/>Введение
Современные электронные средства проектируются сиспользованием интегральных схем высокой степени интеграции и элементной базы,монтируемой на поверхность. Это позволяет существенно расширить функциональные возможностиаппаратуры. Монтаж на поверхность – это крепление и монтаж компонентовспециальной конструкции непосредственно на поверхность печатной платы. Главнаяособенность конструкций компонентов, монтируемых на поверхность (КМП) –отсутствие штыревых или планарных выводов. Взамен их для присоединения к платеиспользуются металлизированные торцы корпусов компонентов или настолькоминиатюрные выводы, что они в незначительной мере увеличивают площадь платы длямонтажа такого компонента.
В основном в конструкциях радиоэлектронных узлов всовременных радиоэлектронных аппаратурах наблюдается сочетание методов монтажав отверстия и монтажа на поверхность, а так же поблочное. Последнее позволяетбыстрый ремонт за счет замены не исправного блока на аналогичный исправный.
В данной курсовой работе будет разработан печатныйузел, в котором будет максимально использован монтаж на поверхность.
В общем виде проектирование конструкции печатного узлаи технологии его изготовления в данной курсовой работе состоит из следующихглав:
− анализ технического задания;
− разработка конструкции узла;
− проверочный расчет;
В данной курсовой работе представлены чертежи схемыэлектрической принципиальной, печатной платы и сборочного чертежа
1 Анализ технического задания
печатный узел плата электрическаяпринципиальная
Конкретное конструктивное исполнение функциональногоузла (ФУ) на печатной плате (ПП) во многом зависит от условий эксплуатации (отуровня механических и климатических воздействий), схемотехнического назначения(вида аппаратуры, диапазона частот, рассеиваемых мощностей и т.д.),используемой элементной базы, особенностей установки ФУ в конструктивы старшегоуровня, тиражности выпуска.
Основные требования вытекают из технического задания,которое задается в виде шифра, в нашем случае 515ТВ4-24.
Первый элемент обозначения указывает на типаппаратуры. В данном случае цифра 5 означает, что аппаратура является морской.Радиоаппаратура, в зависимости от назначения, может расчленяться на несколькофункционально законченных частей и должна отвечать следующим условиям:
— Защищенность РЭС от значительных случайных ударов ивибрационных нагрузок при перемещении вместе;
- Требования высокой надежности;
- Малый вес (за плечами – 10кг, на ремне через плечо– 3кг, в кармане – 1 кг.)
- Возможность работы РЭС на ходу и на ощупь (в темноевремя суток);
- Защищенность от попадания пыли, влаги, конденсата.
- Стойкость к циклическим сменам температуры
Тип аппаратуры обуславливает так же уровеньмеханических воздействий применительно к объекту установки. Для морскойаппаратуры установлены следующие требования к уровню механических воздействий:
Корпус:
— частота вибраций — 1…15 Гц;
— амплитуда – 1,5…3
— ударное ускорение — 200…400 g.
— линейное ускорение – до6 g.
Второй элемент обозначения указывает на конструктивноеисполнение. Цифра 1 означает, что аппаратура эксплуатируется в виде автономногоблока (прибора, устройства). Автономный блок не требует, как правило, использованиястандартных размеров плат по обеспечению их входимости в блоки и субблоки.
Третий элемент обозначения определяет условияпроизводства. В данном случае цифра 5 указывает на крупносерийное производствос выпуском изделия в количестве 105=100000 штук в год. В зависимостиот объема производства изменяются и требования к автоматизации установкиэлементов, способам маркировки, методам изготовления, классам точности печатных плат. В виду крупносерийности производства желательно автоматизироватьпроцесс, применить к печатной плате минимально возможный класс точности инаиболее простой способ ее изготовления.
Четвертый и пятый элемент, буквенный код В и цифра 4,указывают на климатическое исполнение, т.е. на климатический район и категориюразмещения. Буквенный код характеризует климатический район: В-всеклиматическое исполнение для суши и моря(кроме Антарктиды).Цифра определяеткатегорию размещения: 4 означает размещение аппаратуры в отапливаемыхпомещениях с исскуственным климатом. Значения температур окружающего воздухадля данного климатического исполнения следующие:
— верхнее значение +350 С;
— нижнее значение +10 С;
— среднее значение +100 С;
— предельный рабочий диапазон +10…+350С.
Последнее число в шифре технического задания – этономер варианта, указывающий на схему электрическую принципиальную, для которойи требуется разработать печатный узел. В данном случае это схема формирователяоднополярных импульсов. Его схема электрическая принципиальная представлена нарисунке 1.
