2.3 Расчёт печатной платы
Печатная плата – это изделие из плоского изоляционного основания с отверстиями, позами, вырезами, и системами токопроводящих полосок метала, которые используются для установки и эксплуатации ЭРЭ. Преимущество печатного монтажа перед объёмным состоит в следующем:
- при эксплуатации ПП паразитные параметры монтажа от образца к образцу не меняются;
- процесс проектирования ПП может быть автоматизирован, что сокращает время проектирования и позволяет сделать оптимальную трассировку;
- процесс сборки и монтажа изделий на ПП может быть автоматизирован;
- изделия с печатным монтажом имеют меньшие габаритные размеры и массу;
- печатный проводник допускает большую плотность тока, чем объемный, так как охлаждение лучше.
Для изготовления ПП используют односторонний и двухсторонний фольгированный гетинакс и стеклотекстолит. Выбор материала платы осуществляется из конструктивных соображений. Гетинакс дешевле стеклотекстолита, в несколько раз, но он более хрупкий и подвержен атмосферному воздействию. Если плата двухсторонняя, а изделия будут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности, повышенных механических нагрузок или в тяжёлом температурном режиме, то следует использовать фольгированный стеклотекстолит. Кроме того сцепление у медной фольги с диэлектрическим основанием стеклотекстолита лучше, чем у гетинакса и фольгированный стеклотекстолит выдерживает большое число перепаек.
По конструкции ПП бывают: односторонние, двухсторонние, многослойные.
ГОСТ 23751-86 – устанавливает 5 классов точности ПП в соответствии с значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции.
ПП обладают электрическими и конструктивными параметрами. К электрическим параметрам ПП относится:
- t – ширина печатного провода;
- S – расстояние между печатными проводниками;
- R – сопротивление печатного проводника;
- L – индуктивность печатного проводника;
- C – ёмкость печатного проводника;
- b – минимальное расстояние между двумя контактными площадками или проводника и контактной площадки.
К конструктивным параметрам ПП относится:
- размеры ПП (длинна, ширина, толщина);
- диаметры и кол-во монтажных отверстий;
- минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников;
- σ – отношение номинального значение диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП.
Таблица 4
|
Условное обозначение |
Номинальное значение основных параметров для класса |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
t, мм |
0,75 |
0,45 |
0,25 |
0,15 |
0,1 |
|
S, мм |
0,75 |
0,45 |
0,25 |
0,15 |
0,1 |
|
b, мм |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,05 |
0,025 |
|
σ |
0,4 |
0,4 |
0,33 |
0,25 |
0,2 |
В таблице 4 даны наименьшие номинальные значения основных элементов конструкции ПП.
Расчёт электрических параметров
Проведя трассировку ПП, определили, что она будет односторонней. Материал выбираем ГФ1-35 (гетинакс фольгированный односторонний, с толщиной проводящего слоя 35мкм) так как устройство будет эксплуатироваться без механических нагрузок и при комнатных условиях.
Определим ширину печатного провода по формуле:
, (4)
где I – ток, А;
h – толщина фольги, мм;
j
– плотность тока, А/мм
.
Ток, протекающий
по проводнику, складывается из токов
всех видов активных элементов схемы.
Для проектируемого устройства выбираем
ток I
равным 0,2 А, плотность тока j
равной 20 А/мм
,
а толщина фольги у нашего устройства
35мкм (или 0,035 мм):
мм.
Выберем ширину печатного проводника равной t=0,3мм.
Минимальное расстояние между двумя печатными проводниками определяется из соображений электрической плотности. Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка приводятся в таблице 5.
Таблица 5
|
Расстояние между элементами проводящего рисунка, мм |
Значение рабочего напряжения, В |
|
|
ГФ |
СФ |
|
|
0,1…0,2 |
– |
25 |
|
0,2…0,3 |
30 |
50 |
|
0,3…0,4 |
100 |
150 |
|
0,4…0,7 |
150 |
300 |
|
0,7…1,2 |
300 |
400 |
|
1,2…2 |
400 |
600 |
Из таблицы 5 видно, что минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка, то есть параметр S, для нашей ПП равен 0,25 мм, так как используется гетинакс и максимальное напряжение на плате 5В. Рассчитав параметры t и S, выберем класс точности нашей печатной платы по таблице 5. Для t=0,3мм и S=0,25мм класс точности ПП равен 3.
