4. Конструкторские расчеты

4.1 Расчет геометрических параметров печатной платы

Расчет печатного монтажа состоит из 3 этапов: расчет по постоянному току, расчет по переменному току, конструктивно технологический расчет.

а) Метод изготовления и класс точности печатной платы. (ГОСТ 237551-86)

Предпочтение отдадим двухсторонней печатной плате, которая выполнена комбинированным позитивным методом по полуаддитивной технологии, так как она является базовой для ДПП из стеклотекстолита нагревостойкого фольгированного СФ-2Н-50Г-1.5 ГОСТ 10316-78. В данной разработке ПП используется как дискретная, так и интегральная элементная база, поэтому выбираем 4 класс точности.

Исходные данные для расчета:

-толщина печатной платы Нр=1.5мм;

-удельное сопротивление ρ=0.0175Ом*мм²/м;

-толщина фольги hф=50мм;

-допустимая плотность тока iдоп=38А/мм²;

-максимально постоянный ток, протекающий в проводниках, исходя из анализа схемы, будет следующим Imax=0.2А;

-напряжения питания схемы Uсхемы =5В;

-длина проводника l=70мм;

-шаг координатной сетки 1.25мм;

-допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения. Uдоп=0,25В;

-диаметры выводов ЭРЭ:

D0=0.5мм, D1=0.6мм, D2=0.7мм, D3=0,8мм, D4=0,9мм.

4.2 Расчет по постоянному и переменному току печатного монтажа платы

б) Минимальная ширина (мм) печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где I_max - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

hф - толщина проводника, мкм,

в) Минимальная ширина проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где  - удельное сопротивление, Оммм²/м;

l - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В;

.

Таким образом выбираем толщину печатной платы 0.15 мм в соответствии с ГОСТ 23751-86.

b_min<0.15 – не превышает установленной нормы, следовательно плата будет работать стабильно.

4.3 Конструктивно-технологический расчет.

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

Номинальное значение диаметров монтажных отверстий Д:

Д=Д_выв+/d_н.о./+,

где Д _выв - диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

d_н.о.- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм;

 - разница между минимальным диаметром ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0.1...0.4 мм.

Двыв0=0.5мм, Двыв1=0.6мм, Двыв2=0,7 мм, Двыв3=0,8мм, Двыв4=0,9мм.

Для Двыв0=0.5мм

Д0=0.5+0.05+0.2=0.75мм

Для Двыв1=0.6мм

Д1=0.6+0.05+0.2=0.85мм

Для Двыв2=0,7мм

Д2=0,7+0.05+0.2=0,95мм

Для Двыв3=0,8мм

Д3=0,8+0.05+0.2=1.05мм

Для Двыв4=0,9мм

Д3=0,9+0.05+0.2=1.15мм

Минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

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

Дм min≥Нрас*v=1.5*0.33=0.495мм

где H_р - расчетная толщина платы, мм;

- отношения диаметра отверстия к толщине платы.

Диаметр переходного отверстия равен половине толщине ПП толщина ПП=1.5мм следовательно диаметр равен 0.75мм рассчитанный диаметр отверстия выбираем из предпочтительного ряда и принимаем равным 0.8 мм.

Диаметр контактных площадок.

Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП:

Д_min=Д1_min+1.5h_r - для оплавляемого покрытия олово-свинец

где hr-толщина гальванической меди в отверстиях около 0,05мм;

Д_1min=2*(b_м+Д_0max/2+ δ_d+ δ_р):

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

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

Максимальный диаметр просверливаемого отверстия Д_0max, мм:

Д _0max = Д₀ + d + (0.1...0.15),

где d - допуск на отверстие, мм;

Д₀-номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм.

Д _{0max 0}=0.75+0.05+0.1=0.9мм

Д _{0max 1}=0.85+0.05+0.1=1мм

Д _{0max 2}=0,95+0.05+0.1=1.1мм

Д _{0max 3}=1.05+0.1+0.1=1.25мм

Д _{0max 4}=1.15+0.1+0.1=1.35мм.

Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстиий:

Д1min0==1.4мм

Д1min1==1.5мм

Д1min2==1.6мм

Д1min3==1,75мм

Д1min4==1,85мм

Минимальный диаметр контактных площадок:

Дmin0=1.4+1.5*0.05=1,475мм

Дmin1=1.5+1.5*0.05=1,575мм

Дmin2=1.6+1.5*0.05=1,675мм

Дmin3=1,75+1.5*0.05=1,825мм

Дmin4=1,85+1.5*0.05=1,925мм

Максимальный диаметр контактной площадки:

Д_max = Д_min + (0.02 ... 0.06)

Д_max0 = 1.475+0.02=1.495мм

Д_max1 = 1.575+0.02=1.595мм

Д_max2 = 1.675+0.02=1,695мм

Д_max3 = 1,825+0.02=1,845мм

Д_max3 = 1,925+0.02=1,945мм

Полученные размеры диаметров контактных площадок приведем в соответствие с отверстиями из предпочтительного ряда 1.6мм, 1,7мм, 1,8мм, 2.0мм, 2.1мм.

Сведем полученные результаты в таблицу.

Таблица 3 - Диаметры отверстий и контактных площадок

Двыводов, мм	Д0, мм	Дmax,, мм	Дmin, мм
0,5	0,75	1,6	1,475
0,6	0,85	1,7	1,575
0,7	0,95	1,8	1,675
0,8	1,05	2,0	1,825
0,9	1,15	2,1	1,925

Ширина проводников.

Минимальная ширина проводника для ДПП

мм,

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 проводника:

t_max = t_min + (0.02...0.06)= t_min + 0.02=0.255+0.02=0.275≈0.3 мм.

Минимальный зазор между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

где - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

- допуск на расположение проводников, мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max0=1,6мм:

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max1=1,7мм:

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max2=1,8мм:

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max3=2,0мм:

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой для Д_max4=2,1мм:

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

Таким образом, проведенный расчет элементов проводящего рисунка позволяет выполнить трассировку печатной платы. Трассировка печатной платы выполнена в соответствии с произведенными расчетами. Результаты расчета показывают, что расстояния между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимых.

4.4 Расчет обеспечения нормального теплового режима устройства.

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.

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),

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

l=0.09; b=0.075 ; h=0.45

К_з.о - коэффициент заполнения объема (К_з.о =0.45).

Таким образом, получим

S_з = 2(0.090.075+(0.09+0.075)0.0250.45) =0,017м²

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

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

Q = I_maxU,

где I_max =0.2А - максимальный потребляемый ток для цепи питания;

U =5В - напряжение питания.

Тогда, получим

Q=0.25=1 Вт,

Вт/м²

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов, равной +70⁰С (из таблицы 1). Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно нормально функционировать равна Т_с=40⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле

t_k =Т_з-Т_с = 70-40 = 30⁰С

Получили точку К ( 58,8;30). Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции. Учитывая, что в проектируемом блоке модули расположены горизонтально, точка находится в первой зоне, следовательно, устройство не нуждается в вентиляции.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим работы без вентиляции воздуха. Дополнительные средства вентиляции и охлаждения не требуются.

Расчет электрических параметров печатной платы не проводятся, так как данное устройство работает на низкой частоте, что означает малое влияние на проводники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом выполнения курсового проектирования является разработка конструкции автомата световых эффектов.

В курсовом проекте проведен сравнительный анализ аналогов, расчет объемно-компоновочных, тепловых характеристик устройств, геометрических, электрических параметров печатной платы. На основании расчетов, в соответствии с техническим заданием, разработана конструкция прибора, которая обеспечивает ремонтопригодность и простоту эксплуатации. Разработана конструкторская документация в соответствии с требованиями существующих стандартов.

В результате конструкторских расчетов устройства разработанный блок удовлетворяет всем пунктам технического задания: требованиям по обеспечению технологичности конструкции, по эргономике, условиям эксплуатации.

Дальнейшее совершенствование устройства связано только с изменением элементной базы или принципа работы устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ППП. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник / А. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; Под ред. А.В. Голомедова.-2-е изд., перераб. и доп. – М. : КубК-а, 1996. – 592 с.: ил.

2. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский - 1989.

3. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочник / Э.Т Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов и др.; Под ред. Э.Т Романычевой .-2-е изд., перераб. и доп. – М. : Радио и связь, 1989. – 448 с.: ил.

4. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. – М.: Радио и связь, 1990 – 128с., ил.

5. Разработка конструкций печатных плат. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Составила Фомина Н.Н.

6. Разработка и расчет устройств радиоэлектронной аппаратуры. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Составила Фомина Н.Н.

7. Оформление спецификаций. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Составила Фомина Н.Н.

8. Журнал «Радио», ст. 52, №11, 2003 г.

9. Школа академика Власова: выпуск первый. Сборник методических трудов кафедры «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники технологии и управления.