Проектирование печатного узла с учетом требований миниатюризации и экономичности.
Рассмотрим основные принципы проектирования печатных плат.
Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу.
Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник –участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины.
Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным монтажом образуетпечатную плату.
По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные имногослойные.
Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП).
Многослойная печатная плата (МПП) состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.
Многослойные печатные платы имеют соединения между проводниками, расположенными в различных слоях или открытый доступ к отдельным участкам про водников внутренних слоев для припайки к ним электрорадиоэлементов (ЭРЭ).
Печатные платы в зависимости от минимальной ширины печатных проводников и минимального зазора между ними делят на три класса.
К классу 1относят платы с пониженной плотностью монтажа, у которых ширина проводников и зазор между ними должны быть не менее 0,5 мм.
К классу 2относятся платы с повышенной плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазоры не менее 0,25 мм.
К классу 3относятся платы с высокой плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазоры до 0,15 мм. Платы этого класса следует применять только в отдельных, технически обоснованных случаях.
Чертежи печатных плат выполняют на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника.
Координатную сетку наносят на чертеж с шагом кратным 0,625 мм. Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод – на вертикальной или горизонтальной линиях координатной сетки.
Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0,8 мм диаметр неметаллизированного отверстия делают на 0,2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0,8 мм - на 0,3 мм больше.
Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Связано это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получится неравномерной, а при большом отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться непокрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее половины толщины платы.
Чтобы обеспечить надежное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий рекомендуется делать в виде кольца.
Отверстия на плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы. В противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь достаточной механической прочности.
Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы от планарных корпусов, рекомендуется делать прямоугольными. Чтобы при установке ИМС не было ошибок, на контактной площадке, к которой будет припаиваться вывод №1 ИМС, делают ключ в виде «усика».
Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.
Проводники на всем их протяжении должны иметь одинаковую ширину. Если один или несколько проводников проходят через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длина участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной.
Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами называют печатный узлом.
Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлест.
ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны (для плат с односторонней фольгой – на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.
При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:
полупроводниковые приборы и микроэлементы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.);
должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;
должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подстраивают при регулировании схемы.
В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы – их нужно крепить дополнительно за корпус.
Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.
Чтобы обеспечить возможность применения групповой пайки (например, пайки «волной») элементов, устанавливаемых с зазором между платой и корпусом, необходимо предусматривать специальный изгиб выводов. Этот изгиб удерживает элемент и не дает ему опуститься на плату в процессе установки других элементов до операции пайки.
При установке элементов в корпусах с планарными выводами желательно покрытие узлов влагозащитными лаками, которое обеспечивает дополнительное крепление выводов к плате.
Если планарный элемент выделяет большое количество теплоты и находится при повышенной температуре, то существует опасность нагрева корпуса выше допустимой температуры. В этом случае под корпусами устанавливают теплоотводящую медную шину, концы которой должны плотно прилегать к корпусу изделия или другому элементу конструкции, способному" отводить выделяемую микросхемой теплоту в окружающее пространство. Медная шина должна быть изолирована изоляционной прокладкой от печатных проводников, проходящих под микросхемой. По тем же причинам нужно применять при установке изоляционные прокладки. Вместо прокладок можно покрывать нижнюю поверхность корпуса эпоксидной смолой.
ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.
Зазор между корпусами должен быть не менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Планарные корпуса нужно располагать длинной стороной вдоль направления конвекционного потока воздуха. При этом улучшается охлаждение микросхемы.
Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.
Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.
Учитывая требования миниатюризации и экономичности, при проектировании печатной платы будем использовать элементы поверхностного монтажа. Это сэкономит размеры платы, а следовательно и стоимость изготовления. Сейчас наблюдается тенденция что элементы поверхностного монтажа стоят дешевле чем выводные, это связано с затратами при их изготовлении, поэтому переход на такие элементы очень выгоден с экономической точки зрения. Данная экономия хорошо очевидна при больших размерах плат. Современное оборудование способно изготавливать платы высокого класса точности, с очень малыми зазорами, поэтому к усложнению производства платы миниатюризация не приведет.
Проанализируем режим работы платы и используемые элементы для выбора новой элементной базы с учетом требования миниатюризации.
Диапазон питающих напряжений для данной схемы составляет 6...20 В.
Применяемые резисторы МЛТ номинальной мощностью 0,125 и 0,25 Вт заменим резисторами SMD 1206 рассчитанные на работу при номинальной мощности 0,25Вт. Его габаритные размеры представлены на рисунке 1.
Рисунок 1.
L=3,2мм; W=1,6мм;H=0,5мм;L1=0,5мм.