/>
Рисунок 1 — Схема электрическая принципиальная.
Таблица 1 – Параметры элементов схемы усилителяпостоянного токаПозиционное обозначение Выполняемые функции и характеристики DA1 ОУ общего применения С1, С2 Конденсатор 100 пФ R1,R2, R6 Резистор общего применения 10 кОм R3 Резистор общего применения 100 кОм R4 Резистор общего применения 750 Ом R5 Резистор общего применения 1,5 кОм R5, R7 Резистор общего применения 1 кОм VD1 Диод высокочастотный импульсный VT1, VT3 n-p-n транзистор большой мощности, средней частоты VT2 p-n-p транзистор большой мощности, средней частоты
Данное устройство формирует однополярные импульсы приподаче на вход синусоидального сигнала.
Так как мы имеем два транзистора средней частоты,можно предположить, что синусоидальный сигнал будет иметь частоту от 3 до 30МГц
При анализе схемы электрической принципиальной следуетопределить токи и напряжения, действующие в каждой цепи устройства. Этонеобходимо для оптимального подбора элементной базы для будущегофункционального узла. Как видно из пункта 1, необходимо определить мощностирассеивания для резисторов, рабочие напряжения на конденсаторах.
Проведем анализ схемы по постоянному току используяпрограммное обеспечение Micro-CAP V9
Определим протекающие токи, напряжения в основныхточках и рассеиваемые мощности на элементах схемы. Данные представим в видерисунков и таблицы:
/>
Рисунок 2 – мощности рассеиваемые на элементах.
/>
Рисунок 3 – токи протекающие в схеме
/>
Рисунок 4 – напряжения в основных точках
Полученные данные представим виде таблицы.
Таблица 2 – данные полученные при расчете схемыРезисторы: Обозначение на схеме Величина тока, А Величина напряжения, В Рассеиваемая мощность, Вт
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
5,982 мкА
83,399 пА
5,982 мкА
13,644 мА
869,18 мкА
997.761 мкА
994.165 мкА
164.507 мА
59.82мВ
833.991нВ
658.03мВ
738,598мВ
100В
9,978
994,165мВ
14
357,845 нВт
0.071Вт
3.579 мкВт
139.624мВт
755,473 мкВт
9,955мВт
988,365 мкВт
108,251мВт
3 Выбор элементной базы
Произведем подбор элементной базыдля данного узла. Выбор начнем с активных компонентов, так как он определяетток, а следовательно, и рассеиваемую мощность на пассивных компонентах –резисторах.
В качестве операционногоусилителя выберем микросхему КФ140УД7 (SO-08). Габариты представлены на рисунке 5, схемавключения на рисунке 6, а ее параметры приведены в таблице 3.
/>
Рисунок 5 – габаритный чертеж корпуса типа SO8,подтип 4303
/>
Рисунок 6 – схема включения операционного усилителя
Назначение выводов :
1,5 – балансировка;
2 – вход инвертирующий;
3 – вход неинвертирующий;
4 – напряжение питания –Uп;
6 – выход;
7 – напряжение питания +Uп;
8 – коррекция.
Таблица 3 – параметры операционного усисилителяНапряжение питания 15 В
Максимальное выходное напряжение
при Uп= 15 В, Uвх= 0,1 В, Rн = 2 кОм 10,5 В Входной ток при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм не более 400 мкА ок потребления при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм не более 3,5 мА Входное сопротивление не менее 400 кОм Геометрические размеры (мм): А А2 D Е Не min max min max min max min max min max - 2 1,25 1,65 4,61 5 3,8 4 5,7 6,3 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
При выборе пассивных элементов руководствуемсяпараметрами, полученными в пункте 2.
При выборе резисторов используем критерии:
− максимальная мощность рассеиваемаяна резисторах;
− разброс величины сопротивлениядолжен быть минимальным;
− использовать по возможностирезисторы одного типа.
Подберем резисторы согласнорасчету выделяемой мощности в пункте 2. Согласно схеме для резисторов R1, R3, R5, R6, R7, R8подойдут P1-12-0,062 резисторыметаллодиэлектрические прецизионные.Основныехарактеристикитакого резистора:
— Пределы номинального сопротивления 0,75 Ом —22 МОм
-Номинальная мощность, Вт — 0.062
-Типоразмер — 0603
-Масса не более 0,01г
Отобразим основные геометрические размеры:
/>
Рисунок 3. Внешние размеры резисторов
Представим основныегеометрические размеры в виде таблицы:
Таблица2Тип резистора L,mm S,mm W,mm T,mm
Hmax,mm P1-12-0,062 1,6±0,2 0,8±0,2 0,8±0,2 0,4 0,3±0,2
Посадочное место:
/>
Рисунок 4. Размеры посадочногоместа резисторов
Геометрический размерпосадочного места представлены в таблице 3:
Таблица 3Тип резистора Z,mm G,mm X,mm Y,mm C,mm P1-12-0,062 1,6 0,8 0,8 0,4 1,2
Определим установочную площадь резисторов:
Sуст=0,8*1,6*0,8*5 =5,12mm2
Для резистора R4подойдет резистор Р1-12-0,25. Основныехарактеристики такогорезистора:
— Пределы номинального сопротивления 0,75 Ом —22 МОм
-Номинальная мощность, Вт — 0.25
-Типоразмер — 1206
-Масса не более 0,015г
Представим основныегеометрические размеры в виде таблицы:
Таблица 4Тип резистора L,mm S,mm W,mm T,mm
Hmax,mm P1-12-0,25 3,2±0,2 0,8±0,2 1,6±0,5 0,4 0,5±0,2
Геометрический размер посадочногоместа представлены в таблице 3:
Таблица 3Тип резистора Z,mm G,mm X,mm Y,mm C,mm P1-12-0,25 3,2 0,8 1,6 0,4 1,2
Определим установочную площадь резисторов:
Sуст=0,8*3,2*1,6*1 =5,92mm2
Для резисторов R2 и R8используем Р1-12-0,125. Основныехарактеристики резистора:
— Пределы номинального сопротивления 0,75 Ом —22 МОм
-Номинальная мощность, Вт — 0.125
-Типоразмер — 0805
-Масса не более 0,015г
Представим основныегеометрические размеры в виде таблицы:
Таблица 5Тип резистора L,mm S,mm W,mm T,mm
Hmax,mm P1-12-0,25 2,0±0,2 0,8±0,2 1,25±0,2 0,4 0,6±0,2
Геометрический размерпосадочного места представлены в таблице 3:
Таблица 6Тип резистора Z,mm G,mm X,mm Y,mm C,mm P1-12-0,125 2,0 0,8 1,25 0,4 1,2
Определим установочную площадь резисторов:
Sуст=0,8*2,0*1,25*2 =4mm2
При подборе конденсатороввыбор достаточно велик, практически все они удовлетворяют климатическим имеханическим требованиям, и поэтому особую роль играют массогабаритные иэлектрические параметры (отклонение номинала, рабочее напряжение и т.д.), а также показатели надежности.
Согласно ТЗ подберемконденсаторы соответствующей емкости, рабочего напряжения, материала.
Конденсаторы С1=С2 = 100 пфимеют одинаковые геометрические размеры. Их основные характеристики:
-Тип конденсатора – КМ-5Б
-Материал - керамический
-Типоразмер — 805
-Номинальное напряжение 160В
-Масса 0,5г
Геометрические размеры данныхконденсаторов представлены в таблице 7:
/>
Рисунок 5. Внешний видконденсаторов С1 и С2
/>
Рисунок 6. Размеры посадочногоместа конденсаторов С1 и С2
Таблица 7Тип конденсаторов
L1max,mm
В3,mm А,mm d, mm H max, mm
КМ-5Б 4,5 6,5 2,5±0,85 0±0,8 0,5±0,1
6-5
Определим установочную площадь конденсаторов:
Sуст=4,5*6*2 =54mm2
Транзисторы выбраны согласно техническому заданию.
Для транзисторов VT1 и VT2подобраны КТ850, большой мощности, средней частоты.
/>
Таблица 7Тип транзисторов L,mm В,mm W, mm В, mm
КТ850 10 10 16 6
Определим установочную площадь этих двух транзисторов:
Sуст=22*10*2 =440mm2
Транзистор VT3 так же соответствуеттехническому заданию
/>
Определим установочную площадь транзистора:
Sуст = 3,14*5,84=18,33mm2.
4 Обоснование выбора печатной платы
4.1 Обоснование типапечатной платы
Печатная плата – изоляционное основание с нанесеннымна его поверхность печатным монтажом. Их применение повышает надежностьаппаратуры, обеспечивает повторяемость электрических параметров, создаетпредпосылки для автоматизации производства (высокая производительность и низкаясебестоимость), уменьшает габариты и массу. Наиболее распространеныодносторонние печатные платы (ОПП) и двухсторонние печатные платы (ДПП) соснованиями из слоистого диэлектрика. Проведем их сравнение.
