6 Разработка конструкции узла

6.1 Выбор элемента внешней коммутации узла

Для обеспечения электрической связи ФУ с другими узлами, блоками, выносными элементами в конструкции должны быть предусмотрены элементы контактирования - соединители.

Соединители могут быть выбраны в виде вилки навесных разъемов; сформированных печатных концевых вставок на ПП; монтажных отверстий; штырей, впаянных в монтажные отверстия; и, наконец, контактных площадок. Для обеспечения удобства монтажа и ремонта все элементы  коммутации ФУ должны быть выведены на одну из сторон ПП.

6.2 Варианты компоновки узла

Под компоновкой РЭС понимают часть процесса конструирования, связанного с размещением на плоскости или в объеме отдельных составных частей изделия с учетом реализации необходимых электрических связей, взаимного влияния электромагнитных и тепловых полей. При компоновке ПП электрорадиоэлементы обычно заменяют их установочными моделями, которые представляют собой проекцию элемента на плату. Вариантов компоновки может существовать очень много. На рисунке 15 представлен один из вариантов компоновки проектируемого узла.

Рисунок 15.

6.3 Трассировка печатной платы

При разработке трассировки печатной платы следует учитывать необходимость проложения печатных проводников по линиям координатной сетки или под углом 450 к ним. Это нужно для облегчения автоматизированного получения рисунка печатной платы. Для третьего класса точности шаг координатной сетки 1.25 мм. Также следует учитывать выдерживание небходимого расстояния между печатными проводниками . Для платы третьей класса точности минимальная ширина проводника t и зазора s: 0.25 мм. Для уменьшения плотности протекающего через проводник тока выберем среднюю ширину проводника t=0.3 мм. В узких местах допустимая ширина может принимать значение t=0.25 мм. Трассировка платы показана на рисунке 16.

Рисунок 16.

Вариант  трассировки представлена на рисунке 16.

6.4 Маркировка печатной платы

Маркировка выполняется обычно методом проводящего рисунка (например, травлением) или же маркировочной краской. Маркировка травлением используется в основном при мелкосерийном производстве при невысокой плотности расположения проводников, когда экономически не выгодно изготовление сеточных трафаретов для маркировки краской. В нашем же случае предполагается крупносерийное производство аппаратуры. В этом случае выгоднее использовать маркировку краской. Современные технологии позволяют применять для всех видов маркировок  краску и типографскую печать на твердых поверхностях.

Таким образом, маркировка производится офсетным способом, который удобен при автоматизированном производстве.

Маркировочная краска разрабатываемого функционального узла должна отвечать следующим требованиям:

- возможность автоматического нанесения в условиях крупносерийного производства;

- механическая прочность;

- хорошая адгезия к маркируемой поверхности;

- диапазон рабочих температур от -60 до +450 С;

- рекомендация к маркировке стеклотекстолита.

Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет краска ЭП-572 (ТУ6-10-1539-79). Предлагается использовать краску белого цвета. Свойства краски ЭП-572: диапазон температур от –60 до +1500 С; обладает механической прочностью, маслостойкостью, хорошей адгезией к маркируемым материалам, водостойкостью, спиртобензиностойкостью.

6.5 Выбор покрытий и обеспечение влагозащиты печатной платы

В конструкции разрабатываемой печатной платы должны использоваться различные вида покрытий, которые предназначены для улучшения паяемости, защиты участков печатных проводников от воздействия припоя, обеспечения влагозащиты платы.

В качестве металлических покрытий для улучшения паяемости согласно ОСТ4.ГО.014.000. используются легкоплавкие припои, представленные в таблице 12.

Таблица 12

Предлагается использовать сплав Розе в виду его лучшей антикоррозийной защиты проводников по сравнению со сплавом Вуда или сплавом Липовитца, а также улучшенной способности к пайке. Его ближайшей заменой является ПОСВ-33.

Для электромонтажных соединений используется, обычно, припой марки ПОС-61. Он относится к легкоплавким припоям и предназначен для пайки выводов дискретных ЭРЭ и ИМС. Его выбор также обусловлен тем, что в изделии имеются полупроводниковые приборы, для которых недопустим перегрев.

Защита от влаги, а также от опасных механических повреждений предусматриваются в виде покрытия печатного узла после сборки лаком. Пленка лака создает барьер воздействию влаги и загрязнений на диэлектрическое основание, предохраняет тонкие проводники от повреждений, увеличивает механическую жесткость платы. Причем лак должен быть бесцветным для свободного прочтения маркировки нанесенной на плату. К покрытиям предъявляются требования хорошей адгезии, малой водопроницаемости  и коррозионной стойкости.

В качестве покрытия достаточно применение лака УР-231. Он обеспечивает хорошую защиту платы и ЭРЭ от воздействия климатических факторов, а также повышает и ее механическую жесткость. При этом он дешевле лака ЭП-730.

7 Проверочные расчеты

При разработке конструкции ПП необходимо провести ряд проверочных расчетов, которые подтвердили бы правильность примененных конструктором решений. К таким расчетам относятся:  определение минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями; расчет проводников по постоянному току;  расчет электрических параметров печатных проводников;  расчет механической устойчивости печатного узла.

Необходимость проведения тех или иных видов расчетов следует из технического задания и особенностей компоновки и трассировки.

Как видно из выбранного варианта трассировки (пункт 6.3), необходимость определения минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями отпадает в виду отсутствия прохождения проводников в узких местах между отверстиями. Расчет электрических параметров печатных проводников (паразитной емкости и индуктивности) производится, главным образом, для высокочастотных устройств. Ввиду того, что проектируемое устройство работает от постоянного напряжения, необходимость такого расчета тоже отпадает.

