2.3 Расчет печатной платы

Печатная плата – изделие состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями пазами, вырезами и системами токопроводящих полосок металла проводников, которую используют для установки и коммутации ЭРЭ.

По ГОСТ 23751-86 различают: односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП), многосторонние (МПП) на гибком и жестком диэлектрическом основании и гибкие печатные кабели (ГПК), рельефные печатные платы (РПП). Элементы проводящего рисунка платы должны иметь ровные края. Не иметь разрывов, темных пятен, вздутий, отслоений. Контуры ПП, пазов, вырезов, не металлизированных отверстий должны быть обработаны, без заусенцев и зазубрин. Поверхность рисунка желательно защитить металлическим покрытием.

Контактные площадки и металлизированные отверстия должны равномерно смачиваться припоем (обладать паяемкостью). Контактные площадки должны выдерживать не менее трех циклов перепаек.

Печатные платы и гибкие печатные кабели должны обеспечивать работоспособность при воздействии на них климатические факторов в соответствии с одной из 5 групп жесткости по ГОСТ23752-79, определяющую перечень воздействующих факторов, которую устанавливают конструктор и записывает в технических требованиях на чертеже.

Односторонние печатные платы просты по конструкции, экономичны в изготовлении. Применяются для монтажа бытовой техники, блоков питания, устройств техники связи и биомедицинских аппаратов.

В качестве материала для печатной платы устройства для поддержания температуры используется стеклотекстолит ,т.к. он имеет следующие преимущества по сравнению с гентексом :

- большая механическая стоимость;

- большая влагостойкость;

- большая термостойкость;

- лучшая адгезия фольги со стеклотекстолитом;

- при сверлении отверстий даёт меньшую шероховатость поверхности.

Проектируемая плата будет односторонней, из фольгированного одностороннего стеклотекстолита марки СФ1-35-1,5 ГОСТ 10316-86. Стеклотекстолит надежно работает в условиях повышенной влажности, выдерживает большие механические нагрузки. Толщина фольги 5 мкм. Трассировка печатной платы выполняется с одной стороны.

ПП имеют электрические и конструктивные параметры.

К электрическим параметрам печатной платы относятся:

t – ширина печатного проводника, мм;

S – расстояние между печатными проводниками, мм;

C – емкость печатного проводника, Ф;

R – сопротивление печатного проводника, Ом;

L – индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам относятся:

–размер печатной платы (длина, ширина, толщина ПП), мм;

–диаметр и количество монтажных отверстий, мм² и шт.;

–размеры контактных площадок, мм²;

–диаметр крепежных отверстий, мм²;

–минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Рассчитываем ширину печатного проводника по формуле 1:

, (1)

где I –протекающий ток, А;

J – допустимая плотность тока, А/мм²;

h – толщина фольги, мм

Исходные данные для расчёта:

- толщина фольги h,мм 0,05;

- ток, протекающий по проводнику I складывается из токов всех видов активных элементов схемы ,А 0,8;

-плотность тока j выбирается по справочнику ,исходя из того что изделие относится к медицинской аппаратуре А/мм 30.

=0,34 (мм)

Рассчитав ширину печатного проводника принимаем t = 0.45 мм ,S=0,45 мм.

Стандарт ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности печатных плат в соответствии со значением основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции. Проектируемая плата будет 2 класса точности изготовления. Электрические параметры ПП в зависимости от класса точности изготовления приведены в таблице 6.

Таблица 6

Условное обозначение	номинальное значение основных параметров для класса точности
	1	2	3	4	5
t	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
S	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
b	0,30	0,20	0,10	0,05	0,025
γ*	0,40	0,40	0,30	0,25	0,20

* γ – отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы.

Минимальное расстояние между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрический прочности. Значения допустимых напряжений между элементами проводящего рисунка расположенного на рисунке приводятся в таблице 7

Таблица 7

Расстояние между элементами проводящего рисунка, мм	Значение рабочих напряжений, В
	ГФ
от 0,1 до 0,2	–
от 0,2 до 0,3	30
от 0,3 до 0,4	100
от 0,4 до 0,7	150

Плата односторонняя, изготавливается химическим способом с нанесением рисунка методом стеклографии.

Рассчитываем сопротивление проводника по формуле 6:

, (6)

где ρ – удельное сопротивление медной фольги, Ом∙мм²/м;

Удельное сопротивление меди зависит от метода изготовления проводящего слоя. Если проводники формируются методом химического травления фольги, как в проектируемом случае, то удельное сопротивление меди будет равно 0,0175 Ом∙мм²/м.

l – длина проводника равна (измеряем самый длинный проводник на чертеже печатной платы), м. l = 0,2 м

=0,155 (Ом).

