Объем, занимаемый аппаратурой:

V_a= V_ПП1+V_ПП2+4V_Г+V_Р = (129150+21600+(129614)+3500)=206094 мм³; (15)

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

; (16)

%; (17)

%; (18)

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока (рисунок 1, б) больше, чем для первого варианта (рисунок 1, а). Следовательно, во втором случае объем используется более эффективно.

Вывод. По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран второй вариант компоновки блока переговорного устройства на 100 абонентов (рисунок 1,б).

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 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 ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов у радиоэлементов, размещаемых на ПП, равен 0,95мм (транзистор КТ645А), то выбираем толщину платы [10, стр.8], равной 1,5мм.

Было рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон ПП и был выбран размер: 70×90мм по ГОСТ10317-79. В качестве материала проектируемой ДПП выбираем стеклотекстолит нагревостойкий, толщиной 1,5 мм, облицованный с двух сторон медной оксидной фольгой, толщиной 50 мкм. СФ-2Н-50Г-1,5, ГОСТ 10317-79.

2. Расчет элементов печатного монтажа

Исходные данные:

Диаметры выводов элементов 0,5мм; 0,6мм; 0,7мм; 0,88мм; 0,95мм. Сгруппируем данные выводы элементов в две группы: 0,6мм; и 1мм.

Расчетная толщина печатной платы Н_р, мм 1,5;

Толщина фольги h, мм 0,05;

Диаметры выводов радиоэлементов: D_выв1, мм 0,6;

D_выв2, мм 1;

Максимальный постоянный ток I_max, А 0,029;

Напряжение питания U, В 12;

Допустимая плотность тока i_доп, А/мм² 38.

При проведении расчета будут использованы коэффициенты, допуски, параметры, которые соответствуют четвертому классу точности изготовления двухсторонних печатных плат по ГОСТ 23751-86.

4.2.1 Расчет по постоянному току. Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

(19)

где I_max – максимальный постоянный ток, протекающий в проводнике, А;

I_доп – допустимая плотность тока, А/мм²;

h – толщина фольги, мм.

мм

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

(20)

где ρ – удельное объемное сопротивление, ;

l - длина проводника, м;

U_доп – допустимое падение напряжения, В.

Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения:

U_доп=U0,05=160,05=0,6 В. (21)

мм

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2. Исходя из технических особенностей производства плат по четвертому классу точности, выбирается ширина проводника равная 0,15 мм.

4.2.2 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 диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

1. Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

d_ном1 = D_выв+(22)

где D_выв - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ,

нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия,

- разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, (0,1…0,4) мм, принимаем = 0,1мм.

d_{ном1 =} D_выв1 + 0,05 + 0,1 = 0,6 + 0,05 + 0,1 = 0,75 мм;

d_{ном2 =} D_выв2 + 0,05 + 0,1 = 1 + 0,05 + 0,1 = 1,15 мм;

Определим диаметр сверла:

D_св1 = d_ном1 + (0,10,5) = 0,75 + 0,1 = 0,85 мм; (23)

D_св2 = d_ном2 + (0,10,5) = 1,15 + 0,1 = 1,25 мм; (24)

Принимаем D_св1=0,9мм; D_св2 = 1,3 мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

D_max1 = D_св1 + D = 0,9 + 0,03 = 0,93 мм; (25)

D_max2 = D_св2 + D = 1,3 + 0,03 = 1,33 мм, (26)

где D- погрешность, обусловленная биением и заточкой сверла (0,02…0,03).

Диаметры металлизированных отверстий: D_0ном1=0,9; D_0ном2 = 1,3мм.

2. Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

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

D_Mmin H_pv = = 0,495 мм, (27)

где Н_р – расчетная толщина печатной платы;

v – коэффициент, характеризующий отношение диаметра отверстия к толщине пластины.

В соответствии с требованиями автоматизации проектирования и изготовления печатных плат, с целью уменьшения количества отверстий разного диаметра, принимаем диаметр переходного отверстия d_отв=0,6 мм для двухсторонней печатной платы, диаметр сверла принимаем равным D_св1 = 0,6 мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

D_max3 = D_св1 + D = 0,6 + 0,03 = 0,63 мм; (28)

где D- погрешность, обусловленная биением и заточкой сверла (0,02…0,03).

3. Определяем диаметры контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактных площадок.

мм; (29)

мм, (30)

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

- допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

D_max- максимальный размер просверленного отверстия, мм;

D_0max = D_{0ном + +} (0,1...0,15), (31)

где d - допуск на отверстие, мм;

D_0ном – номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм;

D_0max1 = D_0ном1 + 0,05 + 0,15 = 0,9 + 0,05 + 0,05 = 1 мм; (32)

D_0max2 = D_0ном2 + 0,05 + 0,15 = 1,3 + 0,05 + 0,05 = 1,4 мм; (33)

Минимальный диаметр контактных площадок, при покрытии олово-свинец:

D_min1 = D_1min + 1,5= 1,43 + 1,5= 1,505мм; (34)

D_min2 = D_2min + 1,5= 1,83 + 1,5= 1,905мм, (35)

где - толщина металлорезиста, мм.

