2. Выбор типа электрического монтажа

В разрабатываемой конструкции используется два типа монтажа: печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально законченный узел – печатную плату. Объемный монтаж применяется для соединения печатной платы и органов управления.

3.3 Выбор способов защиты устройства от дестабилизирующих факторов

Для защиты устройства от электрических помех корпус должен быть экранирован. Теплозащита должна обеспечивать хорошую и эффективную защиту устройства в различных климатических условиях. Конструкция корпуса должна иметь в себе возможность вентиляции.

4. Конструкторские расчеты

1. Расчет печатного монтажа

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ23751-86 выбираем третий класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате, равен 0,9 мм (конденсатор С1), то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

Для конструкции модуля используются двусторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10317-79.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

1. Конструктивно – технологический расчет

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

Определим максимальный постоянный ток в проводнике:

где: I_max – максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

U_ПИТ – напряжение питания установки;

R_min – минимальное сопротивление на плате.

мм

где: i_ДОП – допустимая плотность тока, для комбинированного позитивного метода изготовления [1, т.1];

h – толщина проводника [1, т.1].

Для стабильной работы примем b_min1=4*10^-3 мм.

Найдем допустимое падение напряжения:

U_ДОП=0.05*U_ПИТ=0.05*9=0.45 В

Определим минимальную ширину проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где: ρ – удельное объемное сопротивление [1, т.1];

l – длина проводника.

Т.о. получено, что ширина сигнального проводника может быть более 0.933* *10^-3 мм, для удобства конструирования и в соответствии с ГОСТ возьмем ширину сигнального проводника равной 0.15 мм. Ширину проводника питания примем равной 1 мм.

Определим номинальное значение монтажных отверстий. На плате есть 3 типа устанавливаемых ЭРЭ согласно диаметру вывода этих элементов. Рассчитаем каждый отдельно:

Д=Д_выв+|Δd_НО|+Δ_З=0.9+0.05+0.1=1.05 мм

Д=Д_выв+|Δd_НО|+Δ_З=0.7+0.05+0.1=0.85 мм

Д=Д_выв+|Δd_НО|+Δ_З=0.5+0.05+0.1=0.65 мм

где: Д_выв – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

Δd_НО – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия [1, т.2];

Δ_З – разница между диаметром отверстия и максимальным диаметром выводом выбирается из участка 0.1…0.4 мм.

Минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия:

Д_Мmin ≥Н_расν

где: Н_рас – расчетная толщина платы;

ν – отношение диаметра отверстия к толщине платы [1, т.2].

Д_Мmin≥1.5*0.33=0.495, примем Д_Мmin=0.5

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

Д_0max=Д₀+Δd+0.1=1.05+0.05+0.1=1.2 мм

Д_0max=Д₀+Δd+0.1=0.85+0.05+0.1=1 мм

Д_0max=Д₀+Δd+0.1=0.65+0.05+0.1=0.8 мм

где: Δd – номинальный диаметр металлизированного отверстия.

Эффективный минимальный диаметр контактных площадок:

Д_1min=2*(b_M+Д_0max/2+δ_d+δ_p)=2*(0.05+1.2/2+0.05+0.15)=1.7 мм

Д_1min=2*(b_M+Д_0max/2+δ_d+δ_p)=2*(0.05+1/2+0.05+0.15)=1.5 мм

Д_1min=2*(b_M+Д_0max/2+δ_d+δ_p)=2*(0.05+0.8/2+0.05+0.15)=1.3 мм

Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП

Д_min=Д_1min+1.5*h_r=1.7+1.5*0.05=1.775 мм

Д_min=Д_1min+1.5*h_r=1.5+1.5*0.05=1.575 мм

Д_min=Д_1min+1.5*h_r=1.3+1.5*0.05=1.375 мм

где: h_r – толщина гальванической меди [1, т.1];

Д_1min – эффективный минимальный диаметр контактной площадки.

Максимальный диаметр контактной площадки

Д_max=Д_min+0.02=1.775+0.02=1.795 мм

Д_max=Д_min+0.02=1.575+0.02=1.595 мм

Д_max=Д_min+0.02=1.375+0.02=1.395 мм

Минимальная ширина проводника:

t_min=t_1min+1.5h_r+Δt=0.15+1.5*0.05+0.1=0.325 мм

где: t_1min – минимальная эффективная ширина проводника;

Δt – допуск на ширину проводника [1, т.2].

Максимальная ширина проводник:

t_max=t_min+0.05=0.325+0.05=0.33 мм;

Минимальный зазор между проводником и контактной площадкой:

где: L_Э – расстояние между центрами элементов

δ_l – допуск на расположение проводников [1, т.2]

мм

Минимальный зазор между двумя проводниками:

мм

Минимальный зазор между двумя контактными площадками:

мм

Минимальный зазор для прокладки проводников в магистральном канале между двумя контактными площадками металлизированных отверстий:

где: Д_1max, Д_2max – диаметры металлизированных отверстий;

N_Л – число проводников в магистральном канале;

S – номинальное расстояние между проводниками [1, т.2].

Минимальный зазор для прокладки проводников в магистральном канале между двумя не металлизированными отверстиями:

2. Расчет электрических параметров ПП

4.2.1 Определение сопротивления печатных проводников. Сопротивление проводника из однородного металла:

(40)

где: ρ – удельное электрическое сопротивление проводника, мкОм/м;

l – длина проводника, мм;

b – ширина проводника, мм;

h – толщина проводника, мкм.