Паразитные параметры платы С – емкость печатного проводника и L –индуктивность печатного проводника оказывает влияние на частотах выше 50 Гц, поэтому их расчеты не производятся.

Для выбора размеров печатной платы необходимо определить ее площадь по формуле 7:

, (7)

где F_ЭРЭ – площадь занимаемая электорадио элементами (ЭРЭ);

F_ТО – площадь технологических или крепежных отверстий;

F_СВ – площадь, которая не должна занимать ЭРЭ по конструктивным соображениям;

F_МО – площадь монтажных отверстий;

K_З – коэффициент заполнения печатной платы, обычно берется в пределах от 0,3 до 0,8.

Площадь занимаемая крепежными отверстиями определяется по формуле 8:

, (8)

где d – диаметр крепежного отверстия,

n – число крепежных отверстий.

(мм²)

Исходные данные для расчёта площади занимаемой ЭРЭ и отверстий ,приводиться в таблице 3.

Таблица 3

Наименование	Количество	Площадь одного элемента ,кв. мм	∑F,
1	2	3	4
Конденсатор К10-17	1	6,8×4,6	31,28
Конденсатор К50-35	1		50,24
Конденсатор К73-17	1	16,5×13,5	222,75
Микросхема К561тЛ1	1	20×7,5	150
Предохранитель ВП4-1	1	30×7	210
Светодиод АЛ102В	3		26,76
Резистор С2-23	14	6×2,2	184,8
Резистор переменный СП3-19А	1		31,15
Переключатель ПГ2-29	1	13,5×5,8	78,3
Диод Д814А	1	15×7	105
Диод Д223А	2	4×20	80
Транзистор КТ118А	1		26,76
Транзистор КТ3107Б	1		21,22
Транзистор КТ209Б	1		21,22
Тиристор КУ208Г	1	10,7 × 4,8	51,36
Итого	31	-	1285,84

F_ЭРЭ=1285,84 (мм²⁾

Свободная по конструктивным соображениям площадь на плате равна

(мм²),

площадь которую занимает радиатор под мощные транзисторы

Площадь платы будет равна:

(мм²)

Посчитав площадь печатной платы, выбираем ее размер согласно ГОСТ 10317-79. Он составит 60×60×1,5 мм.

Определяем реальный коэффициент заполнения ПП по формуле 9:

, (9)

где А и В – выбранная длина сторон печатной платы.

Спроектированная плата имеет малые габариты и среднюю заполняемость элементами.

Расчет диаметров монтажных отверстий приведет в таблице 9.

Таблица 2 Диаметры монтажных отверстий

Элемент	Количество	Диаметр, мм			Количество
		вывода	отверстия	принятый	выводов	отвер-стий
1		2	3	4	5	7
Конденсатор К10-17	1	0,6	0,8	0,8	2	2
Конденсатор К50-35	1	0,5	0,7	0,8	2	2
Конденсатор К73-17	1	0,6	0,8	0,8	2	2
Микросхема К561тЛ1	1	0,5	0,7	0,8	14	14
Предохранитель ВП4-1	1	0,6	0,8	0,8	2	2
Светодиод АЛ102В	3	0,5	0,7	0,8	3	9
Резистор С2-23	14	0,6	0,8	0,8	2	28
Резистор переменныйСП3-19А	1	0,5	0,7	0,8	2	2
Переключатель ПГ2-29	1	0,8	1.0	1.0	5	5
Диод Д814А	1	0,8	1.0	1.0	2	2
Диод Д223А	2	0,6	0,8	0,8	2	4
Транзистор КТ118А	1	0,6	0,8	0,8	3	3
Транзистор КТ3107Б	1	0,6	0,8	0,8	3	3
Транзистор КТ209Б	1	0,6	0,8	0,8	3	3
Тиристор КУ208Г	1	0,6	0,8	0,8	3	3
Итого отверстий диаметром 0,8
Итого отверстий диаметром 1,0

Рассчитываем диаметры монтажных отверстий. Они должны быть несколько больше диаметров выводов ЭРЭ. Если диаметр вывода меньше или равен 0,8 мм, то зазор между краем отверстия и диаметром вывода, должен быть равен 0,2 мм (∆=0,2 мм). При мм ∆=0,3 мм. ∆=0,4 мм, если ЭРЭ устанавливаются на плату автоматизировано.