Определившись с
классом точности изготовления ПП,
выберем теперь метод изготовления ПП.
Для нашей печатной платы оптимальным
будет химический метод травления фольги.
Для данного метода удельное сопротивление
медной фольги будет равным 0,0175
.
Теперь рассчитаем сопротивление печатного проводника:
, (5)
где
- удельное сопротивление меди,
;
l – длина проводника, м.
Ом,
Паразитные параметры платы C и L мы не рассчитываем так как они оказывают влияние на частотах порядка 50МГц и более.
Расчёт конструктивных параметров
Для выбора размеров ПП необходимо определить её площадь:
, (6)
где
- площадь под всеми элементами;
- площадь технологических отверстий
(крепежи и т. д.);
- площадь, которую
не должны занимать ЭРЭ по конструктивным
соображениям;
- коэффициент
заполнения ПП.
определяются по
установочным размерам электрорадио
элементов, исходные данные
занесём в таблицу 6.
мм
,
Таблица 6
|
Тип ЭРЭ |
Количество ЭРЭ, шт |
Площадь
под одним ЭРЭ, мм |
Площадь
занимаемая всеми ЭРЭ, мм |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
C2-23-0,125Вт |
12 |
4*10=40 |
480 |
|
К10-17Б |
3 |
2*5=10 |
30 |
|
К52-1Б |
1 |
25*6=150 |
150 |
|
HP1-4-8M |
3 |
1,5*25=37,5 |
112,5 |
|
BL-L519EGW |
12 |
|
235,5 |
|
TS-A2PS-130 |
8 |
6*6=36 |
288 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
M74HC540B1R |
3 |
25,54*7,5=191,55 |
574,65 |
|
SCS-14 |
1 |
17,7*9,9=175,23 |
175,23 |
|
USBA-1J |
1 |
14,3*12,5=178,75 |
178,75 |
Сумма: 2 224,63
мм
Наше устройство имеет 3 крепёжных отверстия диаметром по 3,2 мм (для 3 мм болтов). Определим площадь технических отверстий по формуле:
, (7)
где
- диаметр технических или крепёжных
отверстий, мм;
n - количество отверстий, шт;
мм
.
Свободную площадь,
,
берём равной 0, так как нет необходимости
в ней.
Посчитав площадь печатной платы, по ГОСТ 10.317-79 выберем её размеры: 80x100 мм.
Определим реальный коэффициент заполнения печатной платы по формуле:
, (8)
где А - высота ПП, мм;
B - ширина ПП, мм.
.
Диаметры монтажных
отверстий должны быть немного больше
диаметров выводов ЭРЭ. На плате
рекомендуется иметь количество размеров
монтажных отверстий не более трёх,
поэтому диаметры отверстий близкие по
значению увеличиваем в сторону большего,
но так, чтобы разница между
и
была меньше, чем 0,4 мм. Все
электрорадиоэлементы, применяемые
в данном
устройстве, имеют
диаметр выводов равный 0,6 мм. При
выбираем значения
равным 0,2 мм. Следовательно, рассчитаем
диаметры для одного монтажного отверстия
по формуле:
, (9)
где
- диаметр вывода, мм;
- зазор между выводов и отверстием, мм.
мм,
Диаметр контактных площадок определяется по формуле:
, (10)
где b - радиальная ширина контактной площадки, мм;
- предельное отклонение диаметра
монтажного отверстия, мм;
- позиционный допуск расположения
центров осей отверстия, мм;
- позиционный допуск расположения
центров осей отверстия, мм.
Согласно ГОСТ 23751-86 для печатных плат третьего класса точности устанавливаем:
мм;
мм
(так как
<1
мм);
;
.
Таким образом, диаметр контактных площадок для монтажных отверстий диаметром 0,8мм равны:
мм.
Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нескольких проводников определим по формуле:
, (10)
где:
,
- диаметры монтажных отверстий, между
которыми прокладывается проводник,
мм;
n - количество проводников;
- предельное отклонение ширины печатного
проводника, мм;
- значение позиционного допуска
расположения печатных проводников
(зависит от класса точности платы), мм.
Для платы третьего класса точности значения будут равными:
мм;
мм.
Для прокладки одного проводника между отверстиями диаметром 0,8 и 0,8 мм, минимальное расстояние будет равно:
мм.