курсовой проект / Настенное цифровое табло / 4 конструкторские расчеты+

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЁТЫ

4.1 Расчет печатного монтажа

Для соединения элементов электрической схемы данного устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая наличие интегральных схем и высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86, выбираем 4 класс точности.

Для конструкции модуля используется двусторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления ПП – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78. Толщина ПП-1,5 мм.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции ПП в соответствии с ГОСТ 23751-86. Размер печатной платы (ПП2) в соответствии с ГОСТ 23751-86 равен 70110. Метод изготовления ПП – комбинированный, позитивный, по четвертому классу точности.

Исходные данные:

- расчетная толщина печатной платы Н_р, мм 1,5;

- толщина фольги, h, мм 0,05;

- диаметры вывод

Д_выв1(микросхемы, транзистор, резистор) 0,5;

Д_выв1(диоды) 0,7;

Д_выв1(конденсаторы) 0,9;

- максимальный постоянный ток I_max,А 0,02;

- напряжение питания U, В ±5 В;

- допустимая плотность тока I_доп, А/мм² 38;

- наибольшая длина проводника, м 0,25.

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

4.1.1 Р а с ч е т п о п о с т о я н н о м у т о к у Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения.

U_доп=U*0,05=5*0,05=0,25 В

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

(29)

Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем:

(30)

где  - удельное объемное сопротивление материала проводника, Оммм²/м. Для меди =0,0175 Оммм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2. Поэтому ширина проводников питания и заземления равна: b=1 мм.

4.1.2 К о н с т р у к т и в н о – т е х н о л о г и - ч е с к и й р а с ч е т 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.

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

D=D_выв+d_н.о+Δ_з; (31)

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

Δ_з - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, принимаем Δ_з=0,1мм.

D_ном1=D_выв1+0,1+0,1=0,5+0,1+0,1=0,7 (32)

D_ном2=D_выв2+0,1+0,1=0,7+0,1+0,1=0,9 (33)

D_ном3=D_выв3+0,1+0,1=0,9+0,1+0,1=1,1 (34)

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_Рv=1,50,33=0,495мм (35)

где H_Р - расчетная толщина печатной платы;

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

Так как число отверстий с различным диаметром должно быть минимальным, то принимаем диаметр переходного отверстия равным.

D_M=0,6 мм

Определяем диаметры контактных площадок. Максимальный диаметр просверленного отверстия:

D_max1=D_ном1+Δd+0,1, (36)

где Δd – допуск на отверстие, мм. Принимаем Δd=0,1 мм. Значит:

D_max1=D_ном1+0,1+0,1=0,7+0,2=0,9 мм; (37)

D_max2=D_ном2+0,1+0,1=0,9+0,2=1,1 мм; (38)

D_max3=D_ном3+0,1+0,1=1,1+0,2=1,3 мм. (39)

Минимальный эффективный диаметр контактных площадок равно по формуле:

(40)

(41)

(42)

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

_d, _P - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм. Принимаем _d=0,05 мм, _P=0,15 мм.

D_max - максимальный размер просверленного отверстия, мм.

Минимальный диаметр контактных площадок (КП), при покрытии олово-свинец:

D_min1= D_min1+1,5h_r=1,35+1,50,05=1,425 мм; (43)

D_min2= D_min2+1,5h_r=1,55+1,50,05=1,625 мм; (44)

D_min3= D_min3+1,5h_r=1,75+1,50,05=1,825 мм; (45)

где h_r – толщина металлорезиста, мм.

Максимальный диаметр контактной площадки КП:

D_max=D_min+0.05; (46)

где D_min – минимальный диаметр КП.

Тогда максимальный диаметр КП равен:

D_max1= D_min1+0,05=1,425+0,05=1,475 мм; (47)

D_max2= D_min2+0,05=1,625+0,05=1,675 мм; (48)

D_max3= D_min3+0,05=1,825+0,05=1,875 мм; (49)

Приводим максимальные диаметры КП к нормальному размерному ряду по ГОСТ 6663-69.

D_max1= 1,5 мм;

D_max2=1,7 мм;

D_max3= 2,0 мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника

t_min= t_min1+1,5h+t=0,15+1,50,05+0,03=0,255 мм, (50)

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 t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника

t_max= t_min+0,02=0,275 мм, (51)

Округляем максимальную ширину сигнального проводника 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:

(52)

где L_э- расстояние между центрами рассматриваемых элементов, L_э=2,5 мм;

δ_l - допуск на расположение проводников, δ_l = 0,3мм.

(53)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа

(54)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа

(55)

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм. Если условие выполняется ,то в этом случае минимальное расстояние между сигнальным проводником и КП удовлетворяют заданному условию.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками:

S_min1= L_Э -(t_max+2₁)=1,25-(0,3+20,03)=0,89 мм. (56)

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником:

(57)

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками третьего типа (если данная рассчитываемая величина войдет в допустимый предел, то нет смысла определять расстояние между контактными площадками первого типа, или контактными площадками первого и второго типов, первого и третьего типов и т.д., так как контактные площадки третьего типа наибольшие по диаметру).