ОПП характеризуется: возможностью обеспечитьповышенные требования к точности выполнения проводящего рисунка; установкойнавесных элементов на поверхность платы со стороны, противоположной сторонепайки, без дополнительной изоляции; возможностью использования перемычек безизоляции; низкой стоимостью конструкции. В ОПП для трассировки пересекающихсяцепей используют перемычки из проволоки, либо чип-перемычки (чип-резисторы снулевым сопротивлением, например Р1-23).
К недостаткам ООП следует отнести низкую плотностькомпоновки, обычно не превышающую 1,5 эл/см3; низкую тепловую имеханическую устойчивость контактных площадок. Во избежание отслоения печатныхпроводников все КМО следует монтировать без зазоров между корпусом и платой.Главным достоинством ОПП является ее низкая стоимость и простота изготовления.Применяется, главным образом, для несложных схем.
ДПП выполняется с металлизированными отверстиями,характеризуются высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностьюсоединения вывода навесного ЭРЭ с проводящим рисунком. Недостатком ДПП являетсяболее высокая стоимость по сравнению с ОПП. Применяется для схем повышеннойсложности.
Учитывая несложность схемы проектируемой аппаратуры,предлагается применить ОПП. При этом будет обеспечиваться необходимая точностьизготовления платы и низкая стоимость.
4.2 Выбор класса точностипечатной платы
Односторонние печатные платы (ОПП) характеризуются:возможностью обеспечить повышенные требования к точности выполнения проводящегорисунка; установкой навесных элементов на поверхность платы со стороны,противоположной стороне пайки, без дополнительной изоляции; возможностьюиспользования перемычек без изоляции; низкой стоимостью конструкции. Кнедостаткам ООП следует отнести низкую плотность компоновки, обычно непревышающую 1,5 эл/см3; низкую тепловую и механическую устойчивостьконтактных площадок.
Выполнение платы односторонней выгодно, так кактребует более простого оборудования, чем оборудование для изготовлениядвусторонней ПП и проведения компоновочных работ на ней.
Для рассматриваемого примеравыбираем одностороннюю печатную плату, изготавливаемую по 3 классу. Выбор типаобусловлен компоновочной схемой узла, выбор класса точности – плотностьюэлектрических связей и шагом расположения выводов. В схеме используется только одинэлемент в корпусе SO8 с шагомрасположения выводов 1,27 мм, корпус SO8 имеет расстояние между выводами 0.63 мм.
Номинальные значения основных параметров элементов конструкцииПП для третьего класса точности берутся следующими:
− Максимальные размеры ПП, мм:470×470;
− Минимальная ширина проводника t=0.25мм;
− Минимальная ширина зазора s=0.25мм;
− Предельное отклонение проводника сметаллическим покрытием ∆t= ±0,10
− Гарантийный поясок контактнойплощадки bmin=0,10мм;
− Допуск на отверстие диаметром до1мм без металлизации ∆d=±0,05мм;
− Допуск на отверстие диаметром>1мм без металлизации ∆d=±0,10мм;
− Отношение диаметраметаллизированного отверстия к толщине платы γ=0,33
Коммутационная способность ПП зависит от классаточности и шага координатной сетки. Шаг координатной сетки выбираем равным 1,25 мм для третьего класса точности.
4.3 Выбор метода изготовления печатной платы
С целью повышения процента выхода годных плат,применение на предприятиях единого унифицированного технологическогооборудования и снижение трудоемкости изготовления ГОСТ 24322-80 ‘‘Платыпечатные. Требования к последовательности выполнения типовых технологическихпроцессов" ограничивает изготовление ОПП химическим методом.
Химический метод – травление фольгированногодиэлектрика без металлизации монтажных отверстий. Этот метод сочетается сфотографическим и сеткографическим способами получения изображения печатногорисунка и обеспечивает высокую разрешающую способность печатных проводников.Достоинствами химического метода являются: доступность механизации иавтоматизации, возможность получения высокого качества печатных плат, которые обладаютвысокой адгезией (прилипанием) печатных проводников к диэлектрическомуоснованию. Недостатками химического метода являются: наличие активного воздействияхимических веществ на диэлектрическое основание ПП, повышенный расход травителейи стравливаемой меди, которая в большинстве случаев не регенерируется.
В промышленности в настоящее время широко внедряютсяхимические методы получения проводящего рисунка печатных плат из фольгированныхматериалов с утонченной фольгой (5…10 мкм). В таких печатных платах удаетсяполучить узкие печатные проводники и повысить плотность печатного монтажа.
Основными методами,применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являютсяофсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяетсяконструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностьюоборудования и экономичностью процесса.
Метод офсетной печатисостоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируетсярисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетныйцилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП.Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства сминимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3… 0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использованияквалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисункаплаты.
Сеткографический методоснован на нанесении специальной краски на плату путем продавливания еерезиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, па котором необходимыйрисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Методобеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массовогопроизводства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.
Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3—5 классу (ширина проводников и зазоров между ними0,1—0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактномкопировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона па основание, покрытоесветочувствительным слоем (фоторезистом).
Учитывая вышесказанное и принимая во вниманиетребования технического задания, выбираем метод изготовления печатной платыхимический с получением рисунка печатного монтажа методом фотопечати.
4.4 Выбор материала печатной платы
В качестве основания печатной платы используютсяслоистые диэлектрики на основе бумаги (гетинаксы) и на основе стеклоткани(стеклотекстолиты). Выбор материала определяется электроизоляционнымисвойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностьюпараметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатическихусловий, себестоимостью. Стеклотекстолит превосходит гетинакс практически повсем техническим и электрическим характеристикам: допустимая влажностьокружающей среды для платы без дополнительной влагозащиты (85% для гетинакса и93% для стеклотекстолита). Стеклотекстолит имеет меньший тангенс угладиэлектрических потерь (0,035 против 0,07) и меньшую диэлектрическуюпроницаемость (5,5 против 7,0), что уменьшает паразитную емкость;водопоглощение при толщине 1,5мм (20мг против 80мг), прочность на отслаиваниефольги после кондиционирования в гальваническом растворе (3,6Н против 1,8Н),прочность на отрыв контактной площадки (60Н против 50Н) – важный показатель дляплат, эксплуатируемых в жестких механических условиях.
Исходя из выше сказанного стеклотекстолит превосходитгетинакс практически по всем показателям, но стоимость его значительно выше.
Предпочтительными значениями номинальных толщин одно-и двусторонних печатных плат являются 0,8; 1,0; 1,5; 2.0 мм.
Материалы, рекомендуемые для изготовления печатныхплат, приведены ниже в таблице 11 .
Таблица 11 Тип печатной платы Наименование Марка Толщина материала, мм ГОСТ. ТУ ОПП и ДПП Гетинакс фольгированный
ГФ-1-50
ГФ-2-50
ГФ-1-35
ГФ-2-35
1,0…3.0
1,5…3.0
1,0…3.0
1,0…3.0 ГОСТ 10316-78 ОПП и ДПП Стеклотекстолит фольгированный
СФ-1-35
СФ-2-35
СФ-1-50
СФ-2-50
СФ-1Н-50
СФ-2Н-50
0,8…3.0
0,8…3.0
0,5…3.0
0,5…3.0
0,8…3.0
0,8…3.0 ГОСТ 10316-78 ОПП и ДПП Стеклотекстолит фольгированный повышенной нагревостойко-сти
СФНП-1-50
СФНП-2-50
0,5…3,0
0,5…30 ГОСТ 10316-78
Исходя из того, что проектируемая аппаратура являетсяносимой и эксплуатируется при высоких значениях механических нагрузок ижестких климатических условий необходимо использовать стеклотекстолитфольгированный повышенной нагревостойкости.
Таким образом, выбираем СФНП-1-35-2 ГОСТ 10316-78 –фольгированный стеклотекстолит с повышенной нагревостойкостью, толщиной 2 мм, облицовочный с одной стороны медной электролитической фольгой толщиной 35 мкм.
4.5 Выбор способа пайки
В зависимости от конструктивной реализации узла,программы выпуска, чувствительности компонентов к нагреву, имеющегосяоборудования и его производительности могут применяться пайка оплавлениемдозированного припоя, пайка волной припоя, селективная пайка, ручная пайка.
Выберем пайку селективную пайку. Она обеспечиваетболее высокое качество пайки поверхностномонтируемых компонентов, чем групповаяпайка компонентов в установке пайки двойной волной припоя, особенно при высокойплотности монтажа на плате. К тому же компоненты не погружаются в волну припояи не подвергаются дополнительному термическому воздействию. Обеспечивается темсамым высокое качество изделий.
5 Определениеосновных конструктивных параметров печатной платы
5.1 Определение размеров печатной платы
Размеры печатной платы определяются исходя из площади,необходимой для размещения всех электрорадиоэлементов, элементов печатногомонтажа и площади дополнительных зон.
При компоновке элементов на печатных платах оперируютпонятием установочной площади элемента, которую для большинства элементоввычисляют по формуле (3):
Sуст= 1.3 BL , (3)
где В – максимальная ширина (диаметр элемента);
L – длина элемента, включая отформованные выводы(установочный размер).
Установочная площадь учитывает зазоры, которыенеобходимы для работы укладочного инструмента.
Расчет установычных площадей элементов производился впункте 3.
Если печатная плата содержит краевые поля, необходимыедля маркировки, установки контрольных точек, элементов фиксации и коммутации,то их площадь также включается в полную площадь печатной платы.
При определении полной площади платы вводяткоэффициент ее увеличения, находящийся в пределах КS= (1,5...3) :
/>, (1)
где N — количество компонентов на плате;
Sкп — площадь краевых полей платы.
Sуст– установочная площадь отдельных элементов
Задавшись коэффициентом увеличения 3, определимплощадь печатной платы:
Sуст=3*234=527мм2 Тогда Snn=3655mm2
Масса элементов равна примерно 20 грамм.
Если печатный узел используется в составе стойки иликак субблок, выбирается стандартный типоразмер печатной платы. В нашем случаепроектируемый функциональный узел располагается в автономном блоке, поэтомувозможно применение ПП произвольных размеров, обеспечивающих необходимуюплощадь. Исходя из площади печатной платы, определяем конкретные, габаритныеразмеры в соответствии с ГОСТ 10317-79. По техническому заданию не требуетсяплата оригинальной формы, поэтому выбрана прямоугольная форма печатной платы.Полученной установочной площади соответствует плата с линейными размерами 43,8*47,6мм
6 Разработка конструкцииузла
6.1 Выбор элемента внешней коммутации узла
Для обеспечения электрической связи ФУ с другимиузлами, блоками, выносными элементами в конструкции должны быть предусмотреныэлементы контактирования — соединители.
Соединители могут быть выбраны в виде вилки навесныхразъемов; сформированных печатных концевых вставок на ПП; монтажных отверстий; штырей,впаянных в монтажные отверстия; и, наконец, контактных площадок. Дляобеспечения удобства монтажа и ремонта все элементы коммутации ФУ должны бытьвыведены на одну из сторон ПП. 6.2Варианты компоновки узла
Под компоновкой РЭС понимают часть процессаконструирования, связанного с размещением на плоскости или в объеме отдельныхсоставных частей изделия с учетом реализации необходимых электрических связей,взаимного влияния электромагнитных и тепловых полей. При компоновке ПП электрорадиоэлементыобычно заменяют их установочными моделями, которые представляют собой проекциюэлемента на плату. Вариантов компоновки может существовать очень много. Нарисунке 15 представлен один из вариантов компоновки проектируемого узла.
/>
Рисунок 15. 6.3Трассировка печатной платы
При разработке трассировки печатной платы следуетучитывать необходимость проложения печатных проводников по линиям координатнойсетки или под углом 450к ним. Это нужно для облегченияавтоматизированного получения рисунка печатной платы. Для третьего классаточности шаг координатной сетки 1.25 мм. Также следует учитывать выдерживаниенебходимого расстояния между печатными проводниками. Для платы третьей классаточности минимальная ширина проводника t и зазора s: 0.25 мм. Для уменьшения плотности протекающего через проводник тока выберем среднюю ширину проводникаt=0.3 мм. В узких местах допустимая ширина можетпринимать значение t=0.25 мм. Трассировка платы показана на рисунке 16.
/>
Рисунок 16.
Вариант трассировки представлена на рисунке 16. 6.4 Маркировка печатной платы
Маркировка выполняется обычно методом проводящего рисунка(например, травлением) или же маркировочной краской. Маркировка травлениемиспользуется в основном при мелкосерийном производстве при невысокой плотностирасположения проводников, когда экономически не выгодно изготовление сеточныхтрафаретов для маркировки краской. В нашем же случае предполагаетсякрупносерийное производство аппаратуры. В этом случае выгоднее использоватьмаркировку краской. Современные технологии позволяют применять для всех видовмаркировок краску и типографскую печать на твердых поверхностях.
Таким образом, маркировка производится офсетнымспособом, который удобен при автоматизированном производстве.
Маркировочная краска разрабатываемого функциональногоузла должна отвечать следующим требованиям:
— возможность автоматического нанесения в условияхкрупносерийного производства;
— механическая прочность;
— хорошая адгезия к маркируемой поверхности;
— диапазон рабочих температур от -60 до +450 С;
— рекомендация к маркировке стеклотекстолита.
Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяеткраска ЭП-572 (ТУ6-10-1539-79). Предлагается использовать краску белого цвета.Свойства краски ЭП-572: диапазон температур от –60 до +1500 С;обладает механической прочностью, маслостойкостью, хорошей адгезией кмаркируемым материалам, водостойкостью, спиртобензиностойкостью.
