1. Введение
Тема курсового проекта «Регистраторколебаний поверхности земли ».
Одним из важнейшихфакторов, определяющим темпы научно-технического прогресса в современномобществе, являются СВТ (средства вычислительной техники). Ускорениенаучно-технического прогресса требует сокращения сроков разработки и внедренияих в производство и эксплуатацию. Конструирование, являясь составной частьюСВТ, представляет сложный комплекс взаимосвязанных задач, решение которыхвозможно только на основе системного подхода с использованием знаний в областисовременной технологии, схемотехники, сопротивления материалов, теплофизики,эстетики и других теоретических и прикладных дисциплин. Ускорение создания СВТможно осуществить только при широком использовании средств автоматизированногоконструкторского проектирования и гибких производственных систем. Это требуетот современного конструктора и технолога всестороннего овладенияэлектронно-вычислительной техникой.
Инфранизкочастотныеколебания, возникающие при землетрясениях, обвалов, взрывах и др.,распространяются в толще земли и воды на сотни и тысячи километров и давно ужеиспользуются для регистрации подобных событий. С этой целью разработаныспециальные приборы – сейсмографы.
Ниже помещено описаниесамодельного регистратора такого рода колебаний. По сравнению спрофессиональной аппаратурой он обладает не очень высокой чувствительностью ине приспособлен для записи колебаний, но может быть использован в охраннойтехнике.
В данном курсовом проектенеобходимо проанализировать принципиальную схему регистратора колебанийповерхности земли, определить конструктивные особенности типовых элементовсхемы, определить технические требования к печатной плате, выполнить расчетэлектрических и конструктивных элементов печатной платы, разработать чертёжпечатной платы и сборочный чертеж.
2. Конструктивныеособенности типовых элементов схемы регистратор колебаний поверхности земли
DA1 – Операционный усилитель КР140УД1208Изображен на рис 1.
/>Габаритныеразмеры 10 х 7,5мм. 201.14-1
Рис. 1
DD1 – DD3 ИМС К561ЛЕ5. Изображен на рисунке 2.
Габаритные размеры 19,5 х7,5мм.
/>
Рис. 2
DD4 – ИМСК176ИЕ1. Изображен нарисунке 3..
Габаритные размеры 19,5 х7,5мм
/>
201.14-1 Рис.3
DD5 – ИМСК561ИЕ16. Изображен нарисунке 4.
Габаритные размеры 21,5 х7,5мм
/>
Рис. 4
VD1 – Стабилитрон КС106А Изображен на рис.5
Габаритные размеры 10,5 х7,5мм
/>
Рис.5
R1 – R16 – Резистор МЛТ. Изображен на рис.6
Габаритные размеры 6 х 2,2мм
/>
Рис. 6
С1 – C6 – конденсаторы К50-16. Изображен нарис.7
Габаритные размеры 18 х6мм
/>
Рис.7
3. Конструктивнотехнологические требования к проектированию чертежа ПП
— Материал печатной платы – толщинаматериала – 1,5мм; удельное поверхностное сопротивление ρs=1010 Ом; влагопоглощение b=20мг; Uпр=15 кВ/мм. Рабочая температура стеклотекстолита в диапазонеот –60 до +90°С.
— Плата изготавливаетсяхимико-гальваническим аддитивным методом. При создании защитного слояиспользуется метод фотопечати, как наиболее простой, удобный, быстрый и дешёвыйиз всех методов. Для определения площади платы найдем площади всех элементов.
Определим площадьпечатной платы. Для этого нужно рассчитать сумму площадей всех элементов.
Суммарная площадьэлементов платы равна1758 мм2. это число умножаем на коэффициент 3 иполучаем площадь печатной платы, равную 5274мм2 .
S DA1=75мм
S DD1 –DD3= 438,75мм
S DD4=146,25мм
S DD5=161,25мм
S VD1=78,75мм
S R1-R16=211,2мм
S C1 – C6=648мм
Sпп=75+438,75+146,25+161,25+78,75+211,2+648 = 1758мм2
Определим линейныеразмеры сторон печатной платы. Исходя из полученной площади, устанавливаемлинейные размеры 85×62 мм, в соответствии с ГОСТ 10317-79 «Платыпечатные. Основные размеры». Шаг координатной сетки выбираем равным 1,25 мм.
3.1 Определениетребований к печатной плате
На основании расчетовширины печатных проводников, диаметров отверстий, приведенных в п. 5.1, и ГОСТ23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции» устанавливаем 5-йкласс точности печатной платы.
Для пятого классаточности устанавливаем:
1) предельныеотклонения диаметров отверстий:
– до 1 мм +0; -0,1;
– свыше 1 мм +0,05; -0,1;
2) для узкого местаплаты минимальное значение
3) гарантированногопояска меди контактной площадки 0,025 мм;
4) предельныеотклонения ширины печатного
5) проводника,контактной площадки, концевого
6) печатногоконтакта ±0,03 мм;
7) значениядопустимых рабочих напряжений
8) между элементамипроводящего рисунка, расположенных:
9) – в соседнихслоях печатной платы 500 В;
10) – в наружномслое 300 В;
11) допустимуютоковую нагрузку на элементы
12) проводящегорисунка 200 А/мм.
3.2 Описаниесборочного чертежа печатной плат, требования к формовке выводов, лужению ипайке
Регистр колебаний поверхности земли долженсобираться согласно сборочному чертежу.
Данная односторонняя печатнаяплата изготовляется аддитивный комбинированным методом, причем электра радиоэлементы и ИМС располагаются с одной стороны печатной платы. Вид установки этихэлементов показан на сборочном чертеже. В качестве основания печатной платы былвыбран стеклотекстолит не фольгированый огнестойкий с размером сторон 200*150мм.
Стеклотекстолит нефольгированый огнестойкий имеет толщину материала диэлектрика, равную 1,5 мм; диапазон рабочих температур от –60 до +105 0С; удельная поверхностноесопротивление от 1010 до 1011 Ом.
Выбор варианта установкиэлектра радио элементов и интегральных микросхем был произведен таким образом,чтобы в случае поломки к каждому элементу был свободный доступ. Также во времярасположения элементов были усчитаны линии связи между элементами, именно поэтому элементы расположены таким образом, чтобы максимально упростись трассировкупечатной платы, что в последствии позволило максимально использовать плату дляустановки остальных элементов; микросхемы, имеющие большое количество выводоврасполагаются по центру платы, что позволяет значительно уменьшить длинупечатных проводников.
Все элементы на платуустанавливаются в ручную, причем зазор между элементами и платой должен быть неменьше чем 1 мм, ЭРЭ должны стоять без перекосов. Именно по этому нужно уделитьбольшое значение формовке и подрезке выводов, которую осуществляют вручную при помощиспециальных инструментов и приспособлений, например кусачек, бокорезов.
При формовке выводов интегральныхмикросхем радиус изгиба должен быть не меньше двойного диаметра вывода. Приобрезке выводов нужно учитывать, что за основания платы выводы должны выступатьне менее чем 1 мм с каждой стороны, например, при толщине печатной платы 1 мм длина ножек должна быть не менее 3–4 мм. Для данного случая при толщине платы 1,5 мм длинавыводов должна составлять 3,5-4,5 мм.
Пайку элементов следуетпроизводить с использованием спиртоконифольного флюса марки КЭ и припоя маркиПОС — 61 с пониженной температурой плавления. Паяльник для монтажа и демонтажаэлементов должен иметь мощность не более 40Вт. Чтобы не испортить микросхемывремя пайки не должен превышать 3-4секунд. Повторная пайка может производитьсяне раньше, чем по истечению 4 минут.
4. Расчетный раздел
4.1 Расчетэлектрических и конструктивных параметров элементов печатной платы
печатнаяплата регистратор колебание
Расчет электрических иконструктивных параметров включает в себя расчет диаметров монтажных ипереходных отверстий, контактных площадок, ширины печатного проводника ипадения напряжения на печатном проводнике.
