3 Конструкторские расчеты

Определим установочные площади всех элементов на печатной плате.

Таблица 1 – Установочные площади элементов на печатной плате.

Элементы	Установочная площадь одного ЭРЭ, мм2	Количество элементов
Конденсаторы:
К50-6 – 4,7 мкФ х 10 В	44	3
КМ-6 – 1мкФ х 25 В	74	2
КД-2 – 0,1 мкФ х 25 В	36	4
Микросхемы:
К561ЛА7	164	1
К561ТМ2	164	2
К561ИЕ14	186	3
КР572ПА1А	186	1
К140УД708	100	2
К142ЕН12	86	1
Транзисторы:
КТ315Б	52	1
КП303А	48	1
Диоды:
КД522А	52	9
Подстроечные резисторы:
СП4-1В – 0,25 Вт	235	3
Постоянные резисторы:
МЛТ – 0,125 Вт	59	26

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для РЭА, равного 0,6, получим значение площади ПП [5]:

S_ПП = S₁/0.6 = 4630/0.6 = 7700 мм². (1)

Установочный объем ПП V_уст определяют, исходя из max с учетом монтажа размеров по ширине, длине и высоте (с коэффициентом запаса 1,5):

V_уст = 1,5 S_ПП Н = 254100 мм³ (2)

где Н – высота самого высокого ЭРЭ (Н = 22 мм – высота К142ЕН12).

Соотношение сторон ПП: 70 х 110 мм по ГОСТ 10317-79 [4].

3.1 Выбор метода изготовления и класса точности печатной платы

Для соединения радиоэлементов электрической схемы между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двустороннюю печатную плату, изготовленную комбинированным позитивным методом по полуаддитивной технологии. Учитывая, что при проектировании ПП используются ИС, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности [5].

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещенных на плате, равен 1,2 мм (К142ЕН12), то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

В качестве материала проектируемой ДПП выбираем стеклотекстолит нагревостойкий высшего сорта, толщиной 1,5 мм. облицованный с двух сторон медной оксидной фольгой, толщиной 50 мкм. СФ-2Н-50Г-1,5в.с. ГОСТ 10316-78 [4].

3.2 Расчет печатного монтажа

Исходные данные:

1) расчетная толщина платы Н_р , мм 1,5

2) толщина фольги h, мм 0,05

3) диаметры выводов радиоэлементов: D_выв1=0,6 мм, D_выв2=0,8 мм, D_выв3=1,2мм

4) максимальный постоянный ток, потребляемый схемой I_и.max, А 0,01

6) напряжение питания схемы U_и, В 12

8) допустимая плотность тока J_доп, А/мм² 38

9) наибольшая длина проводника l, м 0,1

Таблица 2 – Параметры 4 класса точности

Параметры	Значения
Минимальное значение номинальной ширины проводника t, мм	0,15
Номинальное расстояние между проводниками S, мм	0,15
Гарантийный поясок, bм, на наружном слое, мм	0,05
Гарантийный поясок, b, на внутреннем слое, мм	0,03
Отношение диаметра отверстия к толщине платы	0,33
Допуск на отверстия d, мм без металлизации   1мм 1 мм	+0,05 0,1
Допуск на отверстия d, мм с металлизацией   1мм 1 мм	+0,05:-0,1 +0,1:-0,15
Допуск на ширину проводника без покрытия t,мм	0,03
Допуск на расположение отверстий d, мм	0,05
Допуск на расположение контактной площадки p, мм	0,15
Допуск на расположение проводников l, мм	0,03
Допуск на подтравливание диэлектрика dтр, мм	0,03

3.2.1 Расчет по постоянному току. Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения. Определяем допустимое падение напряжения на проводниках схемы [5]:

В. (3)

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

мм. (4) Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем:

мм, (5)

где  - удельное объемное сопротивление проводника, Ом ^. мм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше или равна b_min1 и , поэтому принимаем ширину проводников питания и заземления равную b = 0,7 мм.

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки электрорадиоэлементов и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

3.2.2 Конструктивно-технологический расчет.Определяем минимальный диаметр монтажных отверстий для всех видов выводов электрорадиоэлементов [5]: 0,6; 1,2; 0,8; (0,6-0,7; 0,8-0,9 и 1,1-1,2).

мм, (6)

мм, (7)

мм, (8)

где – толщина припоя, мм;

=0,54-0,6 мм;

=0,8-0,9 мм;

=1,1-1,2 мм;

С учетом на биение сверла:

мм, (9)

мм, (10)

мм, (11)

где D_св – диаметр сверла,

D – коэффициент радиального биения сверла.

Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия. Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим, но в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы:

мм, (12)

где H_р - расчетная толщина платы, мм;

- коэффициент зависящий от состава электролита.

Рассчитанный диаметр отверстия выбираем из ряда и принимаем равным 0,8 мм.

Определяем диаметры контактных площадок. Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий:

мм, (13)

мм, (14)

мм, (15)

где b_м - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок ), мм;

, - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

Минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий, при покрытии олово-свинец:

мм, (16)

мм, (17)

мм, (18)

где h_r - толщина фольги, мм;

Максимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий:

мм, (19)

мм, (20)

мм, (21)

В соответствии с полученными диаметры контактных площадок составляют соответственно 1,6, 2,0 и 2,3 мм.

Таблица 3 – Диаметры отверстий и контактных площадок

Двыв, мм.	, мм.	, мм
0,54-0,6	0,6	0,8	1,6
0,8-0,9	0,9	1,0	2,0
1,1-1,2	1,2	1,3	2,3

Определяем минимальную ширину сигнальных проводников:

мм, (22)

где t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 - минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальваностойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину проводника (t_min1) выбирают в соответствии с классом точности и способом изготовления печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника:

мм. (23) Округляем максимальную ширину сигнального проводника в соответствии с рядом нормальных размеров до значения равного: t_max=0.3 мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа , мм:

мм , (24)

где - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

- допуск на расположение проводников, мм.

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа, мм:

мм, (25)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа, мм:

мм, (26)

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

мм. (27)

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками первого типа:

мм. (28)

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками второго типа:

мм. (29)

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником:

мм. (30)

Таким образом, проведенный расчет позволяет выполнить трассировку ПП.

Вывод: было получено минимальное расстояние между проводниками 0,9 мм, ширина узкого проводника (сигнального) 0,3 мм, ширина проводников питания 0,7 мм, расстояние между двумя контактными площадками 0,6 мм, между проводником и контактной площадкой 0,12 мм. Проводники можно проводить между всеми контактными площадками.

3.2.3 Расчет электрических параметров ПП.

1) Омическое сопротивление печатных проводников. Омическое сопротивление печатных проводников в обычных низкочастотных платах, как правило, не оказывает влияния на работу схемы, но при значительной протяженности и минимальной ширине проводника эта величина может достигнуть значений, способных внести искажения в работу устройства.

Сопротивление проводника из однородного материала:

₍₃₁₎

где  - удельное электрическое сопротивление проводника, Ом*мм²/м;

l – длина проводника, мм;

b – ширина проводника, мм;

h – толщина проводника, мм.

При ширине проводника b = 0,3 мм и толщине h = 50 мкм, проводник длиной l = 40 мм будет иметь следующее сопротивление:

Ом.

2) Допустимая токовая нагрузка. Величину токовой нагрузки одиночных проводников из медной фольги с постоянной шириной b и сечением S можно ориентировочно определить по графику. Сечение проводника шириной 0,3 мм, толщиной 50 мкм будет равно 0,015 мм², а плотность тока при t = 20⁰С равна 1,7 А/мм²; при t = 30⁰С – равна 2 А/мм². При максимальном токе в сигнальном проводнике платы в 20 мА плотность тока составляет 0,02/0,015=1,3 А/мм², т.е. меньше максимально допустимого.

3) Емкость между проводниками при их параллельном взаимном расположении:

, (32)

где E_r = 6– диэлектрическая проницаемость среды;

l =40 мм – длина близко расположенных проводников;

а=1,25 мм – расстояние между проводниками;

b=0,3 мм – ширина проводника;

h=0,05 мм – толщина фольги.

пФ (33)

При других вариантах значение емкости меньше полученного значения.

4) Собственная индуктивность параллельных проводников:

, (34) мкГн; (35)мкГн. (36)

5) Взаимоиндуктивность проводников рассчитывается при условии

; (37)

где b₁=0,3мм – ширина первого проводника;

b₂=0,7мм – ширина второго проводника;

а=1,25мм – расстояние между проводниками.

l>>30,5мм.

Так как l не намного больше рассчитанного значения (30,5 мм), т.е. условие не выполняется, то взаимоиндуктивность не влияет на проводники.

В результате расчета электрических параметров получили, что значения индуктивности, емкости и взаимоиндуктивности между печатными проводниками невелики. Так как плата является низкочастотной (максимальная частота на выводе 4 микросхемы DD1 равна 1200 Гц), то влияние помех незначительно.