6.5 Выбор покрытий и обеспечение влагозащиты печатной платы
В конструкции разрабатываемой печатной платы должныиспользоваться различные вида покрытий, которые предназначены для улучшенияпаяемости, защиты участков печатных проводников от воздействия припоя,обеспечения влагозащиты платы.
В качестве металлических покрытий для улучшенияпаяемости согласно ОСТ4.ГО.014.000. используются легкоплавкие припои,представленные в таблице 12.
Таблица 12Припой Олово, % Висмут, % Свинец, % Кадмий, % Температура плавления
Сплав Вуда
Сплав Розе
ПОСВ-33
ПОС-61
12,5
25
33,4
61
50
50
33,3
–
25
25
33,3
39
12,5
–
–
–
68 °С
94 °С
130 °С
190 °С
Предлагается использовать сплав Розе в виду его лучшейантикоррозийной защиты проводников по сравнению со сплавом Вуда или сплавомЛиповитца, а также улучшенной способности к пайке. Его ближайшей заменойявляется ПОСВ-33.
Для электромонтажных соединений используется, обычно,припой марки ПОС-61. Он относится к легкоплавким припоям и предназначен дляпайки выводов дискретных ЭРЭ и ИМС. Его выбор также обусловлен тем, что визделии имеются полупроводниковые приборы, для которых недопустим перегрев.
Защита от влаги, а также от опасных механическихповреждений предусматриваются в виде покрытия печатного узла после сборки лаком.Пленка лака создает барьер воздействию влаги и загрязнений на диэлектрическоеоснование, предохраняет тонкие проводники от повреждений, увеличиваетмеханическую жесткость платы. Причем лак должен быть бесцветным для свободногопрочтения маркировки нанесенной на плату. К покрытиям предъявляются требованияхорошей адгезии, малой водопроницаемости и коррозионной стойкости.
В качестве покрытия достаточно применение лака УР-231.Он обеспечивает хорошую защиту платы и ЭРЭ от воздействия климатическихфакторов, а также повышает и ее механическую жесткость. При этом он дешевлелака ЭП-730./>
7 Проверочные расчеты
При разработке конструкции ПП необходимо провести рядпроверочных расчетов, которые подтвердили бы правильность примененных конструкторомрешений. К таким расчетам относятся: определение минимального расстояния дляпрокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями; расчетпроводников по постоянному току; расчет электрических параметров печатныхпроводников; расчет механической устойчивости печатного узла.
Необходимость проведения тех или иных видов расчетовследует из технического задания и особенностей компоновки и трассировки.
Как видно из выбранного варианта трассировки (пункт6.3), необходимость определения минимального расстояния для прокладки n-гоколичества проводников между двумя отверстиями отпадает в виду отсутствияпрохождения проводников в узких местах между отверстиями. Расчет электрическихпараметров печатных проводников (паразитной емкости и индуктивности)производится, главным образом, для высокочастотных устройств. Ввиду того, чтопроектируемое устройство работает от постоянного напряжения, необходимостьтакого расчета тоже отпадает.
Таким образом, производится расчет проводников попостоянному току и расчет механической устойчивости печатного узла.
7.1 Расчет проводников попостоянному току
Расчет проводников по постоянному току выполняется сцелью определения нагрузочной способности печатных проводников по току,величине падения напряжения на проводниках. Критичными в этом отношенииявляются проводники цепей питания. Минимально допустимая ширина печатногопроводника определяется по формуле (2):
t> Imax/h j, ( 2)
/>
где Imax –максимальный ток, протекающий через проводник, в нашем случае составляет 6 мАдля входной цепи;
h – толщина проводника (мм), в нашем случае 35 мкм ;
j –допустимое значение плотности тока (A/мм2), зависит от методаизготовления ПП и для химического метода при толщине фольги 35 мкм составляет20 A/мм2.
Произведенный расчет показывает t> 0,08 мм. Таким образом, печатный проводник шириной 0,25 мм (минимальная ширина проводника для печатной платы третьего класса точности) обладает болеечем достаточной нагрузочной способностью по току.
Допустимое падение напряжения для микросхемы на цепяхпитания не должно превышать 1-2% номинального значения подводимого напряжения,то есть 0,24 В (при напряжении питания 15 В). Падение напряжения напроводнике определяется по формуле (12):
U=ρ lпр Imax/ht (3)
где ρ- удельное сопротивление проводника,для медной катаной фольги ρ = 0,017 Ом*мм2/м2;
lпр – длина проводника, 50 мм.
Произведенный расчет показывает U=0.048В, гораздо меньше 0,24 В.
Таким образом, проводники удовлетворяю предъявляемымтребованиям.
