1. Конструкторские расчеты

1. Расчет печатного монтажа

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате, равен 1 мм (резистор R13), то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

Для конструкции модуля используются двусторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10317-79.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

1. Конструктивно – технологический расчет элементов конструкции пп.

Исходные данные:

1) плата печатная двухсторонняя;

2) метод изготовления - комбинированный позитивный;

3) линейные размеры платы, мм 1001001,5;

4) материал – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 в.с. ГОСТ 10316 – 78;

5) толщина фольги h, мм 0,050;

6) допустимая плотность тока j_доп, А/мм² 38;

7) удельное сопротивление ,Оммм²/м 0,0175;

8) максимальная длина печатного проводника L, м 0,09;

9) расстояние между выводами микросхем, мм 2,5;

10) класс точности 4.

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 с покрытием t, мм 0,05;

-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 расположение проводников на ДПП _L, мм 0,03;

-допуск на отверстие d, мм 0,05;

-гарантийный поясок b_м, мм 0,05.

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

(15)

где I_max - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике, А;

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина проводника, мм.

Максимальный постоянный ток I_max, протекающий в проводнике равен 0,06 А. Тогда, получим,

(16)

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

(17)

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

L - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В.

Допустимое падение напряжения должно составлять не более 5% от напряжения питания, поэтому принимаем:

U_доп = 0,055=0,25 В (18)

Тогда,

(19)

4.2.2 Конструктивно-технологический расчет. Номинальное значение диаметров монтажных отверстий :

Д=Д_выв+d_н.о.+_з, (20)

где Д_выв – диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

d_н.о. – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм;

_з – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1..0,4 мм. Для 4 класса точности ПП принимаем з=0,1.

Вычислим значение диаметра монтажных отверстий для выводов, диаметром 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 и 1 мм:

Д₁=0,4+0,1+0,1=0,6 мм;

Д₂=0,5+0,1+0,1=0,7 мм;

Д₃=0,6+0,1+0,1=0,8 мм;

Д₄=0,7+0,1+0,1=0,9 мм;

Д₅=0,8+0,1+0,1=1 мм.

Д₆=0,9+0,1+0,1=1,1 мм.

Д₇=1+0,1+0,1=1,2 мм.

Полученные значения диаметров монтажных отверстий необходимо округлить по ГОСТ 23751-86. Тогда, с учетом требования минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий, получим следующий набор диаметров, мм – 0,8; 1; 1,2.

Диаметр металлизированных переходных отверстий находим из следующего условия :

Д_Мmin  H, (21)

где Н – толщина платы (Н=1,5 мм);

 – отношение диаметра отверстия, к толщине платы. Для печатных плат 4 класса точности =0,33.

Тогда,

Д_Мmin  1,50,33 =0,5 мм. (22)

С учетом требования минимизации количества различных отверстий, принимаем Д_Мmin = 0,8 мм.

Определим минимальный диаметр контактных площадок. Для покрытия олово – свинец минимальный диаметр контактных площадок будет вычисляться по формуле

, (23) где b_м - гарантийный поясок, мм;

_d и _p - допуски на расположение отверстий контактных площадок, мм;

h_г – толщина гальванической меди (h_г=0,05 мм);

Д _0max - максимальный диаметр просверленного отверстия:

Д_0max=Д+d+(0,1..0,15), (24)

где d - допуск на отверстие, мм.

Максимальный диаметр контактной площадки :

Д_max=Д_min+(0,02..0,06); (25)

Проведем расчет

Результаты расчетов сведены в таблице 3. Рассчитанные диаметры отверстий выбраны из ряда предпочтительных размеров.

Таблица 3 - Диаметры отверстий и контактных площадок.

Двыв, мм	Д, мм	Д0max, мм	Дmin, мм	Дmax, мм
0,4; 0,5; 0,6	0,8	1	1,52	1,6
0,7; 0,8	1	1,2	1,72	1,8
0,9; 1	1,2	1,4	1,92	2

Диаметр просверленного отверстия:

, (26)

где Д₀ =2,5мм –диаметр винта;

Δd =0,1мм для Д₀ >1мм – допуск на отверстие;

Минимальная ширина сигнального проводника:

t_min=t_{1 min}+1,5h_г+t, (27)

где t_min - минимальная эффективная ширина проводника (0,15 мм);

t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min=0,15+1,50,05+0,05=0,28 мм

Максимальная ширина проводника:

t_max=t_min+(0,02..0,06); (28)

t_max=0,28+0,02=0,3 мм.

Для цепей питания и «земли» ширина проводника равна:

t_max=1,5 мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

, (29)

где L₃ - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

_L - допуск на расположение проводника, мм.

Найдем некоторые критические расстояния и сведем в таблицу 4.

Таблица 4 – Критические расстояния между контактной площадкой и проводником

LЭ, мм	Дmax, мм	tmax, мм	S1min, мм
1,25	1,6	0,3	0,12
1,25	1,8	0,3	0,045
1,25	1,6	1,5	-0,45
2,5	2	1,5	0,595

Таким образом, на расстоянии 1,25 мм можно только провести проводник, шириной 0,3 мм около контактной площадки, диаметром 1,6 мм. Для остальных проводников и контактных площадок расстояние должно быть больше или равно 2,5 мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками равно:

, (30)

где t_max1, t_max2 – максимальные ширина первого и второго проводника соответственно.

Найдем некоторые критические расстояния и сведем в таблицу 5.

Таблица 5 – Критические расстояния между двумя проводниками

L3, мм	tmax1, мм	tmax2, мм	S2min, мм
1,25	0,3	0,3	0,89
1,25	0,3	1,5	0,29
2,5	1,5	1,5	0,94

Таким образом, на расстоянии 1,25 мм могут быть проведены два проводника шириной по 0,3 мм и два проводника, ширина одного из которых равна 0,3 мм, а ширина другого – 1,5 мм. Два проводника шириной 1,5 мм могут быть проведены только на расстоянии больше или равно 2,5 мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

, (31)

(32)

Найдем некоторые критические расстояния и сведем в таблицу 6.

Таблица 6 – Критические расстояния между контактными площадками

L3, мм	Дmax1, мм	Дmax2, мм	S3min, мм
1.25	1,6	1,6	-0,6
2,5	1,6	1,6	0,6
2,5	1,6	1,8	0,5
2,5	1,8	2	0,3
2,5	2	2	0,2

Таким образом, на расстоянии 2,5 мм могут находиться любые контактные площадки.

Вывод.

Таким образом, из результатов расчета получаем условия расположения проводников, контактных площадок и переходных металлизированных отверстий на печатной плате.

4.2.4 Расчет электрических параметров.

Сопротивление печатного проводника.

(33)

- сопротивление проводника из однородного материала

Ом

- эффективная глубина проникновения (34)

Сопротивление печатного проводника на высоких частотах

(35)

Сопротивление плоского медного проводника на высоких частотах

(36)

Ом

Допустимая токовая нагрузка

Сечение проводника шириной 0,3 мм, толщиной 50 мкм будет 0,015 мм² , а плотность тока при 20С равна 1,7А/мм; при 30С – равна 2А/мм.

Следовательно плотность тока меньше допустимой.

Расчет по переменному току.

Определяем взаимные емкости С и индуктивности L линий связи для заданного типа электрических соединений.

Паразитная емкость, возникающая между параллельными проводниками на печатной плате при b₁ = b₂=1,5мм:

(37)

где ε=1 – диэлектрическая проницаемость среды;

l=0,09 м – длина проводника;

h=0,05 мм – толщина проводника;

а=33,5 мм – зазор между проводниками.

, (38)

, (39)

, (40)

При b₁ = b₂=0.3мм

а=1,25мм

l=10 мм

, (41)

,

Вывод: Из проведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в техническом задании, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования, т.к. действие помехи не приведет к нарушению работоспособности модуля.