Подстроечный резистор СП5-2 заменим на современный типа 3296W. По техническим характеристикам он является полным аналогом СП5-2. Выигрыш в габаритных размерах около 3мм по ширине и высоте. Размеры выбранного резистора представлены на рисунке 2.
Рисунок 2.
Микросхема К140УД6 представляет собой операционный усилитель средней точности с высоким усилением, малым входным током, внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания.
Электрические параметры:
1 Напряжение питания ± 15 В ± 10%
2 Выходное напряжение не менее 11 В
3 Напряжение смещения нуля ±10 мВ
4 Входной ток не более 100 нА
5 Разность входных токов не более 25 нА
6 Ток потребления не более 4 мА
7 Коэффициент усиления напряжения не менее 30000
8 Входное сопротивление 1 мОм
9 Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений не менее 70 дБ
10 Скорость нарастания входного напряжения не менее 0,5В/мкс
11 Частота единичного усиления не менее 0,35 МГц
Предельно допустимые режимы эксплуатации
1 Напряжение питания ±(5...18) В
2 Входное синфазное напряжение ±15 В
3 Входное дифференциальное напряжение не более 30 В
4 Температура окружающей среды -10..+700С
Учитывая данные параметры выбираем операционный усилитель OP07
OP07 обладает очень малым входным напряжением (не более 75 мкВ), которое обеспечивается путем лазерной подгонки на пластине. Столь низкое напряжение смещения, в общем случае, позволяет отказаться от внешней коррекции нуля. OP07 также имеет очень низкий ток смещения (±4 нА) и высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи (200 В/мВ). Благодаря малому напряжению смещения и высокому коэффициенту усиления при разомкнутой цепи обратной связи OP07 особенно полезен в измерительных схемах, работающих с высоким коэффициентом усиления.
Широкий диапазон входных напряжений (±13 В, минимум), высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (106 дБ) и высокий входной импеданс обеспечивают высокую точность в неинвертирующей конфигурации. Компонент поддерживает превосходные значения линейности и погрешности коэффициента усиления даже при работе с большими коэффициентами усиления при замкнутой цепи обратной связи. Он также обладает превосходной стабильностью напряжения смещения и коэффициента усиления во времени и при изменениях температуры. Благодаря высокой точности и стабильности, даже при высоких коэффициентах усиления, наряду со свободой, которую дает возможность внешней коррекции нуля, OP07 стал очень распространен.
OP07 выпускается в двух версиях с разными градациями показателей. Версия OP07E работает в температурном диапазоне от 0°C до 70°C, а OP07C – в температурном диапазоне от –40°C до +85°C.
OP07 выпускается в 8-выводных корпусах PDIP и SOIC. Мы будем использовать в корпусе SOIC8. Габаритные размеры представлены на рисунке 3.
Рисунок 3.
Стабилитрон КС133А - сплавной, кремниевый, малой мощности. Основное назначение - стабилизация напряжения 3,3 В. Имеет диапазон тока стабилизации от 3 до 80 мА.
Электрические параметры КС133А
Напряжение стабилизации при Iст = 10 мА (при Т = +25°C)
2,97...3,63 В
Временная нестабильность напряжения стабилизации ±1%
Постоянное прямое напряжение при Iпр = 50 мА, не более 1 В
Постоянный обратный ток при Uобр = 0,7 Uст, не более 1 мА
Дифференциальное сопротивление, не более 180 Ом (при Iст=3мА
Рисунок 4.
Предельные характеристики стабилитрона КС133А,
Минимальный ток стабилизации: 3 мА
Максимальный ток стабилизации: 80мА
Рассеиваемая мощность: не более 300 мВт
Рабочая температура: -60...+125°C
Учитывая характеристики стабилитрона и условие минимизации выбираем стабилитрон BZX55C3V3 с максимально допустимой мощностью 0,5Вт. Корпус стабилитрона DO-35 показан на рисунке 5.
Рисунок 5.
Транзистор КТ815A – кремниевый n-p-n транзистор
Максимальная рассеиваемая мощность: 10 Вт
Макcимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер: 40В
Макcимально допустимое напряжение эмиттер-база: 5В
Макcимальный постоянный ток коллектора: 3А
Предельная температура PN-перехода (Tj): 1500С
Граничная частота коэффициента передачи тока: 3МГц
Статический коэффициент передачи тока: 40
Замену данному транзистору с учетом миниатюризации найти довольно проблематично, поэтому использовать будем его же, тем более данный транзистор используется с радиатором для отвода тепла.
Учитывая вышесказанное модернизированный печатный узел представлен на соответствующем чертеже.