S_min1= L_Э -(D_max3+2_P)=2,5-(2+20,15)=0,2 мм (58)

Между КП третьего типа (с ø=2,0 мм) нельзя проложить проводник, если отверстия находятся в друг соседних узлах координатной сетки.

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

S_4min=0.5D_1max+D_2max+2*δ_p+( t_max+δ₁)*N_л+S(N_л+1), (59)

где D_1max, D_2max – диаметры металлизированных отверстий;

N_л – число проводников;

S – номинальное расстояние между проводниками.

S_4min=2,7 мм (60)

Невозможно проложить проводник между двумя соседними отверстиями  2 мм.

4.2 Расчет электромагнитной совместимости

Целью расчета электромагнитной совместимости является определение работоспособности устройств в условиях воздействия перекрестных помех в линиях связи, а также внешних электромагнитных полей.

Так как в нашем устройстве самыми чувствительными элементами к воздействию помех являются микросхемы, то расчет электромагнитной совместимости будем вести только для них.

На рисунке 2 представлена эквивалентная схема электромагнитной совместимости активной (питание микросхемы) и пассивной (сигнального проводника) линии для микросхемы.

Модуль первого уровня выполняется в виде точности из стеклотекстолита СФ-2Н-50. Ширина проводников и расстояние между ними равны 1,54 мм. Максимальное напряжение в активной линии 5 В на частоте 50 Гц. В ячейки используются микросхемы серии К155.

В состоянии логической единицы помеха меньше влияет на срабатывание логического элемента, чем в состоянии логического нуля, так как в этом случае выше помехоустойчивости ЭРЭ. Потому рассмотрим случай, когда на выходе логический нуль.

Необходимые данные для расчета перекрестных помех приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Электрические параметры используемой серии микросхем.

Серия ИС	Uвх, B	Uвых, B	Iвх, мA	Iвых, Ом	Rвх, Ом	Rвых, Ом
К155	7,2	0,5	10	1	720	580

При этом входное и выходное сопротивления определяются по формуле:

(61)

(62)

Исходные данные для расчета: Е - напряжение генератора в активной линии связи:

Е=Е₀е^jwt, (63)

где w=2f - круговая частота генератора.

Для разрабатываемого устройства:

E₀=5 В,

f=50 Гц.

R1, R2, R3 - сопротивление нагрузок в активной и пассивной линиях;

 - расстояние между проводниками (минимальное расстояние между краями проводников =1,510^-4 м);

h - толщина проводников (h=510^-5 м);

b - ширина проводников (b=310^-4 м);

U_в - помехоустойчивость микросхем;

L - длина области связи проводников.

Для предварительного расчета длину области связи проводников можно принять равной максимальной стороне ПП, т.е. L=0,25 м.

Диэлектрическая проницаемость среды между проводниками:

_r = 0,5_п = 0,56=3, (62)

где _п - диэлектрическая проницаемость материала платы. Для стеклотекстолита _п = 6.

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

Паразитная емкость, возникающая между параллельными проводниками на ПП, ПФ:

(65)

Определяем взаимную индуктивность в параллельных проводниках печатной платы, мкГн:

(66)

(67)

Вычисляем сопротивление изоляции между проводниками активной и пассивной линий связи. Для проводников, расположенных на одной поверхности ПП, Ом:

R_и=  L, (68)

где  - удельное поверхностное сопротивление основания печатной ПП (у стеклотекстолита =510¹⁰ Ом).

Вычисляем сопротивление изоляции между проводниками активной и пассивной линий связи:

R_и=  L= 510¹⁰1,510^-4 / 0,25=310⁷ Ом (69)

Определяем действующее напряжение помехи на сопротивлениях R₂ и R₃. При расчете помехоустойчивости печатных узлов нагрузкой пассивной и активной линий можно считать входные сопротивления микросхем. Тогда расчет проводится по формуле:

(70)

(71)

Определим действующее напряжение помехи на входе микросхемы К176 в режиме логического “0”.

(72)

Сравниваем действующее напряжение помехи в пассивной линии с помехоустойчивостью микросхемы. Для используемых серий микросхем U_п=0,5 В, т.е. U⁰_вых<<U_п.

Таким образом, действие помехи не приведет к нарушению работоспособности модуля.

Вывод: Из проведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в техническом задании, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования.

4.3 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.

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 ,С

Рисунок 4 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции

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 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 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(AB+(A+B)HК_з.о), (73)

где A, B, H - геометрические размеры блока, м.

A=0,640 мм; B=0,350 мм; H=0,108 мм

К_з.о - коэффициент заполнения объема (К_з.о =0,35).

Тогда, получим:

S_з =0,5228 м² (62)

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

(74)

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

Q = I_maxU, (75)

где I_max - максимальный потребляемый ток для цепи питания;

U - напряжение питания. Так как I_max=0,02 А, а U=5В.

Тогда, получим:

Q=0,025=0,1 Вт; (76)

(77)

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 ⁰С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=40 ⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле:

t_k =Т_з-Т_с = 60-40 = 20 ⁰С (78)

Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 4). Учитывая, что в проектируемом блоке модули расположены горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 1, следовательно, устройство не нуждается в вентиляции.

Вывод: Из приведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в ТЗ, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования.