Скачиваний:
35
Добавлен:
21.02.2014
Размер:
147.46 Кб
Скачать

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЁТЫ

4.1 Расчет печатного монтажа

Для соединения элементов электрической схемы данного устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая наличие интегральных схем и высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86, выбираем 4 класс точности.

Для конструкции модуля используется двусторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления ПП – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78. Толщина ПП-1,5 мм.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции ПП в соответствии с ГОСТ 23751-86. Размер печатной платы (ПП2) в соответствии с ГОСТ 23751-86 равен 70110. Метод изготовления ПП – комбинированный, позитивный, по четвертому классу точности.

Исходные данные:

- расчетная толщина печатной платы Нр, мм 1,5;

- толщина фольги, h, мм 0,05;

- диаметры вывод

Двыв1(микросхемы, транзистор, резистор) 0,5;

Двыв1(диоды) 0,7;

Двыв1(конденсаторы) 0,9;

- максимальный постоянный ток Imax,А 0,02;

- напряжение питания U, В ±5 В;

- допустимая плотность тока Iдоп, А/мм2 38;

- наибольшая длина проводника, м 0,25.

При проведении расчета будут использованы коэффициенты, допуски, параметры, которые соответствуют четвертому классу точности изготовления двусторонних ПП по ГОСТ 23751-86.

4.1.1 Р а с ч е т п о п о с т о я н н о м у т о к у Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения.

Uдоп=U*0,05=5*0,05=0,25 В

Определим минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

(29)

Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем:

(30)

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 bmin1 и bmin2. Поэтому ширина проводников питания и заземления равна: b=1 мм.

4.1.2 К о н с т р у к т и в н о – т е х н о л о г и - ч е с к и й р а с ч е т 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 номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

D=Dвыв+dн.оз; (31)

где dн.о. - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия,

Δз - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, принимаем Δз=0,1мм.

Dном1=Dвыв1+0,1+0,1=0,5+0,1+0,1=0,7 (32)

Dном2=Dвыв2+0,1+0,1=0,7+0,1+0,1=0,9 (33)

Dном3=Dвыв3+0,1+0,1=0,9+0,1+0,1=1,1 (34)

Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

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

DMminHРv=1,50,33=0,495мм (35)

где HР - расчетная толщина печатной платы;

v - коэффициент, характеризующий отношение диаметра отверстия к толщине пластины.

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

DM=0,6 мм

Определяем диаметры контактных площадок. Максимальный диаметр просверленного отверстия:

Dmax1=Dном1+Δd+0,1, (36)

где Δd – допуск на отверстие, мм. Принимаем Δd=0,1 мм. Значит:

Dmax1=Dном1+0,1+0,1=0,7+0,2=0,9 мм; (37)

Dmax2=Dном2+0,1+0,1=0,9+0,2=1,1 мм; (38)

Dmax3=Dном3+0,1+0,1=1,1+0,2=1,3 мм. (39)

Минимальный эффективный диаметр контактных площадок равно по формуле:

(40)

(41)

(42)

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

d, P - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм. Принимаем d=0,05 мм, P=0,15 мм.

Dmax - максимальный размер просверленного отверстия, мм.

Минимальный диаметр контактных площадок (КП), при покрытии олово-свинец:

Dmin1= Dmin1+1,5hr=1,35+1,50,05=1,425 мм; (43)

Dmin2= Dmin2+1,5hr=1,55+1,50,05=1,625 мм; (44)

Dmin3= Dmin3+1,5hr=1,75+1,50,05=1,825 мм; (45)

где hr – толщина металлорезиста, мм.

Максимальный диаметр контактной площадки КП:

Dmax=Dmin+0.05; (46)

где Dmin – минимальный диаметр КП.

Тогда максимальный диаметр КП равен:

Dmax1= Dmin1+0,05=1,425+0,05=1,475 мм; (47)

Dmax2= Dmin2+0,05=1,625+0,05=1,675 мм; (48)

Dmax3= Dmin3+0,05=1,825+0,05=1,875 мм; (49)

Приводим максимальные диаметры КП к нормальному размерному ряду по ГОСТ 6663-69.

Dmax1= 1,5 мм;

Dmax2=1,7 мм;

Dmax3= 2,0 мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника

tmin= tmin1+1,5h+t=0,15+1,50,05+0,03=0,255 мм, (50)

где t - допуск на ширину проводника, мм.

tmin1 – 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 гальваностойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину tmin1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника

tmax= tmin+0,02=0,275 мм, (51)

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

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

(52)

где Lэ- расстояние между центрами рассматриваемых элементов, Lэ=2,5 мм;

δl - допуск на расположение проводников, δl = 0,3мм.

(53)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа

(54)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа

(55)

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм. Если условие выполняется ,то в этом случае минимальное расстояние между сигнальным проводником и КП удовлетворяют заданному условию.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками:

Smin1= LЭ -(tmax+21)=1,25-(0,3+20,03)=0,89 мм. (56)

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником:

(57)

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками третьего типа (если данная рассчитываемая величина войдет в допустимый предел, то нет смысла определять расстояние между контактными площадками первого типа, или контактными площадками первого и второго типов, первого и третьего типов и т.д., так как контактные площадки третьего типа наибольшие по диаметру).

Smin1= LЭ -(Dmax3+2P)=2,5-(2+20,15)=0,2 мм (58)

Между КП третьего типа (с ø=2,0 мм) нельзя проложить проводник, если отверстия находятся в друг соседних узлах координатной сетки.

Минимальное расстояние для прокладки проводников в магистральном канале между двумя КП металлизированных отверстий:

S4min=0.5D1max+D2max+2*δp+( tmax1)*Nл+S(Nл+1), (59)

где D1max, D2max – диаметры металлизированных отверстий;

Nл – число проводников;

S – номинальное расстояние между проводниками.

S4min=2,7 мм (60)

Невозможно проложить проводник между двумя соседними отверстиями  2 мм.

4.2 Расчет электромагнитной совместимости

Целью расчета электромагнитной совместимости является определение работоспособности устройств в условиях воздействия перекрестных помех в линиях связи, а также внешних электромагнитных полей.

Так как в нашем устройстве самыми чувствительными элементами к воздействию помех являются микросхемы, то расчет электромагнитной совместимости будем вести только для них.

На рисунке 2 представлена эквивалентная схема электромагнитной совместимости активной (питание микросхемы) и пассивной (сигнального проводника) линии для микросхемы.

Модуль первого уровня выполняется в виде точности из стеклотекстолита СФ-2Н-50. Ширина проводников и расстояние между ними равны 1,54 мм. Максимальное напряжение в активной линии 5 В на частоте 50 Гц. В ячейки используются микросхемы серии К155.

В состоянии логической единицы помеха меньше влияет на срабатывание логического элемента, чем в состоянии логического нуля, так как в этом случае выше помехоустойчивости ЭРЭ. Потому рассмотрим случай, когда на выходе логический нуль.

Необходимые данные для расчета перекрестных помех приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Электрические параметры используемой серии микросхем.

Серия ИС

Uвх, B

Uвых, B

Iвх, мA

Iвых, Ом

Rвх, Ом

Rвых, Ом

К155

7,2

0,5

10

1

720

580

При этом входное и выходное сопротивления определяются по формуле:

(61)

(62)

Исходные данные для расчета: Е - напряжение генератора в активной линии связи:

Е=Е0еjwt, (63)

где w=2f - круговая частота генератора.

Для разрабатываемого устройства:

E0=5 В,

f=50 Гц.

R1, R2, R3 - сопротивление нагрузок в активной и пассивной линиях;

 - расстояние между проводниками (минимальное расстояние между краями проводников =1,510-4 м);

h - толщина проводников (h=510-5 м);

b - ширина проводников (b=310-4 м);

Uв - помехоустойчивость микросхем;

L - длина области связи проводников.

Для предварительного расчета длину области связи проводников можно принять равной максимальной стороне ПП, т.е. L=0,25 м.

Диэлектрическая проницаемость среды между проводниками:

r = 0,5п = 0,56=3, (62)

где п - диэлектрическая проницаемость материала платы. Для стеклотекстолита п = 6.

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

Паразитная емкость, возникающая между параллельными проводниками на ПП, ПФ:

(65)

Определяем взаимную индуктивность в параллельных проводниках печатной платы, мкГн:

(66)

(67)

Вычисляем сопротивление изоляции между проводниками активной и пассивной линий связи. Для проводников, расположенных на одной поверхности ПП, Ом:

Rи=  L, (68)

где  - удельное поверхностное сопротивление основания печатной ПП (у стеклотекстолита =51010 Ом).

Вычисляем сопротивление изоляции между проводниками активной и пассивной линий связи:

Rи=  L= 510101,510-4 / 0,25=3107 Ом (69)

Определяем действующее напряжение помехи на сопротивлениях R2 и R3. При расчете помехоустойчивости печатных узлов нагрузкой пассивной и активной линий можно считать входные сопротивления микросхем. Тогда расчет проводится по формуле:

(70)

(71)

Определим действующее напряжение помехи на входе микросхемы К176 в режиме логического “0”.

(72)

Сравниваем действующее напряжение помехи в пассивной линии с помехоустойчивостью микросхемы. Для используемых серий микросхем Uп=0,5 В, т.е. U0вых<<Uп.

Таким образом, действие помехи не приведет к нарушению работоспособности модуля.

Вывод: Из проведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в техническом задании, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования.

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.

 t ,С

Рисунок 4 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции

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 to и рассеиваемую тепловую мощность Ро. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке приведены зависимость между перепадом температур tk и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны Sз, м2 для воздушного охлаждения:

Sз=2(AB+(A+B)HКз.о), (73)

где A, B, H - геометрические размеры блока, м.

A=0,640 мм; B=0,350 мм; H=0,108 мм

Кз.о - коэффициент заполнения объема (Кз.о =0,35).

Тогда, получим:

Sз =0,5228 м2 (62)

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

(74)

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

Q = ImaxU, (75)

где Imax - максимальный потребляемый ток для цепи питания;

U - напряжение питания. Так как Imax=0,02 А, а U=5В.

Тогда, получим:

Q=0,025=0,1 Вт; (76)

(77)

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 Тз=60 0С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Тс=40 0С. Тогда перепад температур tk будет определяться по формуле:

tkзс = 60-40 = 20 0С (78)

Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 4). Учитывая, что в проектируемом блоке модули расположены горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 1, следовательно, устройство не нуждается в вентиляции.

Вывод: Из приведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в ТЗ, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования.

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

  1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
  2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и на обработку персональных данных.

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Оформить еще одну заявку