Detail předmětu

Konstrukce a technologie elektronických zařízení

FEKT-MKTEAk. rok: 2014/2015

Požadavky na vyráběná elektronická zařízení a přístroje. Pozornost je věnována i zařízením pro leteckou a kosmickou techniku. Návrh a konstrukce elektronických přístrojů a jejich zavádění do výroby. Elektromagnetická kompatibilita. Elektrická konstrukce výběr součástek, aplikační zásady, obvodové řešení a jeho výpočet, problémy parazitních vazeb a přenosů, praktická doporučení pro elektrickou konstrukci. Mechanická konstrukce design přístroje, návrh plošných spojů, chlazení. Spolehlivost elektronických přístrojů. Technická diagnostika. Nepříznivé vnější vlivy a zabezpečení proti nim. Odvádění tepla z přístrojové skříně. Zabezpečení proti úrazu el. proudem. Problematika správného zemnění a stínění. Odrušovací obvody. Vlastnosti a schopnosti člověka při obsluze přístrojů. Optimální konstrukce a uspořádání obslužného prostoru. Optimální rozmístění ovládacích prvků.
Druhá část předmětu je zaměřena na perspektivní oblast elektroniky a konstrukce elektronických elementů, ve kterých molekulární látka představuje funkční materiál. Konstrukce molekulárních součástek je diskutována na dvou úrovních, makroskopické (klasické typy elektronických součástek na bázi molekulárních materiálů) a mikroskopické, kde jsou objasněny základní principy elektronických funkcí jednotlivých molekul a možnosti konstrukce elektronických elementů založených na funkci molekul. Detailně jsou diskutovány principy usměrňovacích elementů, transistorů, optických a fotorefraktivních pamětí, fotodetektorů a elektroluminiscenčních diod.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Výsledky učení předmětu

Abslolvent předmětu je schopen:
- popsat základní principy ochrany průmyslového vlastnictví,
- vysvětlit postup při technická přípravě výroby,
- popsat používané metody elektromagnetické kompatibility (EMC),
- popsat způsoby zabezpečení signálových spojů,
- na základě definovaných požadavků zvolit vhodný rozvod nápájení,
- vyjmenovat parazitní jevy v elektronických obvodech,
- vysvětlit způsoby stínění,
- vysvětlit způsoby chlazení,
- popsat a vysvětlit metody pájení,
- diskutovat možnosti návrhu plošných spojů,
- diskutovat výhody a nevýhody povrchová montáž,
- kvalifikovaně odhadnout bezpečnostní požadavky na nařízení,
- popište metody technické diagnostiky,
- diskutovat výhody a nevýhody metod řízení jakosti,
- diskutovat základní principy molekulového inženýrství,
- vysvětlit elektronové vlastnosti molekul a molekulárních systémů,
- popsat základy elektronických procesů a konstrukce elektronických elementů na úrovni molekul.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a počítačová cvičení. Předmět využívá podkladů na webové stránce předmětu. Student odevzdává jeden samostatný projekt.

Způsob a kritéria hodnocení

Cvičení - 30 bodů; minimum 20 bodů.
Závěrečná zkouška - 70 bodů; minimum 30 bodů.

Osnovy výuky

1 - Technická příprava výroby
2 - Elektronická zařízení pro letecké a kosmické aplikace
3 - Elektromagnetická kompatibilita (EMC), vliv záření
4 - Signálové spoje, rozvod nápájení, parazitní jevy
5 - Stínění, chlazení, pájení, vliv vysokých a nízkých teplot a jejich změn
6 - Plošné spoje, povrchová montáž, vliv rázů, zrychlení a vibrací
7 - Čistý výrobní provoz, antistatické systémy, výrobní technologické postupy, speciální principy osazování, povolené a nepovolené montážní postupy, opravy, kabeláž
8 - Součástky a funkční bloky pro leteckou elektroniku, normy ESA
9 - Inspekce el. modulů, certifikace finálních výrobků, diagnostika
10 - Technologické operace pro mikroelektroniku a nanoelektroniku, molekulární elektronika
11 - Systémové místo molekulární elektroniky, Elektronová struktura molekulových látek, přenos excitační energie Generace a transport náboje, fotofyzikální a fotochemické procesy, fotochromie a fotovodivost
12 - Makroskopický a mikroskopický přístup ke konstrukci molekulových součástek
13 - Metody charakterizace elektrických parametrů materiálu, vztah chemické struktury a elektronových vlastností molekul, hlavní aplikační oblasti.