Таким образом, производится расчет проводников по постоянному току и  расчет механической устойчивости печатного узла.

7.1 Расчет проводников по постоянному току

Расчет проводников по постоянному току выполняется с целью определения нагрузочной способности печатных проводников по току, величине падения напряжения на проводниках. Критичными в этом отношении являются проводники цепей питания. Минимально допустимая ширина печатного проводника определяется по формуле (2):

t > Imax/h j,                                                                                                 ( 2)

где Imax – максимальный ток, протекающий через проводник, в нашем случае составляет 6 мА для входной цепи;

h – толщина проводника (мм), в нашем случае 35 мкм ;

j – допустимое значение плотности тока (A/мм2), зависит от метода изготовления ПП и для химического метода при толщине фольги 35 мкм составляет 20 A/мм2.

Произведенный расчет показывает  t > 0,08 мм. Таким образом, печатный проводник шириной 0,25 мм (минимальная ширина проводника для печатной платы третьего класса точности) обладает более чем достаточной нагрузочной способностью по току.

Допустимое падение напряжения для  микросхемы на цепях питания не должно превышать 1-2% номинального значения подводимого напряжения, то есть 0,24 В (при напряжении питания 15 В). Падение напряжения на проводнике определяется по формуле (12):

U=ρ lпр Imax/ht       (3)

где ρ - удельное сопротивление проводника, для медной катаной фольги ρ = 0,017 Ом*мм2/м2;

lпр – длина проводника, 50 мм.

Произведенный расчет показывает  U=0.048 В, гораздо меньше 0,24 В.

Таким образом, проводники удовлетворяю предъявляемым требованиям.

Допустимое рабочее напряжение между проводниками печатной платы определяется по таблице 13. Как известно из пункта 2, максимальное (амплитудное) значение действующего в проектируемом устройстве напряжения 15В.

Таблица 13

Как видно из таблицы 13, для проектируемого функционального узла расстояние между проводниками должно быть не меньше 0,50 мм. Выбранный третий класс точности печатной платы (минимальное расстоянии между проводниками 0,25 мм) вполне удовлетворяет этому требованию.

7.2 Расчет на вибропрочность печатной платы

Вибропрочность платы определяется его собственной частотой (Гц), определяемой по формуле (4):

,       (4)

где а – длина пластины, см;

h – толщина пластины, см;

с – частотная постоянная.

Значения частотной постоянной в зависимости от варианта закрепления и от отношения длин сторон платы определяются по таблице 4.1 [2].

В качестве варианта установки разрабатываемого узла будем использовать вариант установки путем закрепления винтами по углам. Схема закрепления платы приведена на рисунке 17.

Рис. 17. Вид закрепления платы

Имеет отношение длин сторон а/b=1,0. Тогда по таблице 4.1 [3] частотная постоянная с=45,8.

  Формула (4) используется для расчёта стальных ненагруженных пластин. Если пластина изготовлена не из стали, а из другого материала, то в формулу вводится поправочный коэффициент на материал:

,  (5)

где ЕСФ и ρСФ - модуль упругости (3.45×105 кг/см2) и плотность (2,5 г/см3) стеклотекстолита фольгированного; Ес и ρc - модуль упругости (21*105 кг/см2) и плотность (7,35 г/см3) стали.

Тогда Км=0,69.

Если пластина равномерно нагружена, то вводится поправочный коэффициент на массу элементов:

,   (6)

где МЭ – масса элементов, равномерно размещенных на пластине, равна 15 г;

МП – масса  пластины, при толщине 2мм и размерах 43,8*47,6 мм его масса будет около 13,76 г.

Тогда Кмас=0,710.

Таким образом, формулу для определения собственной частоты колебаний равномерно нагруженной пластины можно записать в следующем виде:

=0,710*0,69*45,8*150000/43,82=1754

При подстановке данных в формулу (7) получится fc=1754 Гц. Внешняя верхняя частота из технического задания равна 15 Гц. Так как отношение внешней частоты к собственной равна двум, то виброзащита данной платы удовлетворительна.

Заключение

В данной курсовой работе было проведено проектирование функционального узла на печатной плате. При разработке функционального узла были произведены работы по выбору элементной базы, соответствующей техническому заданию и схеме электрической принципиальной; определены необходимые  тип, класс точности,  метод изготовления и размеры печатной платы, а так же необходимые размеры для установки элементов. Кроме того, произведен выбор необходимых покрытий для маркировки, обеспечения влагозащиты платы и паяемости контактных площадок.

Требования технического задания были полностью учтены. Особое внимание обращалось на обеспечение высокой надежности и массогабаритные характеристики разрабатываемой печатной платы, что необходимо при разработке носимой аппаратуры. Вариант компоновки и соответствующий ему вариант трассировки являются достаточно удачным. Проведенные проверочные расчеты показали состоятельность конструктивных решений, применяемых при проектировании.

Библиографический список

1. Леухин В.Н. Выбор элементной базы по эксплуатационным и конструктивным параметрам: Справочное пособие. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003.

2.Леухин В.Н. Радиоэлектронные узлы с монтажом на поверхность: конструирование и технология: Учебное пособие.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.

3. Леухин В.Н. Проектирование радиоэлектронных узлов: Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Периодика Марий Эл, 2003.

4. Леухин В.Н. Основы конструирования и технологии производства РЭС: Учебное пособие. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.

5. Справочник для элементов монтажа на поверхности КМП 06: Электронная база данных

6. Справочник радиолюбителя. Полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Электронная база данных.

 http://www..ru/

Страницы: 1, 2, 3, 4