Конструирование печатных плат

1.Чертежи печатных плат

Печатные платы (ПП) делятся на односторонние, двусторонние, многослойные.

Односторонние ПП характеризуются: повышенной точностью выполнения проводящего рисунка; отсутствием металлизированных отверстий; установкой изделий электронной техники на поверхность ПП со стороны, противоположной пайке, без дополнительного изоляционного покрытия; низкой стоимостью.

Двусторонние ПП без металлизации монтажных и переходных отверстий характеризуются: высокой точностью выполнения проводящего рисунка, использованием объемных металлических элементов конструкции (штыри, отрезки проволоки, арматура переходов и т.п.) для соединения элементов проводящего рисунка, расположенных на противоположных сторонах печатной платы; низкой стоимостью.

Двусторонние ПП с металлизированными монтажными и переходными отверстиями характеризуются: хорошими коммутационными возможностями; повышенной прочностью сцепления выводов навесных радиоэлементов с проводящим рисунком платы; повышенной стоимостью по сравнению с ПП без гальванического соединения слоев.

Многослойные ПП с металлизацией сквозных отверстий характеризуются: хорошими коммутационными свойствами; наличием межслойных соединений, осуществляемых с помощью сквозных металлизированных отверстий, а также, в особых случаях, с помощью переходных отверстий, соединяющих только внутренние слои; предпочтительным использованием одностороннего фольгированного диэлектрика для наружных и двустороннего для внутренних слоев; обязательным наличием контактных площадок на любом проводящем слое, имеющем электрическое соединение с переходными отверстиями; низкой ремонтопригодностью; высокой помехозащищенностью электрических цепей; высокой стоимостью конструкции.

Согласно ГОСТ 10317-79 «Печатные платы. Основные размеры» размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:

2,5 при длине до 100 мм;

5,0 при длине до 350 мм;

10,0 при длине более 350 мм.

Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм.

При определении габарита платы рекомендуется выбирать соотношение размеров сторон: 1:1; 1:2; 1:3; 2:3; 2:5. Для плат с большими размерами необходимо предусматривать рёбра жёсткости или дополнительные точки крепления.

С целью максимального использования физического объёма конструкции и упрощения изготовления печатных плат, рекомендуется выбирать прямоугольную форму печатной платы.

Таблица1. Линейные размеры, мм, ОПП, ДПП и МПП на жестком основании.

Ширина	22,5	30		35	40				50
Длина	60	40, 55, 60, (90)		100	(40), 50, 60, (80), 100, (120)				(50), 60, (70), 75, 80, 100
Ширина	60			62,5	65	70		75	80			85
Длина	60, (75), 80, 90, (100), 110, 120, (160), 180			125	90, 100	(70), (90), 110, 120, (140), 150		170	80, 90, 100, (110), 120, 140, 160, 200, 240			150
Ширина	90					100			105	110
Длина	(90), 100, 110, 120, 130, 150, 160, 170, (180), 200, 260					100, 110, 120, 150, 160, (170), 180, 200			125	130, 150, (160), 170, (200), 260
Ширина	120		130			140		150			160
Длина	140, (160), 180, 200, 220, 240, 280,		150, 170, 200, 300			(140), 150, 220, 240, 280,		170, (180), 200, 240, 280			200, 240, 320
Ширина	170						185	200			240
Длина	170, 200, 240, 250, 270, 280, 300, 340						205, 270	220, 240, 320			300, 320

Примечание. Размеры ПП без скобок являются предпочтительными.

Стандарт ОСТ 4.070.010-78 «Платы печатные под автоматическую установку элементов. Конструкция и основные размеры» содержит специальные указания для выбора диаметров отверстий и контактных площадок под выводы устанавливаемого элемента (таблица 2).

Таблица2 – Диаметры отверстий и контактных площадок, мм

Диаметр			Минимальное расстояние между центрами отверстий
вывода элемента	отверстия	контактной площадки
0,4; 0,5	0,9	3,0	2,5
0,6; 0,7	1,1
0,8; 0,9	1,3
1,0; 1,1	1,5		3,75
1,2; 1,3; 1,4	1,8
1,5; 1,6	2,0	4,0	5,0
1,7; 1,8; 1,9	2,2

Примечание: При любой установке элементов диаметры монтажных, переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий следует выбирать из ряда: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,8; 3,0.

Чертежи печатных плат выполняются в масштабах 1:1; 2:1; 4:1; 5:1; 10:1.

Завершающей стадией разработки проектируемого устройства является проектирование печатной платы и сборочного чертежа устройства для выявления детонации ДВС. Печатный монтаж позволяет обеспечить:

-механизацию операций сборки, монтажа и пайки;

-повторяемость монтажного рисунка схемы, а следовательно, и идентичность параметров монтажа;

-возможность более полной механизации контрольно-регулировочных операций.

Печатный монтаж дает также конструктивные преимущества и, прежде всего, компактность аппаратуры и уменьшение её веса.

К печатным платам предъявляются следующие требования: поверхность печатных плат не должна иметь пузырей, вздутий, посторонних включений, сколов, выбоин, трещин и расслоений материала основания, снижающих электрическое сопротивление и прочность изоляции.

Материал основания печатных плат должен быть таким, чтобы при механической обработке (сверление, штамповка, распиловка), не образовывались трещины, расщепления, отслоения и другие неблагоприятные явления, влияющие на эксплуатационные свойства, а также на электрические параметры плат.

Печатные проводники должны быть с ровными краями. В отдельных случаях допускаются неровности по краям проводников, не уменьшающие минимальной ширины проводников и расстояния между ними, предусмотренные чертежом. Отклонение размеров контактной площадки от чертежа по ширине или длине возможно, но при этом расстояние до ближайших проводников или контактных площадок в любом месте должно быть не менее минимальных величин, оговоренных в чертеже.

Толщина печатной платы ограничена. Она выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к конструкции изделия, метода изготовления платы, веса и габаритов устанавливаемых элементов и в подавляющем большинстве случаев не превышает 3 мм. В соответствии с международными требованиями номинальными толщинами печатных плат являются следующие: 0,2; 0,5; 0,8; (1,0); (1,2); 1,6; (2,0); 2,4; 3,2; 6,4 мм (величины, указанные в скобках, допускаются, но не рекомендуются).

Исходным параметром при конструировании печатных плат является шаг координатной сетки.

С помощью координатной сетки регламентируются основные геометрические размеры печатных плат. Как правило, центры всех видов отверстий на печатных платах располагаются в узлах координатной сетки.

Координатная сетка определяет размещения навесных и печатных элементов на плате, а также требования к технологическому оборудованию, оснастке и контрольной испытательной аппаратуре. В нашей стране принята координатная сетка с основным шагом 2,5 мм. Допускается координатная сетка с дополнительным шагом 1,25 мм и 0,5 мм.

Основные габариты печатных плат определяются рациональной компоновкой на них навесных радиоэлементов, входящих в функционально законченную схему. При компоновке печатной платы стремятся достигнуть максимального заполнения её поверхности навесными элементами и разместить их так, чтобы обеспечить кратчайшие связи между ними, выполняемые печатными проводниками. Одновременно следует помнить, что печатная плата выполняет роль шасси, и нужно ограничивать её габариты с целью достижения заданной прочности.

Преимущество при разработке отдаётся малогабаритным платам, так как крупногабаритные печатные платы имеют малую механическую прочность и сложны в изготовлении.

По краям печатной платы следует оставлять технологическую зону шириной 1,5 – 2 мм. В технологической зоне не рекомендуется размещение печатных проводников, переходных, технологических или установочных отверстий.

На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирный паз или срезанный левый нижний угол или технологическое базовое отверстие для правильной ориентации печатной платы при изготовлении.

Все внешние и внутренние углы по контуру печатной платы и выемкам должны иметь минимальный радиус закругления 0,5 мм.

Все центры монтажных, переходных и крепёжных отверстий печатных плат следует располагать в узлах координатной сетки. Если в конструкции устанавливаемого элемента имеется два или более выводов (реле, разъёмы, ламповые панели, модули и т.д.) расстояния между которыми кратны основному шагу координатной сетки, то центры отверстий под эти выводы обязательно располагаются в узлах координатной сетки, а центры отверстий под остальные выводы – согласно чертежу на установку данного элемента.

Если в конструкции элемента отсутствуют выводы, расстояние между которыми кратны основному шагу координатной сетки, то в узле сетки располагается центр одного из отверстий, принятого за основное, а центр одного из остальных отверстий располагается на вертикальной или горизонтальной линии координатной сетки.

Для правильной ориентации микросхем при их установке на печатную плату на последней должны быть предусмотрены ключи определяющие положение первого вывода.

Отверстия на печатной плате следует располагать таким образом, чтобы наименьшее расстояние между внешним контуром платы и краем отверстия было не менее толщины платы.

Переходным элементом от отверстия, в которое впаивается вывод устанавливаемого элемента, к печатному проводнику является контактная площадка. Площадь контактных площадок следует максимально увеличивать, предусматривая формирование кольцевого пояса вокруг отверстия в месте соединения печатного проводника с контактной площадкой. Увеличение площади контактных площадок предотвращает отрыв их в процессе изготовления печатных плат (при выполнении операций травления и лужения) и улучшает качество паяных соединений.

Минимальные размеры контактных площадок определяют, как правило, исходя из номинального диаметра отверстия. Ширина печатных проводников определяется следующими основными параметрами:

- допустимой токовой нагрузкой;

- допустимой температурой нагрева печатного проводника под максимально допустимой токовой нагрузкой;

- толщиной печатных проводников;

- разрешающей способностью технологии изготовления печатных плат.

При практических расчётах ширины проводников пользуются специальными таблицами зависимости ширины проводника от перегрева (превышение температуры над окружающей средой) и токовой нагрузки для конкретного фольгированного материала.

При определении номинальных размеров проводников и зазоров между ними необходимо учитывать технологические допуски на размеры и допускаемые дефекты при изготовлении.

Если при выборе минимальной ширины проводников руководствуются прежде всего допустимыми токовыми нагрузками на проводник, то при выборе величины зазоров между проводниками необходимо в первую очередь учитывать сопротивление и электрическую прочность изоляции между соседними проводниками. При расчёте зазоров между проводниками считают, что электрическая прочность должна быть не меньше 1 кВ/мм.

При выборе расстояний необходимо учитывать также дополнительные требования, предъявляемые к работе аппаратуры в жестких климатических условиях, а также возможные замыкания в результате возникновения перемычек припоя между соседними проводниками в процессе пайки. Также при расчёте ширины проводников и зазоров между ними необходимо учитывать ёмкость между соседними проводниками.

Рисунок печатной платы или печатный монтаж – система печатных проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов схемы или экранирование – должен быть выполнен рационально, т.е. с максимальным использованием всей плоскости платы.

Печатные проводники и контактные площадки рекомендуется выполнять без резких перегибов и острых углов, так как это затрудняет технологию изготовления (печать, травление, пайку), а также приводит к концентрации напряжений при нагреве и отслаиванию проводников.

С целью сокращения количества узких мест и возможности прокладки проводников по более удобному и короткому пути обычно пользуются специальными таблицами, в которых в зависимости от способа изготовления печатной платы и её размеров заложена информация о минимальном расстоянии между двумя отверстиями для прокладки определённого количества проводников.

Для устранения узких мест рекомендуется прокладывать печатные проводники под навесными радиоэлементами, используя при этом отверстия под невключённые в схему выводы многоконтактных навесных элементов, а также «раздвигать» проводники после выхода из узких мест и доводить их ширину до значений, соответствующих ширине проводников в свободных местах. Протяжённость проводников в узких местах по возможности должна быть ограничена.

Монтажные и переходные отверстия, а также металлизированные крепёжные отверстия должны иметь контактные площадки для осуществления надёжного присоединения элементов к плате.

Расстояние между краями платы и кромкой или зенковкой монтажных, переходных и крепёжных отверстий рекомендуется выдерживать не менее толщины платы.

Как правило, для расстояния между отверстиями на печатной плате допускаются отклонения 0,2 мм в узких местах и 0,5 мм в свободных местах, за исключением расстояний между центрами взаимосвязанных отверстий, которые выдерживаются с допуском, оговариваемым в чертежах на плату под установку этих элементов. На каждой плате рекомендуется предусматривать не менее двух технологических базовых отверстий, с диаметром не менее 1,3 мм, расположенных в узлах координатной сетки по углам платы, которые в дальнейшем могут быть использованы как крепёжные отверстия, при креплении собранной платы в блоке.

Пример выполнения курсового проекта

«Расчет источника стабилизированного напряжения»

Задание

Спроектировать источник стабилизированного напряжения для питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры со следующими параметрами: входное напряжение синусоидальное 220В+10% частотой 50Гц, напряжение нагрузки +12В, ток нагрузки 1А, коэффициенты пульсаций: на входе стабилизатора 0,25; на выходе 0,1.

Содержание

Введение……………………………………………………………….…….3

1. Расчет стабилизатора напряжения при U_вых=12В……………..………6

2. Расчет выпрямителя……………………………………………………..9

3. Расчет трансформатора………………………………………………..10

Заключение……………………………………………………..………….12

Приложение………………………………………………………………..13

Литература…………………………………………………………………14

Введение

При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания (пульсации) напряжения питания существенно изменяют режим и параметры электронной схемы. Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания нагрузки.

Высокую стабильность напряжения питания позволяют получить схемы стабилизаторов напряжения, использующие нелинейные элементы, вольтамперная характеристика которых содержит участок, где напряжение слабо зависит от тока. Такую вольтамперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя.

Стабилизаторы напряжения могут быть параметрическими и компенсационными. Последние могут быть непрерывного или импульсного действия. В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типов.

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рисунке 13 (а), а параллельного – на рисунке 13 (б).

В схеме стабилизатора последовательного типа регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Разностный сигнал рассогласования напряжения на нагрузке и напряжения между «землей» и опорным элементом ОЭ формируемый схемой сравнения ССиУ, поступает на вход усилителя постоянного тока ССиУ, усиливается и воздействует на регулирующий

а) б)

РЭ – регулирующий элемент; ССиУ – схема сравнения и управления;

ОЭ – опорный элемент

Рис. 13. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

последовательного (а) и параллельного (б) типов.

элемент РЭ. При положительном сигнале рассогласования внутренне сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения на нем увеличивается. Т.к. РЭ и нагрузка включены последовательно, то при увеличении падения напряжения на РЭ выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению напряжения нагрузки номинального. При отрицательном сигнале рассогласования, наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа на транзисторах приведена на рисунке 2. Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор VT1. При увеличении входного напряжения, выходное возрастает по абсолютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения между базой и эмиттером транзистора VT2 на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2. Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора становится более положительным относительно потенциала «земли». Напряжение база - эмиттер транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падению напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

В схеме стабилизатора параллельного типа регулирующий элемент РЭ подключен параллельно нагрузке Rн. Разностный сигнал рассогласования напряжения нагрузки и напряжения между землей и опорным элементом ОЭ, формируемый и усиливаемый схемой ССиУ, воздействует на регулирующий элемент РЭ, изменяя его ток таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения.

1. Расчет стабилизатора напряжения при U_вых=12В

1.1.В качестве транзистора VT1 (рис.14) выбираем транзистор КТ819А, имеющий следующие параметры:

I_Кмах=10 А; U_КЭмах=25 В; =15; I_Ко=1 мА.

1.2. Мощность рассеивания на транзисторе VT1:

Р_VT1 = (U_вх.ст – U_вых)I_н = (15 – 12)1=3 Вт

1.3.Ток базы транзистора VT1:

I_БVT1=I_K /=I_Нmax / =1.1I_Н / =1.11 /15=0,073А

1.4. Выбор стабилитрона VD5 ведем из условия: U_стном=(0,4…0,6)U_вых. Используя в качестве стабилитрона VD5 выбираем КС175А, имеющий U_ст.ном=7,5 В; I_{ст min} =3 мА; I_ст.мах=18 мА.

1.5.Ток стабилизации номинальный стабилитрона VD5:

I_ст.ном = (I_ст.max+I_ст.min)/2 = (18+3)/2 = 10,5 мА

1.6.Условие I_БVT1<0,2I_ст.ном не выполняется, поэтому необходимо ввести усилительный каскад, включением транзисторов по схеме Дарлингтона, тогда

_ = ₁₂+₁+₂ = 15*90+15+90 = 1455

В качестве VT2 выбираем транзистор КТ315Г.

1.7.Определяем ток базы транзистора VT2

I_БVT2=I_K /=I_Нmax / =1.1I_Н / =1.11 /1455=0,75 мА

1.8.Выбор транзистора VT3 ведем из условия: I_КVT3>I_БVT2 и U_{КЭмахVT3}>U_вх.В качестве транзистора VT3 выбираем транзистор КТ315Г со следующими параметрами: I_Кмах=0,1 А; U_КЭмах=25 В; =90…350.

1.9.Задаемся током I_Э3 из условия: I_Э3=(0,1…0,2)I_ст.ном= 1,05 мА.

1.10. Сопротивление резистора R2:

R2= (U_вых – U_ст.ном) / (I_ст.ном -I_э3) = (12-7,5)/(0,0105-0,00105)=476,2 Ом

Используя ряд Е24, выбираем: R2 = 470 Ом.

1.11. Мощность рассеивания на резисторе R2:

Р_R2= (I_ст.ном-I_Э3)²R2 = (0,0105-0,00105)²470 = 0,04 Вт.

В качестве резистора R2 выбираем резистор Р1-4-0,125-470 Ом 10%.

1.12.Потенциал базы транзистора VT3:

_БVT3 = _Э3 + U_БЭ3 = U_ст.ном + U_БЭ3 = 7,5 + 0,6 = 8,1 В,

где U_БЭ3=0,0575lg(I_Э32,510¹³)=0,0575lg(0,001052,510¹³)=0,6 В.

1.13.Определяем ток базы транзистора VT3:

I_Б3 = I_K3 / =I_Э3 /(+1)= 1,0510^-3/(15+1)=0,065 мА.

1.14.Задаемся током делителя R3-R5: I_д10I_Б3, I_Д = 0,65 мА.

1.15.Суммарное сопротивление делителя R3-R5:

R_ = U_вых / I_д = 12/0,6510^-3 =18,5 кОм

1.16.Сопротивление резистора R5:

R5 = _Б3 / I_д = 8,1/ 0,6510^-3 = 12,5 кОм

используя ряд Е24, выбираем: R5= 12 кОм.

1.17.Сопротивление резистора R3:

R3 = R_ - R5 = 18,5 – 12 = 16,5 кОм,

используя ряд Е24, выбираем: R3= 16 кОм.

1.18.Рассеиваемая мощность на резисторах R3 и R5:

P_R3 = I_д²R3 = (0,6510^-3)²16000=0,007 Вт

P_R5 = I_д²R5 = (0,6510^-3)²12500=0,005 Вт

Выбираем резисторы R3: Р1-4-0,125-16 кОм  10%;

R5: Р1-4-0,125-12 кОм 10%.

Для более точной настройки используем резистор R4 РП1-46-0,125-1кОм+10%

1.19.Сопротивление резистора R1:

R1=(U_вх-U_вых + U_{БЭ1 +} U_БЭ2 )/(I_БVT2+ I_Э3)=(15-12+0,77+0,7)/(0,75+1,05)*10^-3= 2483Ом

где U_БЭ1= 0,0575lg[I_Э12,510¹³] =0,0575lg(12,510¹³) = 0,77В

U_БЭ2= 0,0575lg[I_Б12,510¹³] =0,0575lg(0,0732,510¹³) = 0,7В

Используя ряд Е24, выбираем: R1=2,4 кОм.

1.20.Рассеиваемая мощность на резисторе R1:

P_R1=(I_БVT2+ I_Э3)²*R1=((0,75+1,05)*10^-3))²*2400 = 0,0043Вт

Выбираем резистор R1: Р1-4-0,125-2,4кОм 10%.

1.21.Емкость конденсатора С3:

С3=(3200…3500) I_ст.ном / К_П3U_ст.ном=(320010,510^-3) / 0,17,5 =45 мкФ

По ряду Е24 выбираем емкость С3: 47 мкФ.

1.22.Емкость конденсатора С2:

С2=(3200…3500) I_Н / К_П3U_вых=(32001 / 0,112) =2666 мкФ

По ряду Е24 выбираем емкость С2: 2000 мкФ.

Для уменьшения емкости С2 увеличиваем емкость С3 в 10 раз, тогда:

С3=470 мкФ, С2=200 мкФ.

В качестве конденсаторов выбираем С3: К50-16-6,3-470мкФ10%;

С2: К50-16-6,3-200мкФ10%.

1.23. Емкость конденсатора С1:

С1=(3200…3500) I_Н / К_П1U_ВХ = (3200…3500) 1 / 0,2515 =853 мкФ

По ряду Е-3 выбираем С1: 1000 мкФ.