Площади поверхности вариантов блоков:

S=2*(LхB+LхH+BхH);

где L,B,H – габаритные размеры блока.

Площадь наружной поверхности блока для первого варианта:

S₁=2*(140х110+140х60+110х60)= 60800 мм²;

Площадь наружной поверхности блока для второго варианта:

S₂=2*(140х148+140х50+148х50)= 70240 мм²;

Расчет приведенной площади наружной поверхности ведется по формуле:

S_пр=S_пп/V;

Приведенная площадь наружной поверхности для первого варианта компоновки блока:

S_пр1=S₁/V₁= 60800/ 924000=0,066 мм ^–1;

Приведенная площадь наружной поверхности для второго варианта компоновки блока:

S_пр2=S₂/V₂= 70240 /1036000 =0,068 мм ^–1;

Для определения корпуса наиболее оптимального по площади наружной поверхности воспользуемся следующими отношениями:

S₁=S_шара1;

S₂=S_шара2;

Отсюда найдем диаметр шара

d₁==139,15 мм;

d₂==149,56 мм;

Найдем приведенную площадь шара:

S_{пр шара1}=*d₁²=436,931 мм²;

S_{пр шара2}=*d₂²=469,618 мм²;

Рассчитаем коэффициент приведенных площадей:

К_пр1= S_пр1/ S_{пр шара1}=1,51*10^-4мм^-3;

К_пр2= S_пр2/ S_{пр шара2}=1,45*10^-4мм^-3;

К_пр1/ К_пр2=1,04>1;

Так как отношение К_пр1/К_пр2>1, то можно сделать вывод, что второй вариант компоновки более оптимален по площади наружной поверхности.

Так как S_пр1< S_пр2, то первый блок более оптимален по массе.

Площадь занимаемая проводом вычисляется по формуле:

S_ПР=d²/4=3.14*4²/4=12,56 мм²; (1)

где d=4 мм.

Тогда объем проводов:

V_ПР=S_ПР*L;

где L – длина провода, равная 1,5 м.

V_ПР=12,56*1,5*10³=18840 мм³;

Объем занимаемой аппаратурой будет вычисляться по следующей формуле:

V_A=V_ПП+V_ПР+V_МС+ V_ПИ+ V_П.реле;

V_A=(100х110х8)+18840+(3.14х6.5²х21)+(15х35х10)+(50х70х38)=247875,97 мм³;

Коэффициент заполнения объема рассчитаем по формуле:

К_З.О,=100%*V_A/V_K;

Рассчитаем коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов:

К_З.О.1=100%*V_A/V₁=100%*247875,97/ 924000=26,8%;

К_З.О.2=100%*V_A/V₂=100%*247875,97 / 1036000=23,9%;

Коэффициент заполнения объема больше у первого варианта компоновки, следовательно, у него объем используется более эффективно.

По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран первый вариант компоновки, изображенный на рисунке 1.

4.2 Расчет теплового режима

Тепловой режим блока характеризуется набором температур отдельных его точек.

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

Конструкцию РЭА заменяем её 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 зависимости между перепадом температур t_k и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

20

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_k, С

1

16

12

1'

8

2'

4

2

3'

3

q,

0

20

40

60

80

100

120

t_k – перепад температур

q – рассеиваемая мощность

Рисунок 3 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции

Для расчета теплового режима работы блока необходимо определить:

1) условную поверхность нагретой зоны S_з, м², для воздушного охлаждения:

S_з=2(ab+ah+bh)К_з.о;

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

К_з.о – коэффициент заполнения объема;

а=14010^-3 м;

b=11010^-3 м;

h=6010^-3 м.

S_з=2(14010^-311010^-3+14010^-36010^-3+11010^-36010^-3)26,8=1,63 м².

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

q₃=Q/S_3; (2)

где Q – мощность, рассеиваемая блоком, Вт.

Q = I₁U₁ = 20010^-69=1,810^-3 Вт;

где U₁– напряжения питания,В;

I₁ – потребляемый ток в цепи с напряжением U₁, А.

С учетом полученного значения Q удельная мощность нагретой зоны: q_з=1,810^-3 /1,63=0,0011 Вт/м².

Определим температуру зоны. Для обеспечения нормального режима работы устройства температура зоны не должна превышать Т_з=45 ⁰С. При этом температура зоны не достигает максимального значения рабочей температуры элементов. Нормальная температура окружающей среды, при которой работает устройство Т_с=20 ⁰С. Тогда разность температур t будет определяться по формуле:

t=Т_з-Т_с=45-20=25 ⁰С;

Таким образом можно обойтись без вентиляции.

3. Расчет геометрических параметров печатной платы

1. Расчет печатного монтажа

Для соединения элементов электрической схемы данного устройства между собой в качестве базовой несущей конструкции выбираем двустороннюю 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 двухсторонняя печатная плата размером 110100 мм выполненная комбинированным позитивным методом из фольгированного стеклотекстолита СФ-2Н-50Г-1,5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности. Толщина ПП 1,5 мм.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции ПП в соответствии с ГОСТ 23751 – 86. Размер ПП равен 110100 мм².

Основные параметры печатной платы:

- расчетная толщина печатной платы, мм ……..…..…………….. 1,5 ;

- максимальный постоянный ток через проводник, I_max,А..…. .…200*10^-3;

- допустимая плотность тока i_доп, А/мм² ………..……………. ….38;

-допустимое сопротивление проводника , Оммм²/м ……. .….0,0175;

-допустимое падение напряжения U_доп, В………. ………..…….. 0,05;

• толщина фольги h, мм……………………………………….…0,05;

• максимальная длина печатного проводника l, м …………….. 0,11;

• допустимое падение напряжения на проводнике U_доп, В……..0,45;

• расстояние между выводами микросхем, мм………………..…2,5;

• минимальное расстояние между проводниками

и контактной площадкой, мм……………………………………………..1,25.

Основные конструктивные параметры для печатных плат четвертого класса точности (ГОСТ 23751-86) имеют следующие значения:

• минимальное значение номинальной ширины проводника t_1min=0,15 мм;

- номинальное расстояние между проводниками S=0,15 мм;

- допуск на ширину проводника без покрытия t=0,05 мм;

- допуск на расположение отверстий _отв=0,05 мм;

- допуск на расположение контактных площадок _кп=0,15 мм;

- допуск на расположение проводников на ДПП _l=0,03 мм;

- гарантийный поясок b_м=0,05 мм.

4.3.2 Расчет по постоянному и переменному току

Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения:

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

(3)

где I_max - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина проводника, мм.

b_min1=20010^-3/380,05=0,105 (мм).

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

bmin2=Imaxl/Uдопh

(4)

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

l - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В;

b_min2=20010^-30,0175·0,11/(0,050,45) = 0,017 (мм).

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 4 класса точности, согласно ГОСТ23751-86, принята ширина сигнального проводника 1,5 мм. Это значение больше чем b_{min 1} и b_{min 2}:

0,105<1,5;

0,017<1,5.

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты работы схемы, т.е. влиянием паразитных емкостей и индуктивности проводников можно пренебречь. Полученный результат удовлетворяет 4 классу точности.

4.3.3 Конструктивно-технологический расчет

В ПП 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, удовлетворяющей условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Определим номинальное значение диаметров монтажных отверстий.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим.

Для определения минимального диаметра металлизированного отверстия учитывается соотношение:

ДminНрасч

(5)

где Н_расч - расчетная толщина ПП, мм; Н_расч =1,5 мм;

- числовой коэффициент, определяющий рассеивающую способность электролита; (для 4 класса точности).

Д_min1,5*0,330,495 (мм).

Определяем значения диаметров монтажных отверстий:

Дотв=Двыв+з

(6)

где Д _выв - максимальный диаметр вывода ЭРЭ устанавливаемого на печатную плату, мм;

з - разница между минимальным диаметром ЭРЭ.

Значение з выбирают в пределах 0,1...0,4 мм. Принято значение з=0,25 мм для ЭРЭ с максимальным значением диаметра вывода более 0,6 мм. Для остальных элементов значение з принимается равным 0,3 мм.

Результаты занесем в таблицу 3.

4.3.4 Расчет диаметров контактных площадок

Минимальный диаметр контактной площадки для ДПП вычисляется по формуле:

(7)

где Д^/_min – минимальный диаметр контактной площадки. Определятся диаметр вписанной окружности и обеспечивает гарантированный поясок фольги вокруг отверстия, то есть отсутствие разрыва контактной площадки при сверлении платы по указанным координатам,

h_Г – толщина слоя гальванической меди; в отверстиях h_Г=0,025 мм, на поверхности проводника h_Г=0,05 мм в силу рассеивающей способности электролита на поверхности проводника;

h_р – толщина слоя металлорезиста. При серебрении h_р=0,01 – 0,015 мм. Если металлорезист является оплавляемым, то впоследствии его нависающие края расплавляются и силами поверхностного натяжения стягиваются в пределах гальванической меди.

(8)

где Д^/_{1 min} – минимальный диаметр контактной площадки, зависит от максимального диаметра отверстия после сверления Д_{0 maz}, от заданной ширины гарантированного пояска фольги b_м , максимальных по значению и наихудших при расположении полей допусков, _отв , _кп - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм.

(9)

где В_м-расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок). В_м=0,05 мм

_кп=0,15 мм – допуск на расположение контактной площадки;

_отв=0,05 мм – допуск на расположение отверстий;

Д_0МАХ – максимальный диаметр просверленного отверстия, мм.

Д0МАХ=Дсв+Д

(10)

где Д_св – диаметр сверла, мм;

Д – погрешность диаметра отверстия, обусловленная биением сверла и точностью его заточки, при использовании качественных твердосплавных сверл.

С учетом толщины металлизации отверстия диаметр сверла определяется

Дсв=Дотв+(0,1…0,15)

(11)

Выбираем: Д_св= Д_отв+0,1,

где _кп=; _отв=_р.

Максимальный диаметр контактной площадки:

Дmax=Д^/ min+(0,02...0,06)

(12)

Выбираем Д_max=Д^/ _min+0,04.

Результаты рассчитанных диаметров отверстий и контактных площадок сведены в таблицу 3.

В результате проведенных расчетов получили значения максимальных и минимальных диаметров контактных площадок для всех элементов, установленных на печатной плате.

Таблица 3 – Расчетные значения диаметров отверстий и контактных площадок

Расчетные значения диаметра	Двыв, мм	Дотв, мм	Дотв (выбран), мм	Дсв, мм	Д0 max, мм	Д, мм	Д^/min, мм	Дmax, мм
ЭРЭ
Резисторы МЛТ	0,6	0,9	1	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Диоды КД522Б	0,58	0,88	1	0,9	0,93	1,43	1,505	1,545
КонденсаторыКМ6Б	0,6	0,9	1	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Конденсаторы К50-6	0,6	0,9	1	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Конденсаторы К50-6	0,6	0,9	1	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Микросхемы К538УН1А	0,59	0,9	1	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Микросхемы К561ИЕ9	0,5	0,8	0,8	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Микросхема К561ЛА7	0,5	0,8	0,8	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Микросхема К561ЛС2	0,5	0,8	0,8	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Микросхема К561ТМ2	0,5	0,8	0,8	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Резистор СП-5	0,8	1,1	1,3	1,4	1,43	1,93	2,0	2,045
Резисторный оптрон ОЭП –13	0,5	0,8	0,8	1,1	1,13	1,63	1,705	1,745
Транзисторы КТ513Б	0,2	0,5	0,8	0,9	0,93	1,43	1,505	1,545

4.3.5 Расчет ширины проводников

Минимальная ширина проводников на ДПП определяется выражением:

Для серебренного неоплавляемого покрытия олово-свинец:

dmin=d1 min+1,5(hГ+ hр )+t

(13)

при оплавляемом покрытии:

dmin=d1 min+1,5hГ+t

(14)

где d_min - минимальное значение номинальной ширины проводника, мм;

t - допуск на ширину проводника, мм;

t – 0,05 мм (для 4 класса точности).

d_{1 min} – минимальная эффективная ширина проводника,

d_{1 min}=0,15 мм (для 4 класса точности).

На поверхности проводника h_Г=0,05 мм.

d _min=0,15 +1,50,05+0,05=0,275 (мм).

Максимальная ширина проводника:

dmax=dmin+(0,02...0,06), мм;

(15)

d_max=0,275+0,06=0,335 (мм).

В результате расчетов получили значения максимальной и минимальной ширины проводников, что позволяет производить дальнейшие расчеты.