, (10)

где d_O – диаметр монтажного отверстия, мм;

d_b – диаметр вывода ЭРЭ, мм;

∆ – зазор между выводами и краем отверстия, для захода припоя.

На плате рекомендуется иметь количество размеров монтажных отверстий не более трех. Поэтому диаметры отверстий, близкие по значению, увеличивают в сторону большего, но так чтобы величина зазора ∆ не превышала 0,4 мм.

44 монтажных отверстия диаметром 0,8 мм;

14 отверстий диаметром 1,0 мм.

На плате будем сверлить монтажные отверстия, диаметром 0,8 мм и 0,9 мм и =3,2 мм для крепежных отверстий.

Диаметры контактных площадок определяем по формуле 7:

, (11)

где d – радиальная ширина контактной площадки, мм;

∆d – предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм;

T_d – значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм;

T_D - значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм;

b – ширина гарантийного пояска между краем отверстия и краем контактной площадки.

Согласно ГОСТ 23751-86 для третьего класса точности изготовления печатной платы ширина гарантийного пояска контактной площадки – 0, 10 мм.

Таким образом, исходя из формулы (11), диаметры контактных площадок при диаметре отверстий 0,8 мм будет равен:

(мм)

Диаметр контактных площадок при диаметре отверстий 1,1 мм равен:

= (мм)

Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников определяем по формуле 12.

, (12)

где d₁ и d₂ – диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладывают проводники, мм:

n – количество прокладываемых проводников;

∆t – предельное отклонение ширины печатного проводника, мм;

T_l – значение позиционного допуска расположения печатного проводника, мм.

мм

Значения предельных отклонений ширины печатного проводника и позиционные допуски расположения элементов конструкций для первых трех классов точности печатных плат приведено в таблицах 10, 11, 12, 13, 14.

Таблица 10

Наличие металлического припоя	Предельное отклонение ширины печатного проводника ∆t, мм. Для класса точности
	1	2	3
без покрытия	±0,15	±0,10	±0,05
С покрытием	–0,20 +0,25	–0,10 +0,15	±0,10

Таблица 11

Вид изделия	Значение позиционного допуска расположения печатного проводника Tl, мм. Для класса точности
	1	2	3
ОПП; ДПП; ГПК; МПП (наружный слой)	0,2	0,10	0,05
	0,3	0,15	0,10
МПП (внутренний слой)

Таблица 12

диаметр отверстий d, мм	Наличие металлизации	Предельное отклонение диаметра ∆d, мм. Для класса точности
		1	2	3
до 1,0	б/метал.	±0,10	±0,10	±0,05
	с метал. б/оплавл.	+0,05; –0,15	+0,05; –0,15	0; –0,10
	с метал. и оплавл.	+0,05; –0,18	+0,05; –0,18	0; –0,18
св. 1,0	б/метал.	±0,15	±0,15	±0,10
	с метал. б/оплавл.	+0,10; –0,20	+0,10; –0,20	+0,05; –0,15
	с метал. и оплавл.	+0,10; –0,23	+0,10; –0,23	+0,05; –0,18

Таблица 13

Размеры печатной платы по большей стороне, мм	Значение позиционного допуска расположения осей отверстий Td, мм, для класса точности
	1	2	3
до 180 включения	0,20	0,15	0,08
св. 180 до 360	0,25	0,20	0,10
свыше 360	0,30	0,25	0,15

Таблица 14

Вид изделия	Размеры печатной платы по большей стороне, мм	значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, TD, мм, для класса точности
		1	2	3
ОПП; ДПП; ГПК; МПП (наружный слой)	до 180 включ.	0,35	0,25	0,15
	св. 180 до 360	0,40	0,30	0,20
	свыше 360	0,45	0,35	0,25
МПП (внутренний слой)	до 180 включ.	0,40	0,30	0,20
	св. 180 до 360	0,45	0,35	0,25
	свыше 360	0,50	0,40	0,30

Основной частью проектируемого устройства будет односторонняя печатная плата из фольгированного стеклотекстолита СФ1-50-1,5 ГОСТ 10316-78

Материал платы стеклотекстолит. Он имеет большую механическую стойкость, термостойкость, при сверлении отверстий дает меньшую шероховатость поверхности, выдерживает большое количество перепаек без отслоения фольги от диэлектрика, стоит дешево таких же фольгированных материалов как лавсан или фторопласт.