Таким образом сопротивление проводника питания определится по формуле: Ом

Сопротивление сигнального проводника: Ом

Т.к. частота работы устройства (660 Гц) не является высокой, то расчет на эффективную глубину проникновения тока проводить не будем.

4.2.2 Определим допустимую токовую нагрузку:

Согласно графику зависимости токовой нагрузки от ширины проводника [1], при ширине проводника 0.15 мм, толщине 35 мкм, сечение будет равно 0.0045 мм². Допустимая плотность тока равна (при 30⁰С) 0.8 А/мм².

4.2.3 Определим емкость и индуктивность между печатными проводниками

Определяем взаимные емкости С и индуктивности L линий связи для заданного типа электрических соединений.

Паразитная емкость, возникающая между параллельными проводниками на печатной плате при b₁ = b₂=1мм:

, (1)

где : ε=1 – диэлектрическая проницаемость среды;

l=30 мм – длина проводника;

h=35*10^-3 мм – толщина проводника;

а=86 мм – зазор между проводниками.

, (2)

Индуктивность определится по формуле:

, (3)

Определим те же параметры для сигнального проводника.

При b₁ = b₂=0.15мм

а=1,25мм l=140 мм

, (4)

, (5)

Вывод: Из проведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в техническом задании, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования, т.к. действие помехи не приведет к нарушению работоспособности модуля.

3. Расчет теплового режима

Модуль электронной аппаратуры второго уровня и выше, например блок, представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета. Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

1’, 2’, 3’ - для вертикального расположения блоков;

1, 2, 3 - для горизонтального расположения блоков;

1, 1’ - без вентиляции;

2, 2’ - естественная вентиляция;

3, 3’ - принудительная вентиляция.

t_k, С

1

100

1'

80

2'

60

К

2

40

20

3

3'

q,

0

600

500

400

300

200

100

0

Рисунок 3 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции

Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_o и рассеиваемую тепловую мощность Р_о. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 3 приведены зависимость между перепадом температур t_k и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны S_з, м² для воздушного охлаждения

S_з=2(lb+(l+b)hК_з.о), (56)

где l, b, h - геометрические размеры блока, м

l=0,1; b=0,1; h=0,015

К_з.о - коэффициент заполнения объема (К_з.о =0,817).

Тогда, получим

S_з = 2(0,10,1+(0,1+0,1)0,0150,817) = 0,0167216 м² (57)

Определим удельную мощность нагретой зоны q₃, Вт/м², как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади, Вт/м²

, (58)

где Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле, Вт

Q = I_maxU, (59)

где I_max =18мА=0,018- максимальный потребляемый ток для цепи питания;

U =9В- напряжение питания.

Тогда, получим

Q=0,0189=0,162 Вт, (60)

, (61)

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Поскольку в схеме имеются конденсаторы параметры которых ухудшаются при увеличении температуры до 7085С, то температуру зоны примем равной Т_з=65⁰С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=25⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле

t_k =Т_з-Т_с = 65-25 = 40⁰С (62)

Получили точку К(9.68, 40). Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 3). Учитывая, что в проектируемом блоке модули расположены горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 1, следовательно, устройство не нуждается в вентиляции.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим работы без вентиляции воздуха. Но устройство содержит транзистор, способный нагреваться, что может ухудшить параметры конденсатора и устройства в целом. Поэтому, целесообразно в корпусе устройства сделать вентиляционные отверстия.

5. Описание конструкции устройства

1. Описание конструкции блока.

Блок частотомера выполнен в виде модуля второго конструктивного уровня – блока, оригинальной конструкции. Корпус блока выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда. Окончательные габаритные размеры 14614640. Корпус состоит из основания и крышки. Основание и верхняя крышка, выполнены из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л по ОСТ 6-05-40-80 литьем под давлением. Толщина стенок 2 мм.

На дне основания расположена плата П1, которая прикреплена к нему с помощью резьбовых втулок, запрессованных в приливы. На задней стенке имеются два симметричных отверстия, предназначенных для выводов проводов. Первый провод предназначен для соединения устройства с внешней аппаратурой, через нее в устройство поступает напряжение, частоту которого необходимо измерить. Второй провод предназначен для соединения устройства с блоком питания. На дне основания предусмотрены ножки и вентиляционные отверстия.

Верхняя крышка имеет прямоугольную форму. Напротив индикаторов в крышке предусмотрено прямоугольное отверстие, в которое вклеена пластина из прозрачного органического стекла. К верхней крышке присоединяется плата П2 (плата индикаторов). Присоединение платы индикаторов к верхней крышке осуществляется с помощью резьбового соединения винт-гайка. Чтобы не возникали перекосы при установлении платы индикаторов между платой и

крышкой помещаются втулки. Присоединение верхней крышки к основанию осуществляется при помощи болтов, которые ввинчиваются в втулки, запрессованные в приливы.

2. Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий.

Из требований по условиям эксплуатации, записанным в техническом задании, следует, что нет необходимости в применении специальных способов защиты устройства от климатических факторов, вибрации и помехонесущих полей. Корпус устройства осуществляет частичную герметизацию.

Устойчивость устройства на плоскости обеспечивают ножки, вылитые в основании.