Максимальный диаметр контактных площадок отверстий:

D_max = D_min + (0,02…0,06), (36)

где D_min – минимальный диаметр контактной площадки.

D_max1 = D_min1 + 0,05 = 1,505 + 0,05 = 1,555 мм;

D_max2 = D_min2 + 0,05 = 1,905 + 0,05 = 1,955 мм.

Округляем максимальный диаметр контактных площадок до значений равных:

D_max1 = 1,6 мм,

D_max2 = 2 мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника.

t_min = t_min1 + 1,5h+= 0,15 + 1,5,05+ 0,05 = 0,275 мм, (37)

где t_min1 = 0,15 мм – минимальная эффективная ширина проводника, мм;

= 0,05 – допуск на ширину 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 t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника

t_max = t_min + (0,02…0,06) = 0,275 + 0,02 = 0,295 мм, (38) Округляем максимальную ширину сигнального проводника до значения равного: t_max = 0,3 мм.

4. Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа:

, (39)

где L_E = 1,25 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

= 0,15 мм – допуск на расположение контактных площадок;

= 0,3 мм – допуск на расположение проводников.

S_1min1 = 1,25 –мм.

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа:

, (40)

S_2min1 = 2,5 - мм.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками:

, (41)

мм.

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником:

, (42)

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками.

, (43)

где L₂=2,5 мм–расстояние между центрами рассматриваемых элементов,мм;

мм.

Минимальное расстояние для прокладки проводников в магистральном канале между двумя контактными площадками металлизированных отверстий:

, (44)

где ,- диаметры металлизированных отверстий;

N = 1 – число проводников в магистральном канале;

S – номинальное расстояние между проводниками, S = 0,15 мм.

мм.

Минимальное расстояние для прокладки проводников в магистральном канале между краем платы и контактной площадкой первого типа

, (45)

где - расстояние от края платы или выреза до печатного проводника, мм.

мм.

На основании расчетов выполним трассировку.

Таким образом, из результатов расчета получаем, что расстояния между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимых и параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам четвертого класса точности изготовления.

4.3 Расчет электрических параметров ПП

Рассмотрим случай двух параллельных проводников.

Емкость проводников определяется по следующей формуле:

, (46) где ε_r=8,85 пФ/м – диэлектрическая проницаемость среды;

l =70 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

При других вариантах значение емкости меньше полученного.

Индуктивность между проводниками:

(47)мкГн.

Собственная индуктивность параллельных проводников:

, (48)

мкГн, мкГн.

Взаимоиндуктивность двух параллельных проводников (потенциального и сигнального проводников) рассчитывается при условии:

; (49)

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

b₂ = 1 мм – ширина второго проводника;

а = 1,25 мм – расстояние между проводниками,

l = 20 мм – расстояние на котором рассматриваемые проводники параллельны.

10(0,3 + 1 + 1,25) = 25,5 мм

Так как l ненамного больше рассчитанного значения (25,5 мм), то есть условие не выполняется, то взаимоиндуктивность не влияет на проводники. Кроме того получили, что значения индуктивности и емкости между проводниками невелики. Поэтому влияние помех незначительно [16].

4.4 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.

Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру и рассеиваемую тепловую мощность. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 2 приведена зависимость между перепадом температури выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны S₃, м² для воздушного охлаждения [12, стр.145]:

; (50)

где А, В, Н – геометрические размеры блока, м

А=0,085 м; В= 0,105 м; Н=0,055 м.

К_з.о – коэффициент заполнения объема (К_з.о=0,41).

Тогда, получим

м²;

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

, (51)

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

, (52)

где I_max – максимальный потребляемый ток для цепи питания с напряжением питания U=+12 В, I_max=0,029 А.

Тогда, получим

Вт;

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 2 - Номограмма тепловой нагрузки блоков различной конструкции

Вт/м²

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Если устройство работает в не перегруженном режиме, тогда температура зоны должна быть меньше или равна Т_з=60С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=35С. Тогда перепад температур будет определяться по формуле

(61)

Для выбора способа охлаждения используем график приближенного определения необходимого способа охлаждения прибора (рисунок 2). Учитывая, что в проектируемом устройстве модули расположены горизонтально, получим что прибор относится к зоне 1’. По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция переговорного устройства на 100 абонентов не нуждается в вентиляции.

4.5 Расчет электромагнитной совместимости

Так как устройство не работает на высокой частоте, то расчет электромагнитной совместимости проводить не целесообразно.