Učební cíle

Seznámit se s postupem a s praktickými zásadami konstrukce elektronických přístrojů a zařízení jak po stránce elektrické, tak i mechanické - v podmínkách průmyslového podniku. Pozornost je věnována i zařízením pro leteckou a kosmickou techniku a seznámení s odlišnostmi a platnými předpisy, v rozsahu potřebném pro konstruktéra.
Požadavky na elektronická zařízení a přístroje. Konstrukce a vlastnosti signálových spojů, napájecí zdroje a rozvody - odrušení a zemní smyčky. Parazitní jevy a jejich potlačení - vazby u vstupních a výstupních obvodů, parazitní kapacity a indukčnosti, termoelektrické napětí, přepětí na indukční zátěži, odrazy na vedení, přeslechy. Stínění proti elektrickému a magnetickému poli, ekvipotenciální stínění. Výběr součástek a aplikační doporučení - diskrétní prvky, operační zesilovače, komparátory, elektronické spínače, A/D a D/A převodníky, vzorkovače s pamětí, číslicové obvody, mikroprocesory. Mechanická konstrukce: řídicí, ovládací a indikační prvky - rozmístění na předním panelu, konstrukce přístrojových skříní, odvod tepla, termostaty. Plošné spoje, plošné drátové spoje, připojování vodičů a součástek. Bezpečnostní požadavky na konstrukci přístrojů. Zájemce získá konkrétní aplikační poznatky z konstrukce elektronických přístrojů, které se jinak získávají delší praxí ve vývoji. Přitom je kladen důraz na pochopení fyzikální podstaty parazitních jevů tak, aby poznatky bylo možné aplikovat i na jiné případy. Naučí se předvídat a odhalovat řadu problémů, které vznikají při vývoji nových přístrojů a to jak v části elektrické, tak i v oblasti mechanické konstrukce. Konstrukce molekulárních součástek je na makroskopické a mikroskopické úrovni. Detailně jsou diskutovány principy usměrňovacích elementů, transistorů, optických a fotorefraktivních pamětí, fotodetektorů a elektroluminiscenčních diod a jejich zapojení do systémů s klasickými součástkami na krystalických polovodičích.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Doporučená literatura

Fowler, K.R.: Electronic instrument design, Oxford University Press, 1996 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-M1 magisterský navazující

    obor M1-MEL , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program EEKR-M magisterský navazující

    obor M-MEL , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.

Osnova

Problémy a jejich komplexní analýza. Teorie systémů, systémový přístup, systémová analýza a syntéza. Etapy vzniku nového výrobku, návrh, konstrukce a zavádění elektronických zařízení do výroby. Součástková základna pro elektronická zařízení.
Teorie modelování, chyby v modelování. Teorie měření. Technický experiment v systémovém pojetí. Analýza procesu vytváření technických objektů. Metodika TRIZ apod.
Počítačový návrh plošných spojů: schématický návrh, návrh plošného spoje.
Technologie výroby plošných spojů
Povrchová montáž: součástky pro povrchovou montáž, pájení SMD.
Vlastnosti plošných spojů: odpor, skin efekt, kapacita, indukčnost, impedance, rychlost šíření signálu, vliv kapacitní zátěže, přeslechy (kapacitní vazba, induktivní), zatížení vodičů na plošném spoji.
Elektromagnetická kompatibilita: základní pojmy a definice, legislativní rámec v České republice (zákon č.22/1997 Sb. a Nařízení vlády č.16911997 Sb., normy EMC - odolnost a vyzařování), elektromagnetická kompatibilita a návrh plošného spoje (rušení, elektromagnetické pole vyzařované proudovou smyčkou, elektromagnetické pole vyzařované přímým vodičem, kmitočtové spektrum lichoběžníkového průběhu, souhlasné a nesouhlasné rušení, návrh plošných spojů z hlediska EMC, součástky a EMC)
Návrhová pravidla: rozmístění součástek, řazení vrstev plošného spoje, zemnění (jednobodové a vícebodové zemnění, blokování napájení), reálný kondenzátor, plošný spoj jako blokovací kondenzátor, návrh lokálního blokovacího kondenzátoru, návrh skupinového blokovacího kondenzátoru, návrh filtračního kondenzátoru, umístění blokovacích kondenzátorů na plošném spoji
Návrhová pravidla: napájecí zdroje (analogové stabilizátory, spínané zdroje), digitální obvody (pravidla související s návrhem schématu, pravidla související s návrhem rozmístění součástek a vedení spojů), obvody hodinových impulzů (ochranné paralelní spoje, odrazy na vedení a jejich potlačení), analogové obvody, A/D převodníky, výkonové spínací obvody, vstupně/výstupní obvody (izolace a separace vstupně/výstupních obvodů, filtrace vstupů a výstupů na plošném spoji, galvanické oddělení a přemostění), ochrana před ESD (ochrana I/O svorek, ochrana plošného spoje před dotykem). Počítačové metody kontroly návrhu desky plošných spojů.
Mechanická konstrukce (design přístroje, ergonomie, návrh plošných spojů, chlazení). Technika vnitřního spojování, elektromagnetické kompatibilita. Vlastnosti a schopnosti obsluhy (rozmístění ovládacích prvků).
Základní operace při výrobě. Montážní postupy. Jakost elektronických zařízení, TQM, FMEA. Hodnocení, certifikace a prokazování shody. Zákon o technických požadavcích na výrobky.
Zhotovení technické dokumentace. Reengineering. Paralelní inženýrství. Duševní vlastnictví a jeho ochrana. Bezpečnostní hlediska. Technologičnost konstrukce. Technologická příprava výroby a rozběh výroby.
Technická diagnostika a oživování elektronických zařízení.

Cvičení na počítači

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.

Osnova

Demonstrace programu LineSim a CAEME.
Práce s programem Westbay Tools.
Základní charakteristiky CAM systému, jeho struktura a ovládání. Nastavení adresáře a cesty, vytváření projektů, návaznosti na další moduly, práce v síti.
Modul Schematics: zásady kreslení schémat, kreslící hladiny, postup kreslení schémat, kontrola správnosti návrhu, obsah knihoven.
Zásady návrhu desky, používané technologie montáže, vliv parazitních jevů na desce rozvod a blokování napájení, termální analýza.
Moduly Librarian, Package, Layout: definování geometrických prvků, definování desky a pouzder, návrh desky, autoroutery, možnosti nastavení.
Generování výstupních dat a jejich zpracování - modul Fablink, export import dat.
Připojení systému na návazná technologická zařízení.
Zhodnocení samostatné práce.