3 Разработка конструкции рэу

При разработке конструкции устройства были учтены требования, приведенные в разделе «Расширенное техническое задание». Объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭУ.

Рассмотрим два варианта компоновки блока. Первый вариант компоновки приведен на рисунке 1. Второй вариант компоновки приведен на рисунке 2.

Рисунок 1 – Первый вариант компоновки устройства

Рисунок 2 – Второй вариант компоновки устройства

Для выбора компоновки блока реле времени фотолюбителя рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением печатной платы, органов коммутации, управления и индикации (рисунок 1, рисунок 2).

Рациональная форма блока определяется по трем параметрам [6, с.4]:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

3.1 Определение габаритных размеров блоков двух вариантов компоновки.

Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) сравниваемых вариантов блоков. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (печатная плата реле времени, печатная плата управления нагрузкой, разъема для подключения к блоку питания, разъем для подключения нагрузки, органы индикации и звуковой сигнализации, переключатели различного типа).

Для определения объема основной печатной платы реле времени найдем ее размеры. На основе таблицы 2 пункта 2.3 определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади ПП

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (50100, 6080, 6090, 8080,) и был выбран следующий: 6090 мм по ОСТ4.010.020-83. [3, с. 19]

Для определения объема печатной платы реле времени необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина основания ПП. Для данной ПП она равна 13 мм. Тогда

V_пп1 = 60·90·13 = 70,2·10³ мм³

Для определения объема печатной платы управления нагрузкой найдем ее размеры. На основе таблицы 3 пункта 2.3 определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади ПП

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (22,560, 3040, 3050, 4040,) и был выбран следующий: 3050 мм по ГОСТ 10317-79. [3, с. 19]

Для определения объема печатной платы реле времени необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина основания ПП. Для данной ПП она равна 13 мм. Тогда

V_пп2 = 30·50·40 = 60,0·10³ мм³

Определим объемы внутреннего оборудования (внутренние размеры):

- кнопка типа П2К-2 (SB1 и SB2)

V_КН = 12·18·34 = 7,34·10³ мм³;

- переключатель типа П2К-2 (SA4)

V_ПЕР = 14·18·34 = 8,57·10³ мм³;

• светоизлучающий диод АЛ307Б (HL1)

V_СВД = 6·6·10 = 0,36·10³ мм³;

• галетный переключатель тина ПГ2 (SA1, SA2, SA3)

V_ГАЛ = 20·23·23 = 9,2·10³ мм³;

• пьезоэлектрический излучатель ТМ-2А (BF1)

V_ИЗЛ = 27·27·15 = 10,9·10³ мм³;

• разъем для подключения к блоку питания 9 В (XS1)

V_РАЗ9В = 13·13·20 = 3,38·10³ мм³;

• разъем для подключения нагрузки (XS2)

V_Р220В = 36·36·27 = 34,99·10³ мм³;

• проводной монтаж

V_ПРОВ = 35·100·1 = 3,5·10³ мм³.

Определяем габаритные размеры блоков обоих вариантов в зависимости от расположения печатной платы реле времени. В первом варианте печатная плата расположена вертикально (рисунок 1). Органы управления расположены на передней стенке устройства. С учетом этого и зазорами между печатной платой, всех органов управления и разъемов, светодиода и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры первого варианта блока: длина A₁=110 мм, ширина B₁=100 мм и высота H₁=70 мм.

Во втором варианте печатная плата расположена горизонтально (рисунок 2). Органы управления расположены на верхней крышке устройства. С учетом этого и зазорами между печатной платой, всех органов управления и разъемов, светодиода и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры второго варианта блока: длина A₂=100 мм, ширина B₂=100 мм и высота H₂=60 мм.

3.2 Сравнение выбранных двух вариантов компоновки блоков.

Определяем полный объем первого (рисунок 1) и второго (рисунок 2) вариантов

V₁ = A₁·B₁·H₁=110·100·70 = 770·10³ мм³;

V₂ = A₂·B₂·H₂=100·100·60 = 600·10³ мм³

Площади поверхностей вариантов компоновки блока

S₁ = 2·(A₁·B₁+B₁·H₁+A₁·H₁)= 2·(110·100+110·70+100·70)=51,4·10³ мм²;

S₂ = 2·(A₂·B₂+B₂·H₂+A₂·H₂)= 2·(100·100+100·60+100·60)=44·10³ мм²

1. Приведенная площадь наружной поверхности [6, с. 4]

2. Коэффициент приведенных площадей [6, страница 4]

где S_пр.ш - приведенная площадь шара

где d - диаметр шара, мм.

Для блока, выполненного в форме шара, диаметр равен максимальной стороне блока, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда, т.е. для первого варианта d₁=110 мм, для второго варианта d₂=100 мм. Тогда

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен

оба варианта блока равны по площади наружной поверхности.

3) Коэффициент заполнения объема.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой (печатная плата реле времени, печатная плата управления нагрузкой, две кнопки типа П2К, переключатель типа П2К, светодиод, три галетных переключателя, пьезоэлектрический излучатель, разъем для подключения к блоку питания, разъем для нагрузки)

V_а=V_ПП1+V_ПП2+2V_КН+V_ПЕР+V_СВД+3V_ГАЛ+V_ИЗЛ+V_РАЗ9В+V_Р220В+V_ПРОВ=

= (70,2+60+27,34+8,57+0,36+39,2+10,9+3,38+34,99+3,5)10³ =

= 234,18·10³ мм³

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

;

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока (рисунок 2) больше, чем для первого варианта (рисунок 1). Следовательно, во втором случае объем используется более эффективно.

Вывод. По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран второй вариант компоновки блока реле времени (рисунок 2), так как его объем используется наиболее эффективно.

3.3 Выбор типа электрического монтажа.

В проектируемом приборе реле времени фотолюбителя применяются два типа монтажа – печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально-законченные узлы – печатные платы реле времени. Объемный монтаж необходим для соединения функционально-законченного узла печатной платы с разъемами, органами индикации и управления.

1) Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий. Из требований по условиям эксплуатации, записанных в техническом задании следует, что нет необходимости в применении специальных способов защиты устройства от климатических факторов, вибрации и помехонесущих полей. Частичную герметизацию осуществляет корпус устройства.

2) Выбор конструктивных элементов электрического монтажа. В конструкции устройства применяется печатный и объемный монтаж. Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76 и флюс ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200.

Компоновка печатной платы выполнена с учетом автоматизации ее изготовления. Установка элементов выполнена в соответствии с ГОСТ 10317-76.

3) Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий. Данные по применяемым покрытиям внесены в таблице 3.

Таблица 3 - Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы	Материал детали, сборочной единицы	Лакокрасочное покрытие
Основание	Фенопласт 02-010-02 ГОСТ 5689-79	—
Лицевая панель	Фенопласт 02-010-02 ГОСТ 5689-79	—
Печатная плата П1	Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5	Лак УР-231 Бесцветный

Выводы. Во время работы был проведен анализ существующих аналогов, технического задания, электрической схемы и элементной базы. Были проведены расчет основных компоновочных параметров реле времени с соблюдением всех требований пунктов технического задания, разработана техническая и конструкторская документация на реле времени фотолюбителя.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Расчет печатного монтажа

1) Расчет по постоянному току. Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 10% от питающего напряжения U_доп, В

U_доп = U0,1 = 90,1 = 0,9.

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления b_min1, мм

Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем b_min1, мм

,

где  - удельное объемное сопротивление материала проводника, Оммм²/м. Для меди =0,0175 Оммм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2,. Выбираем ширину проводников питания и заземления равную b=1,5 мм.

2) Расчет по переменному току. Данный расчет проводить нецелесообразно из-за малой частоты работы устройства (32768 Гц – рабочая частота задающего генератора сети).

3) Конструктивно-технологический расчет. 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.

Определяем максимальный диаметр просверленных отверстий выводов ЭРЭ для ПП реле времени D_o.max, мм

D_o.max1 = D_выв1+d+0,1=0,5+0,1+0,1 = 0,7;

D_o.max2 = D_выв2+d+0,1=0,7+0,1+0,1 = 0,9;

D_o.max3 = D_выв3+d+0,1=1,0+0,1+0,1 = 1,2,

где d – допуск на диаметр отверстия.

Полученные значения диаметров монтажных отверстий необходимо округлить по ГОСТ 23751-86. Тогда, с учетом требования минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий [3, с.8], получим следующий набор диаметров, мм – 0,8, 1,0 и 1,3.

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

D_M  H_Рv = 1,50,33 = 0,495 мм,

где H_Р – расчетная толщина печатной платы;

v – коэффициент, зависящий от состава электролита.

Так как число отверстий с различным диаметром должно быть минимальным, то принимаем диаметр переходного отверстия равным

D_M=D_o.max1=0,7 мм;

Определяем диаметры контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактных площадок D_min, мм

мм;

мм;

мм,

где b_M – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

_d, _P – допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм.

Минимальный диаметр контактных площадок, при покрытии олово-свинец D_п.min, мм

D_п.min1 = D_min1+1,5h_r = 1,3+1,50,05 = 1,375 мм;

D_п.min2 = D_min2+1,5h_r = 1,5+1,50,05 = 1,575 мм;

D_п.min3 = D_min2+1,5h_r = 1,8+1,50,05 = 1,875 мм,

где h_r – толщина металлорезиста, мм.

Максимальный диаметр контактных площадок отверстий D_max3, мм

D_max1 = D_п.min1+0,05 = 1,375+0,05 = 1,425 мм;

D_max2 = D_п.min2+0,05 = 1,575+0,05 = 1,625 мм;

D_max3 = D_п.min2+0,05 = 1,875+0,05 = 1,925 мм.

Округляем максимальный диаметр контактных площадок до значений равных: D_max1=1,5 мм, D_max2=1,7 мм и D_max3=2,0 мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника t_min, мм

t_min = t_min1+1,5h+t = 0,15+1,50,05+0,03 = 0,255 мм,

где t – допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 – минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальванической стойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника t_max, мм

t_max= t_min+0,02=0,275 мм.

Округляем максимальную ширину сигнального проводника до значения равного t_max=0,3 мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа S_min1, мм

мм;

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа S_2min1, мм

мм;

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа S_3min1, мм

мм

где L_Э – расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

₁ – допуск на расположение проводников, мм.

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками S_min2

S_min2 = L_Э –(t_max+2₁) = 1,25-(0,3+20,03) = 0,89 мм.

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником S_min3, мм

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками первого типа S_min4, мм

S_1min4 = L_Э –(D_max2+2_P) = 2,5-(1,5+20,15) = 0,7 мм;

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками второго типа S_2min4, мм

S_2min4 = L_Э –(D_max2+2_P) = 2,5-(1,6+20,15) = 0,5 мм;

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками третьего типа S_3min4, мм

S_3min4 = L_Э –(D_max2+2_P) = 2,5-(2,0+20,15) = 0,2 мм;

Вывод. Таким образом, из результатов расчета получаем, что расстояния между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимых и параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам четвертого класса точности изготовления.