Допустимое рабочее напряжение между проводникамипечатной платы определяется по таблице 13. Как известно из пункта 2,максимальное (амплитудное) значение действующего в проектируемом устройственапряжения 15В.
Таблица 13Атмос-ферное давление Па Мате-риал Напряжение, B, не более при расстоянии между проводниками, мм 0,15…0,2 0,2…0,3 0,3…0,4 0,4…0,7 0,7…1,2 1,2…2 2…3,5 Нормаль-ное ГФ - 30 100 150 300 400 500 СФ 25 50 150 300 400 600 830 53600 ГФ - 25 80 110 160 200 250 СФ 20 40 110 160 200 300 430 666 ГФ - 20 30 58 80 100 110 СФ 10 30 50 80 100 130 160
Как видно из таблицы 13, для проектируемогофункционального узла расстояние между проводниками должно быть не меньше 0,50 мм. Выбранный третий класс точности печатной платы (минимальное расстоянии между проводниками 0,25 мм) вполне удовлетворяет этому требованию.
7.2 Расчет навибропрочность печатной платы
Вибропрочность платы определяется его собственнойчастотой (Гц), определяемой по формуле (4):
/>, (4)
где а – длина пластины, см;
h –толщина пластины, см;
с – частотная постоянная.
Значения частотной постоянной в зависимости отварианта закрепления и от отношения длин сторон платы определяются по таблице4.1 [2].
В качестве варианта установкиразрабатываемого узла будем использовать вариант установки путем закреплениявинтами по углам. Схема закрепления платы приведена на рисунке 17.
/>
Рис. 17. Вид закрепления платы
Имеет отношение длин сторон а/b=1,0. Тогда потаблице 4.1 [3] частотная постоянная с=45,8.
Формула (4) используется для расчёта стальныхненагруженных пластин. Если пластина изготовлена не из стали, а из другогоматериала, то в формулу вводится поправочный коэффициент на материал:
/>, (5)
где ЕСФ и ρСФ — модульупругости (3.45×105 кг/см2) и плотность (2,5 г/см3)стеклотекстолита фольгированного; Ес и ρc — модуль упругости (21*105 кг/см2) и плотность(7,35 г/см3) стали.
Тогда Км=0,69.
Если пластина равномерно нагружена, то вводитсяпоправочный коэффициент на массу элементов:
/>, (6)
где МЭ – масса элементов, равномерноразмещенных на пластине, равна 15 г;
МП – масса пластины, при толщине 2мм иразмерах 43,8*47,6 мм его масса будет около 13,76 г.
Тогда Кмас=0,710.
Таким образом, формулу для определения собственнойчастоты колебаний равномерно нагруженной пластины можно записать в следующемвиде:
/>=0,710*0,69*45,8*150000/43,82=1754
При подстановке данных в формулу (7) получится fc=1754 Гц. Внешняя верхняя частота из технического задания равна 15 Гц.Так как отношение внешней частоты к собственной равна двум, то виброзащитаданной платы удовлетворительна.
Заключение
В данной курсовой работе былопроведено проектирование функционального узла на печатной плате. При разработкефункционального узла были произведены работы по выбору элементной базы,соответствующей техническому заданию и схеме электрической принципиальной;определены необходимые тип, класс точности, метод изготовления и размерыпечатной платы, а так же необходимые размеры для установки элементов. Крометого, произведен выбор необходимых покрытий для маркировки, обеспечениявлагозащиты платы и паяемости контактных площадок.
Требования техническогозадания были полностью учтены. Особое внимание обращалось на обеспечениевысокой надежности и массогабаритные характеристики разрабатываемой печатнойплаты, что необходимо при разработке носимой аппаратуры. Вариант компоновки исоответствующий ему вариант трассировки являются достаточно удачным.Проведенные проверочные расчеты показали состоятельность конструктивныхрешений, применяемых при проектировании.
Библиографический список
1. Леухин В.Н. Выбор элементной базы поэксплуатационным и конструктивным параметрам: Справочное пособие. – Йошкар-Ола:МарГТУ, 2003.
2.Леухин В.Н. Радиоэлектронные узлы с монтажом наповерхность: конструирование и технология: Учебное пособие.- Йошкар-Ола:МарГТУ, 2006.
3. Леухин В.Н. Проектирование радиоэлектронных узлов:Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Периодика Марий Эл, 2003.
4. Леухин В.Н. Основы конструирования и технологиипроизводства РЭС: Учебное пособие. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.
5. Справочник для элементов монтажа на поверхности КМП06: Электронная база данных
6. Справочник радиолюбителя. Полупроводниковые приборыи их зарубежные аналоги: Электронная база данных.