4. Конструкторские расчёты

4.1 Расчет электрических параметров печатной платы

Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где I_max - максимальный постоянный ток, протекающий в проводнике:

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина проводника, мм,

Минимальная ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где  - удельное сопротивление, Оммм²/м;

l - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В;

.

Значения минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления b_min1 и минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем b_min2 не должны быть меньше рассчитанных значений. Исходя из технических особенностей производства плат по 4 классу точности, выбираем ширину проводника равную 0,15 мм. Это значение больше чем b_min1 и b_min2.

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты работы схемы, т.е. влиянием паразитных емкостей и индуктивностей проводников можно пренебречь.

4.2 Расчёт печатного монтажа

Двухсторонняя печатная плата размером 8080 выполнена комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита фольгированного СФ-2Н-50Г-1.5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности.

- толщина платы, мм 1.5;

- максимальный ток, протекающий в проводнике, I_max, А 0,038;

- толщина фольги h,мм 0.05;

- допустимая плотность тока i_доп, А/мм² 38;

- допустимое падение напряжения на проводнике U_доп, В 0.25;

- удельное сопротивление печатного проводника ,Оммм²/м 0.0175;

- максимальная длина печатного проводника l, м 0.08;

- шаг координатной сетки, мм 1.25.

Основные конструктивные параметры печатных плат для четвертого класса точности

(ГОСТ 23751-86):

- минимальное значение номинальной

ширины проводника t_1min, мм 0.15;

- номинальное расстояние между проводниками S, мм 0.15;

- допуск на ширину проводника без покрытия t, мм ±0.03;

- допуск на расположение отверстий d, мм 0.05;

- допуск на расположение контактных площадок p, мм 0.15;

- допуск на отверстие d, мм ;

- допуск на расположение проводников на ДПП l, мм 0.03;

- гарантийный поясок b_м, мм 0.05.

4.2 Конструктивно-технологический расчёт

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Рассчитаем переходное металлизированное отверстие:

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьший. Однако в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы:

,

где Н_р - расчетная толщина печатной платы;

v - коэффициент, характеризующий отношение диаметра

отверстия к толщине пластины. [1, ст. 48]

Выбираем диаметр переходного отверстия из предпочтительного ряда :

= 0,8 мм.

Рассчитаем металлизированное отверстие под элементы для основного модуля:

Номинальное значение диаметров металлизированных отверстий:

Д = Д_выв+_з,

где Д _выв - диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

з - разница между минимальным диаметром ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1...0,15 мм.

Отверстия для выводов микросхем Д_выв= 0,5мм:

Д₁ = 0,5 + 0,15 = 0,65 мм;

Отверстия для выводов резисторов МЛТ-0.125, конденсаторов КМ-6, при Д_выв=0.6 мм:

Д₂ = 0,6 + 0,15= 0,75 мм;

Отверстия для выводов транзисторов КТ315Б при Д_выв= 0,95 мм:

Д₃ = 0,95 + 0,15 = 1,1 мм.

Выбираем диаметры металлизированных отверстий под элементы из предпочтительного ряда :

= 0,8 мм, =1,3мм,= 0,8 мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

Д _0max = Д + d + (0,1...0,15),

где d - допуск на отверстие, мм;

Д _0max1 = 0.8 + 0.05 + 0.1 = 0.95 мм;

Д _0max2 = 1,3 + 0.1 + 0.1 = 1,5 мм;

Минимальный диаметр контактной площадки для оплавляемого покрытия олово-свинец:

;

где b_м - гарантийный поясок, мм;

d и p - допуски на расположение отверстий контактных площадок, мм;

;

.

Максимальный диаметр контактной площадки:

Д_max = Д_min + (0,02 ... 0,06);

Д_max1 = 1,525 + 0.02 = 1,545 мм;

Д_max2 = 2,075 + 0.02 = 2,095 мм;

Выбираем диаметры контактных площадок из предпочтительного ряда :

Д_max1 = 1,6 мм, Д_max2 = 2,1 мм.

Определяем минимальную ширину проводника для сигналов:

t_min = t_{1 min} + 1.5h + t;

где t_min - минимальное значение номинальной ширины проводника, мм;

t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min = 0.15 + 1.50.05 + 0.05 = 0.275 мм.

