ich weryfikacja i selekcja: - informacje powinny być rzetelne, prawdziwe i pewne, - należy zbadać cechy decydujące o jakości i popycie na dany wyrób, - zebranie informacji kosztowych (robocizna i materiały). 3. Ustalenie i zdefiniowanie funkcji: - rozpoznanie problemu i ukierunkowanie poszukiwań, - wyodrębnienie funkcji podstawowych i drugorzędnych, - praca zespołowa (fachowcy, konstruktorzy, technolodzy, ekonomiści, specjaliści od kontroli jakości), 4. Poszukiwanie rozwiązań: - prowadzi się najczęściej poprzez porównanie i analizę, - rozwiązania muszą spełniać zadane funkcje po najniższych kosztach - podczas poszukiwań można się oprzeć na wcześniejszych metodach. 16

Metody poszukiwania nowych rozwiązań Metody spekulatywne (AW) cd.: 5. Wybór rozwiązania: - rejestracja pomysłów i wariantów, - wybór najkorzystniejszego, - ocenę dokonuje zespół, - aby nie sugerować się wzajemnie, ocenianie powinno być tajne. 6. Opracowanie wybranego wariantu: - opracowanie w formie tablic, wykresów, szkiców i rysunków technicznych. 17

Elementy opracowania konstrukcyjnego Sprecyzowanie wymagań technicznych i ekonomicznych, Obliczenia i opracowanie schematu elektrycznego, Analiza pól tolerancji elementów urządzenia, Obliczenia i wykonanie dokumentacji technicznej, Obliczenia przewidywalnej niezawodności, Opracowanie programów badań, Przeprowadzenie badań lub nadzór nad prowadzonymi badaniami, Weryfikacja dokumentacji po badaniach prototypu, Opracowanie konstrukcji nie ogranicza się do jednego tylko rozwiązania, lecz obejmuje kilka wariantów. Do realizacji wybierany jest ten, który w sposób optymalny spełnia podstawowe wymagania techniczne i ekonomiczne. 18

Etapy procesu konstruowania Podział procesu konstruowania na etapy ułatwia kontrole przebiegu prac oraz (co jest najważniejsze) umożliwia systematyczną ocenę wyników. ETAP I Wstępne wymagania techniczno-eksploatacyjne Wstępna analiza ekonomiczna Opracowanie wymagań, Opracowanie analizy ekonomicznej, CEL: - sprecyzowanie wymagań techniczno-eksploatacyjnych, - oszacowanie opłacalności przedsięwzięcia, 19

Etapy procesu konstruowania ETAP II Projekt wstępny Obliczenia i opracowanie schematu elektrycznego, Wybór i konstrukcja podzespołów, Obliczenie niezawodności, Badanie czystości patentowej, Opracowanie konstrukcji mechanicznej i okablowania, Wykonanie modelu i analiza wyników badań modelu, CEL: - opracowanie konstrukcji, - praktyczne sprawdzenie przyjętej koncepcji szczegółowych rozwiązań, 20

Etapy procesu konstruowania ETAP III Projekt techniczny Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej, Analiza wartości, Budowa prototypu, Badanie i analiza wyników badań prototypu, Rewizja I dokumentacji, CEL: - opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej, - sprawdzenie jej poprawności, 21

Etapy procesu konstruowania ETAP IV Seria informacyjna Opracowanie dokumentacji technologicznej, Wykonanie oprzyrządowania, Rewizja II dokumentacji, CEL: - opracowanie dokumentacji technologicznej, - sprawdzenie jej prawidłowości, 22

Czynniki decydujące o wyborze rozwiązań konstrukcyjnych Przeznaczenie sprzętu i przewidywane warunki eksploatacji: Wymagana żywotność i niezawodność - decydują o wyborze materiałów, zabezpieczeń przed czynnikami narażeniowymi, koncepcji konstrukcji mechanicznej. Warunki klimatyczne - odporność na narażenia klimatyczne (stopień szczelności konstrukcji, wybór systemu chłodzenia, wybór zabezpieczeń). Czynniki narażeniowe mechaniczne - zabezpieczenia przeciwwstrząsowe. Charakter obsługi - stopień wyszkolenia (zabezpieczenie dostępu do wnętrza, ilość manipulatorów). Problem przyszłego serwisu (przewidywana organizacja napraw) Seryjność produkcji jej wielkość determinuje wybór metod wytwarzania. Od seryjności produkcji (jednostkowa, seryjna, masowa) jest uzależniony rodzaj obróbki detali, stopień oprzyrządowania, stopień mechanizacji, organizacja gniazd produkcyjnych i taśm montażowych, system kontroli wyrobów gotowych. 23