При компоновкерадиоэлектронной аппаратуры должны быть учтены требования оптимальныхфункциональных связей между модулями, их устойчивость и стабильность,требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального тепловогорежима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта.
Также необходимоучитывать дополнительные требования: длина печатных проводников должна бытьминимальна; количество пересечений печатных проводников должно быть минимально.
Диаметр монтажногоотверстия рассчитывается по формуле
dотв > dв + ∆ + 2hг + δд ,
где dв — диаметр вывода элемента, мм;
∆ — зазор междувыводом и монтажным отверстием, мм;
2hг — толщина гальванически наращенной меди, мм;
δд — погрешность диаметра отверстия.
Диаметр монтажногоотверстия для КР140УД1208
dотв = 0,3 + 0,5 + 0,05 = 0,85 мм
Диаметр монтажногоотверстия для К561ЛЕ5
dотв = 0,35 + 0,5 + 0,05 = 0,9 мм
Диаметр монтажногоотверстия для К176ИЕ1
dотв = 0,5 + 0,5 + 0,05 = 1,05 мм
Диаметр монтажногоотверстия для К561ИЕ16
dотв = 0,3 + 0,5 + 0,05 = 0,85 мм
Диаметр монтажногоотверстия для KC106A
dотв = 0,3 + 0,5 + 0,05 = 0,85 мм
Диаметр монтажногоотверстия для МЛТ (0,125)
dотв = 0,3 + 0,5 + 0,05 = 0,85 мм
Диаметр монтажногоотверстия для K50 – 16
dотв = 0,5 + 0,5 + 0,05 = 1,05 мм
Диаметр контактнойплощадки рассчитывается по формуле
dкп = dотв + 2b + c,
где dотв – диаметр монтажного отверстия;
b – минимально необходимая радиальнаяширина кольца, мм
с – технологическийкоэффициент погрешности производства, мм.
диаметр контактнойплощадки для КР140УД1208
dкп = 0,85 + 1,1 + 0,1 =2,05 мм
диаметр контактнойплощадки для К561ЛЕ5
dкп = 0,9 + 1,1 + 0,1 = 2,1 мм
диаметр контактнойплощадки для К176ИЕ1
dкп = 0,5 +1,1 + 0,1 = 1,7 мм
диаметр контактнойплощадки для К561ИЕ16
dкп = 0,85 + 1,1 + 0,1 = 2,05 мм
диаметр контактнойплощадки для КС106А
dкп = 0,85 + 1,1 +0,1 = 2,05 мм
диаметр контактнойплощадки для МЛТ (0,125)
dкп = 0,85 + 1,1 +0,1 = 2,05 мм
диаметр контактнойплощадки для K50 – 16
dкп = 1,05 + 1,1 +0,1 = 2,25 мм
Площадь печатной платырассчитывается по формуле
S = Sобщ * К + Sвсп.з,
где Sобщ – общая площадь установленных наплате элементов, мм;
К – коэффициент площадиразмещения элементов;
Sвсп.з – площадь вспомогательных зон.
В соответствии срасчетным разделом площадь платы принимаем равной
S п.п. = 1758 * 2 + 6 = 3522 мм2.
В соответствии с ГОСТ1037 – 79 выбираем линейный размер 85 × 62.
4.2 Расчетнадежности
Расчет надежностивыполняется на этапе технического проекта, когда основные схемотехнические иконструктивные проблемы решены, но имеется возможность изменить режим работыэлементов. Расчеты выполняются для периода нормальной эксплуатации, когдаинтенсивность отказов постоянна и отказы являются случайными и независимыми.
Порядок расчетанадежности:
— элементы системыразбить на группы с одинаковыми интенсивностями отказов;
— посчитать числоэлементов в каждой группе;
— выписать из справочниказначение l0i;
— определить коэффициентырежимов в зависимости от коэффициентов нагрузки и температуры;
— рассчитать значение lЭi с учетом коэффициентов;
— рассчитать значение lЭi • Ni;
— рассчитатьинтенсивность отказов всей системы lС;
— рассчитать среднююнаработку до первого отказа tcp;
— рассчитать вероятностьбезотказной работы P(t);
— построить графиквероятности безотказной работы. Расчет интенсивности отказа каждой группы ЭРЭпроизводим по формуле
lЭ=l0*Кэ*Кр
где l0 — интенсивность отказов группы ЭРЭбез учета коэффициентов; Кэ — коэффициент эксплуатации; Кр — коэффициентрежима.
Расчет интенсивностиотказа каждой группы ИМС производим по формуле:
lЭ=l0*Кэ*Ксл
где l0 — интенсивность отказов группы ИМС без учетакоэффициентов;
Кэ — коэффициент эксплуатации;
Ксл-коэффициент режима. Расчет интенсивности отказов всей системы производим поформуле:
/>
где lэi — интенсивность отказов группы с учетом коэффициентов;
Ni – количество элементов в группе.Расчет средней наработки до первого отказа проводим по формуле:
tcp= l / l*c.
Таблица 1. Расчетнадежности.№ гр. Обозначение элементов
Наименование
элементов Кол. Ni
l0*106
1/ч Режимы работы
lэ 106
1/ч
lэi Ni 106
1/ч t°C
Кн
Кэ
Кр
Ксл 1 DA1 КР140УД1208 1 0,4 30 0,3 2,3 - 1,5 0,92 0,92 2 DD1- DD3 К561ЛЕ5 3 0,5 30 0,3 2,3 - 1,5 1,15 3,45 3 DD4 К176ИЕ1 1 0,5 30 0,3 2,3 - 1,5 1,15 1,15 4 DD5 К561ИЕ16 1 0,5 30 0,3 2,3 - 1,5 1,15 1,15 5 VD1 КС106А 1 2 30 0,3 2,3 0,25 - 1,15 1,15 6 R1…R16 МЛТ 16 0,06 30 0,3 2,3 0,35 - 0,048 0,7728 7 С1…С6 К50-16 6 0,5 30 0,3 2,3 0,6 - 0,69 4,14 Пайка - 126 0,01 30 0,3 2,3 - - 0,01 1,26
К = 13 – интенсивностьотказов 1,26
lс = 13*10-6 1/ч
Тс = 1/lс = 1/(13/10-6)=76923
Таблица 2. Расчет P(t)t 7432 14665 28776 40350 60155 76923 P(t) 1 0,913 0,833 0,6948 0,594 0,4584 0,368
График вероятностибезотказной работы.
/>
5. Технологическийраздел
5.1 Технологияповерхностного монтажа
Развитиеммонтажно-сборочных работ на ПП является переход от монтажа компонентов свыводами в отверстия к поверхностному монтажу безвыводных компонентов вмикрокорпусах или компонентов с планарными выводами. Его преимущества посравнению с традиционным методом сводятся к следующим:
— снижение затрат на изготовлениеПП из-за устранения операций сверления монтажных отверстий, их очистки,металлизации и контроля;
— исключение такихподготовительных операций при сборке, как выпрямление, формовка выводов;
— повышение надежностимежсоединений;
Внедрение поверхностногомонтажа связано с переводом всей элементной базы на новый вид исполнения,повышением требований к ПП, разработкой новых ТП и созданием необходимогоколичества производительного оборудования.
Групповые методы сборки имонтажа (пайка погружением).
Групповые методы сборки имонтажа разрабатываются для определенной совокупности сборочных единиц, имеющиходинаковые условия сборки, число точек крепления и характеризующихся общностьюприменяемых средств механизации и автоматизации. Разработка группового ТП восновном сводится к проектированию групповой техологической оснастки, созданиюналадок для каждого изделия, входящего в классификационную группу, иустановлению оптимальной последовательности запуска партий на сборку.
Групповые методы сборки имонтажа наиболее эффективны в условиях мелкосерийного и единичногопроизводства. Они позволяют сократить число разрабатываемых процессов, внедритьвысокопроизводительную автоматизированную технологическую оснастку иоборудование, сконцентрировать технологически однородные работы и применитьгрупповые проточные многопредметные линии сборки.
Пайкой называется процесссоединения металлов твердом состоянии путем введения в зазор расплавленногоприпоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкуюметаллическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяногошва. Паяные электрические соединения широко применяют при монтаже электроннойаппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления,универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта. Однако этомуметоду присущи и существенные недостатки: высокая стоимость используемыхцветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур,коррозийная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ. Одним израспространенных методов групповой пайки является пайка погружением. Прииспользовании этого вида пайки элементы на 2…4 секунды погружаются врасплавленный припой на глубину 0,4…0,6 ее толщины, что приводит к капиллярномутечению припоя и заполнению им монтажных отверстий. Одновременное воздействиетемпературы на всю поверхность платы приводит к ее перегреву и термоудару. Этовызывает повышенное коробление ПП, что ограничивает их максимальный размер 150 мм с соотношением сторон 1: 2. чтобы ограничить зону действия припоя на плату с монтажнойстороны наносят специальную защитную маску, в которой предусмотрена отверстияпод контактные площадки. С этой же целью температуру пайки выбирают болеенизкой, что также уменьшает потери припоя в процессе окисления. Продуктыокисления скапливаются на поверхности, и перед каждой пайкой их удаляютметаллическим скребком.
Наиболее совершеннымспособом реализации пайки погружением является пайка протягиванием, при которойПП укладывается в держатель под углом около 5°, погружается в ванну ипротягивается по зеркалу припоя. Впереди держателя имеется закрепленныйскребок, который очищает поверхность зеркала. Создаются благоприятные условиядля удаления флюса и излишков припоя. Время пайки протягиванием увеличиваетсядо 10 секунд.
Высокое качество пайкиобеспечивает способ погружения платы в заполненную сеткой ванну, котораяпревращается в капиллярный питатель. При соприкосновении платы с сеткой припойвыдавливается через ее ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит взазор между выводами и металлизированными отверстиями. При обратном движенииванны избыток припоя затягивается капиллярами сеточного набора, чтопредотвращает образование сосулек. Различие в длине выводов не сказывается накачестве пайки из-за гибкости сетки.
Заключение
Выполнение курсовогопроекта было проведено без отклонения от задания. Составлено описание схемыэлектрической принципиальной. Были приведены конструктивные особенности типовыхэлементов, сформулированы требования к проектированию печатной платы и рассчитаныплощадь и габаритные размеры сторон печатной платы.
В расчетном разделепроделан расчет электрических и конструктивных параметров элементов печатнойплаты. Значение электрических параметров соответствуют ГОСТ 23751-86. Так жебыл произведен расчет технологичности и надёжности конструкции.
В курсовом проекте былразработан чертеж печатной платы, сборочный чертеж, составлена спецификация иразработана схема электрическая принципиальная.
Литература
1) ГОСТ 2.105-95.Общие требования к текстовым документам.
2) ГОСТ 10317-79.Платы печатные. Основные размеры.
3) ГОСТ 3.1104-81.Общие требования к технологическим документам.
4) ГОСТ 23751-86.Платы печатные. Основные параметры конструкции.
5) ГОСТ 2.417-91.Платы печатные. Правила выполнения чертежей.
6) Полупроводниковыеприборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А. В. Баюков,А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. – М.:Энэргоатомиздат, 1985г.
7) Резисторы:Справочник / В. В. Дубровский, Д. Н. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др.; Под ред.В. И. Четверткова и В. М. Терехова. – М.: Радио и связь, 1991г.
8) А. П. НенашевКонструирование радио электрических средств: Учеб. для радиотехнич. спец.вузов. – М.: В ысшая школа, 1990г
9) Янишн А.А.Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. ЭВА Учебноепособие для Вузов М,: Радио и связь 1983 г.