Максимальная ширина проводника:

t_max = t_min + (0,02...0,06);

t_max = 0,275 + 0,03 = 0.305 мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

;

где L_э - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

l - допуск на расположение проводника, мм;

Результаты расчета показывают, что на расстоянии 1,25 мм можно провести проводник, шириной 0,305 мм около контактной площадки, диаметром 1,6 мм. Для контактной площадки диаметром 2,1 мм расстояние должно быть больше или равно 2,5 мм.

Минимальное расстояние между проводниками:

S_min = L_э – (t_max + 2 l) = 1,25 – (0,305 +20,03) = 0.885 мм;

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

1) ;

2) ;

В результате расчета мы определили минимальные и максимальные диаметры контактных площадок, определили эффективную ширину проводника, минимальные расстояния между элементами проводящего рисунка, что позволяет правильно сконструировать плату в соответствии с четвертым классом точности печатных плат. [1, стр. 48]

На основании расчетов выполним трассировку.

Расчет электрических параметров платы не приводится, так как устройство работает на низкой частоте.

4.3 Расчет теплового режима

Модуль электронной аппаратуры второго уровня и выше, например блок, представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета.

1’, 2’, 3’ – для вертикаль­ного расположения бло­ков;

1, 2, 3 – для горизон­тального расположения блоков;

1, 1’ – без вентиляции;

2, 2’ – естественная вен­тиляция;

3, 3’ – принудительная вентиляция.

Рисунок 2 - График приближенного определения необходимого способа охлаждения прибора

Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_o и рассеиваемую тепловую мощность Р_о. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 3 приведены зависимость между перепадом температур t_k и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны S_з, м² для воздушного охлаждения

S_з=2(AB+(A+B)HК_з.о);

где a,b,h – геометрические размеры блока, м:

A=0,155 м; B=0,125 м; H=0,060 м.

К_з.о – коэффициент заполнения объема (К_з.о = 0,50).

Тогда, получим

S_з = 2(0,1550,125+(0,155+0,125)0,0600,50) = 0,0555 м².

Определим удельную мощность нагретой зоны q₃, Вт/м², как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади:

q₃=Q/S₃,

где Q – мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле:

Q = I_maxU, где I_max – максимальный потребляемый ток для цепи питания с напряжением питания U=5 В: I_max=0,038 А;

Тогда, получим

Q=0,0385=0,19 Вт. q_з=0,19 / 0,0555=3,423 Вт/м².

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Если устройство работает в не перегруженном режиме, тогда температура зоны должна быть меньше или равна Т_з=90 ⁰С. Нормальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=20 ⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле

t_k =Т_з-Т_с = 90-20 = 70 ⁰С.

Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 2). Учитывая, что в проектируемом устройстве модуль расположен горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 1, следовательно, устройству достаточно естественной вентиляции и дополнительная вентиляция не требуется.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим работы при естественной конвекции воздуха, т.е. отпадает необходимость использования специальных методов охлаждения. В устройстве по электрической принципиальной схеме УИТС.425151. Э3 нет теплонагруженных элементов

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта было разработано устройство - переключатель трех гирлянд.

В ходе курсового проектирования была разработана конструкция прибора, во время работы был проведен анализ электрической схемы и элементной базы. Проведен расчет основных компоновочных и конструкторских характеристик устройства с соблюдением всех требований пунктов технического задания. Также была разработана техническая и конструкторская документация на переключатель трех гирлянд.

Список литературы

1. Школа академика Власова: выпуск 1. Сборник методических трудов кафедры «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления. Под ред. Власова В. В. - М.: «Буркин», 1998.

2. Фомина Н. Н. Разработка конструкции печатных плат. Методические указания к выполнению практической работы по дисциплине «Конструкторско-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». - Саратов, 1995.

3. Рациональный выбор несущих конструкций. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Фомина Н. Н. - Саратов, Издательство Ротапринт СГТУ, 1999.

4. Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, -1989.

5. Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. техникумов. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: «Высшая школа», 1985.

6. Оформление спецификаций. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Фомина Н. Н. - Саратов, Издательство Ротапринт СГТУ, -1998.

7. Расчет электрических параметров печатных плат. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Фомина Н. Н. - Саратов, Издательство

Ротапринт СГТУ, -1998.

8. Разработка и расчет устройств радиоэлектронной аппаратуры. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Фомина Н. Н. -Саратов, Издательство Ротапринт СГТУ, -1998.