Czynniki decydujące o wyborze rozwiązań konstrukcyjnych Baza podzespołowa i materiałowa Podstawowe błędy: opieranie konstrukcji o trudno dostępne elementy i podzespoły lub takie których produkcja będzie zaniechana w niedługim czasie). Poziom techniczny producenta Posiadany przez zakład park maszynowy i aparaturę pomiarowo-kontrolną, Organizacja i poziom techniczny załogi, Możliwości techniczne narzędziowni. Konstrukcje tworzone bez uwzględnienia możliwości zakładu produkcyjnego są z reguły konstrukcjami nieudanymi w sensie produkcyjnym. Wiele takich konstrukcji nawet udanych technicznie nie może być wdrażanych do produkcji ze względu na trudności i zbyt wysokie koszty w procesie produkcyjnym 24

Kryteria oceny konstrukcji Przed ostateczną decyzją o podjęciu produkcji nowego wyrobu, a więc zazwyczaj po wykonaniu i przebadaniu prototypu, opracowana konstrukcja raz jeszcze podlega szczegółowej analizie i ocenie. Ocenę przeprowadza się zazwyczaj analizując kolejno następujące cechy konstrukcji: zespół parametrów technicznych (czy osiągnięto, czy będą łatwo osiągalne), zespół parametrów ekonomicznych (czy koszty własne niższe od założonych), funkcjonalność (z udziałem przyszłych użytkowników), ocena łatwości przeprowadzania napraw i remontów, technologiczność (produkcja najbardziej ekonomiczna - koszty materiałów, robocizny, oprzyrządowania), estetykę, Analiza zespołu uzyskanych parametrów technicznych powinna dać odpowiedź nie tylko na pytanie, czy osiągnięto w pełni założone parametry, lecz również, czy parametry te będą łatwo osiągalne w normalnym procesie produkcyjnym 25

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego Zasady projektowania uwzględniające wymogi produkcji Design For Manufacture (DFM) 26

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego Zasady projektowania uwzględniające wymogi produkcji Design For Manufacture (DFM) DFM w zastosowaniu do projektowania systemów, urządzeń i układów elektronicznych obejmuje następujące tematy: 1. Wzajemne powiązanie kolejnych etapów projektowania i wytwarzania. 2. Umiejętność wykorzystania narzędzi komputerowych: - Komputerowo wspomagane projektowanie Computer Aided Engineering (CAE), - Automatyzacja procesu projektowania systemów elektronicznych - Electronic Design Automation (EDA). 3. Organizacja pracy projektowej w zespołach. 27

Podstawowe zasady DFM Podatność zaprojektowanego układu/urządzenia/systemu na efektywne wytworzenie w założonej skali produkcji jest głównym wymogiem stawianym wszystkim etapom dobrego projektu elektronicznego. Prawidłowe projektowanie uwzględnia na wszystkich swoich etapach znajomość technologii produkcji oraz ograniczenia wprowadzane przez proces wytwarzania u danego producenta w konkretnym czasie i warunkach. W projekcie należy stosować rachunek ekonomiczny dla zapewnienia opłacalności produkcji projektowanego wyrobu. 28

Proces powstawania produktu http://openlearn.open.ac.uk/mod/resource/view.php?id=198318 29

Specyfikacja urządzenia http://openlearn.open.ac.uk/mod/resource/view.php?id=198318 30

Podstawowy cel cyklu projektowo-produkcyjnego Celem projektantów i producentów jest uzyskanie powtarzalności wyprodukowanych układów, urządzeń lub systemów elektronicznych w technologiach wytwarzania gwarantujących wysoką jakość oraz opłacalność produkcji. 31

Podstawowe założenia podczas projektowania Już na etapie projektowania powinno przewidzieć się przystosowanie urządzenia: - do prostego montażu w większej całości, - do łatwego testowania w trakcie i po wytworzeniu, - do możliwości wykonywania napraw przez odpowiedni serwis, - do utylizacji po zakończeniu eksploatacji. 32

Podstawowe zasady prowadzenia projektu w zespole Standardy projektowania muszą być jasne, jednolite i znane wszystkim osobom realizującym projekt. Poszczególne etapy projektowania nie mogą być odseparowane od siebie. Należy zapewnić kontakt między konstruktorami reprezentującymi nawet różne specjalności np. elektronika i mechanika precyzyjna. Nie należy szukać rozwiązań problemu zbyt wąskiej specjalizacji zawodowej inżynierów i programistów. Dobry projektant powinien mieć podstawową znajomość innych dziedzin poza własną specjalnością. 33

Podstawowe zasady prowadzenia projektu w zespole Zastosowanie komputerowych narzędzi typu CAE (Computer Aided Engineering) oraz EDA (Electronic Design Automation) daje możliwość standaryzacji procesu projektowania w wieloosobowych zespołach konstruktorskich (często liczących setki pracowników) oraz łatwe przekazywanie cząstkowych wyników opracowanego projektu. Dotyczy to zarówno projektowania i wytwarzania sprzętu, jak i oprogramowania. 34

Podstawowe elementy procesu DFM 35

Sprawdzanie poprawności projektu Modelowanie, symulacja, komputerowa analiza oraz wykonanie prototypu urządzenia (jak najbardziej zbliżonego do seryjnego produktu) są koniecznymi elementami procesu projektowania, gdyż pozwalają eliminować błędy oraz wprowadzić korekty (sprzężenia zwrotne) już na etapie projektowania, oszczędzając koszty i skracając czas wdrożenia do produkcji urządzenia finalnego. Należy zakładać, że każdy projektant popełnia błędy. Nie da się ich wyeliminować całkowicie, ale trzeba zapewnić mechanizmy ich wykrywania. 36

Powstawanie nowego urządzenia 37

Cele pracy projektowej 1. Krótki czas od pomysłu do wprowadzenia produktu do produkcji i przekazania odbiorcy. Należy rozróżnić konkretne zamówienia klienta (określone wymagania, pewność zbytu i znana skala produkcji) od produktu konkurującego na wolnym rynku towarów (nie do końca znane zapotrzebowanie i konieczność konkurowania z innymi producentami). Sposób realizacji celu: pojedynczy proces projektowania, bez wielokrotnych rewizji i opracowanie krótkiego cyklu produkcji. 38

Cele pracy projektowej 2. Minimalizacja kosztów projektu i produkcji. Sposób realizacji celu: kompromis pomiędzy wysoką wydajnością procesu, niezawodnością i kosztem przy znajomości i uwzględnieniu specyficznych reguł technologicznych danego procesu produkcji. Wykorzystanie doświadczenia, gotowych rozwiązań, posiadanych narzędzi, linii technologicznych do wytworzenia nowego wyrobu. 39

Cele pracy projektowej 3. Poprawa jakości produktu w stosunku do stanu dotychczasowego. Sposób realizacji celu: Krytyczna analiza dotychczasowych rozwiązań, znajomość usterek, słabych punktów, zgłaszanych reklamacji, sugestii użytkowników. 40

Cele pracy projektowej 4. Umiejętność wprowadzania do projektu zmian wynikających z postępów technologii produkcji (przyswajanie postępu technicznego). Sposób realizacji celu: poszerzanie wiedzy projektanta o technologiach produkcji, szkolenia, kontakty bezpośrednie z inżynierami produkcji, samokształcenie, podwyższanie kwalifikacji. 41

Cele pracy projektowej 5. Integracja procesów projektowania i produkcji. Sposób realizacji celu: znajomość poprawnej metodyki projektowania DFM, otwartość na innowacje technologiczne, elastyczność w projektowaniu, dobry przepływ informacji w zespole. 42

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 1. Tworzenie założeń technicznych i finansowych projektu. Szczegóły: przeznaczenie, funkcjonalność, koszt, wymiary, rodzaj zasilania, wejścia/wyjścia urządzenia, zewnętrzne elementy regulacyjne, kontrolne, itp. Budżet i czas projektu. Uwaga: Urządzenia elektroniczne powinny spełniać wymagania przewidziane w normach PN (Polska Norma) i dyrektywach CE (deklaracja zgodności z normami Unii Europejskiej). Deklaracje zgodności są dobrowolne, jednak zwiększają zaufanie klienta do produktu. W szczególnych przypadkach (urządzenia telekomunikacyjne, biomedyczne itp.) można uzyskać atest z laboratorium badawczego potwierdzający zgodność działania urządzenia z odnośnymi normami. Atesty wystawiane są na życzenie wnioskodawcy a same badania odpłatne. 43

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 2. Analiza bezpieczeństwa użytkowania produktu. Szczegóły: Ochrona przeciwporażeniowa oraz analiza termiczna bezpieczeństwo funkcjonowania urządzenia w różnych warunkach środowiskowych Rozproszenie mocy cieplnej, sprawność, chłodzenie, możliwości i skutki awarii z powodu wzrostu temperatury, zagrożenie zdrowia i życia człowieka. Miniaturyzacja elementów elektronicznych oraz technika montażu powierzchniowego powiększyły problemy z odprowadzaniem ciepła z urządzeń elektronicznych (większa moc wytwarzanego ciepła na jednostkę powierzchni/objętości urządzenia). Ujemny wpływ podwyższonej temperatury na niezawodność i czas pracy urządzenia. Szczególną uwagę należy zachować przy projektowaniu urządzeń elektronicznych przewidzianych do pracy w środowiskach grożących wybuchem (np. kopalnie). 44

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 3. Opracowanie schematu blokowego i ideowego. Opracowanie roboczej wersji schematu, która będzie mogła być modyfikowana na dalszych etapach projektu. 45

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 4. Kompleksowa analiza problemów transmisji sygnałów w projektowanym urządzeniu. Poziomy sygnałów, odstęp elementów od zakłóceń i szumów, dopasowanie bloków pod względem obciążalności, problemy opóźnień czasowych (hazard), przesłuchy, kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), itp. 46

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 5. Etap wyboru elementów elektronicznych i elektromechanicznych. Sposób ich mocowania i montażu, koszt, dostępność na rynku w perspektywie dłuższego czasu produkcji, dostępność zamienników, prognoza pojawienia się nowszych, lepszych lub tańszych elementów, itp. 47

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 6. Wybór metody montażu elementów elektronicznych i wykonywania połączeń elektrycznych. Rodzaje montażu: powierzchniowy SMT (Surface Mount Technology), przewlekany THT (Through-Hole Technology) lub mieszany. Sposób lutowania: na fali, rozpływowy, ręczny. Stopień automatyzacji procesu montażu, itp. Wybór techniki montażu zależy między innymi od skali produkcji (generalnie SMT opłaca się stosować przy masowej skali produkcji), posiadanego oprzyrządowania, dostępności i kosztów pracy pracowników zatrudnionych przy montażu. Obecnie można zlecić montaż SMT zewnętrznej wyspecjalizowanej firmie, która dysponuje odpowiednim wyposażeniem. Koszty takiej usługi nie są wysokie, za to gwarantują większą niezawodność połączeń niż montaż ręczny. 48

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 7. Określenie sposobów testowania parametrów urządzenia. Projektowanie punktów pomiarowych, procedur testowania, standardowej lub specjalistycznej aparatury do testowania. 49

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 8. Etap opracowania konstrukcji mechanicznej. Obudowa standardowa lub nowoprojektowana (opłacalność zaprojektowania i wykonania nowej obudowy zależy od skali produkcji), materiał płyty drukowanej, okablowanie, złącza, itp. 50

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 9. Projekt obwodów PCB (Printed Circuit Board). Wybór materiału, ilości warstw. Stabilność podłoża, analiza termiczna, gęstości prądów, ryzyko przebicia izolacji, opis graficzny płyt, itp. 51

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 10. Opracowanie końcowej dokumentacji. Opracowanie różnych pod względem szczegółowości dokumentacji technicznych: dla producenta, dla działu marketingowego firmy, dla bezpośredniego użytkownika, sprzedawcy i serwisu naprawiającego. 52

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 11. Produkcja. - etap testowania podzespołów, - etap montażu, - etap kontroli poprawności montażu, np. AOI (Automatic Optical Inspection). Wydajność procesów technologicznych, powtarzalność procesów, wpływ zakłóceń na jakość produkcji, koszt wytwarzania, opłacalność automatyzacji produkcji. 53

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 12. Etap testowania wyrobu (kontrola jakości). Krótki czas (= niski koszt) testowania z zachowaniem dużej skuteczności wyłapywania usterek. 54

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 13. Przygotowanie bezpiecznego, taniego i przyjaznego środowisku naturalnemu opakowania transportowego. 55

Etapy cyklu projektowo produkcyjnego 14. Bezpieczna archiwizacja dokumentacji technologicznej. Sprawdzenie możliwości i celowości (opłacalności) zastrzeżeń patentowych produktu. 56

Doświadczenie inżynierskie Doświadczenie projektanta oraz efektywne wykorzystanie oprogramowania EDA pozwalają opracować projekt i wdrożyć do produkcji w jednym przebiegu pracy (krok za krokiem). Doświadczony inżynier potrafi oszacować czas swojej pracy oraz koszt gotowego urządzenia już na wstępnych etapach opracowania. 57

Szacowanie kosztów Doświadczenie inżynierskie w szacowaniu kosztów opracowania dokumentacji i gotowego wyrobu finalnego może być wspomagane technikami komputerowego obliczania kosztów. Technika modelowania kosztów technicznych TCM (Technical Cost Modelling) pozwala na bezpośrednie porównywanie kosztów wytworzenia równoważnych funkcjonalnie urządzeń wytwarzanych różnymi technologiami. 58

Szacowanie kosztów Należy pamiętać, że koszty wytworzenia identycznego funkcjonalnie urządzenia elektronicznego mogą być różne i zależą od wielu czynników: - kompetencji zespołu projektowego (=czas pracy), - wyposażenia w nowoczesne narzędzia EDA i CAE, - posiadanego sprzętu do montażu, - kwalifikacji pracowników zatrudnionych przy produkcji, - sposobów kontroli jakości. 59

Normy techniczne i regulacje prawne 60

Normy techniczne i regulacje prawne Stosowanie w procesie projektowania i wytwarzania krajowych lub europejskich norm technicznych jest dobrowolne. Stosowanie się do norm może mieć pozytywny wpływ na jakość produkcji i wielkość sprzedaży. Należy jednak zauważyć, że stosowanie się do norm może w pewnych wypadkach ograniczać innowacyjność produktu. Nowoczesne, dobrze zorganizowane firmy mogą posiadać wewnętrzne normy o wyższych wymaganiach niż przewidują to normy zewnętrzne. 61

Celowość stosowania norm i standardów Normalizacja, standaryzacja to działalność polegająca na analizowaniu wyrobów, usług i procesów w celu zapewnienia: funkcjonalności i użyteczności, zgodności (kompatybilności) i zamienności, bezpieczeństwa użytkowania, ograniczenia (zbędnej) różnorodności. 62

Celowość stosowania norm i standardów Celem normalizacji jest zastosowanie w produkcji przemysłowej jednolitych wzorców, np. znormalizowanie niektórych wyrobów pod względem wymiarów i wykorzystywanych materiałów. Takie działania wpływają na obniżenie kosztów, umożliwiają masową produkcję, współpracę urządzeń różnych producentów i wymianę zużytych części oraz ułatwiają dokonywanie zamówień handlowych. 63

Etapy normalizacji Etapy normalizacji to: klasyfikacja, czyli grupowanie według podobieństwa cech charakterystycznych dla produktu, unifikacja, czyli ujednolicanie cech konstrukcyjnych i wymiarowych części maszyn w celu umożliwienia ich zamienności, typizacja, czyli ujednolicenie konstrukcji w celu uproszczenia produkcji (i obniżenia kosztów) oraz ułatwienia eksploatacji. Pierwsze działania normalizacyjne, dotyczyły jednostek miary i wagi. Działalnością normalizacyjną zajmują się agendy państwowe, grupy zainteresowania (na ogół tworzone z inicjatywy producentów), oraz niezależne organizacje międzynarodowe. 64

Polska Norma Polska Norma (oznaczana symbolem PN) - norma o zasięgu krajowym, przyjęta w drodze konsensu i zatwierdzona przez krajową jednostkę normalizacyjną Polski Komitet Normalizacyjny (PKN). Normy PN są powszechnie dostępne, ale nie bezpłatne, zaś ich dystrybucję kontroluje PKN. 65

Polska Norma Do 31 grudnia 1993 roku stosowanie PN było obowiązkowe i pełniły one rolę przepisów. Nieprzestrzeganie postanowień PN było naruszeniem prawa. Od 1 stycznia 1994 roku stosowanie PN jest dobrowolne, przy czym do 31 grudnia 2002 istniała możliwość, przez właściwych ministrów i w pewnych przypadkach nakładania obowiązku stosowania PN. Od 1 stycznia 2003 stosowanie PN jest już całkowicie dobrowolne, z wyjątkiem działań wykonywanych ze środków publicznych, podlegających ustawie o zamówieniach publicznych, która nakłada obowiązek ich uwzględnienia. 66

Polska Norma Polskie Normy są opracowywane przez Komitety Techniczne ciała złożone z ekspertów delegowanych przez instytucje zainteresowane normalizacją. PKN nie jest odpowiedzialny za treść norm i nie jest urzędem tworzącym przepisy techniczne, nadzoruje jedynie zgodność procesów opracowywania norm z przepisami wewnętrznymi PKN. Zatwierdzenie projektu przez PKN jest formalnym stwierdzeniem tej zgodności i nadaniem projektowi statusu normy krajowej. 67

Polska Norma Teksty Polskich Norm są na podstawie aktualnej ustawy o normalizacji chronione prawem autorskim, przy czym prawa majątkowe do nich przysługują PKN. PKN nie zezwala bez zgody na rozpowszechnianie tekstów Polskich Norm, co powoduje m.in. że nie są one bezpłatnie dostępne bibliotekach publicznych. Na terenie kraju istnieje kilkanaście Punktów Informacji Normalizacyjnej, działających zwykle przy bibliotekach uniwersyteckich i instytutach naukowych. Punkty te udostępniają teksty norm odpłatnie, wg cennika, przy czym bez opłaty jest możliwość zapoznania się z normą w czytelni. Teksty norm są też dostępne odpłatnie na kilku serwisach WWW, w tym na oficjalnej stronie PKN. 68

Charakterystyka konstrukcyjna urządzeń elektronicznych 69

Czynniki decydujące o wyborze rozwiązań konstrukcyjnych Kierunek poszukiwania rozwiązania konstrukcyjnego jest wyznaczony przede wszystkim przez przeznaczenie sprzętu i przewidywane warunki eksploatacji. Wielkość produkcji wyznacza metody wytwarzania i sposób kontroli gotowych urządzeń. Każde nowe rozwiązanie powinno stanowić postęp konstrukcyjny jak i technologiczny. Ze względu na dużą ilość czynników jakie trzeba brać pod uwagę konstruowanie jest zwartym lecz niełatwym procesem. 70

Charakterystyka konstrukcyjna urządzeń elektronicznych Podział ze względu na przeznaczenie: elektroniczny sprzęt powszechnego użytku, elektroniczne urządzenia profesjonalne, elektroniczne urządzenia specjalne, 71

Charakterystyka konstrukcyjna urządzeń elektronicznych Elektroniczny sprzęt powszechnego użytku: przeznaczony dla szerokiego kręgu odbiorców, konstrukcja musi uwzględniać produkcję wielkoseryjną, niefachowa obsługa użytkowników, dostosowanie do upodobań klientów. 72

Charakterystyka konstrukcyjna urządzeń elektronicznych Elektroniczne urządzenia profesjonalne: wąski krąg odbiorców, produkcja mało- lub średnio seryjna, obsługa zwykle fachowa, wymagany prosty dostęp do wszystkich elementów urządzenia w celu naprawy (determinuje rodzaj konstrukcji), konieczność zestawienia urządzeń w większe systemy, 73

Charakterystyka konstrukcyjna urządzeń elektronicznych Elektroniczne urządzenia specjalne: cechy analogiczne jak w urządzeniach profesjonalnych, przeznaczone do pracy w znacznie trudniejszych warunkach. 74

Warunki użytkowania Biorąc pod uwagę sposób i warunki użytkowania wyróżniamy urządzenia: przenośne, stacjonarne, przewoźne, morskie, samolotowe. 75

Warunki środowiskowe Urządzenia elektroniczne nie tylko powinny być zabezpieczone przed działaniem warunków środowiskowych, ale także same nie powinny wpływać na środowisko (hałas, zanieczyszczenia, drgania mechaniczne, sygnały elektromagnetyczne). Najgroźniejszymi czynnikami środowiskowymi wpływającymi na urządzenia elektroniczne są: temperatura (zmiany temperatury), wilgotność, wstrząsy, wibracje, udary. 76

Warunki środowiskowe Działanie warunków środowiskowych nie może być wyeliminowane. Możliwe jest jedynie zabezpieczenie wyrobu przed ich wpływem, lub zmniejszenie stwarzanego przez nie zagrożenia. Istnienie warunków środowiskowych jest znacznym utrudnieniem dla konstruktorów. Użytkowanie to wszystkie fazy istnienia urządzenia (działanie, przechowywanie, transport). Warunki środowiskowe podczas pracy mogą różnić się od tych podczas transportu. Np. podczas normalnej pracy telewizory nie podlegają wstrząsom, ale podczas transportu tak. 77

Główne narażenia środowiskowe klimatyczne wynikające z oddziaływania naturalnych czynników środowiskowych związanych z określonym makroklimatem. korozyjno-atmosferyczne o charakterze chemicznym (gazy, pyły, mgły), radiacyjne jonizacyjne lub grzejny wpływ promieniowania, biotyczne organizmy żywe (inne niż ludzie), mechaniczne siły statyczne i dynamiczne, antropogenne powodowane działalnością i obecnością ludzi w środowisku. 78

Temperatura otoczenia Elementy elektroniczne część energii zamieniają na ciepło, przez co ich temperatura różni się od temperatury otoczenia. Temperatura elementu (przy stałej mocy wydzielanej) zależy od: intensywności wymiany ciepła, obecności innych źródeł ciepła, rozmieszczenia elementów. Dla danych zakresów temperatur otoczenia właściwości mechaniczne i elektryczne wyrobu zmieniają się. Zmiany mogą mieć charakter: odwracalny, trwały, naturalnego starzenia się. 79

Temperatura otoczenia Praktyka wykazuje, że wpływ temperatur od +5 C do +35 C nie ma większego znaczenia technicznego. Temperatury wyższe od +40 C przyspieszają starzenie elementów, wprowadzają zniekształcenia elementów termoplastycznych, powodują wyciekanie mas zalewowych, wysychanie elektrolitów i pękanie malarskich powłok ochronnych. Niskie temperatury powodują pogorszenie właściwości mechanicznych (wytrzymałość, sprężystość). Wykraplanie i wymrażanie pary wodnej powoduje trwałe zmiany mechaniczne i elektryczne. Technicznie ważne są zmiany temperatur otoczenia większe niż 20K. Głównymi skutkami zmian temperatur są naprężenia. 80

Wilgotność powietrza W większości przypadków bardziej przydatną w ocenie technicznego znaczenia wilgotności powietrza jest jego wilgotność względna, wskazująca procentowy stosunek aktualnej zawartości pary wodnej w powietrzu o danej temperaturze i ciśnieniu do zawartości pary wodnej w stanie nasycenia. Duża wilgotność (ponad 85%) przy temp. wyższych niż 27 C jest krytycznym narażeniem. Woda osadzona na elementach zmniejsza rezystancję powierzchni materiałów izolacyjnych. Powoduje znaczne przyspieszenie korozji. Wnikanie wody kondensacyjnej w głąb materiałów powoduje ogólne pogorszenie parametrów urządzenia. Mała wilgotność (poniżej 35%) powoduje wysychanie materiałów oraz wzrost ich kruchości. 81

Ciśnienie atmosferyczne Znaczenie techniczne ma przede wszystkim obniżone ciśnienie powietrza. Dotyczy to zwykle wyrobów przeznaczonych do pracy w samolotach lub urządzeniach wysokogórskich. Obniżone ciśnienie jest przyczyną zmniejszenia elektrycznej wytrzymałości napięciowej powierzchni elementu oraz wzrostu temperatury urządzenia w wyniku zmniejszonej intensywności chłodzenia powietrzem o małej gęstości. Podwyższone ciśnienie występuje bardzo rzadko i jest uwzględniane tylko w specjalnych przypadkach. 82

Zanieczyszczenie atmosfery Najczęściej występujące zanieczyszczenia atmosfery to: gazy, pyły sól morska oraz piaski. Największe zagrożenie stwarzają tlenki siarki łatwo łączące się z wodą. Woda kondensacyjna na powierzchni elementów zostaje zakwaszona i dochodzi do intensywnych procesów korozyjnych. Osadzanie kropel wody lub mgły morskiej powoduje zagrożenia podobne do tlenków siarki. Pyły i piasek tworzą warstwy utrudniające oddawanie ciepła, akumulują wilgoć i umożliwiają rozwój grzybów i bakterii. wnikając pomiędzy powierzchnie trące utrudniają ruch i przyspieszają zużycie elementów. 83

Narażenia radiacyjne Źródłem narażeń radiacyjnych jest promieniowanie słoneczne i jonizujące. Łatwo zauważalnym skutkiem promieniowania słonecznego jest wzrost temperatury elementu poddanego promieniowaniu w zakresie podczerwieni. Promieniowanie w zakresie fioletu i nadfioletu powoduje przyspieszenie starzenia się elementów konstrukcyjnych (głównie z tworzyw sztucznych). Głównym źródłem promieniowania jonizującego jest promieniowanie kosmiczne, oraz urządzenia wykorzystujące izotopy promieniotwórcze, oraz reaktory atomowe. Stopień oddziaływania promieniowania jonizującego jest zależny od energii cząstek lub kwantów jego dawki. Najbardziej wrażliwe są elementy półprzewodnikowe. Pod wpływem tego promieniowania w materiale półprzewodnikowym następuje generacja dodatkowych nośników ładunków i pojawienie się przypadkowych sygnałów. 84

Narażenia biotyczne Podstawowym narażeniem biotycznym jest rozwój grzybów pleśniowych (akumulowanie wody i przyspieszenie korozji). Duże stężenie kwasów organicznych jest wydzielanych przez pleśń jest przyczyną uszkodzeń nie tylko powierzchni metalowych, ale nawet szklanych. Najczęściej stosowanym sposobem ochrony przed pleśniami jest stosowanie szczelnej obudowy oraz elementów nie zawierających pożywki dla pleśni. 85

Narażenia mechaniczne Obecnie brak jest ogólnie przyjętych przebiegów narażeń mechanicznych dla urządzeń elektronicznych. Jednak narażenia mechaniczne są na tyle groźne, że muszą być uwzględnione w badaniach technicznych wyrobów. Badania przewidują sprawdzenie na działanie następujących przyspieszeń: stałych (siły odśrodkowe, starty, lądowania), impulsowe (udary, upadki transportowe, wstrząsy w wyniku ruchu środków transportu), przemienne (wibracje od innych urządzeń). 86

Narażenia mechaniczne Bezpośrednim skutkiem działania przyspieszeń są naprężenia materiałów konstrukcyjnych. Naprężenia wywołują zjawiska zmęczeniowe w materiałach, a po przekroczeniu określonej wartości powodują odkształcenia elementów, przesunięcia elementów oraz pęknięcia. Skutki przyspieszeń zależą w dużej mierze od właściwości mechanicznych elementu, oraz okresu drgań swbodnych. 87

Narażenia antropogenne Działalność człowieka jest dodatkowym źródłem narażeń elementów. Największe znacznie mają narażenia montażowe, spowodowane czynnikami produkcyjnymi, kontrolnymi lub naprawami. Równie znaczące są narażenia spowodowane normalną obsługą elementów manipulacyjnych i strojeniowych. 88

Niektóre narażenia środowiskowe - normy 89

Niezawodność urządzeń elektronicznych Cechą każdego podzespołu lub elementu elektronicznego, wykorzystywanego w sposób zgodny z jego przeznaczeniem, jest możliwość samoistnego uszkodzenia. Uszkodzenia te są przyczynami utraty właściwości funkcjonalnych całego urządzenia. Uszkodzenia te mają charakter losowy, stąd analiza bezawaryjnej pracy (niezawodności) złożonych systemów posługuje się rachunkiem prawdopodobieństwa i metodami statystycznymi. Niezawodność jest prawdopodobieństwem pracy bez uszkodzenia wyrobu elektronicznego, użytkowanego w określonych warunkach i przez określony czas. Przy podawaniu liczby charakteryzującej niezawodność należy zatem podaćśrodowisko i czas pracy urządzenia, dla których określono niezawodność. 90

Niezawodność urządzeń elektronicznych Zgodnie z częstościową interpretacją prawdopodobieństwa niezawodność wyraża się wzorem: R( t) = lim N N liczba użytkowanych wyrobów, n( t) N n(t) liczba wyrobów, które uległy uszkodzeniu do czasu t, N Urządzenia elektroniczne składają się z dużej liczby elementów oraz różnych rodzajów podzespołów. Elementy elektroniczne zbudowane są z różnych materiałów i zawierają wiele połączeń. Przyczyny połączeń są różnorodne, a uszkodzenia rozkładają się w czasie prawie równomiernie. 91

Intensywność uszkodzeń Wartość intensywności uszkodzeń elementów i podzespołów jest określona przez ich producentów i podawana jest wraz z opisem środowiska, w którym była badana. Jednostką intensywności uszkodzeń jest względna liczba uszkodzeń na godzinę, przy czym zwykle podaje się jej wartość jako wielokrotność 10-6. Typowe wartości intensywności uszkodzeń dla wybranych elementów rodzaj elementu połączenia lutowane kondensatory rezystory tranzystory krzemowe λ x10 6 1 h 0,01 0,1-2 0,02-0,05 0,08-0,8 92

Rzeczywiste charakterystyki niezawodności Modele matematyczne procesu pojawiania się uszkodzeń są słuszne jedynie w pewnej części okresu istnienia urządzenia. W początkowym okresie eksploatacji ujawniają się ukryte wady montażu, materiałów, elementów oraz zła jakość kontroli. W tym okresie (okres adaptacji) uszkodzenia występują znacznie częściej niż to wynika z danych dotyczących niezawodności podzespołów. W miarę upływu czasu intensywność uszkodzeń maleje i ustala się na stałym poziomie. Występują wtedy jedynie przypadkowe uszkodzenia. Wzrost intensywności uszkodzeń następuje po czasie t g i jest spowodowany procesami starzenia się elementów elektronicznych i zużycia części mechanicznych. 93

Rzeczywiste charakterystyki niezawodności 94