4.3.6 Расчет минимального расстояния между элементами проводящего рисунка

а) Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

(16)

где l_э1 - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

l_э1=1,25;

- погрешность расположения проводника относительно координатной сетки, =0,03;

_кп=0,15 мм – допуск на расположение контактной площадки;

Резисторы МЛТ, конденсаторы К42У-2, конденсаторы К50-6, микросхемы, резисторный оптрон:

Резистор СП-5:

Диоды, транзисторы:

б)Минимальное расстояние между двумя контактными площадками рассчитывается по формуле:

(17)

где l_э2 – минимальное расстояние между центрами рассматриваемых контактных площадок; l_э2=2,5 мм.

Резисторы МЛТ, конденсаторы К42У-2, конденсаторы К50-6, микросхемы, резисторный оптрон:

Резистор СП-5:

Диоды, транзисторы:

в) Минимальное расстояние между проводниками:

l3min = lэ3 – (dmax + 2 d)

(18)

где l_э3=1,25 мм.

l_3min =1,25-(0,335+2*0,15)=0,655 (мм).

В результате проведенного расчета видно, что между элементами проводящего рисунка не существует зазора.

4.3.7 Объемно-компоновочный расчет

Для проведения расчета компоновочных параметров необходимо предварительно определить размер печатной платы. Площадь печатной платы рассчитывается исходя из площади установочной поверхности элементов. Площади установочных поверхностей элементов, используемых в разрабатываемом устройстве, указаны в таблице 4.

Таблица 4 - Площади установочной поверхности ЭРЭ

Элементы	Площадь одного элемента, мм^2	Количество элементов	Общая площадь мм^2
Резисторы МЛТ	22	18	396
Диоды КД522Б	7,2	10	72
Конденсаторы К42У-2	72	5	360
Конденсатор К50-6	113,04	1	113,04
Конденсаторы К50-6	33,17	2	66,34
Микросхемы К538УН1А	44,16	1	44,16
Микросхемы К561ИЕ9	161,25	1	161,25
Микросхема К561ЛА7	146,25	1	146,25
Микросхема К561ЛС2	161,25	1	161,25
Микросхема К561ТМ2	146,25	2	292,5
Резистор СП-5	169,18	1	169,18
Резисторный оптрон ОЭП -13	70,85	1	70,85
Транзисторы КТ513Б	21,6	5	108

Расчет общей площади печатной платы ведется по следующей формуле:

S=SR+ SD +SC+SMC+ SU +SТ;

(19)

где S_R – площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;

S_D - площадь, необходимая для установки диодов на ПП.

S_C - площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;

S_MC - площадь, необходимая для установки микросхем на ПП;

S_U - площадь, необходимая для установки резисторного оптрона на ПП;

S_Т - площадь, необходимая для установки транзисторов на ПП;

Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:

S=2160,82 мм².

При расчете площади печатной платы для бытовой РЭА принято учитывать коэффициент заполнения площади ПП К_з =0,6.

Площадь печатной платы:

Sпп = S/0.6

(20)

S_пп = 2160,82/0.6 = 3601,37 мм²;

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон ПП, такие как 110100, 15070 и был выбран следующий: 110100 мм по ОСТ 4.010.020-83.

3. Расчет плотности монтажа печатной платы

Плотность монтажа ПП определяется по формуле:

S=

(21)

где S – полезная площадь печатной платы, - общее количество выводов,

=281,

- общая площадь ПП,

S=281/110=2,55 (см²).

Т. к. S2, то это ДПП с ручным проектированием.

Вывод: исходя из значения S – полезной площади печатной платы, S=2,55 см², это ДПП с ручным проектированием.

Результаты проведенных расчетов показывают, что параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам четвертого класса точности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, была разработана конструкция акустического автомата. Во время работы был проведен анализ существующих аналогов, технического задания, электрической схемы и элементной базы. Был проведен расчет основных компоновочных параметров акустического автомата с соблюдением всех требований технического задания на курсовое проектирование.

Конструкция устройства обеспечивает ремонтопригодность и эксплуатационное обслуживание. Серийное производство деталей и сборочных единиц корпуса устройства снижает общую стоимость самого прибора. Исполнение схемы на современной элементной базе позволило разработать компактное и надежное устройство. Основные пути дальнейшего усовершенствования конструкции возможно при создании нового поколения элементной базы и новых